數控機床主軸編碼器安裝結構優化設計及改進

田劉平　李志強

摘? 要：在數控機床中，主軸是整個系統的核心單位，為了能夠更加精準的定位以及反饋速度，需要在主軸電機上安裝編碼器，目的就是為了檢測主軸轉速、反饋位置、準?？刂频?。隨著機械自動化的發展，當前主軸編碼器主要采用的是直連式，這種相對于傳統的編碼器其特點就是結構簡單、穩定性好、成本低、準確度高等。文章就主要以該種編碼器為核心，詳細地闡述如何對數控機床主軸編碼器安裝結構優化設計及改進。

關鍵詞：數控機床;主軸編碼器安裝;結構優化設計改進

中圖分類號：TG659? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）07-0100-02

Abstract： In CNC machine tools， the spindle is the core unit of the whole system. In order to be able to more accurate positioning and feedback speed， it is necessary to install an encoder on the spindle motor， in order to detect the spindle speed， feedback position， quasi stop control， etc. With the development of mechanical automation， the current spindle encoder mainly adopts the direct connection type， which is characterized by simple structure， good stability， low cost and high accuracy compared with the traditional encoder. This paper mainly takes this kind of encoder as the core， and expounds in detail how to optimize the design and improvement of the installation structure of the spindle encoder of CNC machine tools.

Keywords： CNC machine tools; installation of spindle encoders; structural optimization and design improvement

前言

數控機床主軸機電在實際工作中需要安裝一套光電式或者是磁環式旋轉編碼器，安裝編碼器的主要目的是能夠精準的檢測主軸轉速、位置反饋、剛性攻絲以及準停控制。傳統的編碼器安裝采用的是同步帶或者是齒輪傳動的外置結構，這兩方式零部件多、結構復雜、安裝成本較高、維修麻煩、穩定性低等缺點。因此，我們采用空心軸式旋轉編碼器，對傳統的編碼器安裝方式進行優化，將傳統編碼器改裝成為直聯式安裝結構，直聯式編碼器結構簡單、成本低、穩定性好、易安裝等優點。

1 數控機床主軸編碼器的作用和要求

1.1 主軸編碼器的作用

主軸編碼器的作用簡單來說就是主軸定位。數控機床上的編碼器為旋轉式光電編碼器，其主要作用在加工螺紋時尤其突出。數控機床在加工螺紋時，有軌跡起點和軌跡終點，也就是通常所說的進刀點和退刀點，一般情況下數控機床在車螺紋時需要車數刀，那么就會要求在同一個起點位置進刀和止刀。主軸編碼器的另一個重要作用就是用來控制主軸電機和進給軸同步，進給軸移動的距離也是需要編碼器來控制。所以，總結起來主軸編碼器的作用主要以下幾個方面：（1）檢測主軸轉速。（2）剛性攻絲。（3）控制主軸準停。

1.2 數控機床主軸對編碼器的要求

上文中講到編碼器在數控機床中有著重要的作用，也是數控伺服系統中的關鍵部件，數控機床加工的精準度取決于編碼器的精準度。所以在數控機床中對編碼器安裝結構有著非常高的要求：（1）編碼器受溫度和濕度的影響較小，運行穩定可靠，能夠長期的保持編碼器的精度，同時還要具備強抗干擾能力。（2）在機床主軸的運行過程中，能夠精準的獲取到主軸轉速，能夠使主軸準停。（3）使用和安裝簡便，易于售后維修，可以很好的適應機床工作的環境。（4）生產制造成本低。

2 傳統編碼器安裝結構的缺點

2.1 齒輪傳動外置式編碼器安裝結構

齒輪傳動外置式編碼器采用的是編碼器與主軸獨立平行，通過齒輪的咬合傳動來帶動編碼器轉動，從而輸出的主軸轉速、齒輪位置等信號。齒輪傳動外置式編碼器的安裝結構如圖1所示，主軸編碼器安裝于與主軸平行的另一個軸件上，編碼器隨著齒輪的咬合傳動而旋轉，從而將主軸的旋轉速度和位置等信息傳輸到后臺中控系統中。該種編碼器的應用范圍較狹窄，主要應用在主軸箱為齒輪變速結構的數控機床中。通過圖1我們可以分析出齒輪傳動外置式編碼器的缺點在于主軸箱中必須還要在添加一個軸件系統，同時配套安裝的還需要安裝底座、從動齒輪等零部件，不僅增加了安裝難度，還增加了機床制造生產成本以及售后服務難度。另外，主軸齒輪與從動齒輪之間的咬合傳動，會使得主軸箱的溫度升高，產生一定的噪音;隨著主軸齒輪咬合傳動的進行，齒輪必然會產生磨損，加之溫度的影響，必然會導致誤差的產生。因此，編碼器回傳到中控系統中的主軸信息可能與實際信息之間存在差異。

