基于MACH3控制系統的5軸數控實驗臺的設計

李秀霞

（上海電子信息職業技術學院機電工程系，上海201411）

1 引 言

5 軸機床技術難度大，造價高昂，5 軸聯動數控加工技術已經成為一個國家先進制造業水平乃至綜合國力的重要標志。目前只有美國、德國、日本、韓國等為數不多的發達國家擁有成熟的5 軸技術，而且對發展中國家施行嚴苛的技術封鎖和價格壟斷。動輒幾百萬的售價導致5 軸機床很難在國內制造業廣泛普及，5 軸技術研究和應用的薄弱也令國內大部分高校教學只能淺嘗輒止。因此，5 軸技術國產化已經成為我國廣大科技工作者所面臨的緊迫課題。

本課題主要研發制造一款可用于高校教學的經濟型小尺寸規格的5 軸數控實驗臺。該設備采用功能強大的MACH3 數控系統，并采用目前最專業的的UG/Post 軟件進行后置處理，采用工作臺沿A、C 兩個旋轉坐標加工運動的搖籃式機械結構。該課題的研發將使高校購置并利用經濟型的5 軸實驗臺進行教學實訓成為可能，對于高校應用推廣5 軸加工技術具有重要意義，并具有重要的科研價值和廣闊的市場前景。

2 5 軸數控雕刻機的總體設計

2.1 確定5 軸數控實驗臺的運動類型

5 軸機床的運動類型很多，常見5 軸加工中心的運動類型主要有以下兩類：

圖1 主軸頭回轉A、B 旋轉軸實驗臺結構

圖2 工作臺回轉A、C 搖籃式5 軸實驗臺結構

（1）主軸頭產生A、B 兩個擺動運動。如圖1 所示，在主軸頭上設計有繞X、Y 兩根直線軸的擺動運動，行程A、B 兩個回轉軸。由于該結構的工作臺不參與回轉運動，工作臺可以按較大規格設置，因此承載能力大，可加工中、大規格的零件；由于兩個回轉運動機構和主傳動機構復合在一起，所以結構復雜；但是銑頭執行兩個回轉運動，回轉部件體積相對較小，因此刀具相對運動靈活。機床行程較大，適合發動機箱體等大型零件的高速銑削加工。

（2）工作臺產生A、C 的一轉一擺運動。如圖2 所示，這類機床外觀和尋常結構一樣完全封閉，工作臺真正用于加工的空間較小，另外，加工過程中完全依靠工作臺的回轉擺動來調整工件的切削姿態，工作臺的靈活性很大，對工作臺的加工精度要求較高，因此一般不能承受重載零件。主要用于中小型精密零件的加工。該機械結構適合于設計本課題教學用的小型數控實驗臺。

圖3 AC 搖籃式5 軸數控實驗臺控制原理圖

根據上述的分析對比，針對實驗臺加工的對象都是中小零件，因此采用圖2 工作臺上產生A、C 回轉運動的搖籃式5 軸機床機構。

2.2 實驗臺的控制原理圖

此次設計的雕刻機主要用于高校教學過程中代木、鋁合金、臘制品等軟材料的高速銑削加工，對機床的切削力要求不高，中等加工精度。它由五大部分組成：機床本體、CNC 控制系統、驅動系統、輸入輸出裝置、輔助裝置（冷卻、裝夾裝置等）。

（1）本設備的X、Z 方向直線位移采用刀具直接在龍門架上的運動來實現，但是龍門架本身的運動會導致加工精度的明顯下降，因此，在Y 方向上采用工作臺的前后移動來實現，而數控回轉工作臺繞X 方向的旋轉運動構成A 軸運動，工作臺繞Z 軸的旋轉形成C 軸運動。

（2）在驅動模塊，X、Y、Z 三個直線位移采用步進電機驅動絲杠的運動，而A、C 坐標采用諧波減速機作為驅動部件。主軸頭采用高速電主軸直接帶動刀具來實現刀具的高速回轉運動。

（3）數控實驗臺的核心是MACH3 數控系統。操作者通過輸入、輸出接口把數控程序輸入到系統中，在MACH3 內部將加工程序進行譯碼運算、插補運算、速度處理等一系列自動處理，生成控制各軸運動的脈沖信號，再經過伺服驅動系統的信號放大、反饋控制，結合CNC接收操作人員的面板外部指令，同時對數控機床本體進行協調控制，從而完成零件的五軸加工控制過程。

（4）在實驗臺中還有一些輔助裝置，例如，切削液供給裝置、自動換刀裝置等。這些輔助裝置主要用來配合協調數控實驗臺的正常加工。

在以PC 機上裝載開放式數控系統的五軸設備設計中，PC 機是總體設計平臺，目前市場上的PC 機配置足夠支持MACH3 系統完成控制任務。PC 機硬件部分的任務主要是存儲系統程序，編制零件加工程序，運算的中間變量以及定時器的管理，中斷等計算機基本功能。

出于經濟性方面的考慮，本課題設計的五軸實驗臺沒有設計專業的運動控制卡，而是采用MACH3 軟件插補的形式，通過PC 機25 針并口直接輸出到接口板上。

接口板采用標準CON 接口及JIS232 接口，可以與電腦聯接；多路高速光耦開關，驅動芯片采用5 塊日本東芝186560 芯片，并加裝散熱器。最大十六細分，最大驅動電流4.25A。控制用的PC 應該是專用的臺式機，并盡量不要安裝其它應用軟件，以免引起信號干擾以及運行速度下降。

圖4 基于MACH3 控制系統的接口板

3 結 語

五軸數控實驗臺的設計，是計算機技術、通訊技術、數控技術、軟件技術等多項技術的綜合運用。A、C 搖籃式回轉工作臺結構緊湊，運動靈活，適合于中小型零件的五軸加工。符合本課題的設計需要。基于PC 平臺的數控系統運行穩定，設計簡單，適合于中小型設備的開發設計。

［1］ 田榮欣，等.附加轉臺數控機床的五坐標后置處理算法研究［J］.設計與研究，2007（5）：36-38.

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［3］ 王洪花，等.五軸聯動數控陶瓷雕刻機的運動控制的研究［D］.南昌：南昌大學，2009.