FANUC主轴定向M19分析

一般情况下，主轴只对转速进行控制（speed control），其收到停止指令（M05）后，主轴电机动力电源被切断，主轴依据惯性会停止在圆周任意角度。但是有一种场合，需要主轴电机转几圈后牢牢地停止在预定的角度位置，这就是主轴定向（spindle orientation）功能。通常用M代码M19激活。

使用场景

M19使用场景一般有加工中心自动换刀（ATC）、精镗孔退刀、背镗孔、车床工件装卸等。

1.1 换刀

在加工中心上，切削转矩通过主轴上的端面键和刀柄上的键槽来传递（如图1所示），因此每一次自动换刀时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴端面键，以使换刀顺利进行，这就是主轴定向。请观看视频1。

每日一词：主轴定向M19

图1 刀具与主轴配合

1—刀柄 2—主轴端面 3—端面键

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▲ 视频1：自动换刀过程中的主轴定向（视频第2秒）

1.2 精镗孔退刀

在精镗（fine boring）加工中，为防止拉毛或划伤已精加工的孔表面，要求镗刀进给（G01）至孔底时刀尖反方向径向移动一段距离（如图2偏移量δ值）后才能快速退出（G00），为此必须先定向再退刀。

图2 精镗循环（如G76）中的主轴定向

1.3 背镗孔

加工阶梯孔（通过小孔镗大孔）时，为防止刀具与小孔碰撞，必须先主轴定向，使刀尖停在一个固定位置（ X轴或Y轴上），以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削，如图3背镗循环（back boring cycle）所示。请观看视频2。

图3 背镗循环（如G87）中的主轴定向

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▲ 视频2：背镗中的主轴定向

1.4 工件装卸

车床上加工异形件（非轴类、棒类、圆柱类等）时，主轴卡盘需定向，以方便工件的装夹和松卸。

▲ 异形件

实现方式

2.1 机械式

如图4所示，在主轴上安装V形槽定向盘，由液压将滚轮推入V形槽实现定向，由限位开关LS1、LS2（行程开关）检测定向是否完成，LS2发信时不允许主轴转动。

1—定向液压缸 2—滚轮 3—无触点开关 4—感应块 5—V形槽定向盘 6—主轴 7—限位开关（LS1、LS2）

图4 V形槽轮定向盘装置

定向过程如下：

① PMC收到M19译码信号后，如果主轴处于旋转中，立即发指令停止

② 暂停

③ 主轴以定向速度正转

④ 收到无触点开关信号，主轴停下来（惯性）

⑤ 电磁阀得电，定向液压缸推动滚轮伸出

⑥ 主轴被迫停止、锁紧，LS2发信

⑦ LS2超时未发信，报警并停止

2.2 电气式

与机械式定向不同的是，电气式定向直接读取安装在机床主轴上的位置检测元件的反馈信号，从而使主轴停留在预设位置。

2.2.1 磁力传感器主轴定向

如图5所示，由磁力传感器检测定向位置。

图5 磁力传感器主轴定向装置

定向过程如下：

① PMC收到M19译码信号后，如果主轴处于旋转中，PMC立即发指令停止

② 暂停

③ 主轴以定向速度正转

④ 发磁体旋转，找寻磁力传感器信号

⑤ 收到信号主轴停止，并通过闭环控制将主轴锁紧在预设位置

⑥ 定向到位检测开关发信（外接，双重保险）

⑦ 超时不发信，报警并停止

2.2.2 编码器主轴定向

目前用的较多的是，由安装在主轴或主轴电动机上的编码器作为检测元件实现主轴定向控制，编码器的零标志（1转信号）代替了上述磁力传感器信号，如图6所示。

图6 编码器主轴定向控制连接

定向过程如下：

① PMC收到M19译码信号后，如果主轴处于旋转中，PMC立即发指令停止

② 暂停

③ 主轴以定向速度正转

④ 位置编码器旋转，找寻1转信号

⑤ 收到信号主轴停止，并通过闭环控制将主轴锁紧在预设位置。调试时，实际位置以零标志处为基准加以偏移（用CNC参数调整）

⑥ 定向到位检测开关发信（外接，双重保险）

⑦ 超时不发信，报警并停止

电气式主轴定向（Electrical orientation），无需插销和电磁阀，完成主轴锁紧。主轴转至检测信号处停止，并由主轴电机的静态转矩（stall torque）锁紧。此时，如果出现主轴正转或反转指令，则主轴恢复自由转动。

可见，电气式大大优于机械式（Mechanical orientation），表现在：

E不需要机械部件，结构简单。越简单，越可靠
E定向过程无冲击，可靠性高
E可在高速时直接定向，定向时间大大缩短，节省了换刀时间
E定向控制的精度和刚性高，满足自动换刀要求

还有一个概念，主轴定位（spindle positioning），仅仅一字之差，往往两码事情。为了高效沟通，除了准确表达，不妨把主轴定向称为“主轴准停”。有条件时最好阅读英文说明书。

主轴定向实现方法很多，尤其是电气准停中位置检测装置多种多样，为适应不同用户，CNC厂家就提供大量参数以作选择（不同的定向方式）。机床设计人员要对功能概况有总体把握，才能有的放矢，才不致于在数控说明书的海洋里迷失方向。

（文/汤彩萍）

参考文献

[1] HAAS加工中心説明書. HAAS公司，2000.6

[2] 汤彩萍. 数控系统安装与调试[M]. 电子工业出版社，2009.11

[3] FANUC Series 0i Mate-MODEL D连接説明書（功能篇）. FANUC公司，2011.3

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