基于MACH3的教学型五轴联动数控铣床的电气控制系统设计

2024.08.10

曹川川　郭鹏远　杨大奎

摘要：为降低中小型企业和学校五轴数控机床的成本，促进五轴数控技术应用人才的培养，设计了一台基于UG的教学五轴联动数控铣床。电气控制系统采用MACH3运动控制卡为核心，进给系统采用步进电机、主轴系统采用变频器，基于电气参数对系统电路进行设计。系统调试包括对系统软件、变频器的调试和软件界面开发、编写程序试运行等。

关键词：MACH3;教学;五轴;铣床

中图分类号：TP-319 文献标识码：A

Abstract： The purpose of this paper is to reduce the cost of small and medium-sized enterprises and school five-axis CNC machine tools， and promote the training of five-axis CNC technology application talents. Designed a UG-based teaching five-axis linkage CNC milling machine. The electrical control system adopts MACH3 motion control card as the core， the feed system adopts stepping motor and the spindle system adopts frequency converter， and the system circuit is designed based on electrical parameters. System debugging includes debugging of system software， frequency converter and software interface development， writing program test run， etc.

Keywords： MACH3; teaching; five axes; milling machine

0 引言

为降低中小企业和学校五轴数控机床的成本，推动五轴数控技术应用型人才的培养，开发了一种教学五轴联动数控铣床[1]，实物如图1所示。采用MACH3运动控制卡+平板电脑为控制主体，模块化搭建双回转台五轴联动数控铣床的硬件结构。通过我们的努力，将大型五轴联动数控铣床微型化后搬进实验室或车间，让更多学员更好地掌握五轴联动数控铣床的加工原理与机床结构，方便于教员教学和科研。

1 电气系统设计

五轴联动数控铣床控制原理为用USB将PC与MACH3连接起来，实现PC对MACH3的双向通信及控制，MACH3进而控制步进驱动器与主轴变频器，X、Y、Z、A和C五个运动轴的运动由步进驱动器来控制[2]，从而实现了工件五个方位的运动，通过主轴变频器控制主軸的起转停及转速由此实现主轴运动控制。控制系统硬件结构示意图如图2所示。

1.1 MACH3运动控制卡

MACH3由美国公司制造，性能强大，是目前市面上雕刻机、微型多轴机床的主要控制卡。此型号MACH3有15个信号输入端，这些信号输入端可以接急停开关、限位开关、原点开关等一些辅助信号元件，还有8个公共输出端，这些输出端口可以接继电器，继而控制一些报警灯、报警器等。MACH3控制器实物、接线图如图3、图4所示。

1.2 进给系统控制——步进电机

当步进驱动器接收到脉冲信号时，驱动步进电机在设定方向上旋转固定角度（称为“步进角”）[3]。步进电机+步进驱动器实物如图5所示。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲数来控制角位移，以实现精确定位;同时，通过控制脉冲频率可以控制电机旋转的速度和加速度，达到调速和定位的目的[4]。输入输出接线图如图6、图7所示。

1.3 主轴系统控制——变频器+主轴电动机

变频器（如图8）是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备[5]。我们选用15 kW的风冷主轴电机，型号为TDK80-1.5F-24K，接线图如图9所示。

2 MACH3软件系统调试

调试与设计一样可以分为多个部分，将调试步骤分为以下几部分：端口针脚调试、电机调试、变频器调试。

2.1 电机输出

这个选项里用来控制电机方向的，当电机实际转向与我们定义的不相同时，可以对相应轴的第五列对错更改就可以了，注意最后的Spindle为主轴控制（如图10）。

2.2 输入信号

输入信号选项包含的内容比较多，包括限位开关、原点开关、对刀仪和急停的定义和使能。在添加外部按钮时还要调相应功能的OEM代码。

板子输入端口从In1～In16，这里填的就是对应的端口，比如限位开关接到In2，那么这里就填2。手轮上的急停开关为输入端口In17，所以填17。OEM Trig#1表示OEM1号代码，外加按钮开关时用。急停开关接在In14，开始开关接在In11，复位开关接在In12，所以对应OEM Trig#1～3的Pin Number填14、11、12（如图11）。

2.3 输出信号

板子输入端口从O9～O16，这里填的就是对应的端口，比如继电器接到O9，那么这里就填9。16、15对应主轴电机正反转输出，9～12为4个输出继电器（如图12）。

2.4 编码器/电子手轮

由于MACH3在设计时就给手轮留有15并口的插口，所以直接插接上就可以了。但在软件中还是要设置的，只需打开MPG#1就可以了，其他不改（如图13）。

2.5 主轴设置

设计时将O16和O15设置为主轴电机正反转，O16有对应Output#1，O15对应Output#2此选项中继电器控制框中顺时针应填输出#1，逆时针填输出#2（如图14）。

3 结论

本文对已开发的教学型五轴联动数控铣床样机进行配电，电气控制系统采用MACH3运动控制卡为核心，进给系统采用步进电机、主轴系统采用变频器，基于电气参数对系统电路进行设计。系统调试包括对系统软件、变频器的调试和软件界面开发、编写程序试运行等。

教学经济型五轴联动数控铣床拥有自主知识产权，两项实用新型专利、一项发明专利;学生创办重庆志飞智能科技有限责任公司，取得重庆市璧山区第二届创新创业大赛三等奖1项。

参考文献：

[1] 严浩.教学用五轴联动数控铣床原理样机设计与研究[D].上海：东华大学，2014.

[2] 顾翔 .旋转超声加工振动系统特性分析、装置设计及其试验[D].扬州：扬州大学，2017.

[3] 田秀梅.试谈步进电机在智能寻迹小车上的应用[J].电子技术，2011（8）：31-32.

[4] 刘达新，李学华.步进电机脉冲计数方法介绍[J].电子制作，2017（14）：5-6.

[5] 夏志华，张德田，李玉金.农业电动机多档转速中变频器的控制应用[J].安徽农业科学，2012（22）：527-528.