基于MACH3的教學型五軸聯動數控銑床的電氣控制系統設計

曹川川　郭鵬遠　楊大奎

摘 要：為降低中小型企業和學校五軸數控機床的成本，促進五軸數控技術應用人才的培養，設計了一臺基于UG的教學五軸聯動數控銑床。電氣控制系統采用MACH3運動控制卡為核心，進給系統采用步進電機、主軸系統采用變頻器，基于電氣參數對系統電路進行設計。系統調試包括對系統軟件、變頻器的調試和軟件界面開發、編寫程序試運行等。

關鍵詞：MACH3;教學;五軸;銑床

中圖分類號：TP-319 文獻標識碼：A

Abstract： The purpose of this paper is to reduce the cost of small and medium-sized enterprises and school five-axis CNC machine tools， and promote the training of five-axis CNC technology application talents. Designed a UG-based teaching five-axis linkage CNC milling machine. The electrical control system adopts MACH3 motion control card as the core， the feed system adopts stepping motor and the spindle system adopts frequency converter， and the system circuit is designed based on electrical parameters. System debugging includes debugging of system software， frequency converter and software interface development， writing program test run， etc.

Keywords： MACH3; teaching; five axes; milling machine

0 引言

為降低中小企業和學校五軸數控機床的成本，推動五軸數控技術應用型人才的培養，開發了一種教學五軸聯動數控銑床[1]，實物如圖1所示。采用MACH3運動控制卡+平板電腦為控制主體，模塊化搭建雙回轉臺五軸聯動數控銑床的硬件結構。 通過我們的努力，將大型五軸聯動數控銑床微型化后搬進實驗室或車間，讓更多學員更好地掌握五軸聯動數控銑床的加工原理與機床結構，方便于教員教學和科研。

1 電氣系統設計

五軸聯動數控銑床控制原理為用USB將PC與MACH3連接起來，實現PC對MACH3的雙向通信及控制，MACH3進而控制步進驅動器與主軸變頻器，X、Y、Z、A和C五個運動軸的運動由步進驅動器來控制[2]，從而實現了工件五個方位的運動，通過主軸變頻器控制主軸的起轉停及轉速由此實現主軸運動控制。控制系統硬件結構示意圖如圖2所示。

1.1 MACH3運動控制卡

MACH3由美國公司制造，性能強大，是目前市面上雕刻機、微型多軸機床的主要控制卡。此型號MACH3有15個信號輸入端，這些信號輸入端可以接急停開關 、限位開關、原點開關等一些輔助信號元件，還有8個公共輸出端，這些輸出端口可以接繼電器，繼而控制一些報警燈、報警器等。MACH3控制器實物、接線圖如圖3、圖4所示。

1.2 進給系統控制——步進電機

當步進驅動器接收到脈沖信號時，驅動步進電機在設定方向上旋轉固定角度（稱為“步進角”）[3]。步進電機+步進驅動器實物如圖5所示。它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖數來控制角位移，以實現精確定位;同時，通過控制脈沖頻率可以控制電機旋轉的速度和加速度，達到調速和定位的目的[4]。輸入輸出接線圖如圖6、圖7所示。

1.3 主軸系統控制——變頻器+主軸電動機

變頻器（如圖8）是通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備[5]。我們選用15 kW的風冷主軸電機，型號為TDK80-1.5F-24K，接線圖如圖9所示。

2 MACH3軟件系統調試

調試與設計一樣可以分為多個部分，將調試步驟分為以下幾部分：端口針腳調試、電機調試、變頻器調試。

2.1 電機輸出

這個選項里用來控制電機方向的，當電機實際轉向與我們定義的不相同時，可以對相應軸的第五列對錯更改就可以了，注意最后的Spindle為主軸控制（如圖10）。

2.2 輸入信號

輸入信號選項包含的內容比較多，包括限位開關、原點開關、對刀儀和急停的定義和使能。在添加外部按鈕時還要調相應功能的OEM代碼。

板子輸入端口從In1～In16，這里填的就是對應的端口，比如限位開關接到In2，那么這里就填2。手輪上的急停開關為輸入端口In17，所以填17。OEM Trig#1表示OEM1號代碼，外加按鈕開關時用。急停開關接在In14，開始開關接在In11，復位開關接在In12，所以對應OEM Trig#1～3的Pin Number填14、11、12（如圖11）。

2.3 輸出信號

板子輸入端口從O9～O16，這里填的就是對應的端口，比如繼電器接到O9，那么這里就填9。16、15對應主軸電機正反轉輸出，9～12為4個輸出繼電器（如圖12）。

2.4 編碼器/電子手輪

由于MACH3在設計時就給手輪留有15并口的插口，所以直接插接上就可以了。但在軟件中還是要設置的，只需打開MPG#1就可以了，其他不改（如圖13）。

2.5 主軸設置

設計時將O16和O15設置為主軸電機正反轉，O16有對應Output#1，O15對應Output#2此選項中繼電器控制框中順時針應填輸出#1，逆時針填輸出#2（如圖14）。

3 結論

本文對已開發的教學型五軸聯動數控銑床樣機進行配電，電氣控制系統采用MACH3運動控制卡為核心，進給系統采用步進電機、主軸系統采用變頻器，基于電氣參數對系統電路進行設計。系統調試包括對系統軟件、變頻器的調試和軟件界面開發、編寫程序試運行等。

教學經濟型五軸聯動數控銑床擁有自主知識產權，兩項實用新型專利、一項發明專利;學生創辦重慶志飛智能科技有限責任公司，取得重慶市璧山區第二屆創新創業大賽三等獎1項。

參考文獻：

[1] 嚴浩.教學用五軸聯動數控銑床原理樣機設計與研究[D].上海：東華大學，2014.

[2] 顧翔 .旋轉超聲加工振動系統特性分析、裝置設計及其試驗[D].揚州：揚州大學，2017.

[3] 田秀梅.試談步進電機在智能尋跡小車上的應用[J].電子技術，2011（8）：31-32.

[4] 劉達新，李學華.步進電機脈沖計數方法介紹[J].電子制作，2017（14）：5-6.

[5] 夏志華，張德田，李玉金.農業電動機多檔轉速中變頻器的控制應用[J].安徽農業科學，2012（22）：527-528.