數控機床回參考點故障診斷及解決措施

張 帆 ，曹巨江

（1.陜西科技大學，陜西西安 710021；2.陜西工業職業技術學院，陜西咸陽 712000）

1 機床回參考點的方式

按照數控機床進給系統的控制方式可將其分為開環、半閉環和閉環等3類（圖1）：①開環系統，CNC裝置發出的指令經驅動模塊2處理后，給伺服電機3下達指令從而通過絲杠帶動工作臺4移動。②半閉環系統和閉環系統，兩者都是由CNC裝置發出指令經驅動裝置5給伺服電機6，從而帶動與絲杠螺母聯接的工作臺4按照程序運動。位置檢測裝置7對執行部件的位置和速度進行檢測并反饋至伺服系統，與CNC發出的指令進行比較以確定命令是否被正確執行。兩者的差別在于：全閉環控制系統的位置檢測裝置（如光柵尺、旋轉編碼器等）是在最終的移動部件上，反饋信息更為準確。主要用于高精度的加工中心、磨床等精度要求較高的設備上；半閉環控制系統的反饋信號一般由伺服電機或者絲杠處檢測得到，并未包含絲桿螺母機構的彈性變形、絲杠螺距誤差等其它因素，相對于全閉環來說精度要低點。但它又不受整個進給系統彈性變形的影響導致系統的不穩定，相對全閉環系統來說，系統工作穩定且調試相對容易很多，成本也低。故而廣泛應用于各類普通數控設備上。

由于數控機床尤其適用于大批量的精密加工，此時為保證其加工的高精度和尺寸一致性，必須首先建立起統一的機床坐標系從而確定機床各運動軸的坐標值。故而必須確定機床的參考點作為機床的機械原點。同時機床在調試和使用過程中，很多功能都需要在參考點建立的基礎上才能進行。如機床調試時測定的定位精度和重復定位精度，需要進行絲杠螺距誤差補償和反向間隙補償，只有在機床返回參考點后才生效；自動運行方式也必須是在機床各軸均完成參考點返回后方可進行操作。

圖1 數控機床進給系統控制方式

在閉環控制系統中，用于速度和位置檢測的元件有絕對式脈沖編碼器和增量式脈沖編碼器兩種，機床進行參考點返回時的方式也不相同。對于配置絕對式檢測反饋元件的機床，只要數控系統的備份電池正常并按系統廠家規定進行更換，參考點在機床調試時建立，并通過參數設置確定機床坐標系后，就無須每次開機時進行回零操作。而占據市場多數的配備增量式脈沖編碼器的機床，在調試及使用過程中每次開機都必須首先對各軸進行參考點返回操作，從而確定機床各軸原點以建立起正確的機床坐標系。各軸的參考點能否準確返回并保證其唯一性，主要與各軸零點開關及其所配置的檢測元件（增量式光柵尺和增量式旋轉編碼器）的零點脈沖有關，一般有2種方式。

（1）“正—負”回零方式。以配置日本FANUC和廣州數控系統的機床為主要代表的各類機床采用的回零方式（圖2a）：軸按系統參數中設定的回零方向以速度v1快速移動，直至擋塊壓下（或感應到）零點開關，坐標軸反向以速度v2移動至行程擋塊脫離零點開關，系統開始零點尋找，搜索到最近的一個零點脈沖，軸即停止運動確定該軸參考點位置，系統顯示該軸坐標為零。

（2）“正—負—正”回零方式。以配置德國SIEMENS、西班牙Fagor及華中數控系統的機床一般采用的回零方式（圖2b）：軸按系統參數中設定的回零方向快速移動至擋塊壓下（或感應到）零點開關后即減速，同時反向至行程擋塊將零點開關釋放后，軸即沿設定方向再次運動開始進行零點搜索，直至找到增量式位置檢測元件的標記脈沖（零脈沖）完成參考點返回，確定該軸坐標原點，坐標顯示零。

圖2 回零方式

這種參考點返回方式雖然程序較復雜，但適合于機床坐標軸處于任何位置時的操作。由于執行命令時機床的動作由機床PLC程序的輸入點邏輯電平來判定，這樣即使在回參考點時機床處于零點位置或在正向區域內，只要系統接收到輸入點的狀態即會反向移動，避免了由此而引起的誤操作所導致的報警或對機床的損害。

