浅谈数控机床C轴的功能和控制

张丹　辛凤

摘 要：C轴越来越广泛地被应用到数控机床上，根据不同品牌的机床，它的功能与控制都有所不同，但基本原理没变，还是360度的一个圆作为一个可控制轴。这里浅显地介绍一下C轴定义和功能，以及它的驱动和检测 ，结合三菱数控系统M70VA来探讨一下它在DLA20车削中心上的应用与参数的设置。

关键词：数控机床；C轴功能与控制

1.C轴的定义和功能

对于数控车床来说，所谓C轴就是对应绕Z轴的旋转运动，既可实现主轴周向的任意位置控制，又能实现X-C、Z-C联动。主轴周向的任意位置控制，就是主轴分度的概念，配合锁紧装置可以将加工件定位到一个你所需要的度数，C80.000或者C161.000等等。比如数控花键铣床，就是利用C轴分度的功能，根据加工工艺的要求，将360度等分成几份，在加工程序中按照旋转度数来编程。对于数控丝杆磨床来说，头架的控制就是C轴，在加工过程中是连续低速旋转，带动Z轴作联动，即C轴转一圈Z轴走一个螺距。

车削中心上的C轴，既可实现主轴周向的任意位置控制，又能实现X-C、Z-C轴的联动。车削中心是在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动力头。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。车削中心上的C轴控制又叫CS轮廓控制。CS轮廓控制是在伺服主轴（串行主轴）上组合专用的检测器，通过主轴电机进行定位的一种功能，与主轴定位（T系列）相比精度更高，可以在定位以及其它的伺服轴之间进行插补。对伺服主轴进行速度控制的情形叫主轴旋转控制，对伺服主轴进行位置控制的情形叫主轴轮廓控制。对主轴进行轮廓控制的功能就是CS轮廓控制功能。

2.C轴的驱动和检测

C轴控制就是位置控制。对于花键铣床来说，C轴是用来分度的；对于丝杆磨床来说，C轴是连续低速旋转，带动Z轴作联动，这两种机床都是将直线轴作为旋转轴用，所以用伺服电机来驱动就可以了，使用上与通常的伺服进给轴一样。数控车床的伺服主轴只起到带动材料旋转的作用，对于车削中心来说C轴是在伺服主轴（串行主轴）上组合专用的检测器来控制的，所以C轴是由伺服主轴电机来驱动的。主轴旋转和C轴的切换，随来自PMC的信号和M代码而定。此时C轴控制的手动以及自动运行，与通常的伺服进给轴也相同。

带有C轴的机床加工精度要求都比较高，因此需要全闭环控制。对于花键铣床和丝杆磨床来说，选用角度编码器作为检测装置就可以实现。角度编码器通常是指精度高于±5"和线数高于10000的编码器。车削中心的C轴所采用的专用检测器是模块式磁栅编码器，它的内径大，读数头尺寸小且结构紧凑，能够支持高转速且具有足够刚性。根据不同机床加工精度的要求来选择C轴检测装置的线数，由于受机械主轴以及安装尺寸大小的局限性，检测装置的线数一般都不能达到精度要求，需要它自身的细分数和数控系统的倍频数才能完成。

3.C轴应用和系统控制参数

以DLA20车削中心上的C轴为例，简述一下C轴的应用，以及三菱数控系统M70VA控制C轴相关参数的设置。此台车削中心由三菱数控系统M70VA控制，伺服主轴和动力头伺服主轴，NC控制4轴，即X轴、Z轴、Y轴、C轴，C轴的检测器是选用海德汉的ERM 200系列的模块式磁栅编码器，根据机床加工精度的要求以及主轴径的大小，选用ERM 280模块式磁栅编码器，此编码器输出信号为正弦电压信号～1 VPP，支持高倍频细分。这个信号属于增量信号，但它带有一个参考点，所以使用上相当于绝对值信号，回零时不需要回零减速开关；若确定参考点之后，数控系统每次断电通电后，不用每次回参考点，仍可找到原绝对坐标位置。此编码器的线数为1200线，经过EIB 392M接口单元细分，细分数能达到16384倍，则此编码器的分辨率为1200×16384=19660800p/rev。

三菱数控系统M70VA控制车削中心C轴的几个重要的参数如下：

#13019 位置检测分辨率：设为“0”

#13031 位置检测器类型、速度检测器类型以及电机类型：设为“6200”

#13051 双反馈控制时间常数：设为“100”

#13052 双反馈控制死区：设为“1000”

#13053 误差过大检测区间：设为“0”

#13054 闭环过行程检测宽度：设为“–1”

#13097 扩展机械侧编码器的分辨率：设为“300”

#13019在不带有C轴时设定值与#13020速度检测器分辨率设定的值相同；当带有C轴时，#13019=编码器的脉冲数/65536的余数=19660800/65536的余数。#13097就是数控系统的倍频数，在不带有C轴时设为0，当带有C轴时，#13097=编码器的脉冲数/65536的商=19660800/65536的商。这两个参数的设置值与模块式磁栅编码器的线数以及其细分数有关系。#13031带有主轴侧位置检测器时设为6200，#13053带有主轴位置检测器时需要设为0，#13054闭环过行程检测宽度设为–1，其它两个参数根据内容说明再结合机床实际运行来设置，在没有系统报警且机床运转正常就可以。如果这几个参数在带有C轴全闭环控制时设置不当，数控系统将会出现反馈异常1、反馈异常2以及误差过大等报警，机床将无法正常运行。

4. 结语

C轴在数控车床上的应用，基本上就是分度定位的应用。在复合车削中心机床上，有用到铣削功能的时候就会用到C轴， C轴和X，Y这些配合使用可以在圆周面上进行刻字等等复杂加工。一般来讲如果是加工中心的话就是机床的第四轴，也就是附加旋转轴。至于围绕哪个直线轴旋转，根据不同品牌的机床会有不同的命名。C轴的检测装置根据机床加工精度和数控系统的不同，检测装置的信号与线数以及控制接口参数都会有所不同。

参考文献：

[1]《MITSUBISHI CNC 70系列 设定说明书》

[2]《HEIDENHAIN EIB 392》

[3]《MITSUBISHI CNC M70V 设定说明书》