王志平　趙巍　王英杰

摘 要：本文根據(jù)教學(xué)的需要，利用Mach3控制軟件作為開放式控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并制造了集數(shù)控車床水平床身與傾斜床身于一體的新型可視化數(shù)控車床教學(xué)模型，直觀展現(xiàn)數(shù)控車床結(jié)構(gòu)，可以用于數(shù)控課程的教學(xué)。在機(jī)床裝有微動(dòng)開關(guān)，用它控制工件運(yùn)動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)刀的行程，避免發(fā)生碰撞事故。并對(duì)尼龍、木材或工程塑料等試切，加工效果良好，滿足教學(xué)需求。

關(guān)鍵詞：教學(xué)型數(shù)控車床 可視化 Mach3軟件 微動(dòng)開關(guān)

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（a）-0176-03

開放式數(shù)控系統(tǒng)是能夠在多種平臺(tái)上運(yùn)行，可以和其他系統(tǒng)互操作，并能給用戶提供一種統(tǒng)一風(fēng)格的交互方式。具有可互換性、可伸縮性、可移植性、可擴(kuò)展性等特征，是當(dāng)前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。鑒于此本文采用了基于Mach3的純軟件開發(fā)式數(shù)控系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的教學(xué)型數(shù)控車床。文獻(xiàn)[1]利用Mach3軟件對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床進(jìn)行改造，滿足了數(shù)控銑床操作方便、價(jià)格低的特點(diǎn)，試切效果良好。文獻(xiàn)[2]通過Mach3軟件完成了對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床試驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)，開發(fā)出一種價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單的簡易型數(shù)控銑床，可用于數(shù)控原理等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。文獻(xiàn)[3]～[5]提出了對(duì)教學(xué)型數(shù)控機(jī)床的研制，實(shí)現(xiàn)了操作方便、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]提出了對(duì)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)、改裝，實(shí)現(xiàn)了降低成本、教學(xué)、生產(chǎn)、實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。在此基礎(chǔ)上本文利用Mach3軟件設(shè)計(jì)了一臺(tái)可視化教學(xué)型數(shù)控車床，從最初的機(jī)床的設(shè)計(jì)、選型，到裝配，調(diào)試，以及到最后的試件加工，除了同時(shí)具備上述機(jī)床開發(fā)成本低、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單特點(diǎn)外，這套教學(xué)型數(shù)控車床還具備以下特點(diǎn)：（1）完整性；（2）可視化的外殼，可清晰觀察到數(shù)控車床在工作時(shí)的內(nèi)部工作原理和工作過程，直觀的展現(xiàn)數(shù)控車內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而便于教學(xué)講解和使用；（3）安全系數(shù)高，可以避免人機(jī)事故的發(fā)生；（4）滿足學(xué)生“好奇、好動(dòng)、好學(xué)”的特點(diǎn)，更能鍛煉學(xué)生的綜合分析能力和應(yīng)用能力；（5）實(shí)習(xí)材料（尼龍、木材或工程塑料）價(jià)格低。

1 數(shù)控車床的工作過程及總體設(shè)計(jì)思路

1.1 數(shù)控車床的工作過程

該車床的結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)控車床組成基本相同，主要由車床本體、數(shù)控系統(tǒng)（通用計(jì)算機(jī)+Mach3板卡+Mach3控制軟件）、伺服系統(tǒng)、檢測裝置和輔助裝置5大部分組成，由硬件和軟件共同完成控制工作。工作過程如圖1所示。

1.2 總體設(shè)計(jì)思路

數(shù)控車床的控制系統(tǒng)為全軟件開放式控制類型，CNC的全部功能均由PC實(shí)現(xiàn)，并通過裝在PC機(jī)上擴(kuò)展槽的伺服接口卡對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)等進(jìn)行控制。PC機(jī)上的數(shù)控系統(tǒng)軟件為Mach3軟件，控制卡為標(biāo)準(zhǔn)化商用CNC控制板，完成對(duì)兩相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。Mach3軟件發(fā)出控制信號(hào)，通過接口板分別向X、Z軸發(fā)出控制脈沖，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)X、Z向進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；向機(jī)床主軸的控制以繼電器發(fā)出控制信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的控制。行程開關(guān)通過控制板向Mach3反饋檢測信號(hào)，以保證操作安全可靠。

2 數(shù)控車床的設(shè)計(jì)

2.1 主要部件選型

本文設(shè)計(jì)的一臺(tái)集數(shù)控車床水平床身與傾斜床身于一體的新型可視化數(shù)控車床教學(xué)模型，利用銷釘和輔助銷釘定位來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。由于本設(shè)計(jì)主要起演示和展示切削原理及控制原理的作用，因此，根據(jù)需要，本設(shè)計(jì)的主要部件選型如表1所示?？梢暬瘮?shù)控車床效果如圖3所示。

2.2 行程開關(guān)

