機床數控系統失步問題及其對策

唐茂華 藺相飛

摘 ?要：該文針對機床數控系統失步問題，提出以“終端限位保護”為對策，對現今的機床數控系統防失步技術進行了研究，結合企業機床數控系統的實際情況以及生產效率和可靠性存在的薄弱環節，設計一種接近式行程開關在機床導軌進行終端限位保護，優化機床數控系統，彌補傳統數控系統中行程擋塊式開關在撞擊后不能迅速恢復到原始自由狀態等幾方面的缺陷。

關鍵詞：數控系統;行程開關;失步;超程

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

由驅動式電路與步進電機組成的開環數控系統，其設備結構簡易、價格便宜、可靠性以及穩定性能較好，在開環數控控制系統中得到廣泛應用，在國內外數控機床行業中也占據重要位置。開環數控系統通常是采用步進電機來進行精確定位，所以防止步進電機失步至關重要。

1 失步現象

在機床數控系統工作時，每發送一個脈沖控制信號，步進電機就相應的產生一個步距角，即前進一步;如果不斷地發送脈沖控制信號，步進電機就會不停地轉動。機床數控系統的失步現象包括丟步與越步。當轉子前進的步數大于脈沖控制時，機床數控系統就會出現越步現象;轉子前進的步數小于脈沖控制時，機床數控系統就會出現丟步現象?？珊唵胃爬樵讲?，控制脈沖數小于轉子前行的步數;丟步，控制脈沖數多于轉子前行的步數。

2 失步原因分析

計算機技術中有微型計算機控制系統和小型計算機控制系統，當今數控系統中所用到計算機技術為微型計算機控制系統，也稱作CNC控制系統或MNC控制系統，是一種由硬件及數字信息控制技術發展而來的計算機數控系統。CNC數控系統中，由數控裝置接收儲存器發送的信號，是先到伺服控制系統，再經計算處理后傳遞到機床各個軸上去。

步進電動機是控制過程和儀表使用中最主要的執行部件之一，特點為精度高、快啟停能力強、轉速容易控制，但在實際的變速過程中，有時候會出現停止轉動現象，即所謂的“失步”，原因主要為步進電機本身的響應速度趕不上它的控制速度。在步進電機帶負載及慣性的情況下，步進電機工作時不能立即停止與啟動，此時在停止時產生越步，在啟動時產生丟步。在控制周期脈沖內，由于振動得不到削減，當另一個脈沖信號到來時，共振頻率周圍動態誤差增大就會導致步進電機失步。

3 防失步方法

結合企業數控機床系統加工中心的實際項目，針對該項目在生產加工效率以及可靠性2個方面的缺陷，設計了一種接近式行程開關對機床導軌進行終端限位保護，以提高數控機床運行的穩定性和可靠性，防止系統各行程參數的故障問題發生。

目前，接近式行程開關實現了對數控機床各導軌行程終端的限位保護，也成為評價終端限位和系統對刀參數可靠性的一種有效方法。因此行程開關成為機床各導軌終端限位保護最重要的指標，而限位方法及行程開關的選擇也就成了進行終端限位保護的一種重要手段。行程開關對機床導軌的限位主要表現為：主要針對滾珠絲桿受益保護，減少不必要的零部件損壞，保證了機床的高精度、高可靠性、高穩定性，確保機床的各性能效果最佳。數控機床是一種經常長時間工作的機器，因此保證數控系統的穩定性.可靠性就成為數控機床長時間穩定可靠運行的一個重要前提，在使用行程開關限位時選用接近式行程開關來限位，這樣可以做到維持數控系統的高穩定性、高可靠性，接近式行程開關如圖1所示，是一種不需要與運動部件進行機械接觸便可操作的位置開關，當物體接近開關的感應面動作的距離時，不需要機械接觸及施加任何的壓力便可使開關執行動作，從而可以驅動直流或者交流電器，給CNC，PLC等裝置提供控制指令。接近式行程開關是一種沒有觸點的開關，但是它具備微動行程開關，同時也具備傳感功能，具有動作可靠、頻率響應快、性能穩定、使用壽命長、抗干擾的能力強等優點，并且具有防水、耐腐蝕、防震等特點。在數控系統防失步中采用了一種適合檢測金屬接觸物的行程開關，該行程開關是防數控系統失步的關鍵技術，保證數控系統不失步，而且當各軸超程后，對刀參數能夠在系統中有效恢復。接近式行程開關靈敏度高，對金屬接觸物觸點的傳感較快，從而提高了限位的可靠性。

接近式行程開關可用來檢驗距離，防止工作臺·機床尾座及床身兩物體的相撞檢測，也可用來檢測工作機器設定和移動機器或零部件的極限位置，還可用來檢測回轉體軸類零件的停止位置，閥門或開關的位置，從而控制傳送帶的速度，機械旋轉的轉速，與各類脈沖發生器一起控制轉數和轉速。還可用于信息的傳送，ASI（總線）連接在設備各個位置的傳感器上，實現一定距離的數據往返傳送等。接近式行程開關使用壽命長、重復的定位精度高、工作可靠性好、沒有機械磨損、沒有噪聲、沒有火花、抗震能力強。只有防止數控系統失步，才能保證數控機床硬件和軟件正常運行，針對數控系統的失步影響企業效益的實際情況，提出只有在維持數控機床本身原有的控制數控系統的基礎上，防止系統失步，才能保證生產加工的正常運行。同時，也需要對數控機床的導軌、滾珠絲桿、行程開關做日常的維護和保養，以此來確保數控機床及系統在長時間工作過程中不會出現失步狀況。防失步系統的設計引入接近式行程開關限位，在生產過程中彌補了傳統數控系統中行程擋塊式開關在撞擊后不能迅速恢復到原始自由狀態的缺陷。為了提高接近式行程開關的靈敏度和終端限位保護的性能，在選用時應對行程開關的靈敏度、抗雜質、可靠性進行適度的運行檢測。檢測過程主要是對零點開關進行檢測，看其是否符合標準，是否能在長時間工作的條件下，仍具備高可靠性、高靈敏度。在接近式行程開關對機床數控各軸的導軌行程進行限位的過程當中，一方面可以保證數控系統不會出現失步現象，有利于生產者迅速恢復生產。另一方面在機床出現超程故障后，也能確保工件坐標系原點在機床坐標系中的絕對坐標值珠絲桿也得到了保護，減少不必要的零部件損壞，保證了數控機床運行的高可靠性、高精度、高穩定性。

4 結語

該文對現今數控機床系統防失步技術進行了研究，結合企業數控機床系統實際情況，針對該情況在生產加工效率以及可靠性2個方面的缺陷，應用一種接近式行程開關對機床導軌進行終端限位保護，提出了一種預防數控機床系統失步可行性的設計方法。其中接近式行程開關對機床導軌終端限位的保護，可以提高數控機床運行的穩定性、可靠性和精準度，防止數控機床系統各行程參數出現故障問題。數控機床系統失步方法的設計時，應用接近式行程開關、限位擋塊，彌補了傳統數控系統中行程擋塊式開關在撞擊后不能迅速恢復到原始自由狀態的缺陷。

參考文獻

[1]徐偉，劉朝明.數控系統發展趨勢的研究[J].制造業自動化，2009（9）：1-3.