数控机床返回参考点的控制方式及常见故障检修

数控机床返回参考点的控制方式及常见故障检修 曲海波(威海职业技术学院， 264210）摘要：数控机床每次启动后要进行返回参考点的操作，机床能否准确回归参考点,将影响机床的加工精度 ,本文阐述了当前数控机床常见返回参考点的控制方式并结合维修实例对机床回参考点过程中的常见故障进行了分析、总结。关键词：参考点；回零；控制方式；故障检修中图分类号：TG659 文献标识码：B 文章编号：1004-0420(2009)03-0021-040 引言数控机床的原点是数控机床厂家设定在机床上的一个固定点，作为机床调整的基准点。数控机床参考点也是数控厂家设定的(一般是机床各坐标轴的正极限位置)，通过机床正确返回参考点，CNC系统才能确定机床的原点位置。数控机床位置检测装置如果采用绝对编码器时，由于系统断电后位置检测装置靠电池来维持坐标值实际位置的记忆，所以机床开机时，不需要进行返回参考点操作。目前，大多数数控机床采用增量编码器作为位置检测装置，系统断电后，工件坐标系的坐标值就失去记忆，机械坐标值尽管靠电池维持坐标值的记忆，但只是记忆机床断电前的坐标值而不是机床的实际位置，所以机床每次起动后要进行返回参考点操作，也称回零操作。这样可使系统通过参考点来确定机床的原点位置，以正确建立机床坐标系。同时可以消除丝杠间隙的累计误差及丝杠螺距误差补偿对加工的影响。另外机床在按下急停开关后以及机床出现故障并修复后都需要进行一次返回参考点的操作。回零操作是数控机床的重要工作方式之一，但由于操作频繁,通常在这个过程中常会遇到各种问题,从而影响机床的正常使用及零件加工精度。因此,弄清数控机床返回参考点的控制方式及工作原理，掌握常见故障的分析与诊断方法是非常必要的。1 数控机床返回参考点的控制方式回参考点的方式因数控系统类型和机床生产厂家而异， 目前，采用脉冲编码器或光栅尺作为位置检测的数控机床多采用栅格法来确定机床的参考点。脉冲编码器或光栅尺均会产生零标志信号，脉冲编码器的零标志信号又称一转信号。每产生一个零标志信号相对于坐标轴移动一个螺距，将该距离按一定等分数分割得到的数据即为栅格间距，其大小由参数确定。当伺服电动机(带脉冲编码器)与滚珠丝杠采用11直联时，一般设定栅格间距为丝杠螺距，光栅尺的栅格间距为光栅尺上两个零标志之间的距离。采用这种增量式检测装置的数控机床常有以下几种回参考点的控制方式。1.1 回参考点的 Z 脉冲控制方式回参考点时，轴先以速度V1向参考点快速移动，碰到参考点开关后，在减速信号的控制下，减速到速度V2并继续前移，脱开挡块后，再找零标志。当轴到达测量系统零标志发出栅格信号时，轴即制动到速度为零，然后再以V2速度前移参考点偏移量而停止于参考点。(见图1)图1 Z脉冲控制方式运行图1.2 回参考点的“+ -”控制方式回参考点时，轴先以速度V1快速向参考点移动，碰到参考点开关后速度制动到零，然后反向以速度V2慢速移动，到达测量系统零标志产生栅格信号时，轴即制动到速度为零，再前移参考点偏移量而停止于参考点(见图2)。图2 “+-”控制方式运行图1.3 回参考点的“+ - +”控制方式回参考点时，轴先以速度V1向参考点快速移动，碰到参考点开关后制动到速度为零，再反向微动直至脱离参考点开关，然后又沿原方向微动撞上参考点开关，并且以速度V2慢速前移，到达测量系统零标志产生栅格信号时，轴即制动到速度为零，再前移参考点偏移量而停止于参考点(见图3)。图3 “+-+”控制方式运行图2 数控机床返回参考点的控制原理及调整方法下面以SSCK-20数控车床(系统为FANUC-OTD)为例，说明数控机床返回参考点的控制原理及调整方法。2.1 返回参考点建立机床坐标系的过程该过程如图4所示。系统在返回参考点状态(REF)下，按下各轴点动按钮(+J)，机床以快移速度向机床参考点方向移动，当减速开关(*DEC)碰到减速挡块时，系统开始减速，以低速向参考点方向移动。