基于MACH3的實驗型數控銑床設計

胡曉軍 潘智平 袁夏松 汪萌生

摘 要：本文以MACH3為軟件平臺，運用UG軟件設計數控銑床三維模型，并依據模型完成床身及機械結構安裝。通過硬件電路和MACH3板卡連接上位機和銑床，實現數控銑床的加工。該實驗設備可用于數控技術、機床概論、機械制造工藝學等課程的理論與實驗教學。

關鍵詞：MACH3 UG 數控銑床 實驗

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（a）-0108-02

自從數控技術引進我國以來，對我國現代化制造業影響極大，各企業對數控人才的需求也在不斷增加[1]。為滿足企業對高水平技術性人才的需求，國家也正在號召各高等院校向應用型人才培養方面轉型。對于機械類專業的學生來說，不僅需要掌握好理論知識，掌握先進的制造工藝及技術也十分必要。因數控機床價格昂貴，國內各大高校對數控設備的配備較少，遠不能滿足應用型人才的培養要求。本實驗型數控銑床造價較低，功能齊全，不僅可以提高實驗教學質量，也可以滿足學生提高動手操作能力的需求。

1 實驗裝置總體設計框架

本實驗裝置主要由上位機、電氣控制柜、銑床主體三大部分組成[2]。其中MACH3軟件安裝在上位機上，電氣控制器件及MACH3控制板卡安裝于電氣控制柜，機床傳動、執行部件及相應傳感器安裝于銑床主體。工作過程中，由上位機發送控制指令或G代碼至MACH3控制板卡，控制板卡解讀指令，并發送執行命令至各執行部件，在執行部件運動過程中各傳感器（如：位置檢測傳感器、軟限位、硬限位信號傳感器等）將檢測到的信號傳送給MACH3控制板卡，控制板卡依據檢測到的信號確定下一步指令的發送，總體框架圖如圖1所示。

2 數控銑床模型建立

數控銑床床體模型主要由床身、X、Y、Z軸傳動模塊、主運動模塊、傳感器模塊構成。本文依據各零部件型號，用UG軟件設計其各零部件三維圖形，并將各零部件裝配成型，如圖2所示。

2.1 X、Y、Z傳動模塊

數控銑床X、Y、Z三個坐標軸的運動主要是通過MACH3軟件發送運動指令至MACH3板卡，然后由板卡解析運動指令后發送相應脈沖至電機驅動器，實現某個坐標軸的運動。為保證運動精度，本設計采用伺服電機通過聯軸器與滾珠絲杠相連。X、Y方向工作臺的運動及Z軸的上下運動，均由對應絲杠帶動其上的滑塊實現。

2.2 主運動模塊

由于本設計主要用于機械專業的理論和實驗教學，不僅要滿足課堂教學中理論與實踐相結合的特性，還要保證課堂教學的安全性，故主軸轉速不宜過高。本文選用可PWM調速的24V直流電機，通過皮帶與主軸部件連接，實現主軸的低速運轉。

2.3 傳感器模塊

數控機床之所以智能，是因為它擁有“大腦”“心臟”和“眼睛”，類傳感器就是數控機床的“眼睛”。其中，位移傳感器可監測，判斷數控機床是否運動到指定位置，若是則停止運動，若否則發送偏差信號至控制模塊，控制模塊分析后發送下一運動指令；若機床觸動限位開關，則接觸器被觸發，機床該坐標軸停止進給運動，實現機床的硬限位。

3 MACH3控制軟件及電路設計

3.1 MACH3參數配置

MACH3是ArtSoft公司開發的開放式數控操作系統，性能穩定，價格低廉，該系統可在Windows平臺運行[3]。針對本實驗設備，參數配置如下。

（1）英聯邦國家所用度量單位一般為英寸，而我國度量單位采用國際單位，在機械行業多采用“mm”為單位。可通過軟件菜單欄中公英制選擇設置。

（2）MACH3軟件和板卡通信主要依靠USB或并口實現，因此需要正確設置端口地址和內核速度。

（3）電機輸出端口主要設置X、Y、Z各軸電機的使能信號和方向信號。

（4）輸入信號主要設置X、Y、Z各軸位置信號、限位信號，信號設置為低電平有效。

（5）輸出信號主要設置主軸正反轉信號和冷卻噴霧。

（6）電機調試是設置是保證機床運動精度的重要環節，主要設置脈沖當量、速度、加速度、步進脈沖和方向脈沖等參數。其中脈沖當量設置主要取決于伺服電機每轉的脈沖數、驅動器細分數和絲杠導程；速度和加速度設置主要取決于所選電機性能，加速度一般為速度的一半。具體參數設置如圖3所示。

3.2 控制電路設計

該實驗裝置控制電路主要包括電源上電、急停、復位、主軸正反轉、各軸限位開關各、軸運動狀態指示燈、位置開關等。其中，X、Y、Z軸正負方向行程開關和急停開關串聯在主電路中，復位開關與上述電路并聯；各軸運動狀態指示燈一端接入主電路另一端接入控制板卡相應引腳；主軸電機正反轉控制及自鎖互鎖電路較常見，在此不再敘述。

4 結語

本實驗裝置可實現數控銑床基本功能，能夠正確運行G代碼，加工蠟模、尼龍等硬度較低零件輪廓外形。該數控銑床傳動結構和控制電路及傳感器設置滿足使用要求，同時也便于觀察，用于課堂教學和實驗教學現場演示，可調動學生學習積極性，增強學生對數控機床的認識。

參考文獻

[1] 王惠.面向現代職業教育的數控加工體系研究[D].江蘇大學，2012.

[2] 許云飛.FANUC系統數控銑床/加工中心編程與操作[M].電子工業出版社，2010.

[3] 伍文進，徐中云，夏開虎.基于MACH3平臺的數控銑床自動對刀研究[J].機床與液壓，2017，45（8）：22-25.

[4] 劉帥.UG NX10產品建模設計基礎教程[M].西南交通大學出版社，2016.