一种基于MACH3软件的经济型数控四轴雕刻机设计方法

作者：张毅

   目前国内外生产的雕刻机价格昂贵，如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此行业的佼佼者，价格都在10万元人民币以上。近几年国产的雕刻机如北京“精雕”、上海“啄木鸟”在国内也有一定的市场，但也价格不菲。这些高端产品对小型客户和学校教学等领域来说成本太高，不能满足大量需求。为此，本文提出了一种基于MACH3软件控制的经济型四轴雕刻机，以满足小型客户和教学使用等需求。

1  四轴雕刻机总体设计

四轴雕刻机由机械结构、控制系统两部分构成。将G代码导人MACH3软件中，经过上位机转换，将控制脉冲传输给控制卡，控制卡驱动相应步进电机驱动器，从而使电机带动丝杠转动，完成机架上某一方向的进给运动；工件夹持在A轴上做角度旋转；通过电机带动不同轴的运动，实现主轴对工件的立体雕刻。四轴雕刻机系统工作流程如图1所示。

2机械结构的设计

机架作为雕刻机的机械结构部分，对整个加工过程、加工效果起重要作用。雕刻机通常有立柱和龙门两种架式，相比立柱式，龙门式结构稳定性更好。龙门式又分为固定龙门式和移动龙门式，移动龙门式工作台固定，雕刻轴作横向和上下移动，龙门架作纵向移动，但龙门架移动较笨重且雕刻轴运动精度较难保证。而固定龙门式工作台移动，龙门架固定，雕刻轴作横向和上下移动，运动精度较易保证。因此本文采用了固定龙门式架构，它主要包括电主轴、旋转轴A轴、龙门架、X轴部件、y轴部件和Z轴部件几个部分。四轴雕刻机三维结构模型如图2所示。

  在该机械结构中，传动部分采用步进电机驱动滚珠丝杠，通过联轴器与滚珠丝杠连接，利用双螺母消间隙原理，保证了传动精度；滚珠丝杠两侧为直线光轴导轨，承担了轴向较大的分力，保证了运动精度。运动方式采用龙门架固定，通过工作台移动来实现X、y进给。A轴装在X工作台上，同步轮减速比为4:1，通过三爪卡盘夹持工件做角度旋转。主轴电机带动雕刻刀具高速旋转，在Z方向上进刀、退刀进行雕刻，从而完成立体模型的雕刻加工。

3控制系统的设计

3.1  系统硬件设计

  硬件设计分为PC机与运动控制卡、驱动芯片和电机、行程限位开关和急停按钮、主轴电机调速以及电源调节4个模块。驱动板电路图如图3所示。

3.1.1PC机与运动控制卡设计

  PC机与运动控制卡连接，进行信号传输，控制着整个加工过程。刀具路径的生成、运动控制卡的操作界面都需在PC机上完成，运动控制卡是连接PC机控制和机床加工的枢纽，接收到工作信号后它会发出相应的脉冲串给步进电机驱动器和变频调速器，来控制步进电机和主轴电机的旋转。

3.1.2驱动芯片和电机设计

  驱动部分采用了东芝TB6560芯片构成的高细分驱动器，其电机振动小、噪声低、散热效果好，最高128细分，可满足每分钟从几到近千转的应用要求，驱动电路主要包括主电路、控制信号隔离电路和自动半流电路，满足了低功耗、高精度、安全性等要求；驱动电机采用57步进电机，在满足了精度需求的同时降低了设备成本。

3.1.3行程限位开关和急停按钮设计

  本设计采用电感式限位开关，分别安装在X、y、Z三个轴的丝杠两端，用于控制三个轴的行程及限位保护，当由于代码错误或操作失误使机械运动部件将要超出行程时，触及行程开关使系统停止运行。急停按钮作为电气保护的手动操作保护，在紧急情况下可以强制使系统停止运行，从而保护人身和设备的安全。

3.1.4  主轴电机调速与电源调节设计

  主轴电机的调速采用电压调节，通过对输出电压的连续改变实现主轴的无级变速调节，调节量的变化通过界面展现。电源部分包括接口板、散热、主轴电机及驱动器供电，分别输出5 V、12 V、30 V以下连续调节电压，电源容量采用额定容量的3倍，保证了电源系统的可靠运行。

3.2  系统软件设计

  运用ARTCAM软件将待加工模型模拟成刀具加工路径，并生成G代码，然后将生成的G代码导入MACH3软件中，根据加工要求设置参数，MACH3将根据G代码和设定的参数通过输出端口输出控制信号给运动控制卡。

3.2.1  加工G代码的生成

  ARTCAM软件可以将平面图形转化为精致的三维浮雕模型，也可产生立体圆雕模型，并生成能够驱动数控机床的G代码，具有强大的三维模型设计功能。用户可使用此软件设计出待加工模型，将其生成G代码，MACH3直接支持多种DXF、JPG、BMP、HPGL文件格式输入，代码通常采用TAP格式。

3.2.2MACH3软件应用

MACH3是一种功能强大的模拟数控软件，可将PC机转换为全功能的CNC控制器，利用PC机强大的计算功能来完成译码、插补、运动分配和控制等功能，广泛应用在雕刻机和数控铣床等数控方面。MACH3软件操作界面如图4所示，本文主要介绍它的几个常用功能设置。

  (1)通信端口的设定。在设置选项内选择端口，定义好输入输出引脚，包括电机脉冲、方向及速度设置，继电器主轴开启和使能设置，急停开关和限位设置。

  (2)对刀设置。控制卡上有对刀端口引出，一个是对刀端，一个是COM地端，两个端口一个接电主轴，一个接对刀块。在软件界面中先设置好对刀端口，然后点击“操作”、“编辑按钮脚本”，此时主界面对刀功能区对刀按钮闪动，点击此按钮弹出代码编辑区，根据实际情况输入对刀运行速度、距离或返回距离。对刀操作时，把对刀块放置在材料表面，点击“对刀”按钮，刀头会缓慢下降，当触及到对刀块的时候Z轴坐标会自动清零，刀头自动上抬到安全高度，对刀完成。

  (3)A轴回差补偿设置。测量A轴回差值，正、反向转动A轴到同一位置，其读数差即是回差值，点击“回差补偿值”，在A轴对应的空格内输入回差补偿距离。

4实验测试

四轴雕刻机成品如图5所示。电源稳压稳流检测正常，各通信端口设定确认无误，各轴电机运转状态良好，丝杠传动平稳、精确，加工过程中龙门架稳定牢固，噪声小，旋转A轴回差值经过测量后为0.2 mm。经过测试，四轴雕刻机在实际工作中符合使用要求。

5  结语

本文设计的经济型数控四轴雕刻机采用通用PC机十运动控制卡为控制系统，兼具多任务特性和实时特性，是一种优越的开放式数控系统。通过UG三维实体建模和虚拟装配以及运动仿真检验，证明了其总体结构设计的合理性，采用步进电机接滚珠丝杠进行传动，简化了机械整体结构，提高了传动精度。

6摘要：针对国内外数控设备存在的价格昂贵而无法满足中小客户的需求问题，介绍了一种基于MACH3软件的经济型数控四轴雕刻机。该四轴雕刻机采用MACH3控制系统，机架部分由步进电机与滚珠丝杠连接完成各方向进给运动，其成本低、体积小、易于控制，主要用于加工木材、塑料、铝合金等较软材质且精度要求不高的立体模型，是面向小型客户和教学使用等领域的经济型产品。