一種教學型桌面式微型五軸聯動數控機床設計

吳金文 石 尚

（1.南京工業大學浦江學院，南京 211134；2.金肯職業技術學院，南京 211156）

1 研究方案

數控微型機床一般由機械結構、電氣控制部分和驅動軟件組成[1]。其中：工件相對刀具的運動由機械部分實現；電氣部分則負責驅動機械結構完成相應動作；軟件部分發送脈沖等信號，控制電氣部分驅動機械部分進行運動。機械部包含微型機床床身機械結構，由滾珠絲杠、滑臺、機架及主軸等組成。電氣部分由開關電源、接口板及步進電機驅動器等組成。軟件部分由PC和控制系統組成。運動時，由軟件控制電氣部分，最終驅動機械結構運動。

文章主要研究教學型桌面式微型五軸數控微型機床的機械部分設計、基于MACH3的控制系統軟件部分設計、MACH3控制系統軟件優化和電機參數部分設計、輸入/輸出（Input/Output，I/O）信號端口配置設計、電氣控制部分和電路部分設計以及機械和電氣裝配調試精度驗證，最后采用橢球工件驗證并改進整臺設備的加工精度、程序運行以及機械動作等。

2 機械結構設計

設計采用工作臺回轉型的五軸結構[2]，因為它的加工范圍廣且易于實現。其中，微型機床機身使用6061鋁合金板加工而成，采用X、Y、Z、A、C五軸聯動立式結構的機械結構設計，機架為龍門式結構，運動方式采用龍門架移動，工作臺固定（即動梁定工作臺式），AC軸采用工作臺回轉的運動方式，即搖籃式結構。步進電機驅動的5個軸完成坐標運動，傳動裝置采用絲杠-螺母傳動副，通過梅花聯軸器與步進電機軸伸端相連，并在Z軸裝配一個可以高速轉動的電動機作為雕刻主軸。數控微型機床機械結構，如圖1所示。

微型機床A、C軸裝配在工作臺，由57和42步進電機、同步帶輪、菱形支撐座以及光軸等組成。A軸轉動時需要承受部分搖籃式五軸結構質量，因此工作時需要較大的扭矩驅動，這里選擇57步進電機作為A軸動力源。另外，X、Y、Z軸都采用42步進電機[3]。A、C軸機械結構示意圖，如圖2所示。

對于A、C兩軸，選用步進電機步距角為1.8°。此時，步進電機旋轉一圈需要接收200（計算方式為360÷1.8）個脈沖，即步進電機每200步旋轉一周，轉臺的減速比為6。為了使設置中步進電機得到脈沖后可以整除旋轉角度，步進電機驅動器最好設置為4細分，在軟件設置時取小數點后3位，這樣控制精度提高4倍。

數控系統每輸出一個脈沖，A、B兩軸所轉的角度為：

由式（1）可知，步進電機每接收一個脈沖就旋轉0.075°。

3 電氣控制系統設計

根據設計要求，電氣結構應該與機械結構相互獨立，使用時通過數據線與接頭相連。為了使結構緊湊美觀，各種電氣元件如接口板、步進電機驅動等應該單獨放置，并有序排列在控制箱內。完成這些要求后，首先，設計人員需要研究電氣元件規格和各個電氣元器件的工作原理，并畫出簡潔清晰的電氣回路圖。其次，設計人員需要設計鈑金箱體，根據電氣原理合理布局各個元器件。最后，按照元件的外觀尺寸在箱體上開孔，整理并繪制箱體加工圖[4]。

3.1 電源回路設計

為了提高機床系統的穩定性，電氣結構中需要裝配兩個工作穩定的開關電源[5]。其中，24 V的開關電源為主控制板上的各類接口和步進電機驅動器提供電壓，36 V開關電源為主軸電機供電。為了使各類元器件正常工作，需先計算各部分系統消耗的功率并留出充分裕量。開關電源選用額定電流大于5 A的型號。

3.2 MACH3控制方式的優點

在電氣系統設計中，選用性能比較穩定的通用型MACH3接口板作為微型機床運動的控制系統[6-7]。使用MACH3控制方式具有如下優點：（1）可以通過計算機控制5個軸聯動加工；（2）集成了繼電器輸出端口，無須再配套使用繼電器；（3）具有模擬電壓0～10 V的輸出端口，可以搭配模擬端口的主軸控制板一起使用，可使用的并口針腳有17個；（4）外部電路發生異常時，光電耦合器可以隔離外部電路使其不會受到損壞，控制板上集成對刀、限位以及急停等開關接口，并支持在MACH3軟件中使用VB腳本程序開發；（5）相比于單片機控制，它無須開發程序，使用MACH3軟件執行G代碼即可控制PC端。

3.3 五軸數控微型機床控制系統布局設計

微型機床電氣控制箱背面應裝配電源開關、保險絲、電源指示燈、插座以及航空插頭[8-9]。另外，必須預留通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）和并口位置，用于控制箱與計算機連接。電氣控制箱的正面需要裝配主軸調速旋鈕，并用一個雙聯開關切換手動調速和G代碼調速，還需要裝配一個急停按鈕，當發生危險時能夠快速有效地控制設備停止。電氣控制箱內元器件安排需要清晰合理，在保證散熱的前提下最大化使用空間。圖3為電氣控制箱的組成圖。

4 裝配與調試驗證

五軸數控微型機床的電氣箱裝配需要參照電氣控制箱的配置圖擺放各個元器件。需要特別注意，脈沖信號線需要和高壓電源線分開接線，防止強電干擾脈沖信號，同時電氣控制箱應接地。上述步驟完成后，操作人員需要清理箱體內多余的殘留物以保持箱體 清潔。

裝配好電氣部分還需要相應地設置軟件，從而控制五軸數控微型機床。首先，參照電氣設計部分調整端口與針腳，使PC端可以通過并口針腳正確控制微型機床運動和實現相應功能。設置完成后的端口與針腳設置圖，如圖4所示。其次，按照計算的脈沖數調整各個軸的脈沖數、速度以及加速度。最后，完成機械電器和軟件裝配與設置，采用并口數據線將PC端與電氣控制箱相連，再用航空插頭將電氣控制箱與微型機床相連，清掃接線組裝時產生的垃圾。桌面式五軸數控微型機床裝配實物圖如圖5所示。

5 結語

文章設計了一款控制系統相對簡單、性價比高、能最大限度還原五軸機床編程與運行原理的小型五軸設備。借助于運行在PC端的軟件，操作人員能夠將數控加工代碼轉化為各軸的輸出脈沖數，通過計算機并口輸出脈沖信號至步進電機驅動器，以控制電機運動，從而實現各軸的運動。另外，該設備可以加工任意曲面和復合工藝加工演示，以用于不同行業的生產制造，也可以應用于高職院校、寫字樓、研究所、實驗室以及私人工坊等場所。