帶 C 軸光柵尺的數控車削中心應用分析
2017-5-31 來源：德州德隆 ( 集團) 機床有限責任公司 作者：鄭翠翠，李樂
摘要: 在數控車削中心 C 軸定位中增加圓光柵全閉環(huán)功能，通過定位阻尼增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了提高機床整體加工性能，在伺服主電機 ( 主傳動) 的輸出軸增加 ZF 減速機，不僅使 C 軸作為聯(lián)動軸在車削過程中具有低速大扭矩，而且大大提高了機床的加工精度。同時，數控系統(tǒng)采用西門子 828D，通過準確、精密的智能控制使機床加工性能更加完善。
關鍵詞: 數控車削中心; C 軸; 圓光柵; 加工精度
目前，數控機床在加工精度與車削速度上的要求越來越高。數控車削中心主軸夾持工件旋轉時，有時需要對其旋轉位置有精確定位。這時，開環(huán)、半閉環(huán)數控系統(tǒng)就已經達不到加工要求。機床的加工精度除了由機床本身的機械結構、數控系統(tǒng)精度決定外，光柵尺的精度也是關鍵性元素之一。光柵尺作為數控系統(tǒng)的位置檢測元件［2］，檢測機床的直線軸或者旋轉軸的實際位移是否與數控系統(tǒng)發(fā)出的指令相符。
旋轉軸配光柵尺 ( 相當于旋轉編碼器) ，使機床工作精度大大提高，這種配置可以使機床加工具有高分辨率，并且大大提高機床本身的抗干擾性。圓光柵采用的制作材料是玻璃，使系統(tǒng)具有絕緣性、防爆性、抗地磁干擾性、耐高溫等特點，能夠適應多種惡劣環(huán)境，不影響機床加工精度［3］。所以，數控加工中心進給軸使用光柵尺進行定位很有必要。
1. 數控車削中心普通車削中心
C 軸采用半閉環(huán)系統(tǒng)進行定位，也就是使用電機編碼器，其 C 軸結構見圖 1、2。
圖 1 車削中心 C 軸結構圖 (一)
圖 2 車削中心 C 軸結構圖 (二)
2.圓光柵應用及系統(tǒng)參數設置
2. 1 圓光柵功能介紹
德國海德漢公司生產的內置軸承 ERA 系列角度編碼器采用實心光柵鼓［4］。安裝在機床主軸上可以實現高速主軸，且定位準確、滿足大直徑空心軸要求，軸速最高可達 10 000 min－ 1。ERA4480C 主軸圓光柵尺的信號周期為 40 μm，1Vpp 增量信號，系統(tǒng)精度為 20 000 ± 3. 2' ( 線數) 。此型號光柵尺與西門子 828D 系統(tǒng)配合使用，主軸準確定位可達到 0. 007 8° ( 實測數值)［5］。
2. 2 數控系統(tǒng)參數設置
機床使用的數控系統(tǒng)為 SIEMENS 828D SL，其中 C 軸加入圓光柵時，設置系統(tǒng)參數時需要注意一下參數 30200 是編碼器的數量; 31000 = 1 表示的是光柵尺; 30240 ［0］ = 1; 30240 ［1］ = 0。關于其他與光柵尺有關的參數需要根據實際車削精度作改動。
2. 3 數控車削中心應用
2. 3. 1 機床結構優(yōu)化
以數控車削中心為研究對象，對 C 軸結構進行優(yōu)化。數控車削中心主軸電機傳動結構中，將光柵尺安裝在床頭箱端面［6］，電機與主軸傳送帶之間增加ZF 減速機 ( 如圖 3 所示) ，使主軸在低速車削時具有大扭矩，同時當 C 軸車削做回擺運動時，定位精度大大提高。除此外，在機床圓光柵 C 軸加入了阻尼 ( C 軸阻尼) 。這種結構 ( 如圖 4 所示) 大大減少了機床在車削過程中的抖動，機床可以做到精準停，停擺精度可以達到 1% 。阻尼夾持器的安裝需要對稱，兩邊的加持力度才平衡［7］，C 軸定位精度才越高。
圖 3 結構主視圖
圖 4 結構后視圖
2. 3. 2 試車加工精度分析
對工件進行圓弧加工，工件如圖 5 所示。隨機選擇優(yōu)化前與優(yōu)化后工件經三坐標進行檢測。5圖 5 零件圖選用特殊刀具對以上工件內弧進行加工［8］，要求工件加工精度小于等于 0. 01°。隨機挑選
7 件零件分別在普通機床與優(yōu)化后的機床上進行車削，前后工件加工精度誤差結果見表 1。表 1 工件加工精度表 ( °)
3.結果
從數控車削中心 C 軸結構優(yōu)化前與優(yōu)化后數據對比中可以得出: 優(yōu)化后，工件的加工精度遠遠高于優(yōu)化前。因此在 C 軸加入光柵尺、通過定位阻尼增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以提高機床的整體加工性能，大大提高機床加工精度。
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