吳金文 石 尚

（1.南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，南京 211134；2.金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211156）

1 研究方案

數(shù)控微型機(jī)床一般由機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制部分和驅(qū)動(dòng)軟件組成[1]。其中：工件相對(duì)刀具的運(yùn)動(dòng)由機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)；電氣部分則負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)完成相應(yīng)動(dòng)作；軟件部分發(fā)送脈沖等信號(hào)，控制電氣部分驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。機(jī)械部包含微型機(jī)床床身機(jī)械結(jié)構(gòu)，由滾珠絲杠、滑臺(tái)、機(jī)架及主軸等組成。電氣部分由開(kāi)關(guān)電源、接口板及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成。軟件部分由PC和控制系統(tǒng)組成。運(yùn)動(dòng)時(shí)，由軟件控制電氣部分，最終驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

文章主要研究教學(xué)型桌面式微型五軸數(shù)控微型機(jī)床的機(jī)械部分設(shè)計(jì)、基于MACH3的控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)、MACH3控制系統(tǒng)軟件優(yōu)化和電機(jī)參數(shù)部分設(shè)計(jì)、輸入/輸出（Input/Output，I/O）信號(hào)端口配置設(shè)計(jì)、電氣控制部分和電路部分設(shè)計(jì)以及機(jī)械和電氣裝配調(diào)試精度驗(yàn)證，最后采用橢球工件驗(yàn)證并改進(jìn)整臺(tái)設(shè)備的加工精度、程序運(yùn)行以及機(jī)械動(dòng)作等。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用工作臺(tái)回轉(zhuǎn)型的五軸結(jié)構(gòu)[2]，因?yàn)樗募庸し秶鷱V且易于實(shí)現(xiàn)。其中，微型機(jī)床機(jī)身使用6061鋁合金板加工而成，采用X、Y、Z、A、C五軸聯(lián)動(dòng)立式結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)架為龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方式采用龍門(mén)架移動(dòng)，工作臺(tái)固定（即動(dòng)梁定工作臺(tái)式），AC軸采用工作臺(tái)回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，即搖籃式結(jié)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的5個(gè)軸完成坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)裝置采用絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)副，通過(guò)梅花聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)軸伸端相連，并在Z軸裝配一個(gè)可以高速轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)作為雕刻主軸。數(shù)控微型機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

微型機(jī)床A、C軸裝配在工作臺(tái)，由57和42步進(jìn)電機(jī)、同步帶輪、菱形支撐座以及光軸等組成。A軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要承受部分搖籃式五軸結(jié)構(gòu)質(zhì)量，因此工作時(shí)需要較大的扭矩驅(qū)動(dòng)，這里選擇57步進(jìn)電機(jī)作為A軸動(dòng)力源。另外，X、Y、Z軸都采用42步進(jìn)電機(jī)[3]。A、C軸機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

對(duì)于A、C兩軸，選用步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°。此時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈需要接收200（計(jì)算方式為360÷1.8）個(gè)脈沖，即步進(jìn)電機(jī)每200步旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)臺(tái)的減速比為6。為了使設(shè)置中步進(jìn)電機(jī)得到脈沖后可以整除旋轉(zhuǎn)角度，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器最好設(shè)置為4細(xì)分，在軟件設(shè)置時(shí)取小數(shù)點(diǎn)后3位，這樣控制精度提高4倍。

數(shù)控系統(tǒng)每輸出一個(gè)脈沖，A、B兩軸所轉(zhuǎn)的角度為：

由式（1）可知，步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖就旋轉(zhuǎn)0.075°。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電氣結(jié)構(gòu)應(yīng)該與機(jī)械結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，使用時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)線與接頭相連。為了使結(jié)構(gòu)緊湊美觀，各種電氣元件如接口板、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)該單獨(dú)放置，并有序排列在控制箱內(nèi)。完成這些要求后，首先，設(shè)計(jì)人員需要研究電氣元件規(guī)格和各個(gè)電氣元器件的工作原理，并畫(huà)出簡(jiǎn)潔清晰的電氣回路圖。其次，設(shè)計(jì)人員需要設(shè)計(jì)鈑金箱體，根據(jù)電氣原理合理布局各個(gè)元器件。最后，按照元件的外觀尺寸在箱體上開(kāi)孔，整理并繪制箱體加工圖[4]。

