胡曉軍 潘智平 袁夏松 汪萌生

摘 要：本文以MACH3為軟件平臺，運用UG軟件設(shè)計數(shù)控銑床三維模型，并依據(jù)模型完成床身及機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝。通過硬件電路和MACH3板卡連接上位機(jī)和銑床，實現(xiàn)數(shù)控銑床的加工。該實驗設(shè)備可用于數(shù)控技術(shù)、機(jī)床概論、機(jī)械制造工藝學(xué)等課程的理論與實驗教學(xué)。

關(guān)鍵詞：MACH3 UG 數(shù)控銑床 實驗

中圖分類號：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（a）-0108-02

自從數(shù)控技術(shù)引進(jìn)我國以來，對我國現(xiàn)代化制造業(yè)影響極大，各企業(yè)對數(shù)控人才的需求也在不斷增加[1]。為滿足企業(yè)對高水平技術(shù)性人才的需求，國家也正在號召各高等院校向應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面轉(zhuǎn)型。對于機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生來說，不僅需要掌握好理論知識，掌握先進(jìn)的制造工藝及技術(shù)也十分必要。因數(shù)控機(jī)床價格昂貴，國內(nèi)各大高校對數(shù)控設(shè)備的配備較少，遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。本實驗型數(shù)控銑床造價較低，功能齊全，不僅可以提高實驗教學(xué)質(zhì)量，也可以滿足學(xué)生提高動手操作能力的需求。

1 實驗裝置總體設(shè)計框架

本實驗裝置主要由上位機(jī)、電氣控制柜、銑床主體三大部分組成[2]。其中MACH3軟件安裝在上位機(jī)上，電氣控制器件及MACH3控制板卡安裝于電氣控制柜，機(jī)床傳動、執(zhí)行部件及相應(yīng)傳感器安裝于銑床主體。工作過程中，由上位機(jī)發(fā)送控制指令或G代碼至MACH3控制板卡，控制板卡解讀指令，并發(fā)送執(zhí)行命令至各執(zhí)行部件，在執(zhí)行部件運動過程中各傳感器（如：位置檢測傳感器、軟限位、硬限位信號傳感器等）將檢測到的信號傳送給MACH3控制板卡，控制板卡依據(jù)檢測到的信號確定下一步指令的發(fā)送，總體框架圖如圖1所示。

2 數(shù)控銑床模型建立

數(shù)控銑床床體模型主要由床身、X、Y、Z軸傳動模塊、主運動模塊、傳感器模塊構(gòu)成。本文依據(jù)各零部件型號，用UG軟件設(shè)計其各零部件三維圖形，并將各零部件裝配成型，如圖2所示。

2.1 X、Y、Z傳動模塊

數(shù)控銑床X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的運動主要是通過MACH3軟件發(fā)送運動指令至MACH3板卡，然后由板卡解析運動指令后發(fā)送相應(yīng)脈沖至電機(jī)驅(qū)動器，實現(xiàn)某個坐標(biāo)軸的運動。為保證運動精度，本設(shè)計采用伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連。X、Y方向工作臺的運動及Z軸的上下運動，均由對應(yīng)絲杠帶動其上的滑塊實現(xiàn)。

2.2 主運動模塊

由于本設(shè)計主要用于機(jī)械專業(yè)的理論和實驗教學(xué)，不僅要滿足課堂教學(xué)中理論與實踐相結(jié)合的特性，還要保證課堂教學(xué)的安全性，故主軸轉(zhuǎn)速不宜過高。本文選用可PWM調(diào)速的24V直流電機(jī)，通過皮帶與主軸部件連接，實現(xiàn)主軸的低速運轉(zhuǎn)。

2.3 傳感器模塊

數(shù)控機(jī)床之所以智能，是因為它擁有“大腦”“心臟”和“眼睛”，類傳感器就是數(shù)控機(jī)床的“眼睛”。其中，位移傳感器可監(jiān)測，判斷數(shù)控機(jī)床是否運動到指定位置，若是則停止運動，若否則發(fā)送偏差信號至控制模塊，控制模塊分析后發(fā)送下一運動指令；若機(jī)床觸動限位開關(guān)，則接觸器被觸發(fā)，機(jī)床該坐標(biāo)軸停止進(jìn)給運動，實現(xiàn)機(jī)床的硬限位。

3 MACH3控制軟件及電路設(shè)計

3.1 MACH3參數(shù)配置

MACH3是ArtSoft公司開發(fā)的開放式數(shù)控操作系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，價格低廉，該系統(tǒng)可在Windows平臺運行[3]。針對本實驗設(shè)備，參數(shù)配置如下。

（1）英聯(lián)邦國家所用度量單位一般為英寸，而我國度量單位采用國際單位，在機(jī)械行業(yè)多采用“mm”為單位?？赏ㄟ^軟件菜單欄中公英制選擇設(shè)置。

（2）MACH3軟件和板卡通信主要依靠USB或并口實現(xiàn)，因此需要正確設(shè)置端口地址和內(nèi)核速度。

（3）電機(jī)輸出端口主要設(shè)置X、Y、Z各軸電機(jī)的使能信號和方向信號。

（4）輸入信號主要設(shè)置X、Y、Z各軸位置信號、限位信號，信號設(shè)置為低電平有效。

（5）輸出信號主要設(shè)置主軸正反轉(zhuǎn)信號和冷卻噴霧。

（6）電機(jī)調(diào)試是設(shè)置是保證機(jī)床運動精度的重要環(huán)節(jié)，主要設(shè)置脈沖當(dāng)量、速度、加速度、步進(jìn)脈沖和方向脈沖等參數(shù)。其中脈沖當(dāng)量設(shè)置主要取決于伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)、驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)和絲杠導(dǎo)程；速度和加速度設(shè)置主要取決于所選電機(jī)性能，加速度一般為速度的一半。具體參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

3.2 控制電路設(shè)計

該實驗裝置控制電路主要包括電源上電、急停、復(fù)位、主軸正反轉(zhuǎn)、各軸限位開關(guān)各、軸運動狀態(tài)指示燈、位置開關(guān)等。其中，X、Y、Z軸正負(fù)方向行程開關(guān)和急停開關(guān)串聯(lián)在主電路中，復(fù)位開關(guān)與上述電路并聯(lián)；各軸運動狀態(tài)指示燈一端接入主電路另一端接入控制板卡相應(yīng)引腳；主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制及自鎖互鎖電路較常見，在此不再敘述。

4 結(jié)語

本實驗裝置可實現(xiàn)數(shù)控銑床基本功能，能夠正確運行G代碼，加工蠟?zāi)?、尼龍等硬度較低零件輪廓外形。該數(shù)控銑床傳動結(jié)構(gòu)和控制電路及傳感器設(shè)置滿足使用要求，同時也便于觀察，用于課堂教學(xué)和實驗教學(xué)現(xiàn)場演示，可調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生對數(shù)控機(jī)床的認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)

[1] 王惠.面向現(xiàn)代職業(yè)教育的數(shù)控加工體系研究[D].江蘇大學(xué)，2012.

[2] 許云飛.FANUC系統(tǒng)數(shù)控銑床/加工中心編程與操作[M].電子工業(yè)出版社，2010.

[3] 伍文進(jìn)，徐中云，夏開虎.基于MACH3平臺的數(shù)控銑床自動對刀研究[J].機(jī)床與液壓，2017，45（8）：22-25.

[4] 劉帥.UG NX10產(chǎn)品建模設(shè)計基礎(chǔ)教程[M].西南交通大學(xué)出版社，2016.