數控車床主軸自動定位修復螺紋方法的探討與應用*

范芳洪 石金艷

(湖南鐵道職業技術學院車機學院，湖南 株洲 412001)

現在的數控系統基本都具有加工螺紋功能，螺紋加工應用已經很普遍了，成為數控車床的一項基本功能。螺紋修復在實際生產中也經常遇到，例如螺紋加工好拆卸下來測量發現螺紋深度不夠;有些螺紋使用磨損后為了節省成本通過修復還可以使用的，在進行螺紋修復時操作者往往感到很棘手困難大，因為對工件重新裝夾后，螺紋的入刀位置很難和原螺紋的入刀位置一致，螺紋軌跡和原螺紋軌跡不一致，容易發生亂扣導致整個工件報廢。因此有很多操作者寧肯用普通車床來修復螺紋也不用數控車床。

1 問題的提出

目前數控機床上常用修復螺紋的方法有螺紋入刀位置動態修正法和零位信號線標記法。螺紋入刀位置動態修正法是先大概確定螺紋的入刀位置，慢速空車螺紋，觀察螺紋的軌跡是否和原螺紋的螺旋槽重合，再動態地修正螺紋的入刀位置，直到螺紋的軌跡和原螺紋重合。這種方法修復螺紋費時、麻煩且很難找準螺紋的入刀位置和原來位置重合，易亂扣，修復成功率低［1］。零位信號線標記法就是在卡盤圓周表面相應位置刻零位信號標記，以確定螺紋車削起點，使零位信號標記刻線和工件螺紋的起始位置在同一軸向剖面內。這種方向找正的時間長，加工效率低［2］。修復螺紋的難點就是找到主軸一轉零脈沖信號位置，如果在修復螺紋中主軸能自動停止在一轉零脈沖信號位置，就容易保證螺紋軌跡沿著原來的螺旋槽，使得螺紋修復變得簡單。下面介紹數控車床主軸自動定位修復螺紋的實現方法。

2 數控車床切削螺紋的原理

數控車床切削螺紋實際是主軸對Z軸進給的插補，即主軸工作旋轉1周刀具沿Z軸進給1個螺紋導程［3］。所以數控車床要實現切削螺紋功能必須要在主軸上加一個1:1傳動的主軸位置編碼器，位置編碼器輸出A、B、C三相信號，其中C相信號是一轉零脈沖信號［4］。刀具在Z軸方向上檢測到編碼器的一轉零脈沖后才開始進刀，每次進刀都會在同一個位置，螺紋切削過程中主軸與工件之間沒有相對旋轉，這樣才不會發生螺紋的亂扣。

3 修復螺紋關鍵問題

螺紋的修復要進行二次裝夾，很難保證螺紋工件的入刀位置與主軸位置編碼器的一轉零脈沖信號位置重合，會形成一定的角度，并且對刀的難度也很大，所以螺紋的修復加工比較困難，操作不好，很容易破壞原來的螺紋形狀。從螺紋的切削原理可知，在螺紋修復中只要能保證主軸位置編碼器一轉零脈沖信號的位置和螺紋的起始位置重合，并且螺紋的入刀位置在螺紋起始位置外的N導程處就不會發生亂扣。這樣修復螺紋要解決的關鍵問題總結歸納如下:

(1)主軸的定位，即主軸停止在位置編碼器一轉零脈沖信號的位置;

(2)要保證編碼器一轉零脈沖信號的位置和原螺紋的起始位置重合;

(3)測量和確定螺紋的入刀位置。

4 主軸自動定位修復螺紋的方法提出

螺紋修復的最關鍵的問題是找到主軸編碼器的一轉零脈沖信號位置，在螺紋修復中主軸若能夠自動定位在編碼器一轉零脈沖信號位置，調整工件通過螺紋刀尖找到螺紋的起始位置，這樣螺紋的起始位置和編碼器的一轉零脈沖信號位置重合了，由于入刀位置在螺紋起始位置外N個導程處，那么螺紋的入刀位置也和編碼器的一轉零脈沖信號位置重合了。然后通過對刀確定修復螺紋的入刀位置，來完成螺紋的修復加工。主軸定位后就不能轉動，否則在找螺紋的起始位置和對刀時主軸轉動會使螺紋的入刀位置和編碼器的一轉零脈沖信號位置發生相對偏移導致螺紋亂扣。

