2010/8/2 20:30:00
螺纹加工是数控车床重要的加工功能。要保证螺纹的加工精度，必须准确地获取主轴角位置信号。从光电编码器信号检测分析研究出发，设计螺纹脉冲计数电路，讨论实际加工中出现的问题，提出改进设计和处理方法，并用一个实例介绍了其应用情况。
数控车床进行螺纹切削时，通常在主轴上安装一个与主轴同步回转的光电编码器用来测量主轴角位移，据此控制进给轴的进给量，使进给轴和主轴角位移之间遵循严格的比例关系。要保证切削出符合要求的螺纹，脉冲计数及同步控制成为关键。在螺纹电路设计时，应解决好计数和判向电路设计、同步控制电路设计、抗干扰电路设计等问题。本文介绍了基本脉冲电路设计思想，并结合实际出现的问题加以讨论，提出改进处理方法。
1 数控车床螺纹加工原理
在数控车床中，一般采用光电编码器作为主轴脉冲发生器，与主轴同步旋转，采集的主轴位置信号经微机数控系统处理后驱动机床工作台运动。在位置控制系统中，为了提高控制精度，准确测量控制对象的位置是十分重要的。主轴脉冲发生器送出两组信号脉冲，一组为计数脉冲，每转送出2048个脉冲，另一组为同步脉冲，每转送出一个脉冲。车削螺纹时，数控系统检测到SC同步信号到来时开始切削，否则处于等待状态。这样就保证每次切削的初始位置在被加工工件圆周的某一定点位置上，防止了多次切削乱扣现象发生。
在螺纹加工状态下，微机系统在接到同步脉冲信号后，开始读取计数脉冲，均匀地在这串脉冲中取出F个脉冲值，使之满足数控程序中规定的F值。以它作为中断信号来控制插补速度，使伺服驱动在Z方向进给F值，达到主轴每转一周，刀架在Z方向上移动一个螺距的目的。
在数控系统中，完成螺纹加工的要素为：主轴转速n和螺纹导程t，进给速度F＝nt。在加工螺纹时，有资料推荐主轴转速n≤[(1200／t)－K]r／min。K是保险系数，一般取80。
同步脉冲极为重要，它是保证在螺纹加工中不产生乱扣的唯一控制信号。
2 数控系统螺纹脉冲信号检测
2.1 进给脉冲信号检测
当控制对象位置发生变化时，光电编码器便会输出SA、SB两路相位相差90°的数字脉冲信号。当编码器正转时SA超前SB90°，反转时SB超前SA90°，脉冲的个数与位移变化量成比例关系。因此，通过对脉冲个数计数就能计算出相应的位移。图1是本系统脉冲计数电路设计原理框图。
SA、SB两路脉冲通过整形、鉴相得到计数脉冲，再根据SC、SD同步控制，送往CTC。
2.2 同步脉冲信号检测
在螺纹加工中，正确地检测出同步脉冲信号SC极为重要。螺纹加工一般须经过多次反复切削才能完成，为了保证加工精度，数控系统必须控制螺纹刀每次切削的起始位置和切削相位，保证每次切削都在螺纹的同一切削点进行。起始位置一般由脉冲计数电路及相应软件来保证其复位精度，切削相位则由同步脉冲信号SC决定。
系统计数一般用中断方式，当计算机系统发出螺纹启动信号SD高电平后，如果门控电路检测到SC，利用SC的上跳沿，打开控制门，CTC开始接受脉冲信号，CTC开始计数。在螺纹加工每刀完成并返回时系统发出螺纹启动信号低电平，关断控制门，CTC停止接受脉冲信号。螺纹启动后保证在起始位置检测到SC信号后，发出中断请求并计数，机床开始加工螺纹。
3 螺纹脉冲计数电路设计
在计数和判向电路设计时，利用电路对信号的延迟和门电路的逻辑运算能力来消除干扰脉冲。图2中sB采用积分式单稳电路，高电平时上升沿控制，SB由低变高时缓冲打开1CP，改变电路中RC参数，可改变1CP脉冲宽度。是抗干扰处理脉冲波形图，编码器正转时抗干扰处理脉冲波形，为编码器反转时抗干扰处理脉冲波形。
如果SA、SB使用74LS86异或门整形，既可以实现倍频，又可以取消鉴相电路。
用1Q控制4#00门打开，使倍频脉冲还原为原频率脉冲，消除干扰，鉴相输出