当减速开关离开减速挡块时，系统开始找栅格信号(编码器一转信号)，系统接收到一转信号后，以低速移动一个栅格偏移量(如果系统参数设定栅格偏移量)，准确停在机床的参考点上。V1速度由系统参数518(X轴)、519(Z轴)决定，设定范围为3024 000 mm/min，本机床分别设定为4 000 mm/min和6 000 ram/rain。V2速度由系统参数534(所有轴)决定，设定范围为615 000 ram/rain，本机床设定为200 mm/min。栅格偏移量根据机床实际调整由系统参数508(X轴)、509(Z轴)确定。图4 SSCK-20数控车床返回参考点控制原理图2.2 数控机床返回参考点的PMC控制PMC控制图如图5所示。X轴外部减速开关地址为X165，Z轴外部减速开关地址为X175(FANUCOTD系统专用输入地址)。图中，X206、X207、X210、X211分别为机床面板上的X轴、Z轴正反方向点动按钮的地址；X07、X06、X05、X04分别为机床X轴、Z轴正反方向硬件行程限位开关的地址；G1207为系统回参考点状态信号；F1491为系统复位信号；G1162、G1163、G1172、G1173分别为系统的X轴、Z轴各进给轴方向选择信号；F1480、F1481 分别为系统的X轴、Z轴返回参考点结束信号；Y801、Y802分别为X轴、Z轴的返回参考点结束指示灯。图5 SSCK-20数控车床返回参考点的PMC控制梯形图2.3 数控机床返回参考点的调整数控机床各轴传动机械拆装后、进给伺服电动机更换后、位置检测装置修复后都将导致机床参考点位置不准，需对机床的返回参考点进行调整。通常机床参考点设计在机床刀架X轴、Z轴正方向上。如果机床的刀架在机床回零操纵中要求设定固定的位置，只用调整回零开关撞块的方法是不能实现的，必须调整控制机床的相应参数。机床相应参数调整步骤如下：（1）预置参数0508项，X轴栅格调整的预置值。由于X轴丝杠螺距为6 mm，所以预置值为6 000；（2）预置参数0509项，Z轴栅格调整量的预置值。由于Z轴丝杠螺距为6 mm，所以预置值为6 000；(3)调整参数0010项的第7位(APRS)为“0”，使手动回零完成后不执行自动坐标系设定；(4)用手动方法使机床刀架回到机床参考点；(5)机床回到零后，X、Z位置显示与规定值进行比较；当显示的坐标值大于规定值半个螺距时，先调整撞块使之接近规定值，重新将刀架移动到原起点，再进行第4步操作，反复调整撞块使显示值大于或小于规定值，但二值的绝对值之差要小于半个螺距。将参数0508与0509项预置值分别减去X、Z轴显示值与规定值的差值，再以所得结果重新分别设置参数0508项和0509项(单位0001 mm).规定零点坐标：X=260000；Z=500000。回零后坐标显示：X=262000；Z=501000。0508项参数设定为6 000-(262000-260000)1 000=4 000；0509项参数设定为6 000-(501000-500000)1 000=5 000；(6)重新进行第4、5项操作，使机床刀架回零坐标值符合规定值；(7)在系统参数708和709中分别输入260 000(直径编程坐标值)和500 000；(8)将参数0010项的第7位设为“l”，使机床回零后执行自动坐标系设定显示回零值。(9)机床断电重新送电，进行回零操作，转塔刀架就按规定的距离精确地回到零点，并在显示屏上显示出机床零点的坐标值。3 数控机床返回参考点的常见故障分析3.1 常见现象及可能的原因在实际生产加工中，数控机床返回参考点的常见故障现象可归纳为三大类，引起故障的原因归纳如下：3.1.1 不能返回参考点或找不到参考点(通常会导致机床超程报警)(1)机床回零过程无减速动作或一直以减速回零，多数原因为减速开关及接线故障。(2)机床回零动作正常，但系统得不到一转信号。原因可能是电动机编码器及电缆线或系统轴板故障(工厂中多数采用交换法来判别故障具体部位)。