數控機床回參考點原理及故障排除

關進良，戰祥鑫，劉 鑫，孫書芃

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

0 引言

數控機床坐標系一般包括機床坐標系、絕對坐標系和相對坐標系等，這些坐標系建立的前提是機床能夠正常回參考點。數控機床參考點（也稱“機床零點”）由機床制造商在機床出廠之前精確測定的，它與機床原點的相對位置（FANUC系統通過#1240參數設定的）是固定的，數控銑床參考點和機床原點通常是重合的，數控車床的參考點是離機床原點最遠的極限點。另外，故障記錄統計數控銑床或加工中心約有30%的故障與回參考點有關，因此有必要研究回參考點原理和典型故障排除方法。

1 數控機床回參考點方式

（1）增量方式。增量方式回參考點也稱為“有擋塊回零”，是采用增量式編碼器或光柵尺，在減速開關或感應開關（發出減速信號）的配合下建立參考點。目前大部分數控機床上選用增量編碼器回參考點，機床斷電后，參考點相關數據自動丟失，每次開機后首先要進行回參考點操作。此外，以下2種情況也需要回參考點：①連續重復加工后，回參考點消除機床移動部件的累積誤差；②遇到超程或者急停報警后，位置信息可能丟失，在恢復機床正常運行時要進行返回參考點操作。本文主要研究FANUC系統增量式回參考點原理及其相關故障排除方法。

（2）絕對方式。絕對方式回參考點也稱為“無擋塊回零”，是采用絕對式編碼器建立的參考點，無需每次開機后回參考點操作，系統斷電后，機床位置數據被保存在S-RAM（靜態隨機存儲器）中，并由專用后備電池來保持數據，一旦數控系統提示電池電量不足，應及時更換。需要注意的是，在更換伺服放大器、電機或者反饋電纜后，S-RAM中的數據將會丟失，需要重新設置參考點。

（3）距離編碼方式。距離編碼方式是利用光柵尺距離編碼技術來建立參考點的，這類光柵尺的柵格距離不像傳統光柵尺是固定的，是按照一定比例系數變化的，當機床某軸返回零點時，只需要在任意位置移動一個相對較小的距離，待數控系統識別到幾個不等距離的柵格信號后，會自動計算出軸當前的位置“找到”機床參考點。這種方式主要應用在各軸行程較長的機床上（如大型數控龍門銑床），減少每次回參考點所用時間。

2 FANUC系統數控機床回參考點原理

目前增量式編碼器在數控機床上較為普遍，這里以增量方式回參考點為例介紹回零原理。當機床進入回參考點模式后，先快速向減速擋塊方向移動，當減速開關被擋塊壓下后開始以FL速度減速移動（參數#1425中數值），回零開關彈起，系統讀到電氣上柵格后參考點建立。返回參考點完成之后，機床工件坐標系（G54等）建立，第二參考點（如換刀點）、螺距誤差補償功能方可生效?；貐⒖键c詳細步驟如下，時序圖見圖1。

圖1 回參考點時序

（1）在回參考點方式下，選擇軸并快速移動，相應的PMC地址信號狀態是G43.0（MD1），G43.2（MD4）和 G43.7（ZRN）同時為1，G100/G1O2 （+/-Jn）→1，n代表第n軸。

（2）擋塊壓下減速開關，軸減速運行（FL速度），對應的PMC 地址 X9.0～X9.3 或者 X1009.0～X1009.3（*DEC1～*DEC4）由1→0變化。

