基于Mach3的開放式數(shù)控車床系統(tǒng)換刀宏程序開發(fā)

王建強(qiáng)，潘王琴，張棉好

WANG Jian-qiang, PAN Wang-qin, ZHANG Mian-hao

（浙江師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，金華 321019）

0 引言

隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大。目前，我國數(shù)控機(jī)床采用的系統(tǒng)有日本的發(fā)那克、三菱、德國的西門子等，近年來我國對(duì)裝備技術(shù)特別是數(shù)控技術(shù)的研發(fā)投入較大，但可靠性有待進(jìn)一步提升，因此，國產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)占有率仍然較低。無論是國外還是國產(chǎn)的系統(tǒng)，絕大數(shù)情況下必須采用相應(yīng)的專用配件，一旦發(fā)生故障，維修困難且成本較高。近年來，我中心開展了開放式數(shù)控車床控制系統(tǒng)的相關(guān)研究，采用美國Mach3軟件及計(jì)算機(jī)平臺(tái)，成功開發(fā)了開放式數(shù)控車床實(shí)驗(yàn)臺(tái)。本文主要針對(duì)數(shù)控車床自動(dòng)換刀功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行一定的研究，并開發(fā)出相應(yīng)的控制宏程序。

1 基于Mach3的開放式數(shù)控車床系統(tǒng)的組成

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用PC機(jī)加MACH3軟件軟模擬運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成控制核心；步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成進(jìn)給系統(tǒng)；直流電機(jī)及PWM調(diào)速電路構(gòu)成主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；電源、接口板、各軸限位開關(guān)、原電開關(guān)及對(duì)刀器構(gòu)成輔助系統(tǒng)。

在加工過程中，由PC機(jī)加MACH3軟件構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制核心負(fù)責(zé)對(duì)加載的刀路文件進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過接口板發(fā)送到各軸向驅(qū)動(dòng)器上控制各軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)：由電源模塊提供整個(gè)控制系統(tǒng)所需要的電力；由各軸限位開關(guān)、原電開關(guān)及對(duì)刀器來確定機(jī)床各軸向的絕對(duì)零點(diǎn)坐標(biāo)，并保證系統(tǒng)在安全的范圍內(nèi)進(jìn)行工作：由直流電機(jī)及PWM調(diào)速電路構(gòu)成主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制主軸的轉(zhuǎn)速?？刂葡到y(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

Mach3是一款對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求不高的開放式軟件，一般的PC機(jī)就可以滿足其運(yùn)行要求。該軟件不僅具有一般數(shù)控設(shè)備所需要的功能，還具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，可根據(jù)用戶需要外加諸如觸摸屏、手動(dòng)控制手柄等多種外圍設(shè)備。軟件界面顯示簡單、信息豐富形象，便于上手，此外，用戶還可以根據(jù)自己的喜好自行定制軟件界面。

2 電動(dòng)刀架控制電路

2.1 安裝與調(diào)試

1）在中拖板上打好相應(yīng)的螺釘孔，然后把刀架置于中拖板上，LD系列或LDB系列刀架用一字螺絲刀擰下刀架下刀體軸承蓋悶頭，然后用內(nèi)六角扳手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿，使上刀體旋轉(zhuǎn)約45°，即可露出刀架安裝孔，然后用相應(yīng)的螺釘把刀架寄存定，并調(diào)整刀尖與車床主軸中心一致。

圖2 數(shù)控車床系統(tǒng)操作界面

2）首次通電時(shí)，如發(fā)現(xiàn)電機(jī)者轉(zhuǎn)有悶聲，應(yīng)立即關(guān)閉電源，調(diào)換三相線相序。

2.2 電動(dòng)刀架工作原理

系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(hào)，正轉(zhuǎn)繼電器動(dòng)作，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)蝸桿，蝸桿則帶動(dòng)蝸輪及與蝸輪相連接的螺桿旋轉(zhuǎn)，螺母開始上升；同時(shí)螺桿帶動(dòng)離合盤轉(zhuǎn)動(dòng)，定全銷在離合盤平面上滑動(dòng)，當(dāng)螺母上升至一定高度時(shí)，三端齒嚙合脫開，定位銷滑入離合盤槽中，此時(shí)螺桿帶動(dòng)離合盤、離合銷、螺母、上刀體、外端齒及反靠銷開始轉(zhuǎn)位，反靠銷從反靠盤槽中爬出，即上刀體開始換刀動(dòng)作。