(3)减速开关偏移。(4)检测元件被污染。当采用全闭环控制时光栅尺沾了油污，不能采集信号。排除方法是清洗光栅尺。3.1.2 找不准参考点(即返回参考点有偏差)(1)减速挡块偏移。(2)栅格偏移量参数设定不当。(3)参考计数器容量参数设定不当。(4)位置环增益设定过大。(5)编码器或轴板不良。3.1.3 回参考点位置随机性变化故障(1)零脉冲信号受到干扰。可检查脉冲编码器反馈电缆、屏蔽线连接是否正确，接地是否良好。(2)编码器的供电电压过低。(3)电动机与丝杠的联轴器松动。(4)电动机扭矩过低或由于伺服调节不良，引起跟踪误差过大。可调节伺服参数，改变其运动特性。(5)零脉冲不良。利用示波器检查编码器的输出脉冲，确认全部信号是否输出正常；否则对编码器进行清洗或更换。(6)滚珠丝杠间隙增大。3.2 常见故障实例分析及维修下面结合本人在工作中遇到的几个故障实例来介绍一下维修的过程。3.2.1 故障1一数控车床(系统为FANUC Oi-C)在回零时，发现机床回零的实际位置每次都不一样，漂移一个栅点或者是一个螺距的位置，并且时好时坏。根据故障现象分析,如果每次漂移只限于一个栅点或螺距，这种情况有可能是因为减速开关与减速撞块安装不合理(多是移位)，机床轴开始减速时的位置距离光栅尺或脉冲编码器的零点太近；由于机床的加减速或惯量不同，机床轴在运行时过冲的距离不同，从而使机床轴所找的零点位置发生了变化。维修中检查调整了减速开关与减速撞块的相对位置，使机床轴开始减速的位置大概处在一个栅距或一个螺距的中间位置；然后重新设置机床零点的偏移量，并适当减小机床回零速度或快移速度的加减速时间常数，机床恢复正常。3.2.2 故障2某一数控车床(系统为FANUC-TD)回零时，X轴回零动作正常(先正方向快速运动，碰到减速开关后，能以慢速运动)，但机床出现系统因X轴硬件超程而急停报警。此时Z轴回零控制正常。根据故障现象和返回参考点控制原理，可以判定减速信号正常，位置检测装置的零标志脉冲信号不正常。产生该故障的原因可能是来自X轴进给电动机的编码器故障(包括连接的电缆线)或系统轴板故障。因为此时Z轴回零动作正常，所以可以通过采取交换方法来判断故障部位。将两轴伺服电机及编码器交换插接后，发现故障转移到Z轴上(X轴回零操作正常而Z轴回零出现报警)，所以可判定故障出在系统轴板上，最后更换轴板，机床恢复正常工作。3.2.3 故障3一卧式加工中心(系统为FANUC 6M)，在回参考点时发生ALM091报警。分析及查阅技术手册得知FANUC 6M发生ALM091报警的含义是“脉冲编码器同步出错”，可能出错的原因有两个方面：一是编码器零脉冲不良；二是回参考点时位置跟随误差值小于128 m。维修时对回参考点的跟随误差(诊断参数DGN800)进行了检查，检查发现此值为200 m左右，达到了规定的值。进一步检查该机床的位置环增益(PRM090)为16.67 s-1，回参考点速度设置为200 mm/min，属于正常范围，因此初步排除了参数设定的原因。可能的原因是脉冲编码器“零脉冲”不良。经测量，在电动机侧，编码器电源(+5 V电压)只有+45 V左右，但伺服单元上的+5 V电压正确。进一步检查发现，编码器连接电缆的+5 V电源线中有2根虚焊,重新焊接后，机床恢复正常。4 小结数控机床回参考点的故障是数控机床中比较常见的故障之一，一般多由以下几种原因引起：一是减速开关移位或失灵；二是编码器及连接电缆出现问题；三是系统测量板出现问题；四是零点开关与硬（软）限位置太近；五是挡块的松动；六是系统参数丢失或修改不当等。维修者在掌握了数控机床回参考点的控制原理并了解机床的操作方法、回参考点的动作顺序后，对故障现象作充分分析，就不难找到故障的原因所在，最终排除故障。参考文献：1周兰现代数控机床故障诊断及维修M北京：人民邮电出版社，2007.2刘永久数控机床故障诊断与维修M北京：机械工业出版社，2006.3FANUC 交流伺服系统维修说明书Z.