基于Mach3的教學(xué)型數(shù)控車床的研究

王志平　趙巍　王英杰

摘 要：本文根據(jù)教學(xué)的需要，利用Mach3控制軟件作為開放式控制系統(tǒng)，設(shè)計并制造了集數(shù)控車床水平床身與傾斜床身于一體的新型可視化數(shù)控車床教學(xué)模型，直觀展現(xiàn)數(shù)控車床結(jié)構(gòu)，可以用于數(shù)控課程的教學(xué)。在機床裝有微動開關(guān)，用它控制工件運動或自動進刀的行程，避免發(fā)生碰撞事故。并對尼龍、木材或工程塑料等試切，加工效果良好，滿足教學(xué)需求。

關(guān)鍵詞：教學(xué)型數(shù)控車床 可視化 Mach3軟件 微動開關(guān)

中圖分類號：TH16 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0176-03

開放式數(shù)控系統(tǒng)是能夠在多種平臺上運行，可以和其他系統(tǒng)互操作，并能給用戶提供一種統(tǒng)一風(fēng)格的交互方式。具有可互換性、可伸縮性、可移植性、可擴展性等特征，是當(dāng)前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。鑒于此本文采用了基于Mach3的純軟件開發(fā)式數(shù)控系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的教學(xué)型數(shù)控車床。文獻[1]利用Mach3軟件對經(jīng)濟型數(shù)控銑床進行改造，滿足了數(shù)控銑床操作方便、價格低的特點，試切效果良好。文獻[2]通過Mach3軟件完成了對經(jīng)濟型數(shù)控銑床試驗臺的研發(fā)，開發(fā)出一種價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單的簡易型數(shù)控銑床，可用于數(shù)控原理等課程的實驗教學(xué)。文獻[3]～[5]提出了對教學(xué)型數(shù)控機床的研制，實現(xiàn)了操作方便、結(jié)構(gòu)簡單等特點。文獻[6]提出了對數(shù)控機床的設(shè)計、改裝，實現(xiàn)了降低成本、教學(xué)、生產(chǎn)、實踐的有機結(jié)合。在此基礎(chǔ)上本文利用Mach3軟件設(shè)計了一臺可視化教學(xué)型數(shù)控車床，從最初的機床的設(shè)計、選型，到裝配，調(diào)試，以及到最后的試件加工，除了同時具備上述機床開發(fā)成本低、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單特點外，這套教學(xué)型數(shù)控車床還具備以下特點：（1）完整性；（2）可視化的外殼，可清晰觀察到數(shù)控車床在工作時的內(nèi)部工作原理和工作過程，直觀的展現(xiàn)數(shù)控車內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而便于教學(xué)講解和使用；（3）安全系數(shù)高，可以避免人機事故的發(fā)生；（4）滿足學(xué)生“好奇、好動、好學(xué)”的特點，更能鍛煉學(xué)生的綜合分析能力和應(yīng)用能力；（5）實習(xí)材料（尼龍、木材或工程塑料）價格低。

1 數(shù)控車床的工作過程及總體設(shè)計思路

1.1 數(shù)控車床的工作過程

該車床的結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)控車床組成基本相同，主要由車床本體、數(shù)控系統(tǒng)（通用計算機+Mach3板卡+Mach3控制軟件）、伺服系統(tǒng)、檢測裝置和輔助裝置5大部分組成，由硬件和軟件共同完成控制工作。工作過程如圖1所示。

1.2 總體設(shè)計思路

數(shù)控車床的控制系統(tǒng)為全軟件開放式控制類型，CNC的全部功能均由PC實現(xiàn)，并通過裝在PC機上擴展槽的伺服接口卡對伺服驅(qū)動等進行控制。PC機上的數(shù)控系統(tǒng)軟件為Mach3軟件，控制卡為標(biāo)準(zhǔn)化商用CNC控制板，完成對兩相步進電機的驅(qū)動?？傮w設(shè)計框圖如圖2所示。Mach3軟件發(fā)出控制信號，通過接口板分別向X、Z軸發(fā)出控制脈沖，進而驅(qū)動X、Z向進給機構(gòu)實現(xiàn)進給運動；向機床主軸的控制以繼電器發(fā)出控制信號，來實現(xiàn)主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的控制。行程開關(guān)通過控制板向Mach3反饋檢測信號，以保證操作安全可靠。

2 數(shù)控車床的設(shè)計

2.1 主要部件選型

本文設(shè)計的一臺集數(shù)控車床水平床身與傾斜床身于一體的新型可視化數(shù)控車床教學(xué)模型，利用銷釘和輔助銷釘定位來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。由于本設(shè)計主要起演示和展示切削原理及控制原理的作用，因此，根據(jù)需要，本設(shè)計的主要部件選型如表1所示。可視化數(shù)控車床效果如圖3所示。

2.2 行程開關(guān)

