基于MACH3的数控铣实训台研究

    王景辉 杨配轻 李文涛

    摘 要：以数控雕刻机为基础构建的数控操作平台，通过MACH3数控软件进行编程控制，使用USB端口作为CNC设备的输入与输出，输出脉冲与方向信号，控制步进电机或伺服电机驱动器，从而实现控制数控机床。此台架结构简单，拆装方便且成本较低，满足小型客户和教学使用的要求。

    关键词：数控雕刻机；MACH3数控软件；CNC设备

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.005

    近年来制造业飞速发展，社会对装备制造专业的人才需求比较多，而数控技术作为装备制造的一门课程，发挥着越来越重要的作用，对数控技术等相关专业的人才需求越来越多，因此学好数控专业的相关知识发挥着越来越重要的作用。目前，我国数控机床采用的系统有日本的发那科、三菱、华中数控、德国的西门子等。而对于数控机床，无论是国产的还是国外系统的，设备成本都比较高，体积较大，场地占用大，运行维护也不方便。为此，本文就开发了一种基于MACH3软件的数控铣实训台架。此台架结构简单，拆装方便且成本较低，适合相关设备拆装、机床操作、数控编程等相关项目的开展实施，满足了小型客户和教学使用的要求。

    1 机械结构的设计

    机架是数控铣台架的机械结构部分，而机架对加工过程起重要作用。机架有固定式和移动式，固定式即工作台移动式龙门机架，除了工件重量以外工作台重量也非常重，如果长期加工较重的工件，导轨磨损加剧，加工精度会降低。而移动式机架是横梁移动，工作台不动，具有非常好的承载能力，导轨磨损小且稳定，能保持长久的加工精度，因此采用移动横梁式的龙门机架。主轴架横向移动，完成宽度（X方向）的切削，主轴架上下运动，完成深度（Z方向）的切削，横梁纵向移动，完成长度（Y方向）的切削。

    主轴部分采用220V水冷高速电主轴，轴端装有钻夹头用来装夹刀具，传动部分采用步进电机驱动滚珠丝杠实现各个方向的铣削加工，并用直线导轨实现导向。

    2 控制系统设计

    2.1 系统控制方式分析

    本数控铣实训台架控制系统主要由三部分组成：数控装置、主轴驱动系统和进给驱动系统。

    根据有无反馈装置，数控系统分成闭环控制系统、半闭环控制系统、开环控制系统。闭环控制系统带有位置检测裝置，可以消除整个驱动和传动环节的误差，具有最高的位置控制精度，这种系统的结构复杂，安装和调试困难，且价格昂贵；半闭环控制系统位置检测装置安装的伺服电机或丝杠的端部，不包括或只包括少量的机械传动环节，稳定性比较好，但精度较闭环控制系统差，结构简单，调试方便，价格稍低；而开环控制系统无位置反馈装置，具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高，驱动力矩不大的场合得到了广泛的应用。本文设备用于教学演示及程序验证，对加工精度及切削力矩要求不高，为此采用开环控制系统。

    2.2 控制系统整体设计

    数控机床的核心部分：数控装置。数控装置：对零件图样和工艺要求进行数字化信息处理，建立数学模型进行插补计算，根据计算结果对机床进行控制，完成零件的加工。本文中采用PC机加MACH3软件模拟运动控制卡作为控制核心。

    进给驱动系统：步进电机及其驱动器构成进给驱动系统。数控装置将插补计算结果转换成脉冲信号和方向电平输出给步进电机驱动器，由驱动器转化成相电压控制步进电机运动。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件。本文采用的是57系列步进电机，步距角为1.8°，即控制系统没发出1个脉冲信号电机转过的角度为1.8°。控制步进电机的是TB6600驱动器。

    主轴驱动系统：变频器及PWM调速电机构成主轴驱动系统。变频器接收数控装置输出的0～10V模拟量和方向电平，控制主轴的启停、转速、方向。电机主轴调速采用PWM脉冲宽度调制技术。脉宽调制信号是数字信号，通过矩形波的占空比来表示电机实际转速和最高转速的比值。占空比越大，高电平时间越长，输出的脉冲幅度越高，电压越高，占空比为零时，无电压输出，因此通过调节占空比，来控制电机转速。