（3）減速開關彈起，相應的PMC地址信號*DECn由0→1。

（4）系統讀到電氣柵格信號，找到參考點。此時CNC向PMC發出參考點返回完成信號F94（ZPn）和參考點建立信號F120（ZRFn）。

3 典型故障維修實例

3.1 VMC1600立式加工中心X軸返回參考點故障

（1）故障現象。該加工中心在執行回參考點操作時，X軸一直以固定速度（慢速）移動，直到撞到軟限位報警，反復操作，故障復現。

（2）故障分析及排除方案。該機床采用FANUC 0i-MC數控系統，半閉環控制，觀察到回參考點時一直以參數#1425中設定的FL速度運動，整個過程并沒有速度變化，依據回參考點原理和步驟分析，問題很可能出在第2步，為了進一步確定故障點可以借助機床PMC觀察信號變化情況，SYSTEM→PMC→PMCDGN→STATUS→查看*DECX狀態（圖2），發現不論減速開關是否被壓下，*DECX一直為“0”，顯然X9.0沒有接通+24 V電源，可能原因：①減速開關損壞（浸水銹蝕等）。②連接電纜破損或斷路。③接線端子虛接或斷開。經檢測后發現，減速開關+24 V電纜接線端子已斷開，重新焊接后故障排除。

（3）小結。*DECn屬于高速信號，PMC采集后不作任何處理直接送給CNC，在梯形圖中無法直接查到，但可在“STATUS”或信號狀態界面觀察到。如果是減速開關故障，每次更換前要做好位置標記，以免造成參考點變化過大或引起回參考點不穩定等二次故障。

3.2 某數控銑床Y軸返回參考點隨機故障

（1）故障現象。某數控銑床Y軸在返回參考點過程中，減速后有時直接撞向軟限位報警，有時正?；貐⒖键c，且無規律。

圖2 信號*DECX狀態界面

（2）故障分析及排除方案。該機床采用FANUC 0i-MC數控系統，半閉環控制，從回參考點原理上分析，Y軸能快速移動，說明第1步順利通過，有減速動作說明第2步的*DEC信號1→0正常，進入機床PMC查看I/O狀態，觀察到*DEC由1→0→1變化，第3步也正常。基本可以推斷，問題出在了第4步（系統沒有接收到電氣柵格信號），主要原因是減速開關的通/斷靈敏度較差或機械熱變形等，導致*DECY信號觸發不穩定。如圖3所示，當信號正常到來時（或者相對早觸發）系統能及時讀到柵格信號①完成回參考點，當信號相對來遲時，錯過了柵格信號①，在等待讀入柵格信號②的過程中碰到了軟限位（虛線處）報警，即減速擋塊位置距離參考點太近，使其處于了特殊的“臨界狀態”，導致回參考點時而成功，時而失敗。

對于此類故障，比較簡單的解決方式是調整軟限位參數#1320→9999999、#1321→-9999999，再重新回參考點，完成后恢復參數原值。這種方式“治標不治本”，后續還有可能故障復現，若要徹底解決故障，一般有以下2種方式：①調整參數#1850（柵格位移量/參考點位移量）由0→3000，具體數值可根據現場情況多次回參考點試驗而定。②調整減速擋塊位置，同時觀察診斷302的值，使診斷302中的數值約等于參數#1821（參考計數器容量）設定值的一半，即使柵格信號產生的時刻距離減速信號從“0”到“1”時相距約半個柵格信號周期。以上2種調整方式的共同目的是使回參考點遠離“臨界狀態”，徹底排除故障。

圖3 回參考點故障原因示意

（3）小結。解決該故障的關鍵是了解*DEC信號與電氣柵格信號GRID的關系（當*DEC由0→1后系統才讀取電氣柵格建立參考點），抓住了這一細節才能從根本上解決問題。熟悉與回參考點相關的參數，如：#1006，#1821，#1850，#1815 和 #3003等，掌握參數的含義以及調整方法對解決回參考點故障大有裨益，在平時工作中應注意積累并經常加以運用。

4 結語

在排除機床回參考點故障時，可以采取以下思路：首先，仔細觀察故障現象和細節，包括報警內容是什么、回零速度是否正常、以及故障是否有規律等。其次，在掌握回參考點原理的基礎上，充分利用和PMC相關的地址信號狀態，把故障現象和回參考點步驟結合或進行“比對”，找出問題出在哪一步。最后，分析和故障點有關的可能原因（有時是多方面的）并進行一一檢測，并設法從根本上排除故障。