机床数控系统失步问题及其对策

唐茂华 蔺相飞

摘  要：该文针对机床数控系统失步问题，提出以“终端限位保护”为对策，对现今的机床数控系统防失步技术进行了研究，结合企业机床数控系统的实际情况以及生产效率和可靠性存在的薄弱环节，设计一种接近式行程开关在机床导轨进行终端限位保护，优化机床数控系统，弥补传统数控系统中行程挡块式开关在撞击后不能迅速恢复到原始自由状态等几方面的缺陷。

关键词：数控系统;行程开关;失步;超程

中图分类号：TG659                 文献标志码：A

由驱动式电路与步进电机组成的开环数控系统，其设备结构简易、价格便宜、可靠性以及稳定性能较好，在开环数控控制系统中得到广泛应用，在国内外数控机床行业中也占据重要位置。开环数控系统通常是采用步进电机来进行精确定位，所以防止步进电机失步至关重要。

1 失步现象

在机床数控系统工作时，每发送一个脉冲控制信号，步进电机就相应的产生一个步距角，即前进一步;如果不断地发送脉冲控制信号，步进电机就会不停地转动。机床数控系统的失步现象包括丢步与越步。当转子前进的步数大于脉冲控制时，机床数控系统就会出现越步现象;转子前进的步数小于脉冲控制时，机床数控系统就会出现丢步现象。可简单概括为越步，控制脉冲数小于转子前行的步数;丢步，控制脉冲数多于转子前行的步数。

2 失步原因分析

计算机技术中有微型计算机控制系统和小型计算机控制系统，当今数控系统中所用到计算机技术为微型计算机控制系统，也称作CNC控制系统或MNC控制系统，是一种由硬件及数字信息控制技术发展而来的计算机数控系统。CNC数控系统中，由数控装置接收储存器发送的信号，是先到伺服控制系统，再经计算处理后传递到机床各个轴上去。

步进电动机是控制过程和仪表使用中最主要的执行部件之一，特点为精度高、快启停能力强、转速容易控制，但在实际的变速过程中，有时候会出现停止转动现象，即所谓的“失步”，原因主要为步进电机本身的响应速度赶不上它的控制速度。在步进电机带负载及惯性的情况下，步进电机工作时不能立即停止与启动，此时在停止时产生越步，在启动时产生丢步。在控制周期脉冲内，由于振动得不到削减，当另一个脉冲信号到来时，共振频率周围动态误差增大就会导致步进电机失步。

3 防失步方法

结合企业数控机床系统加工中心的实际项目，针对该项目在生产加工效率以及可靠性2个方面的缺陷，设计了一种接近式行程开关对机床导轨进行终端限位保护，以提高数控机床运行的稳定性和可靠性，防止系统各行程参数的故障问题发生。

目前，接近式行程开关实现了对数控机床各导轨行程终端的限位保护，也成为评价终端限位和系统对刀参数可靠性的一种有效方法。因此行程开关成为机床各导轨终端限位保护最重要的指标，而限位方法及行程开关的选择也就成了进行终端限位保护的一种重要手段。行程开关对机床导轨的限位主要表现为：主要针对滚珠丝杆受益保护，减少不必要的零部件损坏，保证了机床的高精度、高可靠性、高稳定性，确保机床的各性能效果最佳。数控机床是一种经常长时间工作的机器，因此保证数控系统的稳定性.可靠性就成为数控机床长时间稳定可靠运行的一个重要前提，在使用行程开关限位时选用接近式行程开关来限位，这样可以做到维持数控系统的高稳定性、高可靠性，接近式行程开关如图1所示，是一种不需要与运动部件进行机械接触便可操作的位置开关，当物体接近开关的感应面动作的距离时，不需要机械接触及施加任何的压力便可使开关执行动作，从而可以驱动直流或者交流电器，给CNC，PLC等装置提供控制指令。接近式行程开关是一种没有触点的开关，但是它具备微动行程开关，同时也具备传感功能，具有动作可靠、频率响应快、性能稳定、使用寿命长、抗干扰的能力强等优点，并且具有防水、耐腐蚀、防震等特点。在数控系统防失步中采用了一种适合检测金属接触物的行程开关，该行程开关是防数控系统失步的关键技术，保证数控系统不失步，而且当各轴超程后，对刀参数能够在系统中有效恢复。接近式行程开关灵敏度高，对金属接触物触点的传感较快，从而提高了限位的可靠性。

接近式行程開关可用来检验距离，防止工作台·机床尾座及床身两物体的相撞检测，也可用来检测工作机器设定和移动机器或零部件的极限位置，还可用来检测回转体轴类零件的停止位置，阀门或开关的位置，从而控制传送带的速度，机械旋转的转速，与各类脉冲发生器一起控制转数和转速。还可用于信息的传送，ASI（总线）连接在设备各个位置的传感器上，实现一定距离的数据往返传送等。接近式行程开关使用寿命长、重复的定位精度高、工作可靠性好、没有机械磨损、没有噪声、没有火花、抗震能力强。只有防止数控系统失步，才能保证数控机床硬件和软件正常运行，针对数控系统的失步影响企业效益的实际情况，提出只有在维持数控机床本身原有的控制数控系统的基础上，防止系统失步，才能保证生产加工的正常运行。同时，也需要对数控机床的导轨、滚珠丝杆、行程开关做日常的维护和保养，以此来确保数控机床及系统在长时间工作过程中不会出现失步状况。防失步系统的设计引入接近式行程开关限位，在生产过程中弥补了传统数控系统中行程挡块式开关在撞击后不能迅速恢复到原始自由状态的缺陷。为了提高接近式行程开关的灵敏度和终端限位保护的性能，在选用时应对行程开关的灵敏度、抗杂质、可靠性进行适度的运行检测。检测过程主要是对零点开关进行检测，看其是否符合标准，是否能在长时间工作的条件下，仍具备高可靠性、高灵敏度。在接近式行程开关对机床数控各轴的导轨行程进行限位的过程当中，一方面可以保证数控系统不会出现失步现象，有利于生产者迅速恢复生产。另一方面在机床出现超程故障后，也能确保工件坐标系原点在机床坐标系中的绝对坐标值珠丝杆也得到了保护，减少不必要的零部件损坏，保证了数控机床运行的高可靠性、高精度、高稳定性。

4 结语

该文对现今数控机床系统防失步技术进行了研究，结合企业数控机床系统实际情况，针对该情况在生产加工效率以及可靠性2个方面的缺陷，应用一种接近式行程开关对机床导轨进行终端限位保护，提出了一种预防数控机床系统失步可行性的设计方法。其中接近式行程开关对机床导轨终端限位的保护，可以提高数控机床运行的稳定性、可靠性和精准度，防止数控机床系统各行程参数出现故障问题。数控机床系统失步方法的设计时，应用接近式行程开关、限位挡块，弥补了传统数控系统中行程挡块式开关在撞击后不能迅速恢复到原始自由状态的缺陷。

参考文献

[1]徐伟，刘朝明.数控系统发展趋势的研究[J].制造业自动化，2009（9）：1-3.