數控機床回參考點故障診斷與維修

汪小寶 錢明珠

摘要：結合實際生產過程中數控機床回參考點故障的案例，對回參考點的方式和工作過程進行了詳細的闡述，由故障現象/信息→故障特征→判出故障類型→找出最可能的故障成因，進行“據理析象”。

關鍵詞：數控機床；回參考點；故障診斷

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）30-0265-02

Abstract： Based on the case of the fault of the return reference point of the numerical control machine tool in the actual production process， this paper elaborates the method and working process of the return reference point. From the fault phenomenon/information → fault feature → fault type → finding the most possible fault cause， it conducts the "theoretical analysis".

Key words： CNC machine tools；zero return； troubleshooting

數控機床按照進給系統的控制方式可分為開環、閉環、半閉環。開環系統由于難以實現較高的控制精度，在現代工業生產中較少使用。相對于全閉環系統，半閉環系統工作穩定，易于調試，可以實現比較好的精度，同時成本較低，在裝備制造業應用最為廣泛。本文主要介紹半閉環系統回參考點方式和工作過程，結合實際生產過程中回參有關故障，進行分析和診斷，對全閉環系統回參故障診斷也有一定的借鑒意義。

數控機床開機后一般都需要進行回零（回參考點）操作，回零成功后才能建立機床坐標系；同時，參考點是各種補償的基準點，能否正確回參考點影響零件的加工質量。因此，對回參考點的方式和工作過程熟悉和理解，在數控機床回參考點故障診斷與維修中帶來很大的方便，會大大減少故障診斷的時間，可以起到事半功倍的作用。

1 概述

在半閉環控制系統中， 用于速度和位置檢測的元件有絕對式編碼器和增量式編碼器兩種，這兩種編碼器的工作原理不同，機床進行回參考點的方式也不相同。對于配置絕對式編碼器的機床，系統斷電后，有后備電池對編碼器供電，系統會記憶當前點位在機床坐標系下的坐標值。因此，每次開機時無須進行回零操作。

對于配備增量式脈沖編碼器的機床，每次開機后都必須進行回零操作。

2 回參考點方式

數控機床返回參考點的方式，常用的有兩種方式，即柵格方式和磁性開關方式。柵格方式：數控機床如果接近原點的速度小于某一固定值，則總是停止于同一點，也就是說，回參考點的一致性性好。磁性開關方式：原點位置隨著伺服電機速度的變化而變化，即回原點的一致性不夠好。因此，目前大部分數控機床采用柵格方式回零。

增量式檢測裝置的數控機床一般有四種回參考點方式，本文主要介紹其中的常用的兩種方式。

（1）“正—負方式”：配置FANUC數控系統使用此方式，見圖1a。 回參考點時，軸先以系統設定速度（缺省值v1=1000mm/min）向參考點方向（正方向）快速移動，當減速擋塊碰到行程開關，軸減速到系統設定速度（缺省值v2=50mm/min）并向相反方向（負方向）運行。當系統收到第一個零脈沖信號，軸立即停止運動，此即為參考點位置（當系統參數中參考點偏移不為零時，會移動相應偏移量）。

（2）“正—負—正方式”： 配置華中數控系統使用此方式，見圖1b。 回參考點時，軸先以系統設定速度（缺省值v1=1000mm/min）向參考點方向（正方向）快速移動，當減速擋塊碰到行程開關，軸立即減速（缺省值v2=50mm/min）并反向（負方向）微動一小段距離，然后再次反向（正方向）運行。當系統收到第一個零脈沖信號，軸立即停止運動，此即為參考點位置（當系統參數中參考點偏移不為零時，會移動相應偏移量）。

從圖1中回零方式工作過程分析，數控機床正確回零依賴于兩個信號：

1）減速信號：一般設計為減速擋塊壓下行程開關觸點發出，此信號通過PLC輸入數控系統，作為回零的粗定位信號。

2）零脈沖信號：也叫Z脈沖信號，一轉信號，由編碼器Z脈沖產生，編碼器器每轉一圈會發出一個零脈沖信號信號，作為回零的精確定位信號。需要注意的是，在回零過程中，零脈沖信號并不是唯一的，電機和編碼器通過傳動機構連接，回零過程中電機轉過多少圈，會發出多少個零脈沖信號信號。工程師在兼顧經濟性的原則下進行了巧妙的設計，設定收到減速信號開始，此時系統收到的第一個零脈沖信號作為回零的精確定位信號，解決了.零脈沖信號唯一性的問題。這一實現方式也為某些極端情況下，帶來了故障隱患。

