数控机床坐标轴上几个点的设置研究

achine B uilding

Auto mation,Feb 2011,40(1):81-83

作者简介:汤彩萍(1970 ),女,江苏常州人,副教授,高级工程师,硕士,主要从事数控机床的设计及教学工作。数控机床坐标轴上几个点的设置研究

汤彩萍

(常州机电职业技术学院,江苏常州2131)

摘 要:基于典型数控系统FANUC 0i 系列,详细分析了数控机床上参考点和行程极限点的设置原理和要求,对数控机床的调试和维护有实际指导意义。关键词:数控机床;参考点设置;行程极限

中图分类号:TG 659 文献标志码:B 文章编号:1671 5276(2011)01 0081 03

Setting of Several I m portant Points on CNC M achine Tool

TANG Ca i p i ng

(Changzhou I nstit u t e of Mecha tron ic Techno logy ,Changzhou 2131,Ch ina)

Abstrac t :This artic le ana l y zes t he prob l e m of setti n g o f several m i port ant point s on CNC machine tool in t er m s o f setting princ iple

and requirements of the r e f erence po int and lm i it s ,based on FANUC 0i CNC contro l and provides the practi c al ins truc tion f or CNC machine t oo l appli c ation and ma intenance .

K ey word s :CNC m achine t oo;l reference point setti n g ;rout e lm i it

0 引言

数控机床坐标轴行程上重要的点主要指参考点、正负向行程保护点。参考点是为了建立机床本身的坐标系而

设定的基准点,通常数控机床通过开机后回参考点的操作来确定数控坐标的计算起点,它通常是有效行程的一个端点。回参考点的过程又包括起始点、减速开始点、减速结束点、第一栅格点、参考点。正负向行程保护点包括了正向和负向的软件限位设定点、软件限位停止点、硬件限位开关设定点、紧急停止点。这些点的设置正确可靠与否,直接关系到零件加工的精度和对机床的保护作用。

1 参考点的设置

1.1 参考点设置原理

在FANUC 0i 系列系统中,回参考点动作过程如图1所示。

1)机床的移动部件首先沿参考点方向快速移动(目的是提高回参考点的效率)。

2)挡块压上减速行程开关,触点断开后,进给立即减速,之后机床以一定的低速FL 继续移动。

3)在减速信号触点再次关闭(减速行程开关释放)后、且第1个电气栅格(GR ID )点到达时,进给停止。这个点就是参考点。也可以再移动一个偏移量后停止,CNC 发出回参考点完成信号ZPX ,ZPY,ZPZ 。可以看出,减速信号由行程开关和挡块作用产生,而电气栅格位置的信号则由电动机内置脉冲编码器精确给出。

图1 机床行程方向的几个转折点

1.2 回参考点的实质

回参考点的实质是找寻编码器的零标志脉冲信号,FANUC 系统中通过参考计数器产生栅格脉冲来实现。当CNC 检测到编码器的1转信号时(或开机时),数控系统内的参考计数器被清零。此后,参考计数器就成为一个环行计数器。当计数器对移动指令脉冲计数到设定的参考计数器容量值时溢出产生一个栅格脉冲信号(GR I D ),参见图2。当挡块压下回参考点减速开关时,电动机减速运行;当挡块释放减速开关后,电动机在下一个栅格信号点停止,产生一个回参考点完成信号,参考位置被复位成固定数值,在屏幕的机床坐标系中显示。

参考计数器容量设定值是指电动机转1转所需的(位置反馈)脉冲数,所以得:

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R ef C =

t D

(1)

式中:t 电动机1转机床的移动量;

D 检测单位。

回参考点整个过程由CNC 系统程序加以控制,用户只需作相应的开关连接和参数设定。

图2 参考计数器原理图

1.3 回参考点相关参数

1)回参考点快速;2)回参考点低速;

3)参考计数器容量;4)参考点偏移量;

5)回参考点方向选择。

1.4 参考点设置过程中的几个特别要求

1)参考点位置的选择:半闭环控制系统中,参考点应设置在靠近电动机编码器的一端,这样由于滚珠丝杠热变

形造成的基准误差最小。如图3所示,远离电动机的一端(720mm 处)误差最大。因此需根据电动机安装情况,确定是正向回参考点,还是负向回参考点。

图3 参考点位置的选择

2)对减速挡块的长度(L DW ):为了保证参考点定位的准确,手动回参考点对减速挡块的长度与减速后的运动速度有一定的要求。当减速挡块长度不足时,当导致坐标轴无法降至回参考点低速F L 。

减速挡块的设计长度为:

L DW >

V R (

T R

2

+30+T S )+4F L T S 60∃1000

(2)

式中:L DW 减速挡块的长度,mm;

V R 回参考点快速进给速度,mm /m i n ;

T R 快速进给时间常数,m s ;T S 伺服时间常数,m s ;

F L 返回参考点低速,mm /m i n 。

式2中的30m s 为FANU C 0i 信号接收电路的固定延时。

计算示例:

V R =15000mm /m i n(PRM 1428)T R =150m s(PRM 1620)

T S =1/K V =1/30=33m s(PRM 1825)L DW =V R (

T R

2

+30+T S )+4F L T S 60∃1000

=35mm

F L =300mm /m i n(PRM 1425)

3)对减速后的运动速度(F L )的要求

FANUC 系统中,返回参考点必须%沿返回参考点的方向并在位置偏差量为128个脉冲以上进给时接收1转信号&,若没有满足上述条件返回参考点时,则产生90报警。这说明参考点返回速度不能太低。若速度太低,脉冲编码器的1转信号散乱,不能与参考计数器同步,不可能进行正确的位置检测。因此,回参考点操作时,注意进给倍率开关不要打得过低。

根据

E =

V K V

(3)

式中:E 跟随误差,mm;

V 进给速度,mm /m i n ;

K V 位置环增益,s 。取位置环增益为30/s ,则返回参考点的速度不能低于V m in =E m in K V =230mm /m in

4)对从减速开关释放到第1栅格点的距离的要求(L DA )

由于减速开关动作有一定的先后偏差,如果将开关动作置于两个栅格中间,就可以减小误动作的可能性。FANUC 0i 中,LDA 可通过诊断数据302得知。通过调整(敲打)挡块的位置使302中显示的数值大约为各轴螺距的一半。若挡块释放时,机床恰巧在%零脉冲&附近,就会出现整螺距偏移。

2 行程保护点的设置

靠参数设定、CNC 自动判断进行超程检测的方法称为软件限位,也称为存储行程极限。然而,如果伺服反馈系统发生故障,CNC 无法检测到实际位置,则机床将超出软件限位值继续移动,这是不允许的,为此,必须总是安装行程限位开关,作为超程信号,迫使机床停下来,这称为硬

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M

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件限位。硬件限位开关与系统紧停信号串连。

软件限位点、硬件限位点、机械死挡块点的相对位置

关系如图4所示。软限位在行程(正常加工区)外0.5~1mm 处,硬限位在行程范围之外2~3mm 起作用。

图4 运动保护的相对位置关系

1)硬件超程紧停生效时,应保证在机械死挡块产生碰撞前,坐标轴能够紧急制动并停止,因此,动作点与坐标轴产生机械碰撞的距离最好大于紧急制动所需的减速距离;

L 1>

V R (t 1+T S +30)

60∃1000

(4)

式中:L 1 硬件限位开关离机械碰撞区的距离,mm;

t 1 开关发信延时,ms ;T s 伺服时间常数,ms ;

V R 快移速度,mm /m in 。

式中的30m s 为FANU C 0iM ate-C 信号接收电路的固定延时。

2)正常情况下,应保证在软件限位起作用时,不会导致硬件限位开关动作。

软件限位作用时,实际的停止点可能超过参数设定位置,超过距离

L 2>

V R 7500

(5)

式中:L 2 软件限位离硬件限位开关的距离,mm;

V R 快移速度,mm /m in 。

3)设置举例:

V R =15000mm /m i n(PRM 1420)T S =1/K V =1/30=33m s(PRM 1825)t 1=15m s 则L 1>V R (t 1+T S +30)

60∃1000

=19.5mm

L 2>

V R

7500

=2mm 由此可见,如果在行程保护到达前不对坐标轴的运动速度加以,必须留有较大的行程余量。因此,在实际机床设计时一般需要通过外部减速、软件限位等措施将运动速度在某一较小的值上,以减小行程余量。

3 总结

对于数控机床坐标轴上几个点的设置要点如下:

1)回参考点的起始位置离参考点的距离应能保证伺服电动机转动两转以上(S 点);

2)减速信号的发信宽度(挡块的长度)应为40~50mm (D 1~D 2点);

3)栅格偏移量不超过电动机一转距离(G ~R 点);4)软件限位作用时,实际的停止点可能超过参数设定位置V R /7500的距离,硬件限位开关应在此范围内设置(P 点);

5)紧急制动时有段减速距离,应保证紧急停止点位于机械碰撞区之前(E 点)。

因此,对于一个伺服电动机与丝杠直联、丝杠螺距为10mm 的坐标轴,开机回过参考点后,S ,D 1,D 2,G,R,P ,E 点的坐标位置显示以下情形是可能的:

-100 234mm,-56 012mm,-5 878mm,-0 514mm,0 000mm ,1 500mm,5 8mm

总之,参考点的设置在数控机床上是非常重要的,其位置正确与否与检测装置的零标志信号有关,其位置不准确将影响到加工精度,甚至使行程保护失效而出现撞车事故。参考文献:

[1]FANUC 公司.FANUC 0iM ate C 功能说明书[Z].日本,2003.[2]龚仲华.F ANUC0iM ate C 数控系统完全应用手册[M ].北京:

人民邮电出版社,2009.

[3]张炳杰.加工中心回参考点故障几例[J].中国设备工程,2003.

收稿日期:20100617

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