试论数控机床主轴编码器安装结构设计的优化与完善

试论数控机床主轴编码器安装结构设计的优化与完善

焦建华马洪亮

（齐重数控装备股份有限公司黑龙江齐齐哈尔161005）

摘要：随着我国国民经济的快速发展，社会在不断的进步，在数控机床系统中，主轴单元占据着关键位置，其中需要安装光电式或磁性环式旋转编码器，以实现数控机床的功能，也就是检测主轴转速，加工螺纹，准停控制。现阶段，传统旋转编码器的安装方式主要包含同步带和齿轮传动的外置式结构，其可以实现主轴功能，但是其中依旧存在许多缺陷，亟待弥补。而空心轴式旋转编码器具有其自身的独特优势，充分合理利用以实现编码器安装方式的进一步优化，直接完善为直联式安装结构，势在必行。据此，本文主要对数控机床主轴编码器安装结构设计的优化与完善进行了详细分析。

关键词：数控机床；主轴编码器；安装结构；设计

引言

目前在数控系统加工技术中的螺纹插补加工技术多数采用的是主轴编码器跟踪技术，即加工刀具所在轴的电机跟随主轴编码器的旋转而旋转，也就是说电机驱动器的脉冲源来自主轴编码器信号。在数控机床的关键部件主轴单元中，需要安装光电式或磁性环式旋转编码器，以达到数控机床的三项功能：检测主轴转速、加工螺纹和控制准停。常用主轴编码器的线数主要有1024线／转和1200线／转，目前数控系统的精度是0．001mm，如果主轴编码器转一转加工一个螺距的话，其可最大加工1．024mm（对应1024线／转编码器）和1．2mm（对应1200线／转编码器）螺距的螺纹，这远远达不到螺纹螺距加工的要求，解决不了大螺纹加工问题，所以必须对主轴编码器信号进行倍频处理。传统的主轴编码器倍频技术解决方案是用软件技术进行倍频：通过软件计算主轴编码器的转速，计算在一个编码器脉冲周期中产生多个脉冲（例如：100倍频就产生100个脉冲）给刀具电机驱动器，从而实现大螺距螺纹加工。这个算法的主要问题是：软件算法占用大量的系统资源，实时性差、有累计误差、脉冲不均匀时加工振动大、光洁度不好。鉴于软件倍频方法的不足，提出了“变频脉冲均匀倍频法”。所提出的方法不仅同时考虑了脉冲的频率，同时考虑了脉冲的数量，而且使所倍频后的脉冲均匀分布在原有脉冲上。

1数控机床主轴编码器的作用与原理

主轴编码器是通过有效利用与主轴同步的光电脉冲发生器，以及中间轴齿轮，严格按照1：1比例，同步传动。在数控机床车螺纹加工时，要求主轴每次转动一周，刀具都要准确一个螺距，以此确保能够满足切削螺距的需求。系统可以利用主轴编码器反馈脉冲信号，插补主轴旋转与进给轴，同步控制主轴位置脉冲的计数与进给。另外，主轴编码器还可以有效切削控制恒线速度，其中光电脉冲发生器原理具体见图1。在漏光盘中，沿着圆周刻着两圈儿条纹，其中外圈是圆周等分线条，以发挥发送脉冲的作用。在光栏板中，刻着透光条纹，其中A和B之间的距离，应保证在条纹A与漏光盘分线条之间相互重合时，条纹B则与另一条纹的重合度错位大约1/4周期。在光栏板的条纹后都安置了光敏三极管，以此形成了输出通道。在灯泡发出散射光线时，以聚光镜为载体，演变为平行光线。在同步旋转漏光盘与主轴时，由于漏光盘条纹与光栏条纹之间相互重合、错位，使得光敏管受光线变化影响，内部电流也有所变化，其信号电流经过整流放大电路之后，输出矩形脉冲。因为条件A和漏光盘的条纹发生重合的时候，条纹B和另外的条纹发生错位1/4周期，因此，A与B通道输出的波形相位间有着一定的差距，即1/4周期。在脉冲发生器内部，漏光盘内圈刻线与光栏板条纹C相互重合，所输出的脉冲是同步脉冲。通过同步脉冲，数控机床可以进行加工控制，可以作为主轴准停装置的告警信号。在数控机床车螺纹中，以同步脉冲作为车刀的进刀点与退刀点控制信号，防止车削螺纹之间乱扣。主轴编码器与主轴间通过利用1：1齿轮传动，同步带相互连接，编码器为1024脉冲/转，系统在4倍频电路，获取4096脉冲，具体的信号连接见图2。

