基于MACH3控制系統(tǒng)的5軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)

李秀霞

（上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，上海201411）

1 引 言

5 軸機(jī)床技術(shù)難度大，造價(jià)高昂，5 軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)國家先進(jìn)制造業(yè)水平乃至綜合國力的重要標(biāo)志。目前只有美國、德國、日本、韓國等為數(shù)不多的發(fā)達(dá)國家擁有成熟的5 軸技術(shù)，而且對發(fā)展中國家施行嚴(yán)苛的技術(shù)封鎖和價(jià)格壟斷。動輒幾百萬的售價(jià)導(dǎo)致5 軸機(jī)床很難在國內(nèi)制造業(yè)廣泛普及，5 軸技術(shù)研究和應(yīng)用的薄弱也令國內(nèi)大部分高校教學(xué)只能淺嘗輒止。因此，5 軸技術(shù)國產(chǎn)化已經(jīng)成為我國廣大科技工作者所面臨的緊迫課題。

本課題主要研發(fā)制造一款可用于高校教學(xué)的經(jīng)濟(jì)型小尺寸規(guī)格的5 軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺。該設(shè)備采用功能強(qiáng)大的MACH3 數(shù)控系統(tǒng)，并采用目前最專業(yè)的的UG/Post 軟件進(jìn)行后置處理，采用工作臺沿A、C 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)加工運(yùn)動的搖籃式機(jī)械結(jié)構(gòu)。該課題的研發(fā)將使高校購置并利用經(jīng)濟(jì)型的5 軸實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行教學(xué)實(shí)訓(xùn)成為可能，對于高校應(yīng)用推廣5 軸加工技術(shù)具有重要意義，并具有重要的科研價(jià)值和廣闊的市場前景。

2 5 軸數(shù)控雕刻機(jī)的總體設(shè)計(jì)

2.1 確定5 軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺的運(yùn)動類型

5 軸機(jī)床的運(yùn)動類型很多，常見5 軸加工中心的運(yùn)動類型主要有以下兩類：

圖1 主軸頭回轉(zhuǎn)A、B 旋轉(zhuǎn)軸實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)

圖2 工作臺回轉(zhuǎn)A、C 搖籃式5 軸實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)

（1）主軸頭產(chǎn)生A、B 兩個(gè)擺動運(yùn)動。如圖1 所示，在主軸頭上設(shè)計(jì)有繞X、Y 兩根直線軸的擺動運(yùn)動，行程A、B 兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸。由于該結(jié)構(gòu)的工作臺不參與回轉(zhuǎn)運(yùn)動，工作臺可以按較大規(guī)格設(shè)置，因此承載能力大，可加工中、大規(guī)格的零件；由于兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)和主傳動機(jī)構(gòu)復(fù)合在一起，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜；但是銑頭執(zhí)行兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)部件體積相對較小，因此刀具相對運(yùn)動靈活。機(jī)床行程較大，適合發(fā)動機(jī)箱體等大型零件的高速銑削加工。

（2）工作臺產(chǎn)生A、C 的一轉(zhuǎn)一擺運(yùn)動。如圖2 所示，這類機(jī)床外觀和尋常結(jié)構(gòu)一樣完全封閉，工作臺真正用于加工的空間較小，另外，加工過程中完全依靠工作臺的回轉(zhuǎn)擺動來調(diào)整工件的切削姿態(tài)，工作臺的靈活性很大，對工作臺的加工精度要求較高，因此一般不能承受重載零件。主要用于中小型精密零件的加工。該機(jī)械結(jié)構(gòu)適合于設(shè)計(jì)本課題教學(xué)用的小型數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺。

圖3 AC 搖籃式5 軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺控制原理圖

根據(jù)上述的分析對比，針對實(shí)驗(yàn)臺加工的對象都是中小零件，因此采用圖2 工作臺上產(chǎn)生A、C 回轉(zhuǎn)運(yùn)動的搖籃式5 軸機(jī)床機(jī)構(gòu)。

