基于MACH3的數控銑實訓臺研究

王景輝 楊配輕 李文濤

摘 要：以數控雕刻機為基礎構建的數控操作平臺，通過MACH3數控軟件進行編程控制，使用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。此臺架結構簡單，拆裝方便且成本較低，滿足小型客戶和教學使用的要求。

關鍵詞：數控雕刻機；MACH3數控軟件；CNC設備

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.005

近年來制造業飛速發展，社會對裝備制造專業的人才需求比較多，而數控技術作為裝備制造的一門課程，發揮著越來越重要的作用，對數控技術等相關專業的人才需求越來越多，因此學好數控專業的相關知識發揮著越來越重要的作用。目前，我國數控機床采用的系統有日本的發那科、三菱、華中數控、德國的西門子等。而對于數控機床，無論是國產的還是國外系統的，設備成本都比較高，體積較大，場地占用大，運行維護也不方便。為此，本文就開發了一種基于MACH3軟件的數控銑實訓臺架。此臺架結構簡單，拆裝方便且成本較低，適合相關設備拆裝、機床操作、數控編程等相關項目的開展實施，滿足了小型客戶和教學使用的要求。

1 機械結構的設計

機架是數控銑臺架的機械結構部分，而機架對加工過程起重要作用。機架有固定式和移動式，固定式即工作臺移動式龍門機架，除了工件重量以外工作臺重量也非常重，如果長期加工較重的工件，導軌磨損加劇，加工精度會降低。而移動式機架是橫梁移動，工作臺不動，具有非常好的承載能力，導軌磨損小且穩定，能保持長久的加工精度，因此采用移動橫梁式的龍門機架。主軸架橫向移動，完成寬度（X方向）的切削，主軸架上下運動，完成深度（Z方向）的切削，橫梁縱向移動，完成長度（Y方向）的切削。

主軸部分采用220V水冷高速電主軸，軸端裝有鉆夾頭用來裝夾刀具，傳動部分采用步進電機驅動滾珠絲杠實現各個方向的銑削加工，并用直線導軌實現導向。

2 控制系統設計

2.1 系統控制方式分析

本數控銑實訓臺架控制系統主要由三部分組成：數控裝置、主軸驅動系統和進給驅動系統。

根據有無反饋裝置，數控系統分成閉環控制系統、半閉環控制系統、開環控制系統。閉環控制系統帶有位置檢測裝置，可以消除整個驅動和傳動環節的誤差，具有最高的位置控制精度，這種系統的結構復雜，安裝和調試困難，且價格昂貴；半閉環控制系統位置檢測裝置安裝的伺服電機或絲杠的端部，不包括或只包括少量的機械傳動環節，穩定性比較好，但精度較閉環控制系統差，結構簡單，調試方便，價格稍低；而開環控制系統無位置反饋裝置，具有結構簡單、工作穩定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優點，在精度和速度要求不高，驅動力矩不大的場合得到了廣泛的應用。本文設備用于教學演示及程序驗證，對加工精度及切削力矩要求不高，為此采用開環控制系統。

2.2 控制系統整體設計

數控機床的核心部分：數控裝置。數控裝置：對零件圖樣和工藝要求進行數字化信息處理，建立數學模型進行插補計算，根據計算結果對機床進行控制，完成零件的加工。本文中采用PC機加MACH3軟件模擬運動控制卡作為控制核心。

進給驅動系統：步進電機及其驅動器構成進給驅動系統。數控裝置將插補計算結果轉換成脈沖信號和方向電平輸出給步進電機驅動器，由驅動器轉化成相電壓控制步進電機運動。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，是現代數字程序控制系統中的主要執行元件。本文采用的是57系列步進電機，步距角為1.8°，即控制系統沒發出1個脈沖信號電機轉過的角度為1.8°。控制步進電機的是TB6600驅動器。

主軸驅動系統：變頻器及PWM調速電機構成主軸驅動系統。變頻器接收數控裝置輸出的0～10V模擬量和方向電平，控制主軸的啟停、轉速、方向。電機主軸調速采用PWM脈沖寬度調制技術。脈寬調制信號是數字信號，通過矩形波的占空比來表示電機實際轉速和最高轉速的比值。占空比越大，高電平時間越長，輸出的脈沖幅度越高，電壓越高，占空比為零時，無電壓輸出，因此通過調節占空比，來控制電機轉速。

電源模板、專用接口板、各軸（X、Y、Z軸）限位開關、參考點限位開關、急停開關、手輪調速等構成了輔助系統。在加工過程中，由PC機加MACH3軟件構成的運動控制核對載入的NC程序進行處理，將接收到的數據信息傳動到各軸驅動器，控制各軸的步進電機運動；電源模塊提供整個系統所需要的電源；限位開關保證整個裝置能在安全范圍內運動；機床各軸向的絕對零點坐標由參考點限位開關控制；主軸驅動系統由電機及PWM調速電機構成，控制主軸的轉速。控制系統工作原理由下圖所示：

2.3 控制系統軟件設計

計算機輔助制造UG軟件可以把加工模型模擬成刀具的運動軌跡，生成驅動數控機床運動的代碼，將這些代碼導入到MACH3軟件中，MACH3通過輸出端口將代碼和設定的參數轉化成控制信號輸給運動控制卡。

MACH3軟件功能強大，利用PC機的運算功能來實現譯碼、插補、補償和控制等功能。它功能強大，應用廣泛，界面簡單、信息豐富。目前，軟件成功運用到各數控系統中，比如雕刻機、銑床、等離子電弧切割機等。MACH3軟件界面如圖所示：

在MACH3中輸入G代碼以及輔助功能M代碼，轉化成輸出信號，通過連接在并口輸出腳針的數據傳送到機床，控制電機電流接觸器。電機主軸調速采用PWM脈沖寬度調制技術。此技術比較簡單，廣泛應用于電機調速控制領域。電路簡單，只需采用一些脈沖觸發控制電路和一些晶體管等器件組合便可方便實現，動態響應靈敏，調速范圍寬，實現對轉速的無級調節，調速平滑。脈寬調制信號是數字信號，通過矩形波的占空比來表示電機實際轉速和最高轉速的比值。占空比越大，高電平時間越長，輸出的脈沖幅度越高，電壓越高，占空比為零時，無電壓輸出，因此通過調節占空比，來控制電機轉速。

刀具磨損或者換刀之后刀尖與電機之間的位置關系會變化，直接影響工件的加工質量，因此在對工件加工之前必須對刀。首先設置好對刀端口，再點擊軟件界面的“操作”、“編輯按鈕腳本”，此時主界面中對刀按鈕閃動，點擊按鈕彈出代碼編輯區，對刀時的速度、距離以及運行時的速度應根據實際情況來定。對刀操作時，在材料表面放置對刀塊，點擊“對刀”按鈕，刀頭會慢慢下降，當刀頭剛剛碰到對刀塊時，Z軸坐標會自動清零，刀頭自動上抬到安全位置，對刀完成。

3 結束語

本文設計的基于MACH3數控銑實訓臺架，結構簡單，成本低，滿足了設計的要求。操作簡單，維修方便，易于理解和掌握，對加工精度要求不高的工件，能夠達到所需的效果。此臺架可以開展相應的數控實訓教學，有很好的使用價值。

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