數控機床返回參考點的原理及故障分析

蔡 丹，王 鵬，郭 烽

（中航工業沈陽黎明航空發動機 (集團)有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1.引言

近年來，數控設備得到廣泛應用，但是絕大多數的數控機床在使用一段時間后，就會產生許多問題。例如工作臺漂移、坐標軸跑數、機床本體變形等。不同測量系統的數控機床要想保證正常工作，在開機時各伺服軸都必須先找到機床參考點，即數控機床回零，從而消除漂移、變形等各種因素造成的一些誤差。但是對于絕對測量系統機床并不需要每次開機時都回參考點，而是隔一段時間回一次參考點。

數控機床的參考點是機床每個伺服軸上的一個用于確保機床能夠正確檢測和計數的一個固定的起點。根據測量系統的不同，數控機床的主要回零方式分為兩種：一種是絕對值式返回參考點，另一種是增量式返回參考點。兩者的區別在于：前者使用的是絕對測量系統，它的檢測元件為絕對式(例如絕對脈沖編碼器)，零點信號記憶在絕對值編碼器中，只要數控機床的后備電池有效，機床無論在任何位置停止運行或停電，再次通電啟動時絕對值編碼器都會自動將機床當前所處位置的坐標值送到數控系統NCU中，然后在此基礎上累加，達到檢測的作用；后者使用的是增量式測量系統，它的檢測元件為增量式(例如脈沖編碼器、光柵尺)，它相當于一個計數器，機床每次停電后，增量式脈沖編碼器中所記載的機床當前伺服軸的位置坐標值就會丟失，所以機床在每次開機后都必須先進行回零操作，找到計數的起點輸入到數控系統NCU中，以確定機床坐標系的原點，保證機床正常工作。

2.數控機床返回參考點的工作原理

數控機床返回參考點主要是由機床的數控系統NCU與機床的PLC系統相互配合控制伺服軸完成的。例如1臺配有西門子840D數控系統的機床回零，首先NCU接收來自操作面板MCP的指令JOG、REF，然后控制機床各伺服軸向指令設定的方向(正或負)運動，尋找零點開關(或機械撞塊)，假設此時PLC的反饋信號為0，當機械撞塊壓上零點開關(或脫離零點開關)時，PLC的反饋信號為1，機床的PLC系統向數控系統發出減速信號，數控系統控制各伺服軸開始減速運動，同時控制各軸的位置檢測元件編碼器開始接收零點脈沖信號，當收到第一個脈沖后，機床回零完成，檢測元件向系統發出信號，編碼器開始計數。

3.數控機床返回參考點的工作過程

(1)過程1：機床伺服軸加速至規定速度(參考點接近速度)v1，以v1速度運行壓向零點開關，伺服軸制動停止，隨后NCU控制伺服軸以v2速度繼續運行直到零點開關脫離撞塊，數控系統接收到第一個零脈沖時，便以v3速度尋找到機床零點。此過程如圖1所示。

圖1 過程1示意圖

(2)過程2：機床伺服軸以v1速度運行壓向零點開關，伺服軸制動停止，隨后NCU控制伺服軸反向以v2速度繼續運行，當零點開關與撞塊脫離，數控系統接收到第一個零脈沖，便以v3速度尋找到機床零點。此過程如圖2所示。

(3)過程3：機床伺服軸以v1速度運行壓向零點開關，伺服軸制動停止，隨后NCU控制伺服軸反向以v2速度繼續運行，當零點開關與撞塊脫離時，伺服軸又制動停止，然后又反向運行到撞塊與零點開關脫離，數控系統接收到第一個脈沖，便以v3速度尋找到機床零點。此過程如圖3所示。

以上工作過程伺服軸均位于參考點撞塊之前，過程1多應用于FANUC數控系統，過程2、3多應用于西門子數控系統。

4.數控機床返回參考點的典型案例分析與解決方案

(1)瑞士機床STC1000Y軸絕對值編碼器故障分析

瑞士機床STC1000配用德國西門子數控系統，采用全閉環控制方式，機床每次下電或NCK重新啟動時，Y軸由于壓力不穩，主軸下沉，造成Y軸上的光柵尺下沉，絕對值編碼器讀數變化，Y軸坐標值與Y軸實際位置出現偏差，導致機床報警，無法進行正常加工。

