基于Mach3的教學型五軸數控機床控制系統設計

王　寬，趙　巍，張翔宇

（天津職業技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222）

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基于Mach3的教學型五軸數控機床控制系統設計

王寬，趙巍，張翔宇

（天津職業技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222）

摘要：在已有教學型五軸數控機床上，搭建以PC為上位機、Mach3為下位機的主從式控制系統。該系統是以5套步進電機及其驅動器作為進給驅動模塊，以直流電源作為電源模塊以及由微動開關等電子元件組成的輔助模塊構成開環數控系統。該控制系統與相應的教學型五軸數控機床搭配，可用于高等大專院校科研及五軸操作人才的培訓。

關鍵詞：Mach3；五軸控制；步進電機；數控機床；PWM調速器

當前數控加工向高精度、高速度、高柔性、體系開放化方向發展。在現代制造中，對于造型復雜、精度要求較高的零件，如葉輪、葉片、船用螺旋槳等，傳統的加工技術和普通數控機床加工技術已無法滿足其加工要求。五軸聯動數控機床可以加工工藝復雜的零件，但因技術難度大、造價昂貴，致使大多數高等院校無法購買，這阻礙了五軸聯動數控機床先進制造技術在國內的普及，也阻礙了中國制造業的快速發展。本文根據當前市場的需求，為一款搖籃式五軸聯動數控機床模型搭建了控制系統，通過Mach3控制軟件和控制卡以及步進電機、步進電機驅動器、直流電源等元器件構建五軸數控機床的控制系統，并對軟件和硬件進行調試，實現五軸聯動的功能[1-6]。

1　搖籃式五軸數控機床結構分析及模型的建立

在數控編程時，通常假定工件保持不動，刀具移動，刀具的運動軌跡形成了所要加工零件的表面輪廓。在三維空間里，6個自由度可以讓物體實現任何形式的運動。空間六自由度的實現如圖1所示。三維空間的6個自由度由X、Y、Z 3個方向平動和分別繞X、Y、Z軸旋轉的A軸、B軸和C軸組成。本文搖籃式五軸數控機床的主軸刀具可以相對于工件沿X、Y、Z軸平動以及繞X軸、Z軸的相對轉動，即所謂的A軸和C軸，同時還可以實現繞自身軸線進行的轉動，以實現對工件的切削。

圖1　空間六自由度的實現

搖籃式五軸數控機床模型如圖2所示。圖2（a）為根據搖籃式五軸數控機床所要實現的功能在三維繪圖軟件UG環境下設計的三維模型。由圖2（a）可知，搖籃式五軸數控機床的主軸可沿X、Y、Z軸做平移運動，可以通過控制X、Y、Z軸軸端的步進電機正反轉和轉速來實現工作臺的移動方向和速度控制。圖2（b）為搖籃式五軸數控機床的2個旋轉軸A軸和C軸。

圖2　搖籃式五軸數控機床模型

2.2軟件界面設置及控制系統硬件搭建

對于搖籃式五軸數控機床，Mach3控制系統需要控制5個步進電機的聯動。數控程序指令編程的過程中通常用X、Y、Z、A、B、C來表示多軸的平動和轉動。Mach3在進行軟硬件設計時，其控制卡上的每個端口都對應控制不同的軸，因此調節好端口與所要控制軸之間的關系異常重要。只有對應關系正確，才能保證數控機床運動與數控程序代碼運行的一致性。

根據搖籃式五軸數控機床所要實現的運動，可以對Mach3控制軟件的“電機輸出”界面進行設置。其中，“step pin #”所在列各軸對應的接口與步進電機驅動器的“PUL-”端口相連，“PUL+”端口為步進電機提供5 V電源；“Dir Pin #”為方向控制口，此接口主要控制步進電機的正反轉，“Dir Pin #”所在列各軸對應的接口與步進電機的“Dir-”端口相連，此時“Dir+”端口為步進電機提供5 V電源。當步進電機的轉向發生錯誤時，可通過改變Mach3控制軟件“電機輸出”界面各軸對應的“Dir LowActive”所在列符號，從而改變步進電機的轉向。電機輸出設置及輸入信號的詳細信息可參考文獻[3]。

數控機床在出廠時都設定一個機床坐標系，當開

2　基于Mach3的控制系統的搭建

2.1Mach3控制系統的硬件結構

控制系統的硬件結構如圖3所示。Mach3是控制系統與搖籃式五軸數控機床硬件結構的連接部件，其控制原理為：用一個輸入為220 V、輸出為24 V的直流電源分別為PWM調速器[7-9]、Mach3控制卡和步進電機驅動器提供電源。PWM調速器控制主軸直流電機轉速，主軸直流電機驅動主軸刀具的轉動，形成機械結構的主運動。PC（有25針腳并口接線口的個人電腦）通過25針腳的并口線與Mach3控制卡相連，在PC上安裝Mach3控制軟件與Mach3進行通信，提供步進電機驅動器脈沖信號和方向控制信號，控制步進電機的運動，進而實現控制搖籃式五軸數控機床的進給運動。在機械結構上安裝位置檢測器，同時與Mach3控制卡相連，當機械結構觸發位置檢測器，微動開關反饋給Mach3控制卡信號，進而控制步進電機的運動狀況，實現Mach3控制系統的限位、原點復位等功能。機時按下機械零點，機床會自動回到機床零點，進而建立起機床坐標系。用Mach3控制卡控制的五軸數控機床也配置有設定零點坐標的端口，用Mach3控制卡的P11、P12、P13和P15分別控制X、Y、Z、A軸的機器原點復位（C軸360°旋轉不需要進行復位與限位），因此對于基于Mach3的搖籃式五軸數控機床輸入信號應該對Mach3輸入信號界面的XHome、YHome、ZHome、AHome的Enabled功能進行激活[3，5-6]。

