基于Mach3软件的经济型五轴雕刻机开发.pdf

Equipment Manufactring Technology No 1 2011 五轴联动数控技术 是数控技术难度最大 适用范围最广 的技术 其集计算机控制 高性能伺服驱动和精密技术于一 体 主要应用于加工品质要求很高的自由曲面的高效 精密 自动加工 1 是目前解决叶轮 叶片 螺旋桨等复杂曲面加工的 重要手段 但高精度的机床配合高价出售 其不菲的价格也是 大多加工企业难以承受 也让推广五轴加工技术受到一定程 度的阻碍 本文基于五轴加工原理及 Mach3 软件 开发一种经 济型的五轴雕刻机 可应用于加工材质较软 精度要求不高的 零件 如木材 塑料及铝合金等材质零件 1机床设计 所谓五轴加工 这里是指在一台机床上至少有 5 个坐标 轴 3 个直线坐标和 2 个旋转坐标 而且可在计算机数控 CNC 系统的控制下 同时协调运动进行加工 常见五轴机床 的形式有双摆回转台 双摆头和转台加摆主轴共 3 大类 2 在 保证整个系统机械刚性以及经济性的前提下 本设计采用龙 门式结构 运动方式采用龙门架移动 工作台固定 AC 双摆回 转台运动方式 机床设计图如图 1 所示 图 1 中各部件分别是 1 Z 轴电机 2 Z 轴 3 高速主轴电 机 4 Y 轴右电机 5 床身 6 X 轴电机 7 X 轴 8 X 轴斜齿轮齿 条副 9 Y 轴龙门架 10 Y 轴左电机 11 A 轴电机 12 A 轴固定 架 13 C 轴回转工作台 14 A 轴旋转台 15 C 轴电机 为了控制机床开发的经济性 机床结构主要是 XYZ 运动 平台 AC 旋转平台的组合 此结构下 五轴加工时由于 A 及 C 旋转加工平台较小 不能进行较大行程的五轴加工 但 A 及 C 旋转加工平台 可以很容易移开 即可进行较大行程的 XYZ 三 轴加工 这也是机床开发功能性及经济性的一种表现 此时机 床在设计上 XY 方向会有较大行程 大行程的传动要有精密的 传动部件 本机床没有采用高精度滚珠丝杆 而用高精度斜齿 轮齿条副用于 XY 传动 价格相对前者较低 精度也可以达到 所需的设计要求 各轴驱动均使用步进电机 主轴部分采用可 变频高速直流电机链接 ER 型夹头 夹持刀具直接进行切削 2控制系统设计 2 1数控系统设计 数控机床由数控加工系统控制 数控系统是数字控制系 统的简称 英文名称为 Numerical Control System 简称 NCS 而目前控制方式 多是电脑进行控制 又简称 CNC Computer Numerical Control 其功能是根据计算机存储器中存储的控制 程序 执行部分或全部数值控制功能 并配有接口电路和伺服 驱动装置的专用计算机系统 通过利用数字 文字和符号组成 的数字指令 来实现一台或多台机械设备动作控制 其所控制 的通常是位置 角度 速度等机械量和开关量 CNC 系统的核 心是 CNC装置 由于使用了计算机 系统具有了软件功能 又 用 PLC 代替了传统的机床电器逻辑控制装置 使系统更小巧 其灵活性 通用性 可靠性更好 易于实现复杂的数控功能 使 用 维护也方便 并具有与上位机连接及进行远程通信的功能 现在大部分数控机床使用专用的数控系统 常用的有日 本法那科 FANUC 数控系统 日本三菱 MITSUBISHI 数控系 统 德国西门子 SIEMENS 数控系统以及国产的华中数控系 统 广州数控系统等 其控制原理如图 3 所示 专用数控系统 体积小 操作方便 但价格贵昂 很难进行二次开发 本设计使 用 PC 机 上位机软件的数控系统 驱动原理如图 4 所示 采用 PC 机 上位机软件控制方式 可以大大降低开发成 本 PC 机要求普通电脑即可 而上位机软件是一个安装在电 基于 Mach3 软件的经济型五轴雕刻机开发 李荣泳 陈勇志 孙振忠 东莞理工学院 广东 东莞 523808 摘 要 基于五轴加工原理及 Mach3 软件 开发了一种经济型的五轴雕刻机 可应用于加工材质较软 精度要求不高的零件 如木材 塑 料及铝合金等材质零件 完全能够达到预期的效果 关键词 五轴五联动 Mahc3 雕刻机 中图分类号 TG659文献标识码 A文章编号 1672 545X 2011 01 0076 02 收稿日期 2010 10 12 作者简介 李荣泳 1983 男 广东省茂名人 工程师 从事自动化产品开发及数控加工教学 图 2斜齿轮齿条副图 1机床结构 1 2 3 5 4 6 7 8 9 10 11 12 131415 76 装备制造技术 2011 年第 1 期 脑上的数控软件 上位机软件可用 VB