5 主軸自動定位修復螺紋方法的實現

5.1 主軸的自動定位

多功能數控車床具有主軸定向的功能［5］，只要修改主軸定向偏轉角度，就可以實現主軸能停在任何位置。如果設置主軸定向偏轉角度參數為0，主軸就停在編碼器的一轉零脈沖位置。實現主軸的定位比較容易。經濟型數控車床不具有定向功能，怎么來實現主軸的自動定位即主軸自動停止在編碼器一轉零脈沖信號位置上呢?經濟型數控車床的編碼器的一轉零脈沖信號的主要作用是切削螺紋和每轉進給的同步信號，通過顯示器能查看到編碼器的一轉零脈沖信號狀態，該信號狀態為“1”，表示主軸的位置正好在編碼器的一轉零脈沖信號位置，為0表示主軸在其它位置，可以通過編碼器一轉零脈沖信號狀態來實現主軸的自動定位。以FANUC 0i－mate tc系統CK6150經濟型數控車床為例來說明在修復螺紋中主軸自動定位的實現方法。該系統的接口信號F47.0［6］是編碼器一轉零脈沖診斷信號，信號狀態為1表示主軸在一轉零脈沖信號位置。在機床停止狀態下，用手轉動主軸，當系統檢測到F47.0信號從0變化到1時，主軸的電磁抱閘裝置制動主軸，主軸就停止在編碼器一轉零脈沖信號位置，實現了主軸的自動定位。為了使電磁抱閘裝置在編碼器一轉零脈沖信號位置制動主軸，需要設計主軸的一轉零脈沖信號制動功能。

5.2 主軸一轉零脈沖信號制動設計

經濟型數控車床為了主軸快速的停止，都設置了主軸停車制動，最常用的主軸制動方式是電磁抱閘制動［7］。當有主軸停車命令時，電磁抱閘裝置制動主軸使主軸快速停下來，主軸停止后，電磁抱閘裝置松開，主軸可以自由轉動。為了只在修復螺紋主軸定位時，有編碼器一轉零脈沖信號時才制動主軸，在操作面板上設置了一個帶指示燈的“螺紋修復功能鍵”按鈕，根據系統的I/O資源給按鈕開關分配輸入輸出地址，在本機床中的該按鈕的輸入地址為X20.3，按鈕指示燈輸出地址為Y16.3。按下該鍵螺紋修復功能有效按鈕指示燈亮，再按下該鍵解除螺紋修復功能按鈕指示燈熄滅。只要在螺紋修復功能有效情況下，主軸處于停止狀態并且檢測到編碼器一轉零脈沖信號電磁抱閘裝置才制動主軸，避免了在主軸運轉中制動主軸引起意外事故。主軸一轉零脈沖制動電路可以利用主軸停車時的電磁抱閘制動電路，只要增加相應的主軸一轉零脈沖信號制動的PLC控制程序。主軸一轉零脈沖制動電路和PLC控制程序如圖1所示。

5.3 對刀

主軸定位后主軸停在一轉零脈沖位置，電磁制動使主軸不能旋轉，松開工件夾緊裝置(卡盤)旋轉工件，使得螺紋的起始位置和螺紋刀尖對齊，夾緊工件，這就保證了編碼器一轉零脈沖信號位置和螺紋起始位置重合了。對刀是螺紋工件能否成功修復的很重要的一步，對刀過程中主軸不能旋轉，對刀的方法如圖2所示，一般以螺紋的右端面為工件坐標系的原點，盡量將刀尖對入螺紋底部，記錄對刀坐標值P1(X1，Z1)X1是該處螺紋底徑，將(X1，Z1+nL)的值輸到螺紋刀的形狀坐標值中［8］，完成對刀。其中n是對刀點離螺紋起始位置的導程個數，L是螺紋的導程。

