数控机床主轴编码器安装结构优化设计及改进

田刘平　李志强

摘  要：在数控机床中，主轴是整个系统的核心单位，为了能够更加精准的定位以及反馈速度，需要在主轴电机上安装编码器，目的就是为了检测主轴转速、反馈位置、准停控制等。随着机械自动化的发展，当前主轴编码器主要采用的是直连式，这种相对于传统的编码器其特点就是结构简单、稳定性好、成本低、准确度高等。文章就主要以该种编码器为核心，详细地阐述如何对数控机床主轴编码器安装结构优化设计及改进。

关键词：数控机床;主轴编码器安装;结构优化设计改进

中图分类号：TG659         文献标志码：A        文章編号：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

数控机床主轴机电在实际工作中需要安装一套光电式或者是磁环式旋转编码器，安装编码器的主要目的是能够精准的检测主轴转速、位置反馈、刚性攻丝以及准停控制。传统的编码器安装采用的是同步带或者是齿轮传动的外置结构，这两方式零部件多、结构复杂、安装成本较高、维修麻烦、稳定性低等缺点。因此，我们采用空心轴式旋转编码器，对传统的编码器安装方式进行优化，将传统编码器改装成为直联式安装结构，直联式编码器结构简单、成本低、稳定性好、易安装等优点。

1 数控机床主轴编码器的作用和要求

1.1 主轴编码器的作用

主轴编码器的作用简单来说就是主轴定位。数控机床上的编码器为旋转式光电编码器，其主要作用在加工螺纹时尤其突出。数控机床在加工螺纹时，有轨迹起点和轨迹终点，也就是通常所说的进刀点和退刀点，一般情况下数控机床在车螺纹时需要车数刀，那么就会要求在同一个起点位置进刀和止刀。主轴编码器的另一个重要作用就是用来控制主轴电机和进给轴同步，进给轴移动的距离也是需要编码器来控制。所以，总结起来主轴编码器的作用主要以下几个方面：（1）检测主轴转速。（2）刚性攻丝。（3）控制主轴准停。

1.2 数控机床主轴对编码器的要求

上文中讲到编码器在数控机床中有着重要的作用，也是数控伺服系统中的关键部件，数控机床加工的精准度取决于编码器的精准度。所以在数控机床中对编码器安装结构有着非常高的要求：（1）编码器受温度和湿度的影响较小，运行稳定可靠，能够长期的保持编码器的精度，同时还要具备强抗干扰能力。（2）在机床主轴的运行过程中，能够精准的获取到主轴转速，能够使主轴准停。（3）使用和安装简便，易于售后维修，可以很好的适应机床工作的环境。（4）生产制造成本低。

2 传统编码器安装结构的缺点

2.1 齿轮传动外置式编码器安装结构

齿轮传动外置式编码器采用的是编码器与主轴独立平行，通过齿轮的咬合传动来带动编码器转动，从而输出的主轴转速、齿轮位置等信号。齿轮传动外置式编码器的安装结构如图1所示，主轴编码器安装于与主轴平行的另一个轴件上，编码器随着齿轮的咬合传动而旋转，从而将主轴的旋转速度和位置等信息传输到后台中控系统中。该种编码器的应用范围较狭窄，主要应用在主轴箱为齿轮变速结构的数控机床中。通过图1我们可以分析出齿轮传动外置式编码器的缺点在于主轴箱中必须还要在添加一个轴件系统，同时配套安装的还需要安装底座、从动齿轮等零部件，不仅增加了安装难度，还增加了机床制造生产成本以及售后服务难度。另外，主轴齿轮与从动齿轮之间的咬合传动，会使得主轴箱的温度升高，产生一定的噪音;随着主轴齿轮咬合传动的进行，齿轮必然会产生磨损，加之温度的影响，必然会导致误差的产生。因此，编码器回传到中控系统中的主轴信息可能与实际信息之间存在差异。

2.2 同步带传动外置式编码器安装结构

同步带传动外置式编码器与上文中的编码器安装结构较为类似，唯一不同的就是同步带传动外置式编码器是通过同步带的传动而带动编码器旋转，从而输出主轴的信息。同步带传动外置式编码器的安装结构如图2所示，在主轴箱体中间安装同步带组件，将编码器安装在同步带组件中，通过主轴的传动带动同步带上编码器的转动，从而将主轴的转速和位置等信息回传至中控系统中。同步带传动外置式编码器安装结构主要应用在非变速结构主轴箱的数控机床中，但是同步传动式编码器结构也存在很多缺点，主要是主轴箱中增加了一个同步带系统，需要安装同步带组件，安装较为繁琐，安装时对中心距要求等方面极为严格，制造工艺较为复杂，为生产增加了成本，也为售后增加了难度。

3 数控机床主轴编码器安装结构的优化

3.1 安装结构优化

通过上文对齿轮传动外置式编码器安装结构与同步带外置式编码器安装结构的分析，总结两种传动带各自存在的问题，为了可以更好的解决这两种编码器安装结构的缺点，对编码器的安装结构进行了优化设计，将其改进为直联式编碼器安装结构。直联式编码器安装结构的特点在于将编码器直接安装在主轴后部，嵌入在主轴箱体中，随着主轴的传动而转动。直联式编码器的安装结构如图3所示，从图中我们可以看出直联式编码器安装结构简单无需安装支座、从动齿轮、同步带系统以及相关零件，易于安装。直联式编码器直接与主轴同传，可以更好的适应数控机床的工作环境，使用寿命长。直联式编码器的内环以套环的形式固定在主轴后部，编码器的读数头和支撑环套装在主轴箱体侧方的法兰上，之所以这样安装是为了能够保证编码器内环的定位公差和基准轴线准确。当机床开始传动时，便会带动编码器一同转动，这样编码器可以直接精准的获取到主轴转速和位置信息等。

3.2 直联式编码器安装结构的优点

齿轮传动外置式编码器安装结构与同步带外置式编码器安装结构对主轴传动方式有一定的要求，而直联式编码器安装结构适用于所有的数控机机床中，相对于以上两种编码器安装结构直联式编码器安装结构具有以下这些优点：（1）减少了编码器安装底座、从动齿轮、同步带系统以及相关零件，很大程度上减少了制造成本。（2）由于结构简单，安装便捷，易于维修，在售后服务方面成本较低。（3）直联式编码器直接安装在主轴箱上，随着主轴的传动而旋转，可以直接获取到主轴的转速和齿轮位置的相关信息。（4）降低主轴齿轮的磨损，传回到中控系统的主轴信息与主轴实际信息基本无差别，精准度高。（5）提升了数控机床主轴的旋转精度以及主轴准停。（6）抗干扰性强，不受数控机床工作环境的影响，不受温度和湿度的影响，可以很好的适应任何条件下的数控机床。

4 结束语

齿轮式传动外置编码器安装结构与同步带式外置编码器安装结构的缺点在于应用范围较窄，且结构复杂、生产制造成本较高、不宜安装、售后维修困难，另外两种编码器安装结构无法精准的将主轴旋转信息传输至数控系统中。而经过改进之后的直联式编码器安装结构直接固定在主轴侧方的法兰上，随着主轴的转动而旋转，具有应用广泛、结构简单、制造成本低、易安装、不受机床工作环境的影响等优点，还可以将主轴转速等信息精准传输，提升主轴准停。

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