本設(shè)計采用微動開關(guān)作為行程開關(guān)，因為它兼具尺寸小、反應(yīng)靈敏、容易安裝的特點。選用KW11-3Z型號微動開關(guān)，COM是公共端；ON閉合；NC（NOT CONNECT）斷開。本文采用微動開關(guān)的常開觸點（COM接GND，ON接板卡端子），當(dāng)工作臺撞到微動開關(guān)時，表明到達極限位置，機械位移轉(zhuǎn)變成電信號（ON閉合），通過接口板迅速反饋Mach3控制系統(tǒng)，機床復(fù)位，電機停止運轉(zhuǎn)，對電機和機床起保護作用，下次啟動需重新復(fù)位。微動開關(guān)切換時間為5～15 msec。與板卡連線接口如表3所示。因為每個軸有兩個極限位置，即各軸正負極限位置（電機正、反轉(zhuǎn)的極限位置）。微動開關(guān)與板卡接口如圖4所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 軟件介紹

Mach3 CNC控制軟件是開放式數(shù)控系統(tǒng)，操作簡單，維護方便， 具有開放性、性能穩(wěn)定、價格低廉的新型數(shù)控系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)PC電腦完全轉(zhuǎn)換為全功能的CNC控制器，可以實現(xiàn)最高6軸連動CNC控制，直接支持多種DXF、BMP、JPG文件格式輸入、視覺G代碼顯示、直接生成G代碼、主軸轉(zhuǎn)速控制、多重繼電器控制、手搖脈沖生成，包括大量加工策略、視頻展示、可以用觸摸屏、全屏顯示、數(shù)字化、三維動態(tài)顯示跟蹤、自動對刀、程序跳段執(zhí)行（斷點記憶）系統(tǒng)具有螺距誤差補償、反向間隙補償、刀具長度補償、刀尖半徑補償及磨損補償功能。軸向運動加速度及速度調(diào)節(jié)界面可根據(jù)其實情調(diào)整適應(yīng)高速高精度加工。

3.2 Mach3設(shè)置

（1）打開Mach3軟件，在公英制設(shè)置中選擇毫米（1英寸=25.4 mm），由于并口選擇和傳輸速度一般都只使用一個并口，不必進行設(shè)置，采用默認即可，其他參數(shù)要根據(jù)界面進行相應(yīng)的設(shè)置。Mach3驅(qū)動程序可以在25000 Hz、35000 Hz、45000 Hz的頻率下工作，Mach3的運行頻率與電腦處理器的速度和處理器加載的進程有關(guān)，本設(shè)計采用的驅(qū)動頻率為25000 Hz。

（2）微動開關(guān)在軟件上的設(shè)置如下：在工作界面的“輸入信號設(shè)置”中進行設(shè)置，25針并口有5個輸入端口，分別是10～13和15，每個軸要用到2個微動開關(guān)即用到2個輸入口（只需設(shè)置軟件中的X++，X--，Z++，Z--即可，X home和Z home在此處沒有用到可以不用設(shè)置），信號為低電平有效。

（3）Mach3的輸入和輸出信號是二進制數(shù)字，輸入信號是通過并口加在輸入針腳上的電壓，輸出信號是輸出針腳上的電壓。

3.3 電機調(diào)試

窗口右邊的軸選擇區(qū)域用于選擇需要設(shè)定參數(shù)的軸，左邊的曲線圖反應(yīng)了參數(shù)設(shè)定后步進電機運行是加速—穩(wěn)定—減速的變化曲線，在兩者之間的Velocity調(diào)整塊用于快速的調(diào)整步進電機的最高運行速度，這里的速度不是電機轉(zhuǎn)速，而是電機帶動絲杠絲杠帶動工作臺的最終最大移動速度。這里的參數(shù)關(guān)系到步進電機的旋轉(zhuǎn)運動正確的轉(zhuǎn)換到工作臺的直線運動。參數(shù)Steps per：這個參數(shù)是決定了工作臺每運動1mm，步進電機需要多少個脈沖。

計算方法=（步進電機旋轉(zhuǎn)1圈的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)×驅(qū)動器細分數(shù)）/絲杠導(dǎo)程（導(dǎo)程也就是螺距，如果絲杠不是直接連接電機而是通過減速后連接則計算結(jié)果還需要再乘以減速比）。

參數(shù)Acceleration Inns or mm's/sec/sec：這個參數(shù)是決定了電機由停止到最高速或者由最高速到停止的啟動與停止加速度，根據(jù)需要進行相應(yīng)的設(shè)定，采用的具體參數(shù)如圖5所示。

4 試切驗證

選擇毛坯為Φ25×45的尼龍材質(zhì)毛坯進行試切削。零件圖如圖6所示，程序測試仿真圖如圖7所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計并制作了一臺教學(xué)型數(shù)控車床，該數(shù)控車床實現(xiàn)了數(shù)控車床基本功能，能夠進行內(nèi)外廓的車削加工；能夠?qū)τ捕容^低的材料進行車削并保證一定精度；實現(xiàn)了數(shù)控車床結(jié)構(gòu)和原理的可視化，達到了教學(xué)應(yīng)用的目的。在以后的工作中，要進一步完善模型的主軸控制系統(tǒng)、X軸向行程在進一步加大、輔助功能的完善等，使車床模型更加完善。

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