5.4 螺紋入刀點的計算

螺紋入刀點要在螺紋端面以外的一或兩個導程處，入刀點到對刀點的Z向距離必須為螺紋導程的整數倍NL，L為導程，N為入刀點到對刀點的導程個數，設螺紋入刀點坐標為P2(X2，Z2)螺紋入刀點的示意圖如圖3所示。對于圓柱直螺紋的入刀點P2的值為X2=X1，Z2=(N－n)·L。對于圓柱錐螺紋入刀點P2的值為:

6 主軸自動定位修復螺紋的應用

某一加工好的錐螺紋拆卸下來測量發現螺紋牙的深度淺了2mm，該工件的圖紙如圖3所示，螺紋的導程為2mm。

(1)按下面板上的“螺紋修復功能鍵”按鈕，按鈕指示燈亮，主軸一轉零脈沖制動有效。用手低速轉動主軸，當編碼器一轉零脈沖信號到達時，電磁抱閘裝置制動主軸，主軸不能轉動。松開卡盤轉動工件，將螺紋的起始位置對準螺紋刀尖位置并將工件夾緊。

(2)將螺紋刀尖移動到距螺紋端面第4個導程螺紋底部，記住此時P1(X1，Z1)的坐標值，將(X1，Z1+8)值輸到螺紋刀具形狀坐標值中完成了螺紋刀具的對刀。

(3)計算螺紋入刀點P2(X2，Z2)值，螺紋入刀點選在螺紋起始位置外一個導程處，離對刀點5個導程，根據以上的計算公式得到P2點的坐標值為:

(4)根據P2的值修改螺紋程序，再按一次面板上的“螺紋修復功能鍵”按鈕，按鈕指示燈熄滅，解除主軸一轉零脈沖制動功能，主軸恢復自由旋轉狀態。原螺紋加工程序如下:

計算出P2值后，只要將X130中的130改成X2，Z4中4改成Z2就可以加工了。

(5)加工修復螺紋，修改螺紋底徑X2的值，直到符合要求為止。

7 結語

主軸自動定位修復螺紋的方法無需對機床增加硬件，只需要稍微修改主軸制動的PLC控制程序，就能方便地修復螺紋，解決了數控車床傳統螺紋修復中螺紋起始位置和一轉零脈沖對準難的問題，使得螺紋修復簡單效率高，并且操作快捷方便。該方法已經投入實際生產應用中，原來半個小時修復不好的螺紋，現在幾分鐘就能修好，是一種較好的數控車床修復螺紋的方法，使操作者在數控車床上修復螺紋不再是一件困難的事。本方法的研究思路對同行的技術人員也有一定的借鑒作用［9］。

［1］唐宗軍，谷艷玲.數控車床已有螺紋繼續車削［J］.制造技術與機床，2003(12):96－98.

［2］向建平.解決數控車床精車蝸桿對刀難的方法［J］.機械工人:冷加工，2004(7):23－24.

［3］陳金英.螺紋車削循環在數控車床的應用［J］.北京工業職業技術學院學報，2007(1):13－16.

［4］張劍，潘月斗，許鎮林，等.數控機床伺服系統高精度位置檢測研究與實現［J］.制造業自動化，2004(10):23－25.

［5］何紅欣，張奇志，丁超，等.用FANUC數控系統實現主軸任意位置的定向功能［J］.制造技術與機床，2009(11):68－70.

［6］FANUC.FANUC 0i數控系統PMC編程說明書［M］.北京:北京發那科數控有限公司，2008.

［7］劉本鎖.數控機床故障分析與維修實例［M］.北京:冶金工業出版社，2008.

［8］FANUC.FANUC 0i數控系統操作說明書［M］.北京:北京發那科數控有限公司，2008.

［9］范芳洪.CNC－1250立式龍門加工中心第四軸的改造［J］.機電工程，2013(9):1068－1072.