當(dāng)上刀體轉(zhuǎn)到指令刀位時(shí)，霍爾元件發(fā)出到位信號(hào)，正轉(zhuǎn)繼電器松開、反轉(zhuǎn)繼電器吸合，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，螺桿帶動(dòng)離合盤、離合銷、反靠銷和上刀體反轉(zhuǎn)。當(dāng)反靠銷在反靠盤平面上移動(dòng)經(jīng)過反靠槽時(shí)，反靠銷被彈簧彈入反靠槽。由于反靠銷進(jìn)入反靠槽，反靠銷直角面與反靠槽直角面相互頂?。ǖ都芡瓿纱侄ㄎ唬?，阻止了反靠銷、離合銷、上刀體的轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)離合盤在螺桿的帶動(dòng)下繼續(xù)反轉(zhuǎn)，離合銷從離合盤槽中爬出，螺母開始下降，直至三端齒完全嚙合，完成精定位，刀架鎖緊，此時(shí)反轉(zhuǎn)時(shí)間到，反轉(zhuǎn)繼電器松開，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并向微機(jī)發(fā)出回答信號(hào)，加工程序開始。

3 自動(dòng)換刀控制程序的開發(fā)及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

3.1 自動(dòng)換刀控制宏程序的開發(fā)

電動(dòng)刀架換刀流程如圖3所示。

圖3 電動(dòng)刀架換刀流程圖

根據(jù)換刀動(dòng)作，本課題開發(fā)出四刀位電動(dòng)刀架自動(dòng)換刀的控制宏程序，程序如下：

將上述程序輸入到Mach3軟件的VB編程中，具體操作如下：

1）點(diǎn)擊“操作”菜單→【VB腳本編輯】如圖4所示，則彈出VB腳本編輯器，如圖5所示；

圖4 VB腳本編輯器

2）在VB編輯器中，輸入自動(dòng)換刀宏程序，并保存為M06Start.mls，如圖6所示。

圖5 保存文件

3.2 控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)置

在自動(dòng)換刀宏程序保存后，還需對(duì)軟件進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。

1）軟件設(shè)置自動(dòng)換刀

設(shè)置該功能的目的是使車床在執(zhí)行加工程序時(shí)，遇到M06指令即實(shí)現(xiàn)刀架轉(zhuǎn)換。

圖6 換刀設(shè)置

2）輸出輸入?yún)?shù)的設(shè)置

開放式數(shù)控車床系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)并口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)間的通訊。如前所述，在電動(dòng)刀架換刀時(shí)，需要從并口板發(fā)出換刀指令脈沖，然后刀架進(jìn)行轉(zhuǎn)位，并檢測(cè)刀架是否到位，因此需要output信號(hào)和Input信號(hào)。其設(shè)置內(nèi)容如圖7和圖8所示。

圖7 Output信號(hào)設(shè)置

設(shè)置完畢后，在執(zhí)行NC程序時(shí)，用M06指令調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)刀架的自動(dòng)換刀。

圖8 Input信號(hào)設(shè)置

4 結(jié)論

開放式數(shù)控系統(tǒng)以其低成本、高性能、高可靠性和資源豐富的特點(diǎn)，在全世界范圍內(nèi)得到越來越廣泛的應(yīng)用，利用開放式系統(tǒng)的平臺(tái)在各系統(tǒng)模塊中運(yùn)用軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能，不僅能夠充分降低生產(chǎn)成本，減少系統(tǒng)的硬件投入，也能更好地與數(shù)控平臺(tái)融合，加強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

[1]張昱.三維機(jī)械雕刻機(jī)的研制[M].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2002.

[2]張俊.數(shù)控原理與數(shù)控系統(tǒng)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009.