本設(shè)計(jì)采用微動(dòng)開關(guān)作為行程開關(guān)，因?yàn)樗婢叱叽缧?、反?yīng)靈敏、容易安裝的特點(diǎn)。選用KW11-3Z型號(hào)微動(dòng)開關(guān)，COM是公共端；ON閉合；NC（NOT CONNECT）斷開。本文采用微動(dòng)開關(guān)的常開觸點(diǎn)（COM接GND，ON接板卡端子），當(dāng)工作臺(tái)撞到微動(dòng)開關(guān)時(shí)，表明到達(dá)極限位置，機(jī)械位移轉(zhuǎn)變成電信號(hào)（ON閉合），通過接口板迅速反饋Mach3控制系統(tǒng)，機(jī)床復(fù)位，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)電機(jī)和機(jī)床起保護(hù)作用，下次啟動(dòng)需重新復(fù)位。微動(dòng)開關(guān)切換時(shí)間為5～15 msec。與板卡連線接口如表3所示。因?yàn)槊總€(gè)軸有兩個(gè)極限位置，即各軸正負(fù)極限位置（電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的極限位置）。微動(dòng)開關(guān)與板卡接口如圖4所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件介紹

Mach3 CNC控制軟件是開放式數(shù)控系統(tǒng)，操作簡單，維護(hù)方便， 具有開放性、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的新型數(shù)控系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)PC電腦完全轉(zhuǎn)換為全功能的CNC控制器，可以實(shí)現(xiàn)最高6軸連動(dòng)CNC控制，直接支持多種DXF、BMP、JPG文件格式輸入、視覺G代碼顯示、直接生成G代碼、主軸轉(zhuǎn)速控制、多重繼電器控制、手搖脈沖生成，包括大量加工策略、視頻展示、可以用觸摸屏、全屏顯示、數(shù)字化、三維動(dòng)態(tài)顯示跟蹤、自動(dòng)對(duì)刀、程序跳段執(zhí)行（斷點(diǎn)記憶）系統(tǒng)具有螺距誤差補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償、刀具長度補(bǔ)償、刀尖半徑補(bǔ)償及磨損補(bǔ)償功能。軸向運(yùn)動(dòng)加速度及速度調(diào)節(jié)界面可根據(jù)其實(shí)情調(diào)整適應(yīng)高速高精度加工。

3.2 Mach3設(shè)置

（1）打開Mach3軟件，在公英制設(shè)置中選擇毫米（1英寸=25.4 mm），由于并口選擇和傳輸速度一般都只使用一個(gè)并口，不必進(jìn)行設(shè)置，采用默認(rèn)即可，其他參數(shù)要根據(jù)界面進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。Mach3驅(qū)動(dòng)程序可以在25000 Hz、35000 Hz、45000 Hz的頻率下工作，Mach3的運(yùn)行頻率與電腦處理器的速度和處理器加載的進(jìn)程有關(guān)，本設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)頻率為25000 Hz。

（2）微動(dòng)開關(guān)在軟件上的設(shè)置如下：在工作界面的“輸入信號(hào)設(shè)置”中進(jìn)行設(shè)置，25針并口有5個(gè)輸入端口，分別是10～13和15，每個(gè)軸要用到2個(gè)微動(dòng)開關(guān)即用到2個(gè)輸入口（只需設(shè)置軟件中的X++，X--，Z++，Z--即可，X home和Z home在此處沒有用到可以不用設(shè)置），信號(hào)為低電平有效。

（3）Mach3的輸入和輸出信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字，輸入信號(hào)是通過并口加在輸入針腳上的電壓，輸出信號(hào)是輸出針腳上的電壓。

3.3 電機(jī)調(diào)試

窗口右邊的軸選擇區(qū)域用于選擇需要設(shè)定參數(shù)的軸，左邊的曲線圖反應(yīng)了參數(shù)設(shè)定后步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行是加速—穩(wěn)定—減速的變化曲線，在兩者之間的Velocity調(diào)整塊用于快速的調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行速度，這里的速度不是電機(jī)轉(zhuǎn)速，而是電機(jī)帶動(dòng)絲杠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)的最終最大移動(dòng)速度。這里的參數(shù)關(guān)系到步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)正確的轉(zhuǎn)換到工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)。參數(shù)Steps per：這個(gè)參數(shù)是決定了工作臺(tái)每運(yùn)動(dòng)1mm，步進(jìn)電機(jī)需要多少個(gè)脈沖。

計(jì)算方法=（步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)×驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)）/絲杠導(dǎo)程（導(dǎo)程也就是螺距，如果絲杠不是直接連接電機(jī)而是通過減速后連接則計(jì)算結(jié)果還需要再乘以減速比）。

參數(shù)Acceleration Inns or mm's/sec/sec：這個(gè)參數(shù)是決定了電機(jī)由停止到最高速或者由最高速到停止的啟動(dòng)與停止加速度，根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，采用的具體參數(shù)如圖5所示。

4 試切驗(yàn)證

選擇毛坯為Φ25×45的尼龍材質(zhì)毛坯進(jìn)行試切削。零件圖如圖6所示，程序測試仿真圖如圖7所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)教學(xué)型數(shù)控車床，該數(shù)控車床實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車床基本功能，能夠進(jìn)行內(nèi)外廓的車削加工；能夠?qū)τ捕容^低的材料進(jìn)行車削并保證一定精度；實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車床結(jié)構(gòu)和原理的可視化，達(dá)到了教學(xué)應(yīng)用的目的。在以后的工作中，要進(jìn)一步完善模型的主軸控制系統(tǒng)、X軸向行程在進(jìn)一步加大、輔助功能的完善等，使車床模型更加完善。

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