C 等语言编写 但这 类软件用于开发数控驱动时编程过于复杂 非一般编程人员 可胜任 本设计将使用编程更简单的 Mahc3 软件作为上位机 软件 2 2Mahc3 软件开发 Mach3 软件是由美国 ArtSoft 公司开发的以 Windows 为平 台的数控软件 安装系统版本必须为 WINXP 或 WIN2000 Mach3 使用 PC电脑的 LPT或 USB端口 作为 CNC设备的输入 与输出 输出脉冲与方向信号 控制步进电机或伺服电机驱动 器 从而实现控制数控机床 软件支持所有国际标准 G代码及 M代码 最多控制 6 轴 能 5 轴联动带线形插补功能 能实现复 杂零件高精度加工 简单的系统用一个并口就能实现 MACH3 广泛应用在开发数控车床 模具雕刻机 木工机床 木工雕刻机 激光打标机 等离子切割机 火焰切割机等数控系统 Mach3 软件标准版只有三轴的控制 通过 Mach3 软件的 后台编辑软件 可以简易地改为五轴驱动控制界面 而不必用 VB 或 C 语言编程 数控软件由下列模块组成 1 系统初始化模块 2 NC 代码编辑和人机交互模块 3 NC 代码预读处理模块 4 MDI 和手动方式处理模块 5 NC 程序运行管理模块 6 系统状态动态品示和报警模块 7 运动控制器指令翻译和通讯控制模块 8 NC 轨迹显示 仿真和图形管理模块 9 多轴联动数控系统参数设置和维护模块 初始界面设置如图 5 所示 对于电机参数设置 可从如图 6 所示的窗口进行设定 2 3控制电路 机床控制电路 是一块接口控制卡 卡上由两部分组成 一部分是驱动接口 另一部分是步进电机驱动电路 接口控制 卡用于把电脑信号按一定要求传送到各轴驱动器 需达到如 下技术要求 1 可控制五轴驱动 2 直接支持 MACH3 并口类上位机软件 3 多路原点 机械限位信号输入 可外接机械开关 槽 型光耦 接近开关等 4 可外接急停按钮 出现意外时可以紧急停止软件运行 5 所有输出 输入信号经斯密特触发器整形 对信号的 上升下降沿无限制 6 电荷泵 CHARGE PUMP 安全保护功能 使整套 CNC 系统在电脑未正常输出指令信号期间不致于引起运行混乱 需要软件支持 控制卡见图 7 接口控制卡采用标准 COM接口及 RS232 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 TB6560 芯片 并加装散热器 最大十六细分 最大驱动电流 4 25A 2 4机床代码后处理 Mach3 进行数控加工时 识别国际 GM码 但 Mach3 本身 不能进行五轴编程 常用其他 CAM编程软件生成 GM码 如 MasterCAM UG Powermii 等 由于不同软件所产生的 GM码有 一定差异 输入 Mach3 时可能产生错误加工 些时需要为 Mach3 设置机床代码后处理 图 8 就是编写好的部分后处理 内容 并稍加解释 利用这个后置处理程序 Mach3 实现了五 轴加工 3结束语 开发数控新机床 是个高投入的行业 而基于 Mach3 软 件 不需技术精堪的技术人员 就可进行简易的开发 降低开发 成本 加速开发进程 开发过程不需配高端的数控系统 用 Mach3 软件与机床连接就能五轴联动 开发经济型五轴雕刻 机 精度虽然比专业五轴机床低 但对于精度不高的加工 如木 材雕刻 塑料加工及铝合金加工等应用 能够达到所需效果 参考文献 1 全 荣 五坐标联动数控技术 M 长沙 湖南科学技术出版社 1995 2 卢胜利 王睿鹏 祝 玲 现代数控系统 M 北京 机械工业出版社 2006 3 周佩玲 彭 虎 傅忠谦 微机原理与接口技术 M 北京 机械工业 出版社 2006 4 罗奇亮 马保吉 基于 Mach3 软件的经济型三维机械式雕刻机开发 J 机电产品开发与创新 2009 22 6 184 187 图 5Mach3 软件五轴界面图 6电机参数设置界面 图 7接口控制卡 图 3机床控制原理图 CNC 电机 图 4PC 个位机软件控制原理图 行程开关 扩展 上位机软件 PC 驱动卡 XYZAC 图 8后处理参数 define keys blocknumber preparatory function aux function x feedrate y feedrate z feedrate circle angle x coordinate y coordinate z coordinate N G1 M1 not used not used not used not used X Y Z 定义程序段号 定义准备功能指令 