数控车床主轴自动定位修复螺纹方法的探讨与应用*

范芳洪 石金艳

(湖南铁道职业技术学院车机学院，湖南 株洲 412001)

现在的数控系统基本都具有加工螺纹功能，螺纹加工应用已经很普遍了，成为数控车床的一项基本功能。螺纹修复在实际生产中也经常遇到，例如螺纹加工好拆卸下来测量发现螺纹深度不够;有些螺纹使用磨损后为了节省成本通过修复还可以使用的，在进行螺纹修复时操作者往往感到很棘手困难大，因为对工件重新装夹后，螺纹的入刀位置很难和原螺纹的入刀位置一致，螺纹轨迹和原螺纹轨迹不一致，容易发生乱扣导致整个工件报废。因此有很多操作者宁肯用普通车床来修复螺纹也不用数控车床。

1 问题的提出

目前数控机床上常用修复螺纹的方法有螺纹入刀位置动态修正法和零位信号线标记法。螺纹入刀位置动态修正法是先大概确定螺纹的入刀位置，慢速空车螺纹，观察螺纹的轨迹是否和原螺纹的螺旋槽重合，再动态地修正螺纹的入刀位置，直到螺纹的轨迹和原螺纹重合。这种方法修复螺纹费时、麻烦且很难找准螺纹的入刀位置和原来位置重合，易乱扣，修复成功率低［1］。零位信号线标记法就是在卡盘圆周表面相应位置刻零位信号标记，以确定螺纹车削起点，使零位信号标记刻线和工件螺纹的起始位置在同一轴向剖面内。这种方向找正的时间长，加工效率低［2］。修复螺纹的难点就是找到主轴一转零脉冲信号位置，如果在修复螺纹中主轴能自动停止在一转零脉冲信号位置，就容易保证螺纹轨迹沿着原来的螺旋槽，使得螺纹修复变得简单。下面介绍数控车床主轴自动定位修复螺纹的实现方法。

2 数控车床切削螺纹的原理

数控车床切削螺纹实际是主轴对Z轴进给的插补，即主轴工作旋转1周刀具沿Z轴进给1个螺纹导程［3］。所以数控车床要实现切削螺纹功能必须要在主轴上加一个1:1传动的主轴位置编码器，位置编码器输出A、B、C三相信号，其中C相信号是一转零脉冲信号［4］。刀具在Z轴方向上检测到编码器的一转零脉冲后才开始进刀，每次进刀都会在同一个位置，螺纹切削过程中主轴与工件之间没有相对旋转，这样才不会发生螺纹的乱扣。

3 修复螺纹关键问题

螺纹的修复要进行二次装夹，很难保证螺纹工件的入刀位置与主轴位置编码器的一转零脉冲信号位置重合，会形成一定的角度，并且对刀的难度也很大，所以螺纹的修复加工比较困难，操作不好，很容易破坏原来的螺纹形状。从螺纹的切削原理可知，在螺纹修复中只要能保证主轴位置编码器一转零脉冲信号的位置和螺纹的起始位置重合，并且螺纹的入刀位置在螺纹起始位置外的N导程处就不会发生乱扣。这样修复螺纹要解决的关键问题总结归纳如下:

(1)主轴的定位，即主轴停止在位置编码器一转零脉冲信号的位置;

(2)要保证编码器一转零脉冲信号的位置和原螺纹的起始位置重合;

(3)测量和确定螺纹的入刀位置。

4 主轴自动定位修复螺纹的方法提出

螺纹修复的最关键的问题是找到主轴编码器的一转零脉冲信号位置，在螺纹修复中主轴若能够自动定位在编码器一转零脉冲信号位置，调整工件通过螺纹刀尖找到螺纹的起始位置，这样螺纹的起始位置和编码器的一转零脉冲信号位置重合了，由于入刀位置在螺纹起始位置外N个导程处，那么螺纹的入刀位置也和编码器的一转零脉冲信号位置重合了。然后通过对刀确定修复螺纹的入刀位置，来完成螺纹的修复加工。主轴定位后就不能转动，否则在找螺纹的起始位置和对刀时主轴转动会使螺纹的入刀位置和编码器的一转零脉冲信号位置发生相对偏移导致螺纹乱扣。

5 主轴自动定位修复螺纹方法的实现

5.1 主轴的自动定位

多功能数控车床具有主轴定向的功能［5］，只要修改主轴定向偏转角度，就可以实现主轴能停在任何位置。如果设置主轴定向偏转角度参数为0，主轴就停在编码器的一转零脉冲位置。实现主轴的定位比较容易。经济型数控车床不具有定向功能，怎么来实现主轴的自动定位即主轴自动停止在编码器一转零脉冲信号位置上呢?经济型数控车床的编码器的一转零脉冲信号的主要作用是切削螺纹和每转进给的同步信号，通过显示器能查看到编码器的一转零脉冲信号状态，该信号状态为“1”，表示主轴的位置正好在编码器的一转零脉冲信号位置，为0表示主轴在其它位置，可以通过编码器一转零脉冲信号状态来实现主轴的自动定位。以FANUC 0i－mate tc系统CK6150经济型数控车床为例来说明在修复螺纹中主轴自动定位的实现方法。该系统的接口信号F47.0［6］是编码器一转零脉冲诊断信号，信号状态为1表示主轴在一转零脉冲信号位置。在机床停止状态下，用手转动主轴，当系统检测到F47.0信号从0变化到1时，主轴的电磁抱闸装置制动主轴，主轴就停止在编码器一转零脉冲信号位置，实现了主轴的自动定位。为了使电磁抱闸装置在编码器一转零脉冲信号位置制动主轴，需要设计主轴的一转零脉冲信号制动功能。

