数控机床定位控制装置简介

2023-06-15 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-21 双流制动控制电路数控机床的主轴及其控制系统的性能在某种程度上决定了机床的性能及其等级。因此，在数控机床的发展进程中，对主轴及其控制系统的要求也越来越高。数控机床的辅助功能指令M06和M19指令对其有效。定向过程一般由PLC或数控装置来进行控制。当主轴转动或停止时，数控装置发出定向指令后，立即控制主轴电动机加速或减速至某一定向速度（较慢），主轴立即处于定向状态。

图2-21 双流制动控制电路

数控机床的主轴及其控制系统的性能在某种程度上决定了机床的性能及其等级。主轴的运动也是零件加工的成形运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。因此，在数控机床的发展进程中，对主轴及其控制系统的要求也越来越高。

1.主轴定向功能的作用

主轴定向功能又称为主轴准停功能，即当主轴停止时能控制其以一定的力矩准确地停止于某一固定位置。数控机床的辅助功能指令M06和M19指令对其有效。

（1）对于数控机床来说，主轴准停是自动换刀所必须具有的功能。在自动换刀的加工中心上，当主轴停转进行换刀时主轴必须停在一个固定不变的位置上，从而保证主轴端面上的键也在一个固定的位置，以保证换刀机械手在交换刀具时，刀柄上的键槽对正主轴端面上的定位键，顺利进行换刀，见图2-22a。

（2）在镗床加工中，精镗孔后退刀时，为防止刀具因弹性恢复拉伤已精加工好的内孔表面，必须先让刀后退刀，而让刀时的刀具必须具有准确的定位功能，即使刀尖停在一个固定位置，而此时主轴偏移一定尺寸后，使刀尖离开工件表面后再退刀，见图2-22b。

图2-22 主轴准停的用途

1—刀柄 2—主轴 3—定位键

（3）在通过前壁小孔镗内壁大孔或进行倒角等加工时，采用主轴准停功能，使刀尖停在一个固定位置，待主轴偏移一定尺寸后，使刀尖能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削，见图2-22c。

2.主轴定向功能的实现

主轴定向（位）功能的实现有两种方式，即机械和电气方式。

机械方式定向采用机械凸轮等机构和无触头感应开关进行初定位，然后由定位销（液压或气动）插入主轴上的销孔或销槽完成精定位，换刀或精镗孔完成后定位销退出，主轴才可旋转。采用这种方式定向比较可靠、准确，但其结构较复杂且定向较慢。电气方式定向通常是采用具有定向功能或位置控制功能的主轴驱动装置来完成的。定向起始位置由无触头感应开关或主轴编码器获得，有些也可以通过主轴电动机编码器和主轴驱动装置得到。定向过程一般由PLC或数控装置来进行控制。

（1）机械定向功能

机械定向功能一般用带有V形槽的定位盘准停装置来实现，见图2-23。其要求主轴具有无级调速的功能。

由图2-23可知，在主轴上固定一个带有V形槽的定位盘，且使V形槽与主轴上的端面键保持一定的相对位置。有关机械定位的过程简介如下：

当数控系统发出定向指令（如M19）后，主轴电动机减速带动主轴以可设定的定向速度（一般为小于100r/min的低速）和方向旋转，无触头开关发信号，使主轴电动机停转且与主传动链断开。但由于惯性的作用，主轴与主轴传动件继续旋转。同时，无触头开关的信号使定位销伸出并压向主轴定位盘。当定位盘上的V形槽与定位销上的滚轮对正时，滚轮插入V形槽使主轴准停，LS2发出信号，通知系统定向指令完成。无触头开关的接近体能在定位盘的圆周上进行调整，从而保证定位销伸出、滚轮接触定位盘后，在主轴停转之前，恰好插入定位盘的V形槽内。

根据机械结构的具体特点，为防止定位销提前顶死主轴而造成定向失败，定位销伸出的同时也可不停止主轴，而是待定位销到位后立即停止主轴。

图2-23 主轴V形槽机械定位准停装置示意图

若接收到取消主轴定向的指令（如M20）则控制定位销退出，检测到定位销退回到位的回答信号LS1后，表示主轴定向取消的指令完成。

采用机械定向的方式，主轴定向定位销的伸出和退回必须分别有到位检测信号，并且必须和主轴的运动有互锁关系，即主轴以非定向速度旋转时不得伸出定位销；若定位销退回到位信号无效则禁止主轴旋转；若定位销伸出到位信号无效则禁止换刀动作继续进行。

机械准停还有其他方式，如端面螺旋凸轮等，它们的定向过程和互锁要求都基本相同。

（2）电气定向控制

主轴电气定向控制是在主轴速度控制基础上加一个位置控制环。一般常采用磁性传感器或光电编码器等检测元件来进行主轴位置检测。目前电气定向分为磁传感器定向、编码器定向和数控系统定向三种。在此，介绍前两种。

1）磁传感器主轴定向控制：磁传感器主轴定向控制由主轴驱动器和数控系统共同完成，其与机械定向的控制过程有些类似，见图2-24。

由图2-24可知，磁性传感器是在主轴上安装一个发磁体，使其随着主轴一起旋转，在距发磁体外1～2mm处固定一个磁性传感器。当磁性传感器接收到信号时，经放大器放大再与主轴控制单元一起对主轴电动机进行控制。当主轴转动或停止时，数控装置发出定向指令后，立即控制主轴电动机加速或减速至某一定向速度（较慢），主轴立即处于定向状态。当检测到定向位置信号时，即发磁体的判别基准孔对准磁性传感器上的基准槽时，立即控制主轴停止，并向主轴控制单元发出位控工作指令，主轴控制单元控制主轴电动机在位控模式下静止锁死。若取消主轴定向状态，只需撤销主轴控制单元的位控模式指令，恢复到速度工作模式即可。

这种定向方式的参考位置和定向位置都由磁性传感器决定的，受磁性传感器的精度及磁性体回转半径的影响，其定向精度不够理想。