淺談數控機床C軸的功能和控制

張丹　辛鳳

摘 要：C軸越來越廣泛地被應用到數控機床上，根據不同品牌的機床，它的功能與控制都有所不同，但基本原理沒變，還是360度的一個圓作為一個可控制軸。這里淺顯地介紹一下C軸定義和功能，以及它的驅動和檢測 ，結合三菱數控系統M70VA來探討一下它在DLA20車削中心上的應用與參數的設置。

關鍵詞：數控機床；C軸功能與控制

1.C軸的定義和功能

對于數控車床來說，所謂C軸就是對應繞Z軸的旋轉運動，既可實現主軸周向的任意位置控制，又能實現X-C、Z-C聯動。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你所需要的度數，C80.000或者C161.000等等。比如數控花鍵銑床，就是利用C軸分度的功能，根據加工工藝的要求，將360度等分成幾份，在加工程序中按照旋轉度數來編程。對于數控絲桿磨床來說，頭架的控制就是C軸，在加工過程中是連續低速旋轉，帶動Z軸作聯動，即C軸轉一圈Z軸走一個螺距。

車削中心上的C軸，既可實現主軸周向的任意位置控制，又能實現X-C、Z-C軸的聯動。車削中心是在普通數控車床的基礎上，增加了C軸和動力頭。由于增加了C軸和銑削動力頭，這種數控車床的加工功能大大增強，除可以進行一般車削外還可以進行徑向和軸向銑削、曲面銑削、中心線不在零件回轉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）上組合專用的檢測器，通過主軸電機進行定位的一種功能，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行插補。對伺服主軸進行速度控制的情形叫主軸旋轉控制，對伺服主軸進行位置控制的情形叫主軸輪廓控制。對主軸進行輪廓控制的功能就是CS輪廓控制功能。

2.C軸的驅動和檢測

C軸控制就是位置控制。對于花鍵銑床來說，C軸是用來分度的；對于絲桿磨床來說，C軸是連續低速旋轉，帶動Z軸作聯動，這兩種機床都是將直線軸作為旋轉軸用，所以用伺服電機來驅動就可以了，使用上與通常的伺服進給軸一樣。數控車床的伺服主軸只起到帶動材料旋轉的作用，對于車削中心來說C軸是在伺服主軸（串行主軸）上組合專用的檢測器來控制的，所以C軸是由伺服主軸電機來驅動的。主軸旋轉和C軸的切換，隨來自PMC的信號和M代碼而定。此時C軸控制的手動以及自動運行，與通常的伺服進給軸也相同。

帶有C軸的機床加工精度要求都比較高，因此需要全閉環控制。對于花鍵銑床和絲桿磨床來說，選用角度編碼器作為檢測裝置就可以實現。角度編碼器通常是指精度高于±5"和線數高于10000的編碼器。車削中心的C軸所采用的專用檢測器是模塊式磁柵編碼器，它的內徑大，讀數頭尺寸小且結構緊湊，能夠支持高轉速且具有足夠剛性。根據不同機床加工精度的要求來選擇C軸檢測裝置的線數，由于受機械主軸以及安裝尺寸大小的局限性，檢測裝置的線數一般都不能達到精度要求，需要它自身的細分數和數控系統的倍頻數才能完成。

3.C軸應用和系統控制參數

以DLA20車削中心上的C軸為例，簡述一下C軸的應用，以及三菱數控系統M70VA控制C軸相關參數的設置。此臺車削中心由三菱數控系統M70VA控制，伺服主軸和動力頭伺服主軸，NC控制4軸，即X軸、Z軸、Y軸、C軸，C軸的檢測器是選用海德漢的ERM 200系列的模塊式磁柵編碼器，根據機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，此編碼器輸出信號為正弦電壓信號～1 VPP，支持高倍頻細分。這個信號屬于增量信號，但它帶有一個參考點，所以使用上相當于絕對值信號，回零時不需要回零減速開關；若確定參考點之后，數控系統每次斷電通電后，不用每次回參考點，仍可找到原絕對坐標位置。此編碼器的線數為1200線，經過EIB 392M接口單元細分，細分數能達到16384倍，則此編碼器的分辨率為1200×16384=19660800p/rev。

三菱數控系統M70VA控制車削中心C軸的幾個重要的參數如下：

#13019 位置檢測分辨率：設為“0”

#13031 位置檢測器類型、速度檢測器類型以及電機類型：設為“6200”

#13051 雙反饋控制時間常數：設為“100”

#13052 雙反饋控制死區：設為“1000”

#13053 誤差過大檢測區間：設為“0”

#13054 閉環過行程檢測寬度：設為“–1”

#13097 擴展機械側編碼器的分辨率：設為“300”

#13019在不帶有C軸時設定值與#13020速度檢測器分辨率設定的值相同；當帶有C軸時，#13019=編碼器的脈沖數/65536的余數=19660800/65536的余數。#13097就是數控系統的倍頻數，在不帶有C軸時設為0，當帶有C軸時，#13097=編碼器的脈沖數/65536的商=19660800/65536的商。這兩個參數的設置值與模塊式磁柵編碼器的線數以及其細分數有關系。#13031帶有主軸側位置檢測器時設為6200，#13053帶有主軸位置檢測器時需要設為0，#13054閉環過行程檢測寬度設為–1，其它兩個參數根據內容說明再結合機床實際運行來設置，在沒有系統報警且機床運轉正常就可以。如果這幾個參數在帶有C軸全閉環控制時設置不當，數控系統將會出現反饋異常1、反饋異常2以及誤差過大等報警，機床將無法正常運行。

4. 結語

C軸在數控車床上的應用，基本上就是分度定位的應用。在復合車削中心機床上，有用到銑削功能的時候就會用到C軸， C軸和X，Y這些配合使用可以在圓周面上進行刻字等等復雜加工。一般來講如果是加工中心的話就是機床的第四軸，也就是附加旋轉軸。至于圍繞哪個直線軸旋轉，根據不同品牌的機床會有不同的命名。C軸的檢測裝置根據機床加工精度和數控系統的不同，檢測裝置的信號與線數以及控制接口參數都會有所不同。

參考文獻：

[1]《MITSUBISHI CNC 70系列 設定說明書》

[2]《HEIDENHAIN EIB 392》

[3]《MITSUBISHI CNC M70V 設定說明書》