而數控機床在調試過程中，即由制造廠設計相應的零點搜索程序和PLC控制程序，并在系統中設定了各軸的回零方向、各檔速度、偏置量等相關參數。無論是在手動方式（MDI）下還是自動方式下執行回參考點時，系統向驅動發布指令控制電機帶動工作臺運動，安裝于運動部件上的行程擋塊壓下或感應到零點開關后，對應的開關邏輯電平發生變化，通過設計的數控系統PLC程序及原點搜索程序執行回零操作。各軸都完成參考點后坐標值清零，結束機床參考點返回操作，正確的機床坐標系得以建立。

一般情況下，數控機床產生回參考點故障原因可能有幾種情況：一是零點開關故障，數控系統PLC程序無法接收到邏輯信號變化；二是作為檢測元件的編碼器或光柵尺發生故障；三是系統測量部分故障，無法接收到編碼器的零脈沖信號；四是設計調試中硬（軟）限位置與零點開關布置太近或不合理，導致在尋找零脈沖時出現不唯一的點，從而致使機床回參考點不準確（一般相差一個或是絲杠的整數倍）；五是系統參數丟失等等。當然硬件故障一般可采用配件更換的方法逐一進行排除，從而確定原因?？纱蠖嘤脩舨灰欢ǘ寄苡邢嗤呐浼L期備貨，同時在原因不明情況下對備件逐一進行更換也不太切合生產實際。結合個人實際工作中兩個典型實例對參考點返回故障診斷進行論述。

2 調試及維修實例

（1）為某公司開發設計一臺螺桿銑床，機床配置SIEMENS 810D數控系統，在使用過程中出現開機回參考點，X軸向回參考的相反方向移動。

分析：機床X軸采用西門子1FK系列電機驅動滾珠絲杠沿直線導軌副移動，該軸使用伺服電機自帶增量脈沖編碼器作為檢測反饋元件，為半閉環控制方式。搜尋參考點的信號控制由一個機械式行程開關觸發。

西門子系統參考點返回采用的是“正—負—正”回零方式，機床X軸采用增量式編碼器進行速度及位置檢測，開機時必須執行回零操作。其正常的動作順序為：軸先沿系統參數設定的正方向以回零速度v1快速移動，安裝于其上的行程擋塊隨其一起移動壓下零位開關，系統PLC程序輸入點I32.2由高電平1轉變為低電平0向CNC系統傳輸。系統隨即向驅動裝置發出指令，伺服電機反向旋轉并減速以v2速度移動釋放開關觸點，I32.2信號重新變回為1。數控系統向驅動再次發出指令使電機反向以速度v2向正方向運動，行程撞塊再次壓下開關使開關量變為0時，CNC開始尋找伺服電機的零標志脈沖，識別后即確立參考點，此時X軸即停止或以當前速度移動一個由參數MD34090設定的偏置量后停止，X軸坐標顯示為0，完成回零過程。

故障現象“在機床執行回零操作時軸向反方向移動”說明在執行命令時CNC系統接收到的PLC初始狀態是0,從而導致系統會判定此時的機床動作應是“負”動作而向反方向前進。通過對機床PLC的檢查發現輸入點I32.2狀態顯示始終為0，現場對X軸零位開關觸頭進行壓下與釋放，檢查I32.2也發現其一直為0，給CNC誤判定機床的零位開關是被壓下，符合分析判定，從而基本認定是此軸的零位開關觸頭無法正常復位導致機床故障。

雖然此時可以通過更換開關來對機床故障進行排除，但在使用過程中發現機床停止運行進都是停在X行程的中間位置，不存在由于機床在停止時長期壓下開關觸頭導致彈簧失效的原因。

此時需要做的是如何找到開關失效的原因，進一步檢查機床加工程序，由于機床加工的零件都是同一類型的壓縮機單螺桿槽（圖3），其零件特征為盤類零件圓周上均布了6個基本相同的螺旋槽，槽面的過程為一大循環，而每個槽的加工也是由徑向逐深進刀加工完成，為幾個小循環。在大小循環加工結束時均出現G90 G00 X0 Y-30 Z-30程序，使得機床的銑削頭停在參考點上。雖然最終機床停機時X軸處于行程中間位置未壓下零位開關，但在每一相加工循環結束時X軸都壓下開關一次，加大了開關觸頭的被壓次數，使觸頭彈簧產生疲勞失效現象，導致機床X軸無法正確回參考點，這可能是本次故障的真正原因。因此在將零點開關更換排除機床故障后，同時對該程序段進行更改為“G90 G00 X-25 Y-30 Z-30”使機床各軸在每一循環后停在機床安全位置，以減少對零點開關的持續壓迫。當然也可以采用系統參數設置中的34090參考點偏置對機床參考點進行“零偏”操作，從而使機床處于零點位置時擋塊離開零點開關，確保了機床的正常開機率。

