基于Mach3的教学型数控车床的研究
中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0176-03
开放式数控系统是能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。具有可互换性、可伸缩性、可移植性、可扩展性等特征，是当前数控技术发展的主要趋势。鉴于此本文采用了基于Mach3的纯软件开发式数控系统作为控制系统的教学型数控车床。文献[1]利用Mach3软件对经济型数控铣床进行改造，满足了数控铣床操作方便、价格低的特点，试切效果良好。文献[2]通过Mach3软件完成了对经济型数控铣床试验台的研发，开发出一种价格低廉、结构简单的简易型数控铣床，可用于数控原理等课程的实验教学。文献[3]～[5]提出了对教学型数控机床的研制，实现了操作方便、结构简单等特点。文献[6]提出了对数控机床的设计、改装，实现了降低成本、教学、生产、实践的有机结合。在此基础上本文利用Mach3软件设计了一台可视化教学型数控车床，从最初的机床的设计、选型，到装配，调试，以及到最后的试件加工，除了同时具备上述机床开发成本低、操作方便、结构简单特点外，这套教学型数控车床还具备以下特点：（1）完整性；（2）可视化的外壳，可清晰观察到数控车床在工作时的内部工作原理和工作过程，直观的展现数控车内部结构，从而便于教学讲解和使用；（3）安全系数高，可以避免人机事故的发生；（4）满足学生“好奇、好动、好学”的特点，更能锻炼学生的综合分析能力和应用能力；（5）实习材料（尼龙、木材或工程塑料）价格低。
1 数控车床的工作过程及总体设计思路
1.1 数控车床的工作过程
该车床的结构与一般的数控车床组成基本相同，主要由车床本体、数控系统（通用计算机+Mach3板卡+Mach3控制软件）、伺服系统、检测装置和辅助装置5大部分组成，由硬件和软件共同完成控制工作。工作过程如图1所示。
1.2 总体设计思路
数控车床的控制系统为全软件开放式控制类型，CNC的全部功能均由PC实现，并通过装在PC机上扩展槽的伺服接口卡对伺服驱动等进行控制。PC机上的数控系统软件为Mach3软件，控制卡为标准化商用CNC控制板，完成对两相步进电机的驱动。总体设计框图如图2所示。Mach3软件发出控制信号，通过接口板分别向X、Z轴发出控制脉冲，进而驱动X、Z向进给机构实现进给运动；向机床主轴的控制以继电器发出控制信号，来实现主轴的正转、反转、停止的控制。行程开关通过控制板向Mach3反馈检测信号，以保证操作安全可靠。
2 数控车床的设计
2.1 主要部件选型
本文设计的一台集数控车床水平床身与倾斜床身于一体的新型可视化数控车床教学模型，利用销钉和辅助销钉定位来实现旋转。由于本设计主要起演示和展示切削原理及控制原理的作用，因此，根据需要，本设计的主要部件选型如表1所示。可视化数控车床效果如图3所示。
2.2 行程开关
本设计采用微动开关作为行程开关，因为它兼具尺寸小、反应灵敏、容易安装的特点。选用KW11-3Z型号微动开关，COM是公共端；ON闭合；NC（NOT CONNECT）断开。本文采用微动开关的常开触点（COM接GND，ON接板卡端子），当工作台撞到微动开关时，表明到达极限位置，机械位移转变成电信号（ON闭合），通过接口板迅速反馈Mach3控制系统，机床复位，电机停止运转，对电机和机床起保护作用，下次启动需重新复位。微动开关切换时间为5～15 msec。与板卡连线接口如表3所示。因为每个轴有两个极限位置，即各轴正负极限位置（电机正、反转的极限位置）。微动开关与板卡接口如图4所示。
3 控制系统设计
3.1 软件介绍
Mach3 CNC控制软件是开放式数控系统，操作简单，维护方便， 具有开放性、性能稳定、价格低廉的新型数控系统。标准PC电脑完全转换为全功能的CNC控制器，可以实现最高6轴连动CNC控制，直接支持多种DXF、BMP、JPG文件格式输入、视觉G代码显示、直接生成G代码、主轴转速控制、多重继电器控制、手摇脉冲生成，包括大量加工策略、视频展示、可以用触摸屏、全屏显示、数字化、三维动态显示跟踪、自动对刀、程序跳段执行（断点记忆）系统具有螺距误差补偿、反向间隙补偿、刀具长度补偿、刀尖半径补偿及磨损补偿功能。轴向运动加速度及速度调节界面可根据其实情调整适应高速高精度加工。
3.2 Mach3设置
（1）打开Mach3软件，在公英制设置中选择毫米（1英寸=25.4 mm），由于并口选择和传输速度一般都只使用一个并口，不必进行设置，采用默认即可，其他参数要根据界面进行相应的设置。Mach3驱动程序可以在25000 Hz、35000 Hz、45000 Hz的频率下工作，Mach3的运行频率与电脑处理器的速度和处理器加载的进程有关，本设计采用的驱动频率为25000 Hz。
（2）微动开关在软件上的设置如下：在工作界面的“输入信号设置”中进行设置，25针并口有5个输入端口，分别是10～13和15，每个轴要用到2个微动开关即用到2个输入口（只需设置软件中的X++，X--，Z++，Z--即可，X home和Z home在此处没有用到可以不用设置），信号为低电平有效。
（3）Mach3的输入和输出信号是二进制数字，输入信号是通过并口加在输入针脚上的电压，输出信号是输出针脚上的电压。 3.3 电机调试
窗口右边的轴选择区域用于选择需要设定参数的轴，左边的曲线图反应了参数设定后步进电机运行是加速―稳定―减速的变化曲线，在两者之间的Velocity调整块用于快速的调整步进电机的最高运行速度，这里的速度不是电机转速，而是电机带动丝杠丝杠带动工作台的最终最大移动速度。这里的参数关系到步进电机的旋转运动正确的转换到工作台的直线运动。参数Steps per：这个参数是决定了工作台每运动1mm，步进电机需要多少个脉冲。
计算方法=（步进电机旋转1圈的标准脉冲数×驱动器细分数）/丝杠导程（导程也就是螺距，如果丝杠不是直接连接电机而是通过减速后连接则计算结果还需要再乘以减速比）。
参数Acceleration Inn’s or mm's/sec/sec：这个参数是决定了电机由停止到最高速或者由最高速到停止的启动与停止加速度，根据需要进行相应的设定，采用的具体参数如图5所示。
4 试切验证
选择毛坯为Φ25×45的尼龙材质毛坯进行试切削。零件图如图6所示，程序测试仿真图如图7所示。
5 结论
本文设计并制作了一台教学型数控车床，该数控车床实现了数控车床基本功能，能够进行内外廓的车削加工；能够对硬度较低的材料进行车削并保证一定精度；实现了数控车床结构和原理的可视化，达到了教学应用的目的。在以后的工作中，要进一步完善模型的主轴控制系统、X轴向行程在进一步加大、辅助功能的完善等，使车床模型更加完善。
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