從圖1中回零方式工作過程分析，數控機床回參考點故障可分為兩種類型：

1）“找不到”參考點：減速信號和零脈沖信號任何一個缺失即會導致此故障。

2）“找不準”參考點：減速信號和零脈沖信號不良或發生偏移會導致此故障。

此故障又分為參考點隨機性不穩定和發生正螺距偏差兩種類型，此類故障比較隱蔽，回零操作正常，系統不會報警。往往在零件加工完成檢測時發現問題，危害也更大。

3 數控機床回零故障診斷與維修實例

3.1 “找不到”參考點故障1

故障現象：一臺數控車床，Z軸在回參考點過程中，發生超程報警。

分析及處理過程：經仔細檢查，確認急停保護回路正常，在保障設備安全的前提下對該故障進行復現。Z軸執行回零操作，坐標軸向正方向運行，機床Z軸超程報警?；亓氵^程中無減速動作，故障定位于減速信號不良。調出PLC狀態圖，手動按壓Z軸回零，行程開關對應觸點，發現該信號的狀態有變化。說明與回零有關的電氣線路和PLC部分工作正常。

機床工作方式切換到手動，調出PLC狀態圖，執行回零操作。發現減速擋塊壓到行程開關，該信號無變化。經仔細觀察，最終確認Z軸回零對應行程開關觸點彈簧失效，回零操作過程中減速擋塊壓到行程開關觸點，常開觸點不能完全閉合。更換行程開關后，機床恢復正常。

3.2 “找不到”參考點故障2

故障現象：一臺FANUC加工中心，回參考點的過程中，發生超程報警。

分析及處理過程：經現場了解，操作人員對設備不夠熟悉，回零操作時機床在參考點附近，沒有移開即開始了回參考點操作。

FANUC數控機床一般使用“正—負”方式回零，如圖1中a所示?；亓悴僮鲿r機床在參考點附近，軸先向正方向運行，由于機床當前位置已經越過了減速擋塊，自然收不到減速信號，故當機床在參考點附近，執行回零操作時會發生超程報警。

此故障屬誤用戶不熟悉機床操作規程導致，筆者嘗試在使用“正—負—正”方式回零的華中數控系統機床上進行實驗，機床在參考點附近執行回零操作，回零成功，不會出現此類故障。

3.3 “找不準”參考點故障

故障現象：一臺數控機床，回參考點動作正常，但參考點位置存在隨機性。

分析及處理過程：由于機床回參考點動作正常，說明數控系統軟件和硬件功能正常。根據機床回零工作示意圖1，參考點位置存在隨機性說明減速信號或零脈沖信號不良。

為確認問題的原因，遵循先易后難的原則，首先檢查了減速信號有關部分。減速擋塊固定螺釘鎖緊沒有問題，減速擋塊和行程開關觸點位置沒有問題，按壓行程開關觸點，感覺彈性良好，對減速擋塊上鐵屑進行了清理。懷疑行程開關內部是否有切削液入侵，拆開行程開關，對其進行維護處理。反復進行回零實驗，發現故障還存在。

因此，故障定位于零脈沖信號。先檢查編碼器與電機之間傳動部分，電機軸與絲桿聯軸器部分，沒有發現問題。

至此，故障定位于編碼器。拆開編碼器，沒有發現明顯的油污粉塵入侵，用示波器對編碼器進行檢測，沒有發現異?，F象。懷疑編碼器反饋信號收到干擾，仔細檢查編碼器信號電纜，雙端接地，沒有發現問題。懷疑編碼器供電是否可靠，在編碼器端測量電壓為4.75V。編碼器正常工作電壓為DC5V，由伺服放大器對編碼器進行外部供電，其對工作電壓質量要求較高，電壓偏低會導致其不能正常工作。為排除虛焊、接觸不良等接觸阻抗，線路上產生電壓降，導致編碼器工作電壓偏低。拆開編碼器接插在伺服放大器上的航空插頭，對DC5V供電的紅色和黑色線進行了重新焊接，并且分別用了兩股導線并聯供電。

反復多次進行回零實驗，故障沒有出現。說明故障原因是編碼器供電不足，導致反饋信號不良引起“找不準”參考點故障。

4結束語

通過上述幾例可以看出，數控機床正確回零依賴于兩個信號：減速信號和零脈沖信號。減速信號重點檢查行程開關、減速擋塊是否松動，是否有鐵屑，行程開關到PLC輸入端是否良好；零脈沖信號可以使用示波器對編碼器進行檢測，同時注意檢查編碼器是否有油污、粉塵侵入，編碼器、電機、絲桿間傳動鏈是否不良，編碼器電纜屏蔽是否不良。編碼器工作電壓（DC5V）質量要求較高，對于編碼器到電柜距離較遠的，建議用多股導線并聯供電，降低阻抗，減少導線上的電壓降。

參考文獻：

[1]張帆，等 .數控機床回參考點故障診斷及解決措施[J].設備管理與維修，2018（1）：71-73.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 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.

[5]潘海麗 .數控機床故障分析與維修（第二版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[6]鄭小年 .數控機床故障診斷與維修[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

[7]王侃夫 .數控機床故障診斷及維修[M].北京：機械工業出版社，2002.

[8]崔兆華 .數控機床電氣控制與維修[M].濟南：山東科學技術出版社，2009.

【通聯編輯：王力】