3.1 電源回路設(shè)計(jì)

為了提高機(jī)床系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電氣結(jié)構(gòu)中需要裝配兩個(gè)工作穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)電源[5]。其中，24 V的開(kāi)關(guān)電源為主控制板上的各類接口和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供電壓，36 V開(kāi)關(guān)電源為主軸電機(jī)供電。為了使各類元器件正常工作，需先計(jì)算各部分系統(tǒng)消耗的功率并留出充分裕量。開(kāi)關(guān)電源選用額定電流大于5 A的型號(hào)。

3.2 MACH3控制方式的優(yōu)點(diǎn)

在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用性能比較穩(wěn)定的通用型MACH3接口板作為微型機(jī)床運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)[6-7]。使用MACH3控制方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制5個(gè)軸聯(lián)動(dòng)加工；（2）集成了繼電器輸出端口，無(wú)須再配套使用繼電器；（3）具有模擬電壓0～10 V的輸出端口，可以搭配模擬端口的主軸控制板一起使用，可使用的并口針腳有17個(gè)；（4）外部電路發(fā)生異常時(shí)，光電耦合器可以隔離外部電路使其不會(huì)受到損壞，控制板上集成對(duì)刀、限位以及急停等開(kāi)關(guān)接口，并支持在MACH3軟件中使用VB腳本程序開(kāi)發(fā)；（5）相比于單片機(jī)控制，它無(wú)須開(kāi)發(fā)程序，使用MACH3軟件執(zhí)行G代碼即可控制PC端。

3.3 五軸數(shù)控微型機(jī)床控制系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

微型機(jī)床電氣控制箱背面應(yīng)裝配電源開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲、電源指示燈、插座以及航空插頭[8-9]。另外，必須預(yù)留通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）和并口位置，用于控制箱與計(jì)算機(jī)連接。電氣控制箱的正面需要裝配主軸調(diào)速旋鈕，并用一個(gè)雙聯(lián)開(kāi)關(guān)切換手動(dòng)調(diào)速和G代碼調(diào)速，還需要裝配一個(gè)急停按鈕，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)能夠快速有效地控制設(shè)備停止。電氣控制箱內(nèi)元器件安排需要清晰合理，在保證散熱的前提下最大化使用空間。圖3為電氣控制箱的組成圖。

4 裝配與調(diào)試驗(yàn)證

五軸數(shù)控微型機(jī)床的電氣箱裝配需要參照電氣控制箱的配置圖擺放各個(gè)元器件。需要特別注意，脈沖信號(hào)線需要和高壓電源線分開(kāi)接線，防止強(qiáng)電干擾脈沖信號(hào)，同時(shí)電氣控制箱應(yīng)接地。上述步驟完成后，操作人員需要清理箱體內(nèi)多余的殘留物以保持箱體 清潔。

裝配好電氣部分還需要相應(yīng)地設(shè)置軟件，從而控制五軸數(shù)控微型機(jī)床。首先，參照電氣設(shè)計(jì)部分調(diào)整端口與針腳，使PC端可以通過(guò)并口針腳正確控制微型機(jī)床運(yùn)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。設(shè)置完成后的端口與針腳設(shè)置圖，如圖4所示。其次，按照計(jì)算的脈沖數(shù)調(diào)整各個(gè)軸的脈沖數(shù)、速度以及加速度。最后，完成機(jī)械電器和軟件裝配與設(shè)置，采用并口數(shù)據(jù)線將PC端與電氣控制箱相連，再用航空插頭將電氣控制箱與微型機(jī)床相連，清掃接線組裝時(shí)產(chǎn)生的垃圾。桌面式五軸數(shù)控微型機(jī)床裝配實(shí)物圖如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了一款控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、能最大限度還原五軸機(jī)床編程與運(yùn)行原理的小型五軸設(shè)備。借助于運(yùn)行在PC端的軟件，操作人員能夠?qū)?shù)控加工代碼轉(zhuǎn)化為各軸的輸出脈沖數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)并口輸出脈沖信號(hào)至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各軸的運(yùn)動(dòng)。另外，該設(shè)備可以加工任意曲面和復(fù)合工藝加工演示，以用于不同行業(yè)的生產(chǎn)制造，也可以應(yīng)用于高職院校、寫(xiě)字樓、研究所、實(shí)驗(yàn)室以及私人工坊等場(chǎng)所。