图1光电脉冲发生器原理图图2主轴位置编码器信号及接线

2齿轮传动外置式编码器安装结构

2.1安装结构

如图3为齿轮传动外置式编码器安装结构示意图，编码器装于与机床主轴平行的另一轴系上，通过齿轮啮合传动，带动编码器旋转，输出主轴旋转信号至机床数控系统。

图3齿轮传动外置式编码器安装结构

2.2存在问题

此种安装结构主要在主轴箱为齿轮变速结构的数控机床中应用，但是还存在以下问题：由于主轴箱多了一个轴系，如安装支座、轴承和齿轮等零件，增加了机床生产制造和售后服务成本；主轴箱内部多了一个齿轮啮合轴系，增加了主轴箱的温升和噪音的产生环节；由于齿轮等零件的磨损等原因，该传动方式会有误差产生，因此，机床数控系统接收到的主轴旋转信息与实际旋转精度有一定的偏差。

3直联式编码器安装结构

3.1安装结构

根据编码器安装结构中存在的缺陷，以此优化结构设计，将其完善成为直联式编码器安装结构，具体见图4。在主轴的后部安装编码器的内环套，读数头与支撑环需要在主轴箱体的法兰部分加以规定，以此保证与内环之间的轴度相同，同时确保轴向位置的准确性。在机床主轴转动时，联动编码器同步转动，输出主轴旋转信号到机床数控系统中去。

图4直联式编码器安装结构

3.2优势

直联式编码器安装结构可以广泛应用到有齿轮变速结构或无变速结构主轴箱的数控机床中。其不仅直接减少了相关零部件的安装，还在很大程度上缩减了机床生产制造与售后等各个环节的成本。由于编码器同轴安装在机床主轴上，其旋转时，会带动编码器进行同步旋转，所以，编码器输出到机床数控系统的主轴旋转信息和实际精确度之间相一致，没有误差，这就直接显著提高了主轴单元旋转的精确度。

4同步带传动外置式编码器安装结构

4.1安装结构

如图5为同步带传动外置式编码器安装结构示意图，该结构与齿轮传动外置式编码器安装结构类似，只是通过同步带传动，带动编码器旋转，输出主轴旋转信号至机床数控系统。

图5同步带传动外置式编码器安装结构

4.2存在问题

此种安装结构主要在无变速结构主轴箱的数控机床中应用，但是也存在以下问题：与齿轮传动外置式编码器安装结构类似，该安装结构由于主轴箱多了一个轴系，如安装支座、轴承、同步带和同步带轮等零件，增加了机床生产制造和售后服务成本；由于同步带传动等原因，该传动方式会有误差产生，因此，机床数控系统接收到的主轴旋转信息与实际旋转精度有一定的偏差。

结语

综上所述，由于齿轮传动外置式编码器安装结构和同步带传动外置式编码器安装结构依旧存在一些不足，亟待解决。因此，提出了数控机床主轴直联式编码器安装结构，此结构设计所需零部件较少，结构十分简单，所需成本较小，但是，却具备较高的可靠性，这就在很大程度上保证了数控机床主轴单元的旋转精确度，并且在市场上已经得到了广泛应用，具有良好的发展前景。

参考文献：

[1]张海睿，赵敏.数控机床主轴编码器修复[J].科技传播，2013（12）：221

[2]李悌汉，迟洁茹，朱明仁.数控机床主轴编码器数字倍频[J].工业控制计算机，2016，29（12）：100-101.

[3]杨辉.VDF800数控车床主轴编码器故障处理[J].设备管理与维修，2012（2）：66.

[4]高利强，牟群力.数控机床主轴编码器安装结构优化设计及改进[J].制造业自动化，2017，39（6）：89-90.

[5]李善术.数控机床及其应用[M].北京：机械工业出版社，2001.