基于Mach3五轴CNC软件的并行双向多功能接口设计
孙杰;仲广玉
【摘 要】To construct a easy-to-use low-cost 5-axes CNC machine tool system, a 32-bit Windows XP operation system was utilized as the software platform. A bidirectional parallel multifunctional interface card was designed to be used as the driver for a stepper motor. This interface card combines with an Intel Atom 1.6G dual processor mini motherboard form the PC computer hardware platform. At the same time, Mach3 open ended CNC control software was utilized to control the five axes linkage movement of the machine tool. The testing results proved that this CNC system can effectively realize the linkage control of a five axes machine tool.%为构建一个精简的低成本经济型五轴联动机床数控系统,采用了基于32位操作系统Windows XP为软件平台,设计了并行双向多功能接口板作为步进电动机驱动控制接口,和intel双核心Atom1.6G处理器mini主板组成PC计算机硬件平台,并利用Mach3开放式CNC控制软件完成五轴机床的联动控制.实验结果证明该数控系统可有效实现五轴机床联动控制. 【期刊名称】《制造技术与机床》 【年(卷),期】2012(000)011 【总页数】4页(P80-83)
【关键词】数控系统;计算机并口;五轴联动 【作 者】孙杰;仲广玉
【作者单位】辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001 【正文语种】中 文 【中图分类】TG65;TH165
目前我国五轴数控加工机床大多数是采用西门子公司等国外的硬件系统和控制软件，其价格高昂，不利于五轴数控加工技术在众多的小型机加工企业的开展和应用。在考虑满足数控系统加工要求同时，应尽可能地减少硬件设计成本，提高控制系统的性价比和可靠性。
Mach3控制软件，是美国Artsoft公司的基于通用PC计算机构架和Windows 2000/XP操作系统的开放式CNC控制软件，很好地融合了图1所示的6种功能模块，是比较理想的经济型数控系统的选择。该软件通过PC机并口或USB口（需要专用驱动器）控制步进电动机运行，使用方便，设置功能齐全。本文针对Mach3软件的核心功能开发出一种专用的并行双向多功能接口卡，与PC构架工控板和步进电动机驱动器配套搭建成了低成本的五轴联动数控硬件控制系统。
1 PC机的系统硬件选择
计算机控制系统是五轴联动数控机床的关键组成部分之一。机床的控制系统与其结构要相互协调工作，才能完成对复杂结构零件的高效加工。通过PC计算机的并口直接控制和管理整台机床，加工运动轨迹和控制功能都由PC计算机通过控制接口来实现，从而精确地完成五轴加工过程。 1.1 PC计算机构架的选择
因为控制系统是利用PC计算机的并口进行输出控制信号，所以计算机构架的选择
要满足体积小功耗低，并具有并行输出接口，为此选用了intel的双核Atom 330工控板，CPU频率为1.6 GHz，945GC芯片组，集成显卡，1 G内存，整个主板功耗为8 W，并带有串并口和显示器接口，整块板尺寸为17 cm×17 cm，满足控制系统的硬件要求。
1.2 利用并口双向数据传输模式传递数控信号
PC机并口通讯技术经历多年的发展，现在已经形成了统一的1284标准。在这个标准中，目前定义了5种并口通讯模式，如表1所示。
表1 并口的5种通讯模式模式种类 传输方向标准并口（Standard Parallel Port）正向半字节模式（Nibble Mode）反向字节模式（Byte Mode）反向增强模式（Enhanced Parallel Port）双向扩容模式（Extended Parallel Port）双向 其中，增强模式（EPP）和扩容模式（ECP）并口支持双向数据传输，数据传输速率都能够达到2 Mb/s以上，满足一般的数控信号要求。这两种模式是一般并口外设和主机广泛支持的并口工作模式。由于EPP模式的操作时序简单，本文将其作为首选数据通讯模式。
1.3 PC机并口的五轴数控信号安排
PC机并口共计25个针脚，由于每路步进电动机驱动器需要2个数字位（脉冲和方向）控制，五轴系统共占用并口10个数字位输出脉冲和方向信号，并通过步进电动机驱动器来驱动步进电动机的运行。另外电荷泵输出、冷却液控制和主轴PWM控制信号各用1个数字位，共计占用3个并口输出数字位。并口的其他数据位用来检测限位开关信号、电子手轮信号以及急停输入信号。并口数据位资源有限，采用将5个轴电动机的限位分别串联或并联的连接方法，其总共占用1个数字位。急停开关输入信号占用1个数字位，手轮占用2个数字位。具体信号针脚安排如表2所示。
在五轴联动数控系统中，CNC控制软件将CAM后处理生成的加工G代码程序转