SC相产生的脉冲作为基准脉冲，又称零点脉冲。编码器旋转一圈，在固定位置SC相产生一个脉冲。如图6所示，同步脉冲SC处于下降沿时，当有螺纹启动SD信号，2Q高电平打开2#74LS08门，计数脉冲送往CTC计数。
4 常见问题及处理方法
4.1 低速大螺距加工问题
正常情况下，螺纹加工一次返回过程中螺纹启动SD信号为低电平，一个同步脉冲可以使2Q低电平，实现关闭2#74LS08们。但实际螺纹加工，经常遇到低速大螺距加工情况，根据(主轴转速N＋80)·螺距t＝1200，假如加工螺距12 mm以上，主轴转速大约10～20多 r／min，螺纹返回时刀架运行速度4000 mm／min以上，对于一个300 mm长度以内的螺纹，由于主轴转速太慢，加工一次螺纹返回后主轴还没有转过一圈，而此时重复加工则再次发出螺纹启动信号SC，出现起刀点不对，加工螺纹乱扣现象。
现改让螺纹启动信号变低时，使74LS74触发器复位，，当检测到SC同步脉冲下降沿时，发出2Q脉冲，而螺纹加工返回时，使2Q脉冲变低电平，实现关闭2#74LS08门。
4.2 抗干扰处理电路改进设计
由于数控车床工作在电磁环境恶劣的生产现场，加工时还会产生机械振动，这些电磁干扰和机械振动使一般光电编码器计数判向电路的A、B两相输出信号可能会叠加若干个高频方波干扰脉冲。这些干扰脉冲进入计数器，将引起计数错误，使伺服驱动系统不能正常运行，影响了螺纹加工的精度。
本设计采用SN75115双重微分接受器。该电路首先有计划地从现场很宽的公共噪声中识别到小的微分信号，将一路脉冲信号分成互为相反的两路信号，从A、B输入后分别与2.5 V的电压做差动比较，去除共模干扰，输出TTL兼容信号，且输入信号为高电平时，输出信号为低电平。再经过鉴相和同步控制，输出信号到CTC计数。
5 螺纹加工应用实例
为某工件上要求加工的螺纹，螺纹的螺距是12 mm，螺纹的长度是200 mm。采用公制螺纹循环加工，选择带退刀槽的退刀方式，循环次数为6次，径向总切削量是10 mm，根据(主轴转速N＋80)·螺距t＝1200 mm／min，主轴转速设置为18 r／min，主轴旋转一圈用3.3 S，加工长度200 mm，螺纹返回时刀架运行速度4000 mm／min，加工一次后返回时间为3 s，此时主轴旋转不满一圈(差0.3 s)。
加工程序以图10中形点为编程原点，程序启动工作后，图9所示光电编码器实用电路检测到SA、SB、SC信号，通过SN75115双重微分接受器去除共模干扰，SA、SB两路经过鉴相后到达74LS20门等待。程序执行N3段时启动螺纹加工，产生的SD高电平信号结合SC信号实现同步控制，2Q信号打开74LS20门，计数脉冲送往CTC，机床正常加工螺纹。循环加工在加工一次返回时，SD信号变成低电平，通过2R使2Q输出低电平，关闭74LS20门，尽管此时主轴旋转不满一圈，CTC也不再计数。而只有重复加工时，SD信号变成高电平，等待主轴旋转转满一圈后，重新检测到SC信号，2Q信号再次打开74LS20门，计数脉冲又送往CTC，机床同步重复加工螺纹(有一定的径向进给量)。如此循环6次，加工完成图纸所要求的螺纹。
6 结语
螺纹加工最担心的是控制精度问题，设计的光电编码器检测电路，解决了螺纹脉冲计数和判向、同步控制、抗干扰处理等问题。对因机床振动或外部电磁干扰引起的问题，利用电路对信号的延迟和门电路的逻辑运算能力来消除干扰脉冲。但这种电路存在一个RC时间常数的调节。而采用SN75115双重微分接受器，能从现场很宽的公共噪声中感觉到小的微分信号，输出TTL兼容信号，有效去除共模干扰，该电路工作更为可靠。针对实际加工时螺距可能取任何数值，如低速大螺距加工情况等，该电路确保不会产生乱扣现象，在实际应用中取得了良好的效果。