定义辅助功能指令 定义 X进组率指令 定义 Y进组率指令 定义 Z进组率指令 圆周角度 定义 X坐标轴 定义 Y坐标轴 定义 Z坐标轴 下转第 85 页 77 装备制造技术 2011 年第 1 期 各通道口位置 员工上下班的带着 RFID 智能卡经过即可记录 考勤 实现考勤的自动化 2 3消费管理系统 采用专业 RFID 消费 POS 机 各消费机实时联结到消费 管理系统工作站 持卡用户通过预充值 即可实现 RFID 智能 卡消费 可根据要求设置多个消费点 可安装在食堂 小卖店 洗衣部等消费场所 2 4巡更管理系统 通过在巡更点设置 RFID 阅读器 即可在持卡巡更人员经 过时自动记录巡更人员 ID 巡更时间 从而可以自动记录巡更 人员的工作状况和巡更轨迹 实现了实时管理保安巡逻人员 的巡视情况 确保保安防范的实效 2 5电梯管理系统 通过在电梯中设置 RFID 阅读器 并联结到电梯管理系统 工作站 实现可到达楼层管理 人员到达楼层的权限 根据需 要预先设置 在非工作时间段和节假日 电梯管理系统就可以 自动识别权限 自动停到持卡人员工作的楼层 有多层权限的 人员 自己选择按键 这样即可杜绝外来人员在大厦内各楼层 随意走动 2 6停车管理系统 通过将 RFID 阅读器与停车场道闸机系统连接 RFID 智 能车辆卡卡可采用 915M超高频 实现 10 m 左右距离的远距 离识别 在配备有合法 RFID 智能车辆卡的车辆经过时系统识 别后 自动进行道闸机开合操作 可实现不停车出入库 3系统功能特点 3 1统一的数据采集管理平台 系统通过将用户 卡片 读卡设备以及管理需求 紧密联 系在一起 组成统一的系统平台 在该系统平台基础上 建立 各个应用子管理信息系统 实现了一次发卡 一次性输入人员 信息 全系统通用 同时实现考勤 消费 门禁 等等楼宇智能 应用 3 2楼宇一卡通 可以考虑将不同频段的两组芯片 融合到一张卡上 从而只 需要一张卡 即可应对所有卡系统 真正实现楼宇一卡全通 3 3安全保障 通过采用 RFID 自动识别技术可以实现对楼宇人员合法 性检验 对保安工作实时记录监控 从而保证了楼宇的安全性 4结束语 通过采用 RFID 智能卡系统 实现对员工考勤 门禁控制 电梯控制 保安巡更 消费结算 停车管理等综合应用 加强了 对人 财 物的有序及有效监控管理 提高了资源的共享利用 率 减少了资源的浪费 避免了诸多人为因素的干预 提高了 办公效率和楼宇安全 RFID 智能卡系统 将过去分散孤立的 系统及设备 包括安全防范 火灾报警及楼宇自控等 集成到 一起 成为一个统一的整体 使楼宇真正智能化 最终到达智 能楼宇的人性化 参考文献 1 施金龙 基于 RFID 技术的智能广电楼宇建设的研究 J 硅谷 2010 17 69 70 2 黄森云 李也白 王福成 智能卡应用系统 M 北京 清华大学出版 社 2000 RFID in the Application of Intelligent Buildings HE Xi Liuzhou Urban Investment Construction Development Co Ltd Liuzhou Guangxi 545005 China Abstract Analysis of RFID technology in smart and advantages of the feasibility of building construction introduced access control attendance management consumption management patrol management elevator management parking management and characteristics of the comprehensive application of effective strengthening of human financial And materials ordered and effective monitoring and management improve the sharing of resources utilization reduce waste of resources avoid intervention in many human factors to improve office efficiency and building safety Key words RFID Radio Frequency Iden