5.2 主轴一转零脉冲信号制动设计

经济型数控车床为了主轴快速的停止，都设置了主轴停车制动，最常用的主轴制动方式是电磁抱闸制动［7］。当有主轴停车命令时，电磁抱闸装置制动主轴使主轴快速停下来，主轴停止后，电磁抱闸装置松开，主轴可以自由转动。为了只在修复螺纹主轴定位时，有编码器一转零脉冲信号时才制动主轴，在操作面板上设置了一个带指示灯的“螺纹修复功能键”按钮，根据系统的I/O资源给按钮开关分配输入输出地址，在本机床中的该按钮的输入地址为X20.3，按钮指示灯输出地址为Y16.3。按下该键螺纹修复功能有效按钮指示灯亮，再按下该键解除螺纹修复功能按钮指示灯熄灭。只要在螺纹修复功能有效情况下，主轴处于停止状态并且检测到编码器一转零脉冲信号电磁抱闸装置才制动主轴，避免了在主轴运转中制动主轴引起意外事故。主轴一转零脉冲制动电路可以利用主轴停车时的电磁抱闸制动电路，只要增加相应的主轴一转零脉冲信号制动的PLC控制程序。主轴一转零脉冲制动电路和PLC控制程序如图1所示。

5.3 对刀

主轴定位后主轴停在一转零脉冲位置，电磁制动使主轴不能旋转，松开工件夹紧装置(卡盘)旋转工件，使得螺纹的起始位置和螺纹刀尖对齐，夹紧工件，这就保证了编码器一转零脉冲信号位置和螺纹起始位置重合了。对刀是螺纹工件能否成功修复的很重要的一步，对刀过程中主轴不能旋转，对刀的方法如图2所示，一般以螺纹的右端面为工件坐标系的原点，尽量将刀尖对入螺纹底部，记录对刀坐标值P1(X1，Z1)X1是该处螺纹底径，将(X1，Z1+nL)的值输到螺纹刀的形状坐标值中［8］，完成对刀。其中n是对刀点离螺纹起始位置的导程个数，L是螺纹的导程。

5.4 螺纹入刀点的计算

螺纹入刀点要在螺纹端面以外的一或两个导程处，入刀点到对刀点的Z向距离必须为螺纹导程的整数倍NL，L为导程，N为入刀点到对刀点的导程个数，设螺纹入刀点坐标为P2(X2，Z2)螺纹入刀点的示意图如图3所示。对于圆柱直螺纹的入刀点P2的值为X2=X1，Z2=(N－n)·L。对于圆柱锥螺纹入刀点P2的值为:

6 主轴自动定位修复螺纹的应用

某一加工好的锥螺纹拆卸下来测量发现螺纹牙的深度浅了2mm，该工件的图纸如图3所示，螺纹的导程为2mm。

(1)按下面板上的“螺纹修复功能键”按钮，按钮指示灯亮，主轴一转零脉冲制动有效。用手低速转动主轴，当编码器一转零脉冲信号到达时，电磁抱闸装置制动主轴，主轴不能转动。松开卡盘转动工件，将螺纹的起始位置对准螺纹刀尖位置并将工件夹紧。

(2)将螺纹刀尖移动到距螺纹端面第4个导程螺纹底部，记住此时P1(X1，Z1)的坐标值，将(X1，Z1+8)值输到螺纹刀具形状坐标值中完成了螺纹刀具的对刀。

(3)计算螺纹入刀点P2(X2，Z2)值，螺纹入刀点选在螺纹起始位置外一个导程处，离对刀点5个导程，根据以上的计算公式得到P2点的坐标值为:

(4)根据P2的值修改螺纹程序，再按一次面板上的“螺纹修复功能键”按钮，按钮指示灯熄灭，解除主轴一转零脉冲制动功能，主轴恢复自由旋转状态。原螺纹加工程序如下:

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

(5)加工修复螺纹，修改螺纹底径X2的值，直到符合要求为止。

7 结语

主轴自动定位修复螺纹的方法无需对机床增加硬件，只需要稍微修改主轴制动的PLC控制程序，就能方便地修复螺纹，解决了数控车床传统螺纹修复中螺纹起始位置和一转零脉冲对准难的问题，使得螺纹修复简单效率高，并且操作快捷方便。该方法已经投入实际生产应用中，原来半个小时修复不好的螺纹，现在几分钟就能修好，是一种较好的数控车床修复螺纹的方法，使操作者在数控车床上修复螺纹不再是一件困难的事。本方法的研究思路对同行的技术人员也有一定的借鉴作用［9］。

［1］唐宗军，谷艳玲.数控车床已有螺纹继续车削［J］.制造技术与机床，2003(12):96－98.

［2］向建平.解决数控车床精车蜗杆对刀难的方法［J］.机械工人:冷加工，2004(7):23－24.

［3］陈金英.螺纹车削循环在数控车床的应用［J］.北京工业职业技术学院学报，2007(1):13－16.

［4］张剑，潘月斗，许镇林，等.数控机床伺服系统高精度位置检测研究与实现［J］.制造业自动化，2004(10):23－25.

［5］何红欣，张奇志，丁超，等.用FANUC数控系统实现主轴任意位置的定向功能［J］.制造技术与机床，2009(11):68－70.

［6］FANUC.FANUC 0i数控系统PMC编程说明书［M］.北京:北京发那科数控有限公司，2008.

［7］刘本锁.数控机床故障分析与维修实例［M］.北京:冶金工业出版社，2008.

［8］FANUC.FANUC 0i数控系统操作说明书［M］.北京:北京发那科数控有限公司，2008.

［9］范芳洪.CNC－1250立式龙门加工中心第四轴的改造［J］.机电工程，2013(9):1068－1072.