基于MACH3的实验型数控铣床设计

胡晓军 潘智平 袁夏松 汪萌生

摘 要：本文以MACH3为软件平台，运用UG软件设计数控铣床三维模型，并依据模型完成床身及机械结构安装。通过硬件电路和MACH3板卡连接上位机和铣床，实现数控铣床的加工。该实验设备可用于数控技术、机床概论、机械制造工艺学等课程的理论与实验教学。

关键词：MACH3 UG 数控铣床 实验

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（a）-0108-02

自从数控技术引进我国以来，对我国现代化制造业影响极大，各企业对数控人才的需求也在不断增加[1]。为满足企业对高水平技术性人才的需求，国家也正在号召各高等院校向应用型人才培养方面转型。对于机械类专业的学生来说，不仅需要掌握好理论知识，掌握先进的制造工艺及技术也十分必要。因數控机床价格昂贵，国内各大高校对数控设备的配备较少，远不能满足应用型人才的培养要求。本实验型数控铣床造价较低，功能齐全，不仅可以提高实验教学质量，也可以满足学生提高动手操作能力的需求。

1 实验装置总体设计框架

本实验装置主要由上位机、电气控制柜、铣床主体三大部分组成[2]。其中MACH3软件安装在上位机上，电气控制器件及MACH3控制板卡安装于电气控制柜，机床传动、执行部件及相应传感器安装于铣床主体。工作过程中，由上位机发送控制指令或G代码至MACH3控制板卡，控制板卡解读指令，并发送执行命令至各执行部件，在执行部件运动过程中各传感器（如：位置检测传感器、软限位、硬限位信号传感器等）将检测到的信号传送给MACH3控制板卡，控制板卡依据检测到的信号确定下一步指令的发送，总体框架图如图1所示。

2 数控铣床模型建立

数控铣床床体模型主要由床身、X、Y、Z轴传动模块、主运动模块、传感器模块构成。本文依据各零部件型号，用UG软件设计其各零部件三维图形，并将各零部件装配成型，如图2所示。

2.1 X、Y、Z传动模块

数控铣床X、Y、Z三个坐标轴的运动主要是通过MACH3软件发送运动指令至MACH3板卡，然后由板卡解析运动指令后发送相应脉冲至电机驱动器，实现某个坐标轴的运动。为保证运动精度，本设计采用伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠相连。X、Y方向工作台的运动及Z轴的上下运动，均由对应丝杠带动其上的滑块实现。

2.2 主运动模块

由于本设计主要用于机械专业的理论和实验教学，不仅要满足课堂教学中理论与实践相结合的特性，还要保证课堂教学的安全性，故主轴转速不宜过高。本文选用可PWM调速的24V直流电机，通过皮带与主轴部件连接，实现主轴的低速运转。

2.3 传感器模块

数控机床之所以智能，是因为它拥有“大脑”“心脏”和“眼睛”，类传感器就是数控机床的“眼睛”。其中，位移传感器可监测，判断数控机床是否运动到指定位置，若是则停止运动，若否则发送偏差信号至控制模块，控制模块分析后发送下一运动指令；若机床触动限位开关，则接触器被触发，机床该坐标轴停止进给运动，实现机床的硬限位。

3 MACH3控制软件及电路设计

3.1 MACH3参数配置

MACH3是ArtSoft公司开发的开放式数控操作系统，性能稳定，价格低廉，该系统可在Windows平台运行[3]。针对本实验设备，参数配置如下。

（1）英联邦国家所用度量单位一般为英寸，而我国度量单位采用国际单位，在机械行业多采用“mm”为单位。可通过软件菜单栏中公英制选择设置。

（2）MACH3软件和板卡通信主要依靠USB或并口实现，因此需要正确设置端口地址和内核速度。

（3）电机输出端口主要设置X、Y、Z各轴电机的使能信号和方向信号。

（4）输入信号主要设置X、Y、Z各轴位置信号、限位信号，信号设置为低电平有效。

（5）输出信号主要设置主轴正反转信号和冷却喷雾。

（6）电机调试是设置是保证机床运动精度的重要环节，主要设置脉冲当量、速度、加速度、步进脉冲和方向脉冲等参数。其中脉冲当量设置主要取决于伺服电机每转的脉冲数、驱动器细分数和丝杠导程；速度和加速度设置主要取决于所选电机性能，加速度一般为速度的一半。具体参数设置如图3所示。

3.2 控制电路设计

该实验装置控制电路主要包括电源上电、急停、复位、主轴正反转、各轴限位开关各、轴运动状态指示灯、位置开关等。其中，X、Y、Z轴正负方向行程开关和急停开关串联在主电路中，复位开关与上述电路并联；各轴运动状态指示灯一端接入主电路另一端接入控制板卡相应引脚；主轴电机正反转控制及自锁互锁电路较常见，在此不再叙述。

4 结语

本实验装置可实现数控铣床基本功能，能够正确运行G代码，加工蜡模、尼龙等硬度较低零件轮廓外形。该数控铣床传动结构和控制电路及传感器设置满足使用要求，同时也便于观察，用于课堂教学和实验教学现场演示，可调动学生学习积极性，增强学生对数控机床的认识。

参考文献

[1] 王惠.面向现代职业教育的数控加工体系研究[D].江苏大学，2012.

[2] 许云飞.FANUC系统数控铣床/加工中心编程与操作[M].电子工业出版社，2010.

[3] 伍文进，徐中云，夏开虎.基于MACH3平台的数控铣床自动对刀研究[J].机床与液压，2017，45（8）：22-25.

[4] 刘帅.UG NX10产品建模设计基础教程[M].西南交通大学出版社，2016.