黃子良，趙軻

(廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

0 引言

國(guó)內(nèi)加工企業(yè)在追求高精度、高效率時(shí)，大多采用的是進(jìn)口的五軸數(shù)控機(jī)床，昂貴的價(jià)格限制了許多中小企業(yè)的發(fā)展，很多高校也無(wú)法裝備足夠的臺(tái)套數(shù)來(lái)供學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，故提出一款經(jīng)濟(jì)型五軸數(shù)控機(jī)床方案來(lái)滿足實(shí)際需要。進(jìn)行了機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模，闡述其控制系統(tǒng)原理和重要參數(shù)設(shè)置。該機(jī)床控制系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)開放式CNC控制軟件MACH3控制，具有成本低，占地小，精度中等，控制方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 機(jī)床的設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)床的總體設(shè)計(jì)方案

考慮到實(shí)際使用要求，機(jī)床采用開放式硬件結(jié)構(gòu)，即機(jī)床整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路連接全部可見，外加可拆卸防塵罩，便于在培訓(xùn)等場(chǎng)合中直接觀察控制系統(tǒng)對(duì)各軸的控制關(guān)系，分析電信號(hào)的輸入輸出等。各電機(jī)考慮性價(jià)比，選擇步進(jìn)電機(jī)，控制系統(tǒng)采用開放式CNC控制軟件MACH3，在計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)上運(yùn)行，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將MACH3的控制信號(hào)發(fā)送給各電機(jī)。采用MACH3軟件，最多可以控制6個(gè)軸，也可以控制四軸和三軸機(jī)床，在使用中可以調(diào)整設(shè)置。

1.2 機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)床的5個(gè)軸包括3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，全部由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。3個(gè)直線軸由步進(jìn)電機(jī)輸出軸與絲桿連接，絲桿通過(guò)與絲桿螺母配合，帶動(dòng)直線導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)；2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)與蝸輪蝸桿減速箱配合，以增大電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，并帶動(dòng)工作臺(tái)和主軸旋轉(zhuǎn)。由于五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床需要精確的傳動(dòng)定位，為此取消了直線運(yùn)動(dòng)的齒輪傳動(dòng)減速箱，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)減輕了機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，提高了加工精度。2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸采用蝸輪蝸桿作為減速裝置，由于蝸輪蝸桿帶有自鎖的功能，使得B軸帶動(dòng)主軸電機(jī)擺動(dòng)時(shí)候，可以固定在所指定的角度進(jìn)行銑削加工。其次，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)有較小的傳動(dòng)誤差，可提高加工精度。機(jī)床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.3 機(jī)床控制電路設(shè)計(jì)

機(jī)床以計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為平臺(tái)，通過(guò)Mastercam軟件繪出加工零件，然后設(shè)定加工路徑，生成NC文件，導(dǎo)入G代碼到MACH3控制軟件中控制機(jī)床。電腦與MACH接口板連接，發(fā)送脈沖，并且由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)放大從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，就可以帶動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工[1]。

因?yàn)镸ACH接口板BL-MACH-V1.1輸出的電流不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，所以還需選擇合適電流的驅(qū)動(dòng)器，本文采用Tb6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器做各軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；最后選擇合適的電源，有24 V和5 V兩組輸出可選擇，因?yàn)镸ACH接口板需要5 V電壓供電，而步進(jìn)電機(jī)需要24 V供電，這樣可以節(jié)省控制柜的空間?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)如圖2所示，MACH3控制器與計(jì)算機(jī)并口連接，然后輸出共5路信號(hào)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制五軸的運(yùn)動(dòng)。

圖2 控制電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)中需注意，在選擇電源的時(shí)候，要根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際功率的總和去選擇，例：24 V供電的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電流撥在1 A檔位，功率是24 W。如果將電流檔位調(diào)到2A，電壓不變，功率就變成了48 W。如果改變電壓，功率隨之變化。如果5個(gè)相同型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)都是24 W，則電源的總功率要>96 W，原因是一般采用UG/Mastercam生成代碼生產(chǎn)的5軸數(shù)控加工的G代碼最多是4軸聯(lián)動(dòng)，所以要求電源配置功率至少滿足4個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)工作的功率總和。本款機(jī)床在設(shè)計(jì)之初就遇到電源功率不足，導(dǎo)致加工時(shí)出現(xiàn)間歇式加工的故障，最后排查才發(fā)現(xiàn)是電源功率不足問(wèn)題。

Tb6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有6個(gè)輸入端，有2種接法：共陰極和共陽(yáng)極接法，本文采用共陽(yáng)極接法，即將相應(yīng)的脈沖端CLK-、方向端CW-、使能端EN-連接，將CLK+、CW+、EN+連接在一起。輸入電平是5V可直接與MACH接口板BL-MACH-V1.1連接，A+、A-、B+、B-作為輸出端，與步進(jìn)電機(jī)的A、B相4根線相接即可。

2 軟件系統(tǒng)的選擇與設(shè)置

一般CNC的控制軟件有MACH3、Kcam4和USB CNC-Controller,其中后2個(gè)一般只能用于雕刻機(jī)、切割機(jī)、鉆孔等簡(jiǎn)單的機(jī)械控制，而MACH3則具有數(shù)控機(jī)床的功能和激光切割等控制，功能相對(duì)更強(qiáng)大，相應(yīng)的各方面要求復(fù)雜，在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用時(shí)都需要在軟件上設(shè)置好與MACH3對(duì)應(yīng)的25個(gè)針腳等參數(shù)。

