淺談數(shù)控機(jī)床C軸的功能和控制

張丹　辛鳳

摘 要：C軸越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上，根據(jù)不同品牌的機(jī)床，它的功能與控制都有所不同，但基本原理沒(méi)變，還是360度的一個(gè)圓作為一個(gè)可控制軸。這里淺顯地介紹一下C軸定義和功能，以及它的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè) ，結(jié)合三菱數(shù)控系統(tǒng)M70VA來(lái)探討一下它在DLA20車削中心上的應(yīng)用與參數(shù)的設(shè)置。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；C軸功能與控制

1.C軸的定義和功能

對(duì)于數(shù)控車床來(lái)說(shuō)，所謂C軸就是對(duì)應(yīng)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，既可實(shí)現(xiàn)主軸周向的任意位置控制，又能實(shí)現(xiàn)X-C、Z-C聯(lián)動(dòng)。主軸周向的任意位置控制，就是主軸分度的概念，配合鎖緊裝置可以將加工件定位到一個(gè)你所需要的度數(shù)，C80.000或者C161.000等等。比如數(shù)控花鍵銑床，就是利用C軸分度的功能，根據(jù)加工工藝的要求，將360度等分成幾份，在加工程序中按照旋轉(zhuǎn)度數(shù)來(lái)編程。對(duì)于數(shù)控絲桿磨床來(lái)說(shuō)，頭架的控制就是C軸，在加工過(guò)程中是連續(xù)低速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)Z軸作聯(lián)動(dòng)，即C軸轉(zhuǎn)一圈Z軸走一個(gè)螺距。

車削中心上的C軸，既可實(shí)現(xiàn)主軸周向的任意位置控制，又能實(shí)現(xiàn)X-C、Z-C軸的聯(lián)動(dòng)。車削中心是在普通數(shù)控車床的基礎(chǔ)上，增加了C軸和動(dòng)力頭。由于增加了C軸和銑削動(dòng)力頭，這種數(shù)控車床的加工功能大大增強(qiáng)，除可以進(jìn)行一般車削外還可以進(jìn)行徑向和軸向銑削、曲面銑削、中心線不在零件回轉(zhuǎn)中心的孔和徑向孔的鉆削等加工。車削中心上的C軸控制又叫CS輪廓控制。CS輪廓控制是在伺服主軸（串行主軸）上組合專用的檢測(cè)器，通過(guò)主軸電機(jī)進(jìn)行定位的一種功能，與主軸定位（T系列）相比精度更高，可以在定位以及其它的伺服軸之間進(jìn)行插補(bǔ)。對(duì)伺服主軸進(jìn)行速度控制的情形叫主軸旋轉(zhuǎn)控制，對(duì)伺服主軸進(jìn)行位置控制的情形叫主軸輪廓控制。對(duì)主軸進(jìn)行輪廓控制的功能就是CS輪廓控制功能。

2.C軸的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)

C軸控制就是位置控制。對(duì)于花鍵銑床來(lái)說(shuō)，C軸是用來(lái)分度的；對(duì)于絲桿磨床來(lái)說(shuō)，C軸是連續(xù)低速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)Z軸作聯(lián)動(dòng)，這兩種機(jī)床都是將直線軸作為旋轉(zhuǎn)軸用，所以用伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)就可以了，使用上與通常的伺服進(jìn)給軸一樣。數(shù)控車床的伺服主軸只起到帶動(dòng)材料旋轉(zhuǎn)的作用，對(duì)于車削中心來(lái)說(shuō)C軸是在伺服主軸（串行主軸）上組合專用的檢測(cè)器來(lái)控制的，所以C軸是由伺服主軸電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的。主軸旋轉(zhuǎn)和C軸的切換，隨來(lái)自PMC的信號(hào)和M代碼而定。此時(shí)C軸控制的手動(dòng)以及自動(dòng)運(yùn)行，與通常的伺服進(jìn)給軸也相同。

帶有C軸的機(jī)床加工精度要求都比較高，因此需要全閉環(huán)控制。對(duì)于花鍵銑床和絲桿磨床來(lái)說(shuō)，選用角度編碼器作為檢測(cè)裝置就可以實(shí)現(xiàn)。角度編碼器通常是指精度高于±5"和線數(shù)高于10000的編碼器。車削中心的C軸所采用的專用檢測(cè)器是模塊式磁柵編碼器，它的內(nèi)徑大，讀數(shù)頭尺寸小且結(jié)構(gòu)緊湊，能夠支持高轉(zhuǎn)速且具有足夠剛性。根據(jù)不同機(jī)床加工精度的要求來(lái)選擇C軸檢測(cè)裝置的線數(shù)，由于受機(jī)械主軸以及安裝尺寸大小的局限性，檢測(cè)裝置的線數(shù)一般都不能達(dá)到精度要求，需要它自身的細(xì)分?jǐn)?shù)和數(shù)控系統(tǒng)的倍頻數(shù)才能完成。