换成插补所需的数据格式，同时对这些数据进行插补形成进给数据以及其他开、关数据，然后由并口的寄存器经并行双向控制接口电路和步进电动机驱动器输出，从而来控制各轴步进电动机的进给和主轴头电动机的PWM转速控制。对工作流程的控制（如加工开始、结束、暂停、重新加工等）是通过操作界面上的相应按钮来控制输入信号的，这些信号通过并口的寄存器输入控制系统的工作。
表2 并口信号针脚安排并口针脚号 功能1主轴PWM 2 X 轴脉冲3 X 轴方向4 Y 轴脉冲5 Y 轴方向6 Z 轴脉冲7 Z 轴方向8 A 轴脉冲9 A 轴方向10 C 轴脉冲11 C 轴方向12冷却液开关13 电子手轮信号A 14 电子手轮信号B 15限位开关16 ～Ack信号（急停/故障）17 电荷泵输出信号（15 kHz）18～25信号地 2 SJ－122并行双向控制接口卡的设计
本文自行设计了SJ－122并行双向五轴控制接口卡，内部单元框图如图2所示，分配数控信号见表2，主要用来完成PC计算机的并行口与五轴数控联动的步进电动机驱动控制器之间的数据传输和机床状态信号的检测任务，这是保证机床能否按照工艺加工要求准确和可靠运行的关键。
下边具体介绍接口卡几个相关主要功能的设计内容。 2.1 脉冲、方向信号的缓冲电路
SJ－122设置了双向数据信号缓冲电路，见图3，在计算机并口和步进电动机驱动器之间起到了缓冲隔离的效果，所有的数据输出口都有上拉电阻，保证了信号传递的可靠性。
改变 JP1 的跳线方式，可通过 J1、J2、J3、J4、J5 的COM端控制公共端为+5 V（1和2短接）或公共端为参考地（2和3短接）的光隔离电动机驱动器。
改变JP2的跳线方式，可以改变缓冲电路的使能控制模式，1和2短接缓冲电路
总有效，2和3短接，缓冲电路使能接受来自电荷泵电路的控制，可以防止开关机对驱动器的冲击和误动作。
改变JP5的跳线方式，可以改变缓冲电路的信号方向，1和2短接缓冲电路为输出方式;空（不接）缓冲电路为输入方式;2和3短接，缓冲电路使能受电荷泵电路控制信号传递的方向。 2.2 电荷泵信号控制电路
电荷泵控制电路（看门狗电路，见图4）是配合Mach3 CNC控制软件工作的，软件通过并口pin17发出15 kHz的脉冲信号，在PC运行的软件非正常工作时使电荷泵动作（其动作取决于跳线JP3和JP2的设置），会引起图3的缓冲电路无效，禁止所有的信号输出，防止电动机产生误动作。
2.3 信号输入控制电路
图5是外部状态信号输入电路。PC机并口引脚13、14、15和16为通用的输入端。每个状态输入都有2 kΩ的上拉电阻和一个低通滤波器（滤除高频噪声）。这个输入可以被外部集电极驱动器或机械开关转换为接地，而不用时则断开，由上拉电阻提供逻辑高电平。是用来完成限位和手轮等外部信号的输入控制。
2.4 Fault（故障）和E－Stop（急停）控制电路
SJ－122提供了E－Stop（紧急停止）和Fault（故障）输入控制，见图6。E－Stop输入是一个紧急停止信号，外部要连接一个常闭开关与地相连，正常工作时为低电平，当开关断开时，由上拉电阻置高电平系统紧急刹车。Fault输入有一个100 kΩ的上拉电阻，它的默认状态是“无故障”。E－Stop和Fault输入联合驱动PC并行口内的pin16“～Ack”信号和图3缓冲电路上的缓冲使能。
2.5 限位开关的外部接线方式
为了充分利用并口的有限资源，五轴运动的限位触发采用常闭开关串联方式或常开开关并联方式，这样只占用1个并口数字位即可完成多轴的限位控制，接线方式见图7。
还有冷却液、主轴PWM转速等输出控制电路和以上介绍的主要电路组成了SJ－122并行双向五轴控制接口卡，接口卡成品如图8所示。
3 配套控制软件的技术应用
系统采用的Mach3控制软件，是美国Artsoft公司的基于Windows 2000/XP操作系统的开放式CNC控制软件。其主要特点:支持最多6轴联动;直接使用G代码文件;支持DXF、BMP、JPG与HPGL文件直接导入;直观G代码路径显示;可编辑G代码文件;主轴PWM转速控制;即时加工进度显示;手动控制等功能。
用户可以根据具体的机床结构和加工要求，自行定制控制界面和加工策略模块，利用VB和OEM代码建立操作控制台接口。本文对Mach3做了界面的汉化处理，专门编制了五轴加工的中文控制界面，使得控制软件更适合一般的机械加工人员操作，其自建的Mach3控制软件主界面如图9所示。该软件的屏幕显示有6个分界面:①程序运行界面;②手工输入界面;③刀路界面;④偏移量界面;⑤设置界面;⑥诊断界面。在程序运行界面包含有代码显示区、具体轴向位置显示、刀路轨迹显示、代码执行控制、紧急停止按钮、手动模式选择、主轴控制等。通过相应的按钮的控制，可以完成对机床的各项操作任务。 鉴于版面关系，Mach3的详细应用略。 4 结语
本文利用PC计算机的Windows多任务操作系统作为软件平台以及并行双向多功能控制接口为硬件平台，设计了经济型五轴机床联动控制系统。采用Mach3开放式CNC控制软件通过计算机并口完成对五轴联动机构的轨迹控制。并通过实际加工工件证明该数控系统具有五轴机床联动加工能力。该数控系统可最大程度地利用系统软件资源替代了大多数硬件的运动算法功能，大大地降低了硬件设计成本。数控系统中通过软件编程的方法实现所有功能，为系统的修改及扩充增加了更大的柔性。 参考文献
［1］游华云，叶佩青，杨开明，等.机床工业亟需发展五轴数控技术［J］.制造技术与机床，2002（12）:25－28.
［2］朱世鸿.IBM－PC微机接口和编程应用技术实验［M］.合肥:中国科学技术大学出版社，1992.
［3］廖效果.数字控制机床［M］.武汉:武汉华中理工大学出版社，1998. ［4］孙杰.经济型五轴数控加工硬件系统的设计与应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2011（6）:65－68.
［5］肖世宏.UG －NX5数控加工［M］.北京:人民邮电出版社，2008.
