五軸數控實驗平臺的設計和應用

■江蘇科技大學 （江蘇鎮江 212001） 洪 超 王繼者

當前我國數控裝備行業迎來了一個嶄新的時代，多軸聯動加工設備也得到了越來越廣泛的應用，尤其是五軸聯動加工機床，以其加工精度高、靈活性好等顯著特點，廣泛應用于航空航天、汽車和模具加工等行業。多軸機床的普及也帶來了社會對各類數控人才的渴求，高校作為培養人才的搖籃，其教學水平與人才培養質量息息相關。但我國各類教學數控設備的在校應用率遠低于西方國家，由于現有的教學設備價格昂貴，臺套數較少，嚴重制約了數控技術教學質量的提高。特別是五軸數控機床技術難度大，造價昂貴，使得多數高校難以購買足夠數量的機床來適應教學需要。

因此，為解決存在的問題，提高多軸加工數控人才的培養質量，本文提出了一種經濟型五軸數控實驗平臺的設計方案。通過總體方案的確定，主要零部件的設計、計算、選型，數控系統軟硬件的設計、選擇，五軸機床后處理程序的編寫及機床主要部件的動態特性分析等，完成了機床設計的全部工作，并對非標件加工，控制電路接線，控制系統參數設置，完成了五軸數控機床的制造和調試，并實現對葉輪零件的加工，實現機床五軸聯動，達到預期的功能要求。

1. 五軸數控實驗平臺的設計

（1）總體方案的設計 在機械系統總體方案設計中，將五軸實驗平臺的結構布局分為移動軸（X、Y、Z軸）結構布局與旋轉軸（A、C軸）結構布局，參考小型雕刻機的典型結構，選擇固定龍門式結構。考慮機床的整體剛度和編程加工要求，選擇五軸數控機床的總體結構為搖籃式雙轉臺龍門固定式結構，如圖1所示。

圖1 機床的總體結構

控制系統總體方案的設計中，要求滿足控制功能的前提下盡可能由學生參與，故選擇采用開環控制系統作為該五軸數控機床的控制系統，針對開放式數控系統采用較多的是數控結構嵌入P C機即“計算機＋運動控制卡”結構。這類數控方式主要通過運動控制卡來實現，PC機與控制卡具有相對獨立性，因此總體開放性較好，易于學習和研究再開發，性價比也較高。機床床身采用標準鋁型材和配件，融入拼裝模型理念，由學生根據設計搭建。

（2）機床機械系統的設計 在機械系統總體方案確定的基礎上，為了適應教學安裝、調試和加工的需求，對機床各軸的傳動結構進行優化。其中在X、Y、Z軸的進給系統中，選擇使用步進電動機作為各軸的動力源，通過聯軸器聯接滾珠絲杠，同時以滾珠絲杠螺母為執行機構，將電動機的旋轉運動轉換成工作臺的直線移動。在A、C軸旋轉進給的設計中，同樣選擇以步進電動機為驅動電動機，由于加工過程中，A軸需要承受顛覆力矩，C軸需要承受旋轉力矩，而步進電動機的轉矩在1.2～3.0N·m，因此選用同步帶傳動來增大機床A/C軸的定位力矩，實現零件的加工。

（3）機床控制系統硬件的選擇與電路的設計 基于“計算機＋運動控制卡”的開放式數控系統，選擇Mach3軟件作為計算機的控制軟件，選擇BSMCI15U運動控制卡（見圖2）實現五軸的聯動控制，通過進給系統和主運動系統的設計，完成步進電動機、主軸電動機及其驅動器的細分選擇和電路連接設計，通過限位、急停等設置，完成總體的電路設計圖（見圖3）。

圖2 BSMCI15U運動控制卡

2. 控制軟件系統的選擇與設置

Mach3開放性控制軟件由ArtSoft公司研發，可使標準PC電腦完全轉換為全功能的CNC控制器，使用PC機的USB端口作為數控設備連接端口，通過連接五軸運動控制卡，輸出脈沖與方向信號，控制步進電動機或伺服電動機驅動器，控制該機床5個軸的步進電動機驅動器，進而控制各軸電動機的轉動，從而實現機床的運動。該軟件作為開放式數控系統，其性能穩定、價格低廉，適用教學和DIY設計者的使用。學生通過對系統參數的設置，更加理解系統性能。

圖3 控制電路設計

Mach3軟件參數設置步驟如下。

1）打開工業級五軸版本的Mach3軟件，界面如圖4所示，點擊菜單欄中的“設置”，對應進行相關參數的修改。

2）端口/針腳設置。主要包括“端口設置與軸向選擇”、“電動機輸出”和“限位開關、急停設置”等。其具體設置如圖5所示。

圖4 Mach3軟件五軸界面

3）步進電動機調試：由于步進電動機的步距角為1.8°，細分數選擇16，滾珠絲杠導程為5mm，則可計算Steps per即工作臺每運動1mm需要的脈沖數為：（360/步距角）×細分數÷螺距＝320，其中由于A/C軸使用同步帶作為減速傳動裝置，傳動比分別為1∶6和1∶8，故其旋轉1°所需脈沖數同理，可計算分別為35.555和26.666 7。其具體參數設置如圖6～圖8所示。