3.C軸應(yīng)用和系統(tǒng)控制參數(shù)

以DLA20車削中心上的C軸為例，簡(jiǎn)述一下C軸的應(yīng)用，以及三菱數(shù)控系統(tǒng)M70VA控制C軸相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。此臺(tái)車削中心由三菱數(shù)控系統(tǒng)M70VA控制，伺服主軸和動(dòng)力頭伺服主軸，NC控制4軸，即X軸、Z軸、Y軸、C軸，C軸的檢測(cè)器是選用海德漢的ERM 200系列的模塊式磁柵編碼器，根據(jù)機(jī)床加工精度的要求以及主軸徑的大小，選用ERM 280模塊式磁柵編碼器，此編碼器輸出信號(hào)為正弦電壓信號(hào)～1 VPP，支持高倍頻細(xì)分。這個(gè)信號(hào)屬于增量信號(hào)，但它帶有一個(gè)參考點(diǎn)，所以使用上相當(dāng)于絕對(duì)值信號(hào)，回零時(shí)不需要回零減速開(kāi)關(guān)；若確定參考點(diǎn)之后，數(shù)控系統(tǒng)每次斷電通電后，不用每次回參考點(diǎn)，仍可找到原絕對(duì)坐標(biāo)位置。此編碼器的線數(shù)為1200線，經(jīng)過(guò)EIB 392M接口單元細(xì)分，細(xì)分?jǐn)?shù)能達(dá)到16384倍，則此編碼器的分辨率為1200×16384=19660800p/rev。

三菱數(shù)控系統(tǒng)M70VA控制車削中心C軸的幾個(gè)重要的參數(shù)如下：

#13019 位置檢測(cè)分辨率：設(shè)為“0”

#13031 位置檢測(cè)器類型、速度檢測(cè)器類型以及電機(jī)類型：設(shè)為“6200”

#13051 雙反饋控制時(shí)間常數(shù)：設(shè)為“100”

#13052 雙反饋控制死區(qū)：設(shè)為“1000”

#13053 誤差過(guò)大檢測(cè)區(qū)間：設(shè)為“0”

#13054 閉環(huán)過(guò)行程檢測(cè)寬度：設(shè)為“–1”

#13097 擴(kuò)展機(jī)械側(cè)編碼器的分辨率：設(shè)為“300”

#13019在不帶有C軸時(shí)設(shè)定值與#13020速度檢測(cè)器分辨率設(shè)定的值相同；當(dāng)帶有C軸時(shí)，#13019=編碼器的脈沖數(shù)/65536的余數(shù)=19660800/65536的余數(shù)。#13097就是數(shù)控系統(tǒng)的倍頻數(shù)，在不帶有C軸時(shí)設(shè)為0，當(dāng)帶有C軸時(shí)，#13097=編碼器的脈沖數(shù)/65536的商=19660800/65536的商。這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置值與模塊式磁柵編碼器的線數(shù)以及其細(xì)分?jǐn)?shù)有關(guān)系。#13031帶有主軸側(cè)位置檢測(cè)器時(shí)設(shè)為6200，#13053帶有主軸位置檢測(cè)器時(shí)需要設(shè)為0，#13054閉環(huán)過(guò)行程檢測(cè)寬度設(shè)為–1，其它兩個(gè)參數(shù)根據(jù)內(nèi)容說(shuō)明再結(jié)合機(jī)床實(shí)際運(yùn)行來(lái)設(shè)置，在沒(méi)有系統(tǒng)報(bào)警且機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)正常就可以。如果這幾個(gè)參數(shù)在帶有C軸全閉環(huán)控制時(shí)設(shè)置不當(dāng)，數(shù)控系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)反饋異常1、反饋異常2以及誤差過(guò)大等報(bào)警，機(jī)床將無(wú)法正常運(yùn)行。

4. 結(jié)語(yǔ)

C軸在數(shù)控車床上的應(yīng)用，基本上就是分度定位的應(yīng)用。在復(fù)合車削中心機(jī)床上，有用到銑削功能的時(shí)候就會(huì)用到C軸， C軸和X，Y這些配合使用可以在圓周面上進(jìn)行刻字等等復(fù)雜加工。一般來(lái)講如果是加工中心的話就是機(jī)床的第四軸，也就是附加旋轉(zhuǎn)軸。至于圍繞哪個(gè)直線軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)不同品牌的機(jī)床會(huì)有不同的命名。C軸的檢測(cè)裝置根據(jù)機(jī)床加工精度和數(shù)控系統(tǒng)的不同，檢測(cè)裝置的信號(hào)與線數(shù)以及控制接口參數(shù)都會(huì)有所不同。

參考文獻(xiàn)：

[1]《MITSUBISHI CNC 70系列 設(shè)定說(shuō)明書(shū)》

[2]《HEIDENHAIN EIB 392》

[3]《MITSUBISHI CNC M70V 設(shè)定說(shuō)明書(shū)》