教學型四軸數控銑床控制系統的設計與實現

摘 要：根據教學需要，采用基于32位操作系統WIN7為軟件平臺，通用PC機為硬件平臺，設計一種低成本經濟型四軸聯動數控銑床。利用MACH3控制軟件作為開放式控制系統，利用CAXA制造工程師編制輸出四軸機床后置處理程序，有效滿足于數控課程的實訓教學。

關鍵詞：教學型數控銑床；四軸聯動；數控系統；CAXA制造工程師

中圖分類號：TG547 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-01

一、控制系統設計

（一）控制系統的工作原理。控制系統是數控銑床的關鍵組成部分，在這項設計中，選用一款由ARTsoft推出的CNC設備控制軟件即MACH3控制軟件〖詳見本文2.1〗用以負責數控銑床的核心功能。通過通用計算機的并口直接控制和管理整個機床，其加工運動軌跡和控制功能都由 PC計算機通過控制接口來實現，從而精確地完成整個加工過程。采用PC計算機上的CNC控制軟件，將CAXA制造工程師軟件后置處理生成的加工程序轉換成插補所需的數據格式，同時將這些數據進行插補形成進給數據以及其它開、關數據，由并口的寄存器經并口接口電路和步進電機驅動器輸出，從而來控制各軸步進電機的進給和主軸頭電機的 PWM轉速控制。

（二）硬件控制接口設計。（1）PC機并行口管腳定義。常見的并口：4位、8位、增強并行口EPP和擴展并行口ECP，標準并行打印機口使用是25針D形接頭，有12位的數據輸出通路，管腳分別為1～9、14、16、17；有5位的數據輸入通路，管腳分別為：10～13、14。管腳18～25定義接地。當并口設置為EPP增強模式時，所有的并口針腳斗毆可以雙向傳輸數據。MACH3控制軟件對機床的控制信號全部是通過這12個輸出管腳和5個輸入管腳控制。由于MACH3控制軟件沒有標準的控制接口定義，所以必須制定接口板的控制信號，通過對MACH3的軟硬件接口界面設置，使輸出信號符合接口板要求。（2）并口的定義和接口板的設計。步進電機控制芯片需要3個信號：脈沖信號CLOCK、使能信號ENABLE、方向信號DIRECTION。在接口電路中，可通過2個數字位即脈沖和方向來控制，四軸系統將占用并口8個數字位輸出脈沖和方向信號，并通過步進電機驅動器驅動步進電機的運行。另外用 2 個數字位輸出開關信號分別控制冷卻液和潤滑液的開關。主軸開關及轉速通過主軸變頻器上的按鍵控制。并口的其它數據位用來檢測回零開關信號、限位開關信號以及急停輸入信號。并口數據位資源有限，采用將4個軸電機的限位和回零信號分別并聯的連接方法，每個并聯位各占用1個并口數字位，共占用2位。電荷泵輸出、急停開關輸入信號和主軸PWM控制信號各占用 1個并口數字位。（3）電主軸及其調速。電主軸調速控制采用PWM脈寬調速電路，其響應速度和穩定性較好，電樞電流脈動量小且連續，可不外接濾波電路，通過調整方波的占空比來調節輸出電壓，將輸出電壓送入變頻器，由變頻器實現對電主軸的轉速調整。（4）步進電機及其驅動器。在步進電機的選型上，采用2相4線86型號的步進電機。驅動器采用2M982型步進電機專用驅動器，驅動電壓24-80V，驅動電流最大可達到7.8A，最大可達64細分的運行模式，即可保證系統速度與精度的同時，又能夠滿足數控銑床的動力要求。在本系統設計中，分別使用4臺步進電機及其驅動器，完成XYZA四軸方向的力量驅動。

二、控制軟件應用

（一）控制軟件模塊。MACH3控制軟件是一款開放式軟件，由美國ARTsoft公司推出的基于PC計算機的CNC控制軟件，經多年使用，該軟件是比較理想的經濟型數控系統，功能可擴展性強，運行穩定，對于運行環境要求不高，一般PC機均可滿足其運行要求。在擴展能力上，可根據需要，外界觸摸屏，小鍵盤，手輪手柄等外圍設備。用戶可以根據具體的機床結構和加工要求，自行定制控制界面和加工策略模塊，可以利用VB和OEM代碼建立操作控制臺接口。

MACH3控制軟件通過PC機并口控制步進電機運行，使用方便，設置功能齊全，支持最多6軸聯動；可以直接使用標準G代碼文件，具有直觀的G代碼路徑顯示功能；可即時編輯G代碼，即時顯示加工進度，即時調整進給倍率，即時主軸PWM轉速控制，即時顯示并口各個端口信號的傳輸和使用情況；具有手動控制功能；具備G54等坐標設置功能，完善的刀具補償功能。

（二）關鍵參數設置。在MACH3控制軟件中，參數的設置是至關重要的，其中幾項主要參數做以簡要說明。（1）端口地址：0x378；內核速度和計算機配置有關，一般使用25KHZ或35KHZ可以穩定工作，最大可以設置100KHZ；（2）端口針腳設置見表1所示，電機運轉方向與驅動器接口的高低電平有關，根據具體運轉方向，設定XYZA軸的方向高低電平使能；（3）在電機參數調試中，分別設置X、Y、Z、A軸的細分步數、速度，加速度，速度不要超過步進電機的最大轉速，步進脈沖及方向脈沖根據PC機性能和步進電機驅動器及步進電機性能進行設置，過大過小均會產生丟失脈沖，以及會造成步進電機出現明顯噪聲。電機的單位轉數與電機類型及細分設置有關。

三、基于CAXA制造工程師的四軸機床后置處理建立

以上的硬件接口及MACH3控制軟件只是為四軸聯動機床提供一個最基本的軟硬件控制體系架構，為確保四軸聯動數控機床能夠完成各種復雜的加工過程，還需要建立相應的機床運行的后置處理程序。CAXA制造工程師是目前國內使用很普及的交互式CAD/CAM系統，在教育系統中廣泛使用。近年來在全國數控大賽中，是作為國產軟件中唯一被推薦使用的CAD/CAM軟件，其30天的免費試用版本能夠滿足正常的教學和生產應用。CAXA制造工程師可在其后置處理程序中，直接生成基于FANUC數控系統的加工程序，被MACH3控制系統直接用于生產加工。利用CAXA制造工程師的加工后置處理模塊可以讓用戶很方便地建立自己的加工后置處理程序，其模塊可適用于目前世界上幾乎所有的從兩軸到五軸的數控加工程序。

四、結束語

本文利用PC機為軟件平臺，并行口接口電路、驅動器、PWM調速電路為硬件平臺，MACH3為控制軟件，設計了四軸數控銑床的控制系統，實現并達到了預期目的。可以為學生提供步進電機控制，數控機床結構，數控編程，零件加工在內的多項實驗，此項技術研究不僅為學校部門節省了大量實驗經費，也為開放性實驗教學積累了寶貴經驗，具有廣泛的推廣意義。

參考文獻：

[1]劉天標.微型計算機組成原理及接口技術[M].西安：西安交通大學出版社，2002.

[作者簡介]柴濤（1976-），男，棗莊經濟學校講師，青島科技大學自動化與電子工程學院在職研究生，主要從事數控技術方面的研究；尚繼良（1956-），男，青島科技大學自動化與電子工程學院教授，研究生導師，主要從事工業過程建模與控制技術方面的研究。