基于MACH3的五軸數控機床設計

黃子良，趙軻

(廣東石油化工學院 機電工程學院，廣東 茂名 525000)

0 引言

國內加工企業在追求高精度、高效率時，大多采用的是進口的五軸數控機床，昂貴的價格限制了許多中小企業的發展，很多高校也無法裝備足夠的臺套數來供學生進行學習，故提出一款經濟型五軸數控機床方案來滿足實際需要。進行了機床的機械結構設計和三維建模，闡述其控制系統原理和重要參數設置。該機床控制系統基于計算機操作系統平臺，通過開放式CNC控制軟件MACH3控制，具有成本低，占地小，精度中等，控制方便等優點。

1 機床的設計

1.1 機床的總體設計方案

考慮到實際使用要求，機床采用開放式硬件結構，即機床整體機械結構和電路連接全部可見，外加可拆卸防塵罩，便于在培訓等場合中直接觀察控制系統對各軸的控制關系，分析電信號的輸入輸出等。各電機考慮性價比，選擇步進電機，控制系統采用開放式CNC控制軟件MACH3，在計算機操作平臺上運行，通過電機驅動器將MACH3的控制信號發送給各電機。采用MACH3軟件，最多可以控制6個軸，也可以控制四軸和三軸機床，在使用中可以調整設置。

1.2 機床的機械結構設計

機床的5個軸包括3個直線運動軸和2個轉動軸，全部由步進電機驅動。3個直線軸由步進電機輸出軸與絲桿連接，絲桿通過與絲桿螺母配合，帶動直線導軌做直線運動；2個旋轉軸，通過步進電機與蝸輪蝸桿減速箱配合，以增大電機輸出轉矩，并帶動工作臺和主軸旋轉。由于五軸聯動數控機床需要精確的傳動定位，為此取消了直線運動的齒輪傳動減速箱，簡化了傳動結構，同時減輕了機械傳動產生的振動噪聲，提高了加工精度。2個旋轉軸采用蝸輪蝸桿作為減速裝置，由于蝸輪蝸桿帶有自鎖的功能，使得B軸帶動主軸電機擺動時候，可以固定在所指定的角度進行銑削加工。其次，蝸輪蝸桿機構有較小的傳動誤差，可提高加工精度。機床的傳動機構如圖1所示。

圖1 機床的機械結構

1.3 機床控制電路設計

機床以計算機操作系統為平臺，通過Mastercam軟件繪出加工零件，然后設定加工路徑，生成NC文件，導入G代碼到MACH3控制軟件中控制機床。電腦與MACH接口板連接，發送脈沖，并且由步進電機驅動器將信號放大從而驅動步進電機運動，就可以帶動機床運動從而實現五軸聯動加工[1]。

因為MACH接口板BL-MACH-V1.1輸出的電流不能直接驅動步進電機，所以還需選擇合適電流的驅動器，本文采用Tb6560步進電機驅動器做各軸驅動電機的驅動器；最后選擇合適的電源，有24 V和5 V兩組輸出可選擇，因為MACH接口板需要5 V電壓供電，而步進電機需要24 V供電，這樣可以節省控制柜的空間。控制電路設計如圖2所示，MACH3控制器與計算機并口連接，然后輸出共5路信號通過電機驅動器控制五軸的運動。

圖2 控制電路設計

電路設計中需注意，在選擇電源的時候，要根據步進電機的實際功率的總和去選擇，例：24 V供電的步進電機驅動器，電流撥在1 A檔位，功率是24 W。如果將電流檔位調到2A，電壓不變，功率就變成了48 W。如果改變電壓，功率隨之變化。如果5個相同型號的步進電機，每個都是24 W，則電源的總功率要>96 W，原因是一般采用UG/Mastercam生成代碼生產的5軸數控加工的G代碼最多是4軸聯動，所以要求電源配置功率至少滿足4個步進電機同時工作的功率總和。本款機床在設計之初就遇到電源功率不足，導致加工時出現間歇式加工的故障，最后排查才發現是電源功率不足問題。

Tb6560步進電機驅動器有6個輸入端，有2種接法：共陰極和共陽極接法，本文采用共陽極接法，即將相應的脈沖端CLK-、方向端CW-、使能端EN-連接，將CLK+、CW+、EN+連接在一起。輸入電平是5V可直接與MACH接口板BL-MACH-V1.1連接，A+、A-、B+、B-作為輸出端，與步進電機的A、B相4根線相接即可。

2 軟件系統的選擇與設置

一般CNC的控制軟件有MACH3、Kcam4和USB CNC-Controller,其中后2個一般只能用于雕刻機、切割機、鉆孔等簡單的機械控制，而MACH3則具有數控機床的功能和激光切割等控制，功能相對更強大，相應的各方面要求復雜，在數控機床上應用時都需要在軟件上設置好與MACH3對應的25個針腳等參數。