    电源模板、专用接口板、各轴（X、Y、Z轴）限位开关、参考点限位开关、急停开关、手轮调速等构成了辅助系统。在加工过程中，由PC机加MACH3软件构成的运动控制核对载入的NC程序进行处理，将接收到的数据信息传动到各轴驱动器，控制各轴的步进电机运动；电源模块提供整个系统所需要的电源；限位开关保证整个装置能在安全范围内运动；机床各轴向的绝对零点坐标由参考点限位开关控制；主轴驱动系统由电机及PWM调速电机构成，控制主轴的转速。控制系统工作原理由下图所示：

    2.3 控制系统软件设计

    计算机辅助制造UG软件可以把加工模型模拟成刀具的运动轨迹，生成驱动数控机床运动的代码，将这些代码导入到MACH3软件中，MACH3通过输出端口将代码和设定的参数转化成控制信号输给运动控制卡。

    MACH3软件功能强大，利用PC机的运算功能来实现译码、插补、补偿和控制等功能。它功能强大，应用广泛，界面简单、信息丰富。目前，软件成功运用到各数控系统中，比如雕刻机、铣床、等离子电弧切割机等。MACH3软件界面如图所示：

    在MACH3中输入G代码以及辅助功能M代码，转化成输出信号，通过连接在并口输出脚针的数据传送到机床，控制电机电流接触器。电机主轴调速采用PWM脉冲宽度调制技术。此技术比较简单，广泛应用于电机调速控制领域。电路简单，只需采用一些脉冲触发控制电路和一些晶体管等器件组合便可方便实现，动态响应灵敏，调速范围宽，实现对转速的无级调节，调速平滑。脉宽调制信号是数字信号，通过矩形波的占空比来表示电机实际转速和最高转速的比值。占空比越大，高电平时间越长，输出的脉冲幅度越高，电压越高，占空比为零时，无电压输出，因此通过调节占空比，来控制电机转速。

    刀具磨损或者换刀之后刀尖与电机之间的位置关系会变化，直接影响工件的加工质量，因此在对工件加工之前必须对刀。首先设置好对刀端口，再点击软件界面的“操作”、“编辑按钮脚本”，此时主界面中对刀按钮闪动，点击按钮弹出代码编辑区，对刀时的速度、距离以及运行时的速度应根据实际情况来定。对刀操作时，在材料表面放置对刀块，点击“对刀”按钮，刀头会慢慢下降，当刀头刚刚碰到对刀块时，Z轴坐标会自动清零，刀头自动上抬到安全位置，对刀完成。

    3 结束语

    本文设计的基于MACH3数控铣实训台架，结构简单，成本低，满足了设计的要求。操作简单，维修方便，易于理解和掌握，对加工精度要求不高的工件，能够达到所需的效果。此台架可以开展相应的数控实训教学，有很好的使用价值。

    参考文献：

    [1]Robert Istepanian， James F. Whidborne.Digital Controller Implementation and Fragility：Springer，2006.

    [2]李威，王春义，吴志刚，孙浩翔，李祥利.基于MACH3软件的经济性数控四轴雕刻机的设计[J].机械工程与自动化，2016（194）：111-113.

    [3]罗奇亮，马保吉.基于MACH3软件的经济型三维机械式雕刻机开发[J].机电产品开发与创新，2009（22）：184-186.

    [4]王建强.基于MACH3的经济型数控铣床试验台的研发[J].新技术新工艺，2012（01）：4-6.

    [5]朱晓春.数控技术[M].北京：机械工业出版社，2018：1-50.

    [6]陈胜，章海，李静敏.雕刻机在CAM实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2009（04）：65-67.

    [7]吴一川，张辉，李方等.基于“PC+CPLD”的激光雕刻机教学实验平台设计[J].实验技术与管理，2015（01）：87-90.