在現代制造技術中，采用UG等專業軟件進行CAM編程時，為使機床離開加工區域以方便工件的裝夾和測量，經常在程序尾部設置G28自動返回參考點命令，這樣就會大大增加參考點開關被壓次數從而導致此類故障的產生。故而可以在自動編程完成后對程序進行人工修改，取消G28指令并人工編制相應的程序段使軸處在適合于裝夾測量的位置即可。

圖3 單螺桿零件

（2）為重慶某集團公司交付的XYJ-2012數控專用溝槽倒角磨床執行回參考點時出現超程報警。

分析：機床采用日本FANUC 0i-M數控系統，控制β系列交流伺服電機與滾珠絲杠越障驅動各數控軸運動?；亓惴较驊獮椤罢摗被亓惴绞?，其位置及速度檢測反饋使用伺服電機自帶增量式脈沖編碼器，感應塊感應圖爾克接近開關觸發PLC回零輸入點，減速開始尋找電機編碼器零標記脈沖完成參考點建立。經與用戶溝通，設備在2002年交付使用后，由于生產原因一臺設備使用不飽合，2010年CNC電池失效，造成機床參數丟失。利用通信電纜輸入出廠時提供的備份數據，開機后執行回參考點操作，各軸均出現報警，屏幕顯示“各軸軟限位超程”無法完成命令。執行復位操作并切換至手動操作模式，將各軸移至任何位置都出現同一報警。經過進一步溝通，用戶在開機時出現“935系統報警”,查閱安裝手冊后得知是CNC系統的CMOS備份電池電壓不夠，遂采購電池后進行更換。但當時未嚴格按安裝手冊程序進行，換鋰電池時控制單元電源斷電后時間過長，從而導致數據全部丟失。重新開機時數控系統錯認實時位置為參考點位置。

基于報警顯示超程，在以上分析的基礎上嘗試修改機床各軸的軟限位設為最大，重新回到手動模式下進行回參考點操作以完成機床零點設置后，再對各軸參數恢復原值。記錄機床各軸限位參數后進行如下操作。

①選擇“MDI”模式，按 OFFSET鍵，設置 PWE=1,此時顯示“100允許寫入參數”報警；②修改X，Y，Z三軸參數#1321為最大值9999；③選擇JOG手動方式，手輪或手動移動各軸至行程中間位置；④選擇參考點回零模式，手動執行各軸回零；⑤根據機床原來的零點標識檢查參考點位置，如不對，重復第三、四步操作使各軸回零位置準確，更改參數#1815.5=1，#1815.4=1,斷電后重新啟動系統；⑥按照事先記錄的各軸行程重新設定各軸參數；⑦回到設置界面修改“PWE=0”，消除100報警。

此時需要對各軸回零后進行雙向限位檢查，以確保機床工作時的安全性。同時基于此類情況，建議在進行機床調試完成后，由制造商對各軸參考點位置打指示標牌進行標記，以方便在后續使用過程中出現參考點丟失而需要重新進行參考點恢復工作，當然前提是伺服電機與絲杠的連接位置未做改變。

3 結語

參考點建立作為數控機床建立坐標系的前提，決定了機床能否正常使用。如果發生參考點返回故障，應按照行程撞塊—零點開關—位置檢測元件由易到難的順序進行檢測，同時結合機床數控系統參數、PLC狀態檢測、加工程序等對故障現象進行診斷分析，從而確保機床準確完成參考點返回。

［1］宋玉明.數控機床機械原點的調整與修復［J］.制造技術與機床，2004（10）：76-78.

［2］史旭斌等.淺談萬能工具磨床的數控改造［J］.制造業自動化，2010（2）：134-135.

［3］宋建武等.數控機床回參考點故障分析與排除［J］.組合機床與自動化加工技術，2008（10）：60-63.

［4］閆存富等.數控機床回參考點故障診斷實例分析［J］.機械制造與自動化，2014（3）：84-85.

［5］西門子有限公司，SIEMENS810D數控系統參數說明及編程手冊、簡明安裝調試［Z］.