2.1 MACH3控制軟件介紹

MACH3 CNC控制軟件是由美國ArtSoft公司開發的，以Windows為平臺的數控軟件，系統版本必須為WIN XP或WIN2000。MACH3 軟件使用PC電腦的LPT或USB端口作為CNC設備的輸入與輸出、輸出脈沖與方向信號，控制步進電機或伺服電機驅動器，從而實現控制數控機床。該軟件支持所有國際標準G代碼，最多控制6個軸。能實現5軸聯動，帶線形插補功能，能實現復雜零件的高精度加工，最高控制精度為0.000 1 mm。MACH3 CNC控制軟件是開放式數控系統、操作簡單、維護方便，具有開放性、性能穩定、價格低廉的新型數控系統特點。

2.2 MACH3關鍵參數設置

點擊菜單，在相應的設置界面進行參數設置。

1) 端口設置和軸向選擇(圖3)

圖3 端口設置和軸向選擇

系統頻率的選擇是根據步進電機的極限轉速來確定，假設電機的極限頻率為800r/min，步距角是1.8°，一圈是200個脈沖，如果采用8細分則是1 600個脈沖，頻率就是：800×1 600/60=21 333Hz/s，所以應該選擇25 000Hz這個系統頻率。

2) 電機輸出(圖4)

圖4 電機輸出

應該選擇相應的傳動軸，基于本臺五軸數控機床則應選擇x、y、z、B、C5個傳動軸，Step Pin#是脈沖引腳，DIR Pin#是方向引腳；DIR LowActive是調整機床運動方向，假設方向相反了，就設置這里；Step Low Active 是設置電平高低有效，打勾為低電平有效，打叉則為高電平有效；Step Port和Dir Port 是定義并口，如果只有1個并口則設置1。

3) 限位開關、急停、使能設置(圖5)

圖5 限位開關等設置

這里是設置限位開關、急停開關和使能設置，Enable1:14腳是電機使能的設置、Output#1:17腳是主軸繼電器的開關設置。

4) 電機調試參數(圖6)

Stepsper：是指工作臺每運動1 mm需要的脈沖數，計算公式是：(360÷步距角)×細分數÷螺距。比如說，步距角是1.8°，采用8細分，螺距是2.5 mm，則脈沖數為：(360÷1.8)×8÷2.5=640。

圖6 電機調試參數

3 后處理修改

3.1 進行后處理修改的原因

經過刀具路徑軌跡自動生成的是刀位數據不是機床加工的數控程序，必須要把刀位數據轉化為機床能夠識別的數控程序，通過后處理轉換，使刀位信息轉換成數控機床的各個軸的運動信息，然后才能驅動機床開始加工。機床的后處理，是對已安排好的加工方式、刀具選擇、下刀、刀路及其他切削參數等工藝參數進行運算，并且自動編譯成機床能識別的G代碼。

通常安裝的數控編程軟件(CAD/CAM)會自帶一些系統默認的后處理程序,數控機床的結構、坐標系、機械原點、旋轉軸的偏移量、擺長設置等參數需要修改才能滿足加工要求，不然容易出現安全事故。

3.2 基于MAstercam 的五軸后處理修改[2-3]

Mastercam是一款基于PC電腦平臺的經濟、有效的CAD/CAM集成軟件，側重于數控加工，具有很強大的數控自動編程能力，在零件加工和模具設計中應用廣泛。該軟件自帶的后處理能夠實現各種復雜的模型編程，擁有不同類型的后處理程序(如車削、銑削、線切割、激光切割、雕刻機等)，相對于三軸后處理PST的研究，五軸數控機床的后處理研究的專家比較少，具體設置過程可見文獻[4]。

4 結語

五軸數控機床實物如圖7所示，結構簡單，方便易用，占地面積小，可以滿足精度不需要太高的生產要求，可大大降低企業的加工成本，也適用于各高等院校、職業院校等數控課程的操作培訓。

圖7 五軸機床實物圖

參考文獻:

[1] 孫杰，金珊. 經濟型五軸數控加工硬件系統的設計與應用[J]. 組合機床與自動化加工技術，2011(6)：66-68.

[2] 何曉東. MasterCAM設計與應用[M]. 北京:電子工業出版社, 2004:151-169.

[3] 王衛兵. MasterCAM數控編程實用教程[M]. 北京:清華大學出版社, 2000:49-200.

[4] 唐進元，尹鳳. 基于MasterCAM的三大類型五軸機床的后處理程序編制方法[J]. 制造技術與機床，2010(8)：32-38.