圖3　控制系統的硬件結構

搖籃式五軸數控機床控制系統接線圖如圖4所示，其中包括整個控制系統中重要部件的連接方法。由圖4可知，編號為⑦～⑩的微動開關就是復位限位開關。設計數控機床時，為保證機床運動的安全性，防止發生機床碰撞事件，要在機床運動的極限位置安裝限位開關。當機床工作臺觸碰到安裝在軸端的限位開關時，機床就停止運動。限位開關的啟閉直接控制電機開關狀態，因此穩定性較高。對Mach3控制卡來說，預留了X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-的接口，分別控制X軸、Y軸、Z軸的限位。圖4中編號為①～⑥的微動開關起到限位的作用。

圖4　搖籃式五軸數控機床控制系統接線圖

3　Mach3控制系統的調試

3.1系統控制原理

搖籃式五軸機床控制系統的搭建需要保證機床能夠五軸聯動[10]，且主軸自由轉動。Mach3軟件使用PC電腦的雙向并行傳輸接口（line prinT，LPT）或USB端口作為CNC控制設備的輸入與輸出，通過輸出脈沖和方向信號，控制步進電機驅動器，從而實現控制搖籃式五軸機床。事實上，Mach3控制軟件加載的程序只根據相關變量給步進電機驅動器發射不同的脈沖信號，以此控制機床移動一定的距離。例如，讓刀具沿X軸移動10 mm，Mach3軟件能根據指令輸出一定的脈沖數和確定方向信號，脈沖數與X軸的移動距離需要通過脈沖當量換算。

搖籃式五軸數控機床實物圖如圖5所示。此機床所使用的滾珠螺旋傳動的螺桿螺距P為5 mm，所使用的步進電機步距角θ為1.8°。該模型要求直線運動的加工精度為0.01 mm，可以通過調節步進電機驅動器的細分數來滿足加工精度要求，細分數越高步進電機的旋轉精度越高，但是步進電機的最大轉速會降低。當選擇步進電機驅動器的細分數N為16細分時，步進電機驅動器接收到一個脈沖信號，步進電機驅動器可驅動步進電機運動的直線長度為：

因此，步進電機驅動器16細分可以保證直線運動的加工精度。

圖5　搖籃式五軸數控機床實物圖

3.2系統的運行與調試

以控制X軸的步進電機為例，進行Mach3控制系統的調試。通過Mach3軟件主菜單上的“設置”—“電機調試”—“X軸”對X軸電機參數進行設置。步進電機驅動工作臺移動1 mm需要640個脈沖，電機的最大速度為600 r/min，加速度為200 mm/s2。理論上，這些參數可以滿足PC發射640個脈沖，步進電機所轉動的圈數可以使工作臺移動1 mm，但實際上細分數越多，電機的精度會變低，因此要進行校核。

在Mach3界面中點擊“設置”按鈕，單擊“Reset”讓其按鈕成為綠色，解除報警。單擊“set stepsper（校核）”彈出“軸的選擇界面”，選中X軸并輸入其移動的理論距離，如輸入4并單擊ok，則彈出一個界面詢問X軸實際移動了多少距離。加工精度保持在0.01 mm可以用百分表進行校核，校核X軸的實驗裝置及測試數據如圖6所示，圖6（a）為整個校核裝置；圖6（b）為校核時百分表所處的初始位置，其數據為a = 1.00 mm；圖6 （c）為輸入實驗數據后得到的數據b = 4.99 mm。

圖6　校核X軸的實驗裝置及測試數據

在X軸的實際移動距離對話框中輸入X軸的實際移動距離b - a = 3.99 mm，之后彈出X軸移動單位長度步進電機所需實際脈沖數的對話框，X軸移動一個單位（1 mm），要向步進電機發射641.601個脈沖（此數據是Mach3軟件根據X軸的實際移動距離與理論要求距離之差自動計算的脈沖數），輸入數據并點擊“是”，該數據就自動替代初調試時輸入的X軸步進電機每轉所需脈沖數，輸入完成后彈出X軸已經校核完成的對話框，點擊確定完成X軸的校核。其他軸的設置和校核可參考調試X軸的方法，對于要求更高的加工精度，可利用激光干涉儀通過類似方法進行校核。

4　結束語

本文為教學型搖籃式五軸數控機床搭建了控制系統，可實現搖籃式五軸數控機床的基本運動，能夠加工尼龍、硬橡膠等材料。對于一些較復雜的零件，可以通過CAD/CAM軟件進行建模處理生成刀路軌跡，并導入到Mach3控制軟件中進行驗證。

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Design on teaching model of five Axis NC Machine tool control system based on Mach3

WANG Kuan，ZHAO Wei，ZHANG Xiang-yu
（Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222 ,China）

Abstract：In the existing teaching type of five axis NC machine tools，the master-slave control system with PC as upper computer and Mach3 as slave computer is built.The system has five sets of step into motor and its driver as feed drive module，with DC power supply as power module and auxiliary module composed of micro switches and other electronic components constitute open loop NC system，the Mach3 control software to debug the whole system.The control system of the corresponding collocation teaching type of five axis NC machine tools can be used in the research of higher colleges and five axis operation training.

Key words：Mach3；five motion axes；stepper；NC machine tool；PWM control

作者簡介：王寬（1989—），男，碩士研究生；趙巍（1976—），女，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為數字化制造.

基金項目：天津市高等學校創新團隊培養計劃項目（TD12-5043）.

收稿日期：2015-10-12

中圖分類號：TG659

文獻標識碼：A

文章編號：2095－0926（2016）01－0037－04