圖5 端口與針腳設置

圖6 X/Y/Z軸電動機輸出參數設置

圖7 A軸電動機輸出參數設置

圖8 C軸電動機輸出參數設置

3. 五軸數控機床加工編程和后處理模塊編寫

（1）數控編程的后處理 在數控程序的編制過程中，利用CAM軟件根據走刀方式、刀具及切削用量等設置計算刀具軌跡的過程稱為前置處理。目前，國內常用的CAM軟件有PowerMILL、UGNX、MasterCAM和Cimatron等。編程軟件通過計算機計算產生刀具路徑文件，也就是刀位文件，但刀位文件不是數控系統可識別的NC程序，需要由相應的后處理模塊處理成機床所需的NC程序。

為了簡化系統軟件以及使前置處理具有更強的通用性，一般在前置處理時，都不考慮機床的實際結構類型及數控系統的編程指令格式。因此，要獲取數控機床能夠識別的NC程序代碼，就必須將軟件中所得到的刀具軌跡轉化為所用數控機床的N C程序代碼，這個過程即為后置處理。

后置處理是聯系CAD/CAM技術與數控加工的紐帶，是編制數控程序的核心技術之一，也是數控加工技術中的關鍵組成部分。后置處理的結果將會直接影響CAD/CAM自動編程軟件的使用效果、機床的運行可靠性及機床的利用率，是實現零件前置刀位軌跡（APT）文件轉化為機床識別的NC程序的基礎。

本平臺由于為五軸聯動加工機床，Mach3進行數控加工時，能夠識別國際標準的G代碼，但Mach3本身不能進行五軸編程，故需要用其他C A M編程軟件生成GM碼，如MasterCAM、UG、PowerMILL等。由于自動編程軟件中，對刀路的生成均采用以工件固定刀具運動擬定加工刀路, 其經過輸出，可得到一個以坐標與方向矢量進行刀具位置所在點的刀位文件，該文件不能被Mach3軟件識別，故需要使用PowerMILL軟件為Mach3設置機床代碼后處理；將CAM軟件的輸出刀路轉化為可被Mach3識別的GM代碼，進而實現機床的五軸聯動加工。

（2）基于PowerMILL的五軸后處理程序的編寫 不同軟件的后處理構造器的界面不同，但任何后處理文件大都可分為程序格式和機床結構兩大部分的設置，以PowerMILL的后處理構造器Manufacturing Post Processor Utility 2017為例，程序格式的設置以Mach3開放軟件程序識別為主，機床結構的設置以搭建的五軸搖籃式機床為參考，其中機床的結構參數見表1，機床結構編寫程序如圖9所示，程序格式如圖10所示。

表1 五軸實驗平臺參數

圖9 機床結構程序

圖10 后處理程序格式

Power MILL 軟件提供兩種后處理模塊：Duct Post 和PostProcessor。前者通過文字處理軟件進行后處理的創建與更改，其修改方便，處理刀位文件速率快，短小精悍；后者是圖形界面的后處理模塊，更加直觀，使用簡單，功能強大，是未來的發展方向。本文針對PowerMILL軟件PostProcessor后處理模塊定制五軸FANUC系統搖籃式機床所需后處理文件。

4. 五軸機床制造與仿真加工

（1）教學型五軸數控機床的制作 基于方案設計和零部件的設計計算，大部分為外購鋁型材和標準件，只需對少量非標零部件的加工，根據設計要求搭建床身，并安裝滾珠絲杠、導軌、滑塊和主軸等部件，調整裝配間隙。根據設計電路圖完成各元器件接線，并制作航空接頭與平臺連接，搭建的五軸數控機床實物如圖11所示。該機床具有結構簡單，占地面積小的特點，可以滿足小型、精度一般零件的加工要求，同時可根據不同設計重復拆裝，適用于各類院校數控加工課程的設備拆裝、調試和數控加工實訓。

圖11 教學型五軸數控機床實物

（2）仿真模擬加工 在五軸機床進行零件加工前，為了檢驗經后處理程序的正確性，需要對加工過程進行仿真模擬。機床的仿真加工不僅能夠提高數控程序編寫效率及正確性，還能通過仿真加工直觀地觀察到工件的加工過程，檢驗出加工中可能存在的干涉、碰撞等問題，降低實際應用中工件的浪費，同時保護機床的安全性和高效使用。因此，使用UG軟件，建立葉輪零件模型，通過PowerMILL軟件生成加工刀軌，并使用編寫的后處理文件，對葉輪的加工刀軌進行后處理，輸出NC文件，并將其導入Vericut中進行相關的加工仿真模擬。

加工過程中觀察狀態欄中的報警信息、各運動軸的加工位姿和走刀路徑，判斷機床的運動是否正確，葉輪加工結果如圖12所示，加工過程中無碰撞，且刀具路徑符合設計要求。

（3）葉輪零件的機床加工 在軟件進行仿真加工檢驗，無錯誤出現，且沒有超行程及碰撞的現象發生，就可進行機床加工，安裝工件毛坯，選用直徑為6mm的圓球刀裝刀、對刀，啟動加工程序進行葉輪的加工。加工成品經檢驗符合圖樣要求，達到了預期的目的。如圖13所示。

圖12 VeriCut仿真加工結果

5. 結語

由Mach3軟件控制的五軸數控實驗平臺應用于機電一體化系統設計、課程設計和畢業設計的教學，涵蓋了機械、電子、計算機技術等多學科知識，過程由交叉學科專業的共同協作完成，取得很好的教學效果。豐富了教學資源和教學手段，給學生提供了一個完整的機、電、加工一體化系統的五軸實驗平臺，鍛煉了學生的實踐能力，收到了良好的教學效果。