2.1 MACH3控制軟件介紹

MACH3 CNC控制軟件是由美國(guó)ArtSoft公司開發(fā)的，以Windows為平臺(tái)的數(shù)控軟件，系統(tǒng)版本必須為WIN XP或WIN2000。MACH3 軟件使用PC電腦的LPT或USB端口作為CNC設(shè)備的輸入與輸出、輸出脈沖與方向信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)控制數(shù)控機(jī)床。該軟件支持所有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)G代碼，最多控制6個(gè)軸。能實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)，帶線形插補(bǔ)功能，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的高精度加工，最高控制精度為0.000 1 mm。MACH3 CNC控制軟件是開放式數(shù)控系統(tǒng)、操作簡(jiǎn)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)特點(diǎn)。

2.2 MACH3關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

點(diǎn)擊菜單，在相應(yīng)的設(shè)置界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

1) 端口設(shè)置和軸向選擇(圖3)

圖3 端口設(shè)置和軸向選擇

系統(tǒng)頻率的選擇是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的極限轉(zhuǎn)速來(lái)確定，假設(shè)電機(jī)的極限頻率為800r/min，步距角是1.8°，一圈是200個(gè)脈沖，如果采用8細(xì)分則是1 600個(gè)脈沖，頻率就是：800×1 600/60=21 333Hz/s，所以應(yīng)該選擇25 000Hz這個(gè)系統(tǒng)頻率。

2) 電機(jī)輸出(圖4)

圖4 電機(jī)輸出

應(yīng)該選擇相應(yīng)的傳動(dòng)軸，基于本臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床則應(yīng)選擇x、y、z、B、C5個(gè)傳動(dòng)軸，Step Pin#是脈沖引腳，DIR Pin#是方向引腳；DIR LowActive是調(diào)整機(jī)床運(yùn)動(dòng)方向，假設(shè)方向相反了，就設(shè)置這里；Step Low Active 是設(shè)置電平高低有效，打勾為低電平有效，打叉則為高電平有效；Step Port和Dir Port 是定義并口，如果只有1個(gè)并口則設(shè)置1。

3) 限位開關(guān)、急停、使能設(shè)置(圖5)

圖5 限位開關(guān)等設(shè)置

這里是設(shè)置限位開關(guān)、急停開關(guān)和使能設(shè)置，Enable1:14腳是電機(jī)使能的設(shè)置、Output#1:17腳是主軸繼電器的開關(guān)設(shè)置。

4) 電機(jī)調(diào)試參數(shù)(圖6)

Stepsper：是指工作臺(tái)每運(yùn)動(dòng)1 mm需要的脈沖數(shù)，計(jì)算公式是：(360÷步距角)×細(xì)分?jǐn)?shù)÷螺距。比如說(shuō)，步距角是1.8°，采用8細(xì)分，螺距是2.5 mm，則脈沖數(shù)為：(360÷1.8)×8÷2.5=640。

圖6 電機(jī)調(diào)試參數(shù)

3 后處理修改

3.1 進(jìn)行后處理修改的原因

經(jīng)過(guò)刀具路徑軌跡自動(dòng)生成的是刀位數(shù)據(jù)不是機(jī)床加工的數(shù)控程序，必須要把刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)床能夠識(shí)別的數(shù)控程序，通過(guò)后處理轉(zhuǎn)換，使刀位信息轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床的各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)信息，然后才能驅(qū)動(dòng)機(jī)床開始加工。機(jī)床的后處理，是對(duì)已安排好的加工方式、刀具選擇、下刀、刀路及其他切削參數(shù)等工藝參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并且自動(dòng)編譯成機(jī)床能識(shí)別的G代碼。

通常安裝的數(shù)控編程軟件(CAD/CAM)會(huì)自帶一些系統(tǒng)默認(rèn)的后處理程序,數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)系、機(jī)械原點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)軸的偏移量、擺長(zhǎng)設(shè)置等參數(shù)需要修改才能滿足加工要求，不然容易出現(xiàn)安全事故。

3.2 基于MAstercam 的五軸后處理修改[2-3]

Mastercam是一款基于PC電腦平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)、有效的CAD/CAM集成軟件，側(cè)重于數(shù)控加工，具有很強(qiáng)大的數(shù)控自動(dòng)編程能力，在零件加工和模具設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。該軟件自帶的后處理能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的模型編程，擁有不同類型的后處理程序(如車削、銑削、線切割、激光切割、雕刻機(jī)等)，相對(duì)于三軸后處理PST的研究，五軸數(shù)控機(jī)床的后處理研究的專家比較少，具體設(shè)置過(guò)程可見文獻(xiàn)[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

五軸數(shù)控機(jī)床實(shí)物如圖7所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便易用，占地面積小，可以滿足精度不需要太高的生產(chǎn)要求，可大大降低企業(yè)的加工成本，也適用于各高等院校、職業(yè)院校等數(shù)控課程的操作培訓(xùn)。

圖7 五軸機(jī)床實(shí)物圖

參考文獻(xiàn):

[1] 孫杰，金珊. 經(jīng)濟(jì)型五軸數(shù)控加工硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011(6)：66-68.

[2] 何曉東. MasterCAM設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2004:151-169.

[3] 王衛(wèi)兵. MasterCAM數(shù)控編程實(shí)用教程[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2000:49-200.

[4] 唐進(jìn)元，尹鳳. 基于MasterCAM的三大類型五軸機(jī)床的后處理程序編制方法[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2010(8)：32-38.