基于MACH3控制系统的5轴数控实验台的设计

李秀霞

（上海电子信息职业技术学院机电工程系，上海201411）

1 引 言

5 轴机床技术难度大，造价高昂，5 轴联动数控加工技术已经成为一个国家先进制造业水平乃至综合国力的重要标志。目前只有美国、德国、日本、韩国等为数不多的发达国家拥有成熟的5 轴技术，而且对发展中国家施行严苛的技术封锁和价格垄断。动辄几百万的售价导致5 轴机床很难在国内制造业广泛普及，5 轴技术研究和应用的薄弱也令国内大部分高校教学只能浅尝辄止。因此，5 轴技术国产化已经成为我国广大科技工作者所面临的紧迫课题。

本课题主要研发制造一款可用于高校教学的经济型小尺寸规格的5 轴数控实验台。该设备采用功能强大的MACH3 数控系统，并采用目前最专业的的UG/Post 软件进行后置处理，采用工作台沿A、C 两个旋转坐标加工运动的摇篮式机械结构。该课题的研发将使高校购置并利用经济型的5 轴实验台进行教学实训成为可能，对于高校应用推广5 轴加工技术具有重要意义，并具有重要的科研价值和广阔的市场前景。

2 5 轴数控雕刻机的总体设计

2.1 确定5 轴数控实验台的运动类型

5 轴机床的运动类型很多，常见5 轴加工中心的运动类型主要有以下两类：

图1 主轴头回转A、B 旋转轴实验台结构

图2 工作台回转A、C 摇篮式5 轴实验台结构

（1）主轴头产生A、B 两个摆动运动。如图1 所示，在主轴头上设计有绕X、Y 两根直线轴的摆动运动，行程A、B 两个回转轴。由于该结构的工作台不参与回转运动，工作台可以按较大规格设置，因此承载能力大，可加工中、大规格的零件；由于两个回转运动机构和主传动机构复合在一起，所以结构复杂；但是铣头执行两个回转运动，回转部件体积相对较小，因此刀具相对运动灵活。机床行程较大，适合发动机箱体等大型零件的高速铣削加工。

（2）工作台产生A、C 的一转一摆运动。如图2 所示，这类机床外观和寻常结构一样完全封闭，工作台真正用于加工的空间较小，另外，加工过程中完全依靠工作台的回转摆动来调整工件的切削姿态，工作台的灵活性很大，对工作台的加工精度要求较高，因此一般不能承受重载零件。主要用于中小型精密零件的加工。该机械结构适合于设计本课题教学用的小型数控实验台。

图3 AC 摇篮式5 轴数控实验台控制原理图

根据上述的分析对比，针对实验台加工的对象都是中小零件，因此采用图2 工作台上产生A、C 回转运动的摇篮式5 轴机床机构。

2.2 实验台的控制原理图

此次设计的雕刻机主要用于高校教学过程中代木、铝合金、腊制品等软材料的高速铣削加工，对机床的切削力要求不高，中等加工精度。它由五大部分组成：机床本体、CNC 控制系统、驱动系统、输入输出装置、辅助装置（冷却、装夹装置等）。

（1）本设备的X、Z 方向直线位移采用刀具直接在龙门架上的运动来实现，但是龙门架本身的运动会导致加工精度的明显下降，因此，在Y 方向上采用工作台的前后移动来实现，而数控回转工作台绕X 方向的旋转运动构成A 轴运动，工作台绕Z 轴的旋转形成C 轴运动。

（2）在驱动模块，X、Y、Z 三个直线位移采用步进电机驱动丝杠的运动，而A、C 坐标采用谐波减速机作为驱动部件。主轴头采用高速电主轴直接带动刀具来实现刀具的高速回转运动。

（3）数控实验台的核心是MACH3 数控系统。操作者通过输入、输出接口把数控程序输入到系统中，在MACH3 内部将加工程序进行译码运算、插补运算、速度处理等一系列自动处理，生成控制各轴运动的脉冲信号，再经过伺服驱动系统的信号放大、反馈控制，结合CNC接收操作人员的面板外部指令，同时对数控机床本体进行协调控制，从而完成零件的五轴加工控制过程。

（4）在实验台中还有一些辅助装置，例如，切削液供给装置、自动换刀装置等。这些辅助装置主要用来配合协调数控实验台的正常加工。

在以PC 机上装载开放式数控系统的五轴设备设计中，PC 机是总体设计平台，目前市场上的PC 机配置足够支持MACH3 系统完成控制任务。PC 机硬件部分的任务主要是存储系统程序，编制零件加工程序，运算的中间变量以及定时器的管理，中断等计算机基本功能。

出于经济性方面的考虑，本课题设计的五轴实验台没有设计专业的运动控制卡，而是采用MACH3 软件插补的形式，通过PC 机25 针并口直接输出到接口板上。

接口板采用标准CON 接口及JIS232 接口，可以与电脑联接；多路高速光耦开关，驱动芯片采用5 块日本东芝186560 芯片，并加装散热器。最大十六细分，最大驱动电流4.25A。控制用的PC 应该是专用的台式机，并尽量不要安装其它应用软件，以免引起信号干扰以及运行速度下降。

图4 基于MACH3 控制系统的接口板

3 结 语

五轴数控实验台的设计，是计算机技术、通讯技术、数控技术、软件技术等多项技术的综合运用。A、C 摇篮式回转工作台结构紧凑，运动灵活，适合于中小型零件的五轴加工。符合本课题的设计需要。基于PC 平台的数控系统运行稳定，设计简单，适合于中小型设备的开发设计。

［1］ 田荣欣，等.附加转台数控机床的五坐标后置处理算法研究［J］.设计与研究，2007（5）：36-38.

［2］ 徐晗，等.五轴联动数控陶瓷雕刻机的研究与开发［J］.中国陶瓷，2007，43（12）：44-45.

［3］ 王洪花，等.五轴联动数控陶瓷雕刻机的运动控制的研究［D］.南昌：南昌大学，2009.