2.2 同步帶傳動外置式編碼器安裝結構

同步帶傳動外置式編碼器與上文中的編碼器安裝結構較為類似，唯一不同的就是同步帶傳動外置式編碼器是通過同步帶的傳動而帶動編碼器旋轉，從而輸出主軸的信息。同步帶傳動外置式編碼器的安裝結構如圖2所示，在主軸箱體中間安裝同步帶組件，將編碼器安裝在同步帶組件中，通過主軸的傳動帶動同步帶上編碼器的轉動，從而將主軸的轉速和位置等信息回傳至中控系統中。同步帶傳動外置式編碼器安裝結構主要應用在非變速結構主軸箱的數控機床中，但是同步傳動式編碼器結構也存在很多缺點，主要是主軸箱中增加了一個同步帶系統，需要安裝同步帶組件，安裝較為繁瑣，安裝時對中心距要求等方面極為嚴格，制造工藝較為復雜，為生產增加了成本，也為售后增加了難度。

3 數控機床主軸編碼器安裝結構的優化

3.1 安裝結構優化

通過上文對齒輪傳動外置式編碼器安裝結構與同步帶外置式編碼器安裝結構的分析，總結兩種傳動帶各自存在的問題，為了可以更好的解決這兩種編碼器安裝結構的缺點，對編碼器的安裝結構進行了優化設計，將其改進為直聯式編碼器安裝結構。直聯式編碼器安裝結構的特點在于將編碼器直接安裝在主軸后部，嵌入在主軸箱體中，隨著主軸的傳動而轉動。直聯式編碼器的安裝結構如圖3所示，從圖中我們可以看出直聯式編碼器安裝結構簡單無需安裝支座、從動齒輪、同步帶系統以及相關零件，易于安裝。直聯式編碼器直接與主軸同傳，可以更好的適應數控機床的工作環境，使用壽命長。直聯式編碼器的內環以套環的形式固定在主軸后部，編碼器的讀數頭和支撐環套裝在主軸箱體側方的法蘭上，之所以這樣安裝是為了能夠保證編碼器內環的定位公差和基準軸線準確。當機床開始傳動時，便會帶動編碼器一同轉動，這樣編碼器可以直接精準的獲取到主軸轉速和位置信息等。

3.2 直聯式編碼器安裝結構的優點

齒輪傳動外置式編碼器安裝結構與同步帶外置式編碼器安裝結構對主軸傳動方式有一定的要求，而直聯式編碼器安裝結構適用于所有的數控機機床中，相對于以上兩種編碼器安裝結構直聯式編碼器安裝結構具有以下這些優點：（1）減少了編碼器安裝底座、從動齒輪、同步帶系統以及相關零件，很大程度上減少了制造成本。（2）由于結構簡單，安裝便捷，易于維修，在售后服務方面成本較低。（3）直聯式編碼器直接安裝在主軸箱上，隨著主軸的傳動而旋轉，可以直接獲取到主軸的轉速和齒輪位置的相關信息。（4）降低主軸齒輪的磨損，傳回到中控系統的主軸信息與主軸實際信息基本無差別，精準度高。（5）提升了數控機床主軸的旋轉精度以及主軸準停。（6）抗干擾性強，不受數控機床工作環境的影響，不受溫度和濕度的影響，可以很好的適應任何條件下的數控機床。

4 結束語

齒輪式傳動外置編碼器安裝結構與同步帶式外置編碼器安裝結構的缺點在于應用范圍較窄，且結構復雜、生產制造成本較高、不宜安裝、售后維修困難，另外兩種編碼器安裝結構無法精準的將主軸旋轉信息傳輸至數控系統中。而經過改進之后的直聯式編碼器安裝結構直接固定在主軸側方的法蘭上，隨著主軸的轉動而旋轉，具有應用廣泛、結構簡單、制造成本低、易安裝、不受機床工作環境的影響等優點，還可以將主軸轉速等信息精準傳輸，提升主軸準停。

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