一种教学型桌面式微型五轴联动数控机床设计

吴金文 石 尚

（1.南京工业大学浦江学院，南京 211134；2.金肯职业技术学院，南京 211156）

1 研究方案

数控微型机床一般由机械结构、电气控制部分和驱动软件组成[1]。其中：工件相对刀具的运动由机械部分实现；电气部分则负责驱动机械结构完成相应动作；软件部分发送脉冲等信号，控制电气部分驱动机械部分进行运动。机械部包含微型机床床身机械结构，由滚珠丝杠、滑台、机架及主轴等组成。电气部分由开关电源、接口板及步进电机驱动器等组成。软件部分由PC和控制系统组成。运动时，由软件控制电气部分，最终驱动机械结构运动。

文章主要研究教学型桌面式微型五轴数控微型机床的机械部分设计、基于MACH3的控制系统软件部分设计、MACH3控制系统软件优化和电机参数部分设计、输入/输出（Input/Output，I/O）信号端口配置设计、电气控制部分和电路部分设计以及机械和电气装配调试精度验证，最后采用椭球工件验证并改进整台设备的加工精度、程序运行以及机械动作等。

2 机械结构设计

设计采用工作台回转型的五轴结构[2]，因为它的加工范围广且易于实现。其中，微型机床机身使用6061铝合金板加工而成，采用X、Y、Z、A、C五轴联动立式结构的机械结构设计，机架为龙门式结构，运动方式采用龙门架移动，工作台固定（即动梁定工作台式），AC轴采用工作台回转的运动方式，即摇篮式结构。步进电机驱动的5个轴完成坐标运动，传动装置采用丝杠-螺母传动副，通过梅花联轴器与步进电机轴伸端相连，并在Z轴装配一个可以高速转动的电动机作为雕刻主轴。数控微型机床机械结构，如图1所示。

微型机床A、C轴装配在工作台，由57和42步进电机、同步带轮、菱形支撑座以及光轴等组成。A轴转动时需要承受部分摇篮式五轴结构质量，因此工作时需要较大的扭矩驱动，这里选择57步进电机作为A轴动力源。另外，X、Y、Z轴都采用42步进电机[3]。A、C轴机械结构示意图，如图2所示。

对于A、C两轴，选用步进电机步距角为1.8°。此时，步进电机旋转一圈需要接收200（计算方式为360÷1.8）个脉冲，即步进电机每200步旋转一周，转台的减速比为6。为了使设置中步进电机得到脉冲后可以整除旋转角度，步进电机驱动器最好设置为4细分，在软件设置时取小数点后3位，这样控制精度提高4倍。

数控系统每输出一个脉冲，A、B两轴所转的角度为：

由式（1）可知，步进电机每接收一个脉冲就旋转0.075°。

3 电气控制系统设计

根据设计要求，电气结构应该与机械结构相互独立，使用时通过数据线与接头相连。为了使结构紧凑美观，各种电气元件如接口板、步进电机驱动等应该单独放置，并有序排列在控制箱内。完成这些要求后，首先，设计人员需要研究电气元件规格和各个电气元器件的工作原理，并画出简洁清晰的电气回路图。其次，设计人员需要设计钣金箱体，根据电气原理合理布局各个元器件。最后，按照元件的外观尺寸在箱体上开孔，整理并绘制箱体加工图[4]。

3.1 电源回路设计

为了提高机床系统的稳定性，电气结构中需要装配两个工作稳定的开关电源[5]。其中，24 V的开关电源为主控制板上的各类接口和步进电机驱动器提供电压，36 V开关电源为主轴电机供电。为了使各类元器件正常工作，需先计算各部分系统消耗的功率并留出充分裕量。开关电源选用额定电流大于5 A的型号。

3.2 MACH3控制方式的优点

在电气系统设计中，选用性能比较稳定的通用型MACH3接口板作为微型机床运动的控制系统[6-7]。使用MACH3控制方式具有如下优点：（1）可以通过计算机控制5个轴联动加工；（2）集成了继电器输出端口，无须再配套使用继电器；（3）具有模拟电压0～10 V的输出端口，可以搭配模拟端口的主轴控制板一起使用，可使用的并口针脚有17个；（4）外部电路发生异常时，光电耦合器可以隔离外部电路使其不会受到损坏，控制板上集成对刀、限位以及急停等开关接口，并支持在MACH3软件中使用VB脚本程序开发；（5）相比于单片机控制，它无须开发程序，使用MACH3软件执行G代码即可控制PC端。

3.3 五轴数控微型机床控制系统布局设计

微型机床电气控制箱背面应装配电源开关、保险丝、电源指示灯、插座以及航空插头[8-9]。另外，必须预留通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）和并口位置，用于控制箱与计算机连接。电气控制箱的正面需要装配主轴调速旋钮，并用一个双联开关切换手动调速和G代码调速，还需要装配一个急停按钮，当发生危险时能够快速有效地控制设备停止。电气控制箱内元器件安排需要清晰合理，在保证散热的前提下最大化使用空间。图3为电气控制箱的组成图。

4 装配与调试验证

五轴数控微型机床的电气箱装配需要参照电气控制箱的配置图摆放各个元器件。需要特别注意，脉冲信号线需要和高压电源线分开接线，防止强电干扰脉冲信号，同时电气控制箱应接地。上述步骤完成后，操作人员需要清理箱体内多余的残留物以保持箱体 清洁。

装配好电气部分还需要相应地设置软件，从而控制五轴数控微型机床。首先，参照电气设计部分调整端口与针脚，使PC端可以通过并口针脚正确控制微型机床运动和实现相应功能。设置完成后的端口与针脚设置图，如图4所示。其次，按照计算的脉冲数调整各个轴的脉冲数、速度以及加速度。最后，完成机械电器和软件装配与设置，采用并口数据线将PC端与电气控制箱相连，再用航空插头将电气控制箱与微型机床相连，清扫接线组装时产生的垃圾。桌面式五轴数控微型机床装配实物图如图5所示。

5 结语

文章设计了一款控制系统相对简单、性价比高、能最大限度还原五轴机床编程与运行原理的小型五轴设备。借助于运行在PC端的软件，操作人员能够将数控加工代码转化为各轴的输出脉冲数，通过计算机并口输出脉冲信号至步进电机驱动器，以控制电机运动，从而实现各轴的运动。另外，该设备可以加工任意曲面和复合工艺加工演示，以用于不同行业的生产制造，也可以应用于高职院校、写字楼、研究所、实验室以及私人工坊等场所。