機床出現的報警為：Y軸絕對值編碼器初始化時編碼器硬件錯誤。

解決分析：首先檢查電器控制板，其次校驗編碼器反饋線，兩者都沒有問題，機床仍是該項報警，懷疑絕對值編碼器檢測的位置丟失，人為地將絕對值編碼器找正位置，檢測讀數，上二次電，觀察報警是否取消，如無上述報警，說明絕對值編碼器找正位置，機床正常的工作，維修人員可以通過調Y軸的機床參數使主軸找到具體的位置，進行加工。具體數據見表1。

本機床定義主軸中心距工作臺面150.000 0為Y軸零點，通過上述數據可以觀察到Y軸實際到達150.000 0時，絕對值編碼器檢測到的機床Y軸的坐標值為144.573 2，Y軸實際位置值與檢測位置值存在誤差，值為150.000-144.573 2=5.428 6這就要求我們將機床系統中的數據參數調整，將Y軸位置坐標值調整為150.000 0，通過機床數據中的參數補數來調整絕對值編碼器的數值為150.000 0，具體調整方法如下。

表1

①MD34210數值設為0，NCK復位(此項說明回參考點的模式)。

②MD34100數值為廠家設定的“150.000 0”(Y軸無論實際到哪，哪里就是“150.000 0”，此項數值可改可不改，改為什么數值說明這個數值就為Y軸設定的零點)。

③選擇機床操作面板上的用戶協議鍵，將Y軸回零選擇取消。

④MD34210[1]的數值設為“1”。⑤機床轉換到JOG---REF方式，倍率開關打到“0”。⑥在機床操作面板上按“+”或“-”鍵，數值就會自動補償到34090中。

(7)選擇機床操作面板上的用戶協議鍵，將Y軸回零選擇選中。

這樣Y軸位置坐標與實際Y軸位置坐標值相一致，Y軸調整完畢，主軸可以正常加工。

(2)國產數控臥式車床增量式脈沖編碼器故障分析

配有FANUC 0MD控制系統，采用全閉環控制方式，采用海德漢光柵尺，增量型編碼器，采用固定零點回零。機床Z軸在每次回零時機械零點都會產生誤差。

解決分析：首先在機床Z軸機械零點處壓上百分表，機床多次重復回零觀察機械零點處確實有誤差，從FANUC系統診斷302(擋塊脫離的位置到產生第一個柵格信號位置的距離)中記錄的數據看是有變化的，正常情況下記錄的數據是不會變的。檢查與Z軸回零有關的各硬件部位，沒有發現問題，將機床Z軸改為半閉環控制，Z軸多次回零均未出現誤差，懷疑Z軸光柵尺或讀數頭有問題，拆下光柵尺和讀數頭檢驗，發現讀數頭有問題，重新更換，機床Z軸正?；亓恪?/p>

(3)國產數控臥式車床(配FANUC0i控制系統，半閉環控制，固定零點回零)Z軸返回參考點出現軟限位超程報警

解決分析：首先按機床操作面板上的RESET鍵，將報警復位掉，然后移動Z軸，讓Z軸重新手動回參考點，觀察機床是否出現上述報警，反復重復幾遍上述操作，觀察機床每次在還沒有到達參考點時就出現該報警。于是調取機床PMC中減速開關的信號，觀察它的變化是正常的，說明減速開關沒有問題，將機床系統中Z軸軟限位參數NO.704中的值設為最大，Z軸手動回參考點正常。再次更改機床系統中Z軸軟限位參數中的值為原值7 000，Z軸返回參考點時又出現此項報警，這說明機床撞塊沒有問題，有可能是減速開關的位置松動了。具體檢查發現，減速開關的位置的確松動了，重新調整固定減速開關的位置，問題解決。

5.結語

數控機床的參考點在數控系統中起著重要的作用，是確保機床工作的一個重要環節，其故障可以總結為：零點開關故障、編碼器故障、系統控制板故障、零點開關與硬(軟)限位位置近等，只有全面地了解數控機床的參考點，才能很好的解決機床返回參考點時出現的各種問題，確保機床持續高效地工作。

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