2.2 實(shí)驗(yàn)臺的控制原理圖

此次設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)主要用于高校教學(xué)過程中代木、鋁合金、臘制品等軟材料的高速銑削加工，對機(jī)床的切削力要求不高，中等加工精度。它由五大部分組成：機(jī)床本體、CNC 控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、輸入輸出裝置、輔助裝置（冷卻、裝夾裝置等）。

（1）本設(shè)備的X、Z 方向直線位移采用刀具直接在龍門架上的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)，但是龍門架本身的運(yùn)動會導(dǎo)致加工精度的明顯下降，因此，在Y 方向上采用工作臺的前后移動來實(shí)現(xiàn)，而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺繞X 方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動構(gòu)成A 軸運(yùn)動，工作臺繞Z 軸的旋轉(zhuǎn)形成C 軸運(yùn)動。

（2）在驅(qū)動模塊，X、Y、Z 三個(gè)直線位移采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠的運(yùn)動，而A、C 坐標(biāo)采用諧波減速機(jī)作為驅(qū)動部件。主軸頭采用高速電主軸直接帶動刀具來實(shí)現(xiàn)刀具的高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

（3）數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺的核心是MACH3 數(shù)控系統(tǒng)。操作者通過輸入、輸出接口把數(shù)控程序輸入到系統(tǒng)中，在MACH3 內(nèi)部將加工程序進(jìn)行譯碼運(yùn)算、插補(bǔ)運(yùn)算、速度處理等一系列自動處理，生成控制各軸運(yùn)動的脈沖信號，再經(jīng)過伺服驅(qū)動系統(tǒng)的信號放大、反饋控制，結(jié)合CNC接收操作人員的面板外部指令，同時(shí)對數(shù)控機(jī)床本體進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，從而完成零件的五軸加工控制過程。

（4）在實(shí)驗(yàn)臺中還有一些輔助裝置，例如，切削液供給裝置、自動換刀裝置等。這些輔助裝置主要用來配合協(xié)調(diào)數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺的正常加工。

在以PC 機(jī)上裝載開放式數(shù)控系統(tǒng)的五軸設(shè)備設(shè)計(jì)中，PC 機(jī)是總體設(shè)計(jì)平臺，目前市場上的PC 機(jī)配置足夠支持MACH3 系統(tǒng)完成控制任務(wù)。PC 機(jī)硬件部分的任務(wù)主要是存儲系統(tǒng)程序，編制零件加工程序，運(yùn)算的中間變量以及定時(shí)器的管理，中斷等計(jì)算機(jī)基本功能。

出于經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，本課題設(shè)計(jì)的五軸實(shí)驗(yàn)臺沒有設(shè)計(jì)專業(yè)的運(yùn)動控制卡，而是采用MACH3 軟件插補(bǔ)的形式，通過PC 機(jī)25 針并口直接輸出到接口板上。

接口板采用標(biāo)準(zhǔn)CON 接口及JIS232 接口，可以與電腦聯(lián)接；多路高速光耦開關(guān)，驅(qū)動芯片采用5 塊日本東芝186560 芯片，并加裝散熱器。最大十六細(xì)分，最大驅(qū)動電流4.25A。控制用的PC 應(yīng)該是專用的臺式機(jī)，并盡量不要安裝其它應(yīng)用軟件，以免引起信號干擾以及運(yùn)行速度下降。

圖4 基于MACH3 控制系統(tǒng)的接口板

3 結(jié) 語

五軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、軟件技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)的綜合運(yùn)用。A、C 搖籃式回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動靈活，適合于中小型零件的五軸加工。符合本課題的設(shè)計(jì)需要。基于PC 平臺的數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)計(jì)簡單，適合于中小型設(shè)備的開發(fā)設(shè)計(jì)。

［1］ 田榮欣，等.附加轉(zhuǎn)臺數(shù)控機(jī)床的五坐標(biāo)后置處理算法研究［J］.設(shè)計(jì)與研究，2007（5）：36-38.

［2］ 徐晗，等.五軸聯(lián)動數(shù)控陶瓷雕刻機(jī)的研究與開發(fā)［J］.中國陶瓷，2007，43（12）：44-45.

［3］ 王洪花，等.五軸聯(lián)動數(shù)控陶瓷雕刻機(jī)的運(yùn)動控制的研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2009.