數(shù)控機(jī)床回參考點(diǎn)原理及故障排除

關(guān)進(jìn)良，戰(zhàn)祥鑫，劉 鑫，孫書芃

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

0 引言

數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系一般包括機(jī)床坐標(biāo)系、絕對(duì)坐標(biāo)系和相對(duì)坐標(biāo)系等，這些坐標(biāo)系建立的前提是機(jī)床能夠正常回參考點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床參考點(diǎn)（也稱“機(jī)床零點(diǎn)”）由機(jī)床制造商在機(jī)床出廠之前精確測(cè)定的，它與機(jī)床原點(diǎn)的相對(duì)位置（FANUC系統(tǒng)通過(guò)#1240參數(shù)設(shè)定的）是固定的，數(shù)控銑床參考點(diǎn)和機(jī)床原點(diǎn)通常是重合的，數(shù)控車床的參考點(diǎn)是離機(jī)床原點(diǎn)最遠(yuǎn)的極限點(diǎn)。另外，故障記錄統(tǒng)計(jì)數(shù)控銑床或加工中心約有30%的故障與回參考點(diǎn)有關(guān)，因此有必要研究回參考點(diǎn)原理和典型故障排除方法。

1 數(shù)控機(jī)床回參考點(diǎn)方式

（1）增量方式。增量方式回參考點(diǎn)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(guān)或感應(yīng)開關(guān)（發(fā)出減速信號(hào)）的配合下建立參考點(diǎn)。目前大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床上選用增量編碼器回參考點(diǎn)，機(jī)床斷電后，參考點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)丟失，每次開機(jī)后首先要進(jìn)行回參考點(diǎn)操作。此外，以下2種情況也需要回參考點(diǎn)：①連續(xù)重復(fù)加工后，回參考點(diǎn)消除機(jī)床移動(dòng)部件的累積誤差；②遇到超程或者急停報(bào)警后，位置信息可能丟失，在恢復(fù)機(jī)床正常運(yùn)行時(shí)要進(jìn)行返回參考點(diǎn)操作。本文主要研究FANUC系統(tǒng)增量式回參考點(diǎn)原理及其相關(guān)故障排除方法。

（2）絕對(duì)方式。絕對(duì)方式回參考點(diǎn)也稱為“無(wú)擋塊回零”，是采用絕對(duì)式編碼器建立的參考點(diǎn)，無(wú)需每次開機(jī)后回參考點(diǎn)操作，系統(tǒng)斷電后，機(jī)床位置數(shù)據(jù)被保存在S-RAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）中，并由專用后備電池來(lái)保持?jǐn)?shù)據(jù)，一旦數(shù)控系統(tǒng)提示電池電量不足，應(yīng)及時(shí)更換。需要注意的是，在更換伺服放大器、電機(jī)或者反饋電纜后，S-RAM中的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失，需要重新設(shè)置參考點(diǎn)。

（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(shù)來(lái)建立參考點(diǎn)的，這類光柵尺的柵格距離不像傳統(tǒng)光柵尺是固定的，是按照一定比例系數(shù)變化的，當(dāng)機(jī)床某軸返回零點(diǎn)時(shí)，只需要在任意位置移動(dòng)一個(gè)相對(duì)較小的距離，待數(shù)控系統(tǒng)識(shí)別到幾個(gè)不等距離的柵格信號(hào)后，會(huì)自動(dòng)計(jì)算出軸當(dāng)前的位置“找到”機(jī)床參考點(diǎn)。這種方式主要應(yīng)用在各軸行程較長(zhǎng)的機(jī)床上（如大型數(shù)控龍門銑床），減少每次回參考點(diǎn)所用時(shí)間。

2 FANUC系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床回參考點(diǎn)原理

目前增量式編碼器在數(shù)控機(jī)床上較為普遍，這里以增量方式回參考點(diǎn)為例介紹回零原理。當(dāng)機(jī)床進(jìn)入回參考點(diǎn)模式后，先快速向減速擋塊方向移動(dòng)，當(dāng)減速開關(guān)被擋塊壓下后開始以FL速度減速移動(dòng)（參數(shù)#1425中數(shù)值），回零開關(guān)彈起，系統(tǒng)讀到電氣上柵格后參考點(diǎn)建立。返回參考點(diǎn)完成之后，機(jī)床工件坐標(biāo)系（G54等）建立，第二參考點(diǎn)（如換刀點(diǎn)）、螺距誤差補(bǔ)償功能方可生效。回參考點(diǎn)詳細(xì)步驟如下，時(shí)序圖見圖1。

圖1 回參考點(diǎn)時(shí)序

（1）在回參考點(diǎn)方式下，選擇軸并快速移動(dòng)，相應(yīng)的PMC地址信號(hào)狀態(tài)是G43.0（MD1），G43.2（MD4）和 G43.7（ZRN）同時(shí)為1，G100/G1O2 （+/-Jn）→1，n代表第n軸。

（2）擋塊壓下減速開關(guān)，軸減速運(yùn)行（FL速度），對(duì)應(yīng)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(guān)彈起，相應(yīng)的PMC地址信號(hào)*DECn由0→1。

（4）系統(tǒng)讀到電氣柵格信號(hào)，找到參考點(diǎn)。此時(shí)CNC向PMC發(fā)出參考點(diǎn)返回完成信號(hào)F94（ZPn）和參考點(diǎn)建立信號(hào)F120（ZRFn）。

3 典型故障維修實(shí)例

3.1 VMC1600立式加工中心X軸返回參考點(diǎn)故障

（1）故障現(xiàn)象。該加工中心在執(zhí)行回參考點(diǎn)操作時(shí)，X軸一直以固定速度（慢速）移動(dòng)，直到撞到軟限位報(bào)警，反復(fù)操作，故障復(fù)現(xiàn)。

（2）故障分析及排除方案。該機(jī)床采用FANUC 0i-MC數(shù)控系統(tǒng)，半閉環(huán)控制，觀察到回參考點(diǎn)時(shí)一直以參數(shù)#1425中設(shè)定的FL速度運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有速度變化，依據(jù)回參考點(diǎn)原理和步驟分析，問(wèn)題很可能出在第2步，為了進(jìn)一步確定故障點(diǎn)可以借助機(jī)床PMC觀察信號(hào)變化情況，SYSTEM→PMC→PMCDGN→STATUS→查看*DECX狀態(tài)（圖2），發(fā)現(xiàn)不論減速開關(guān)是否被壓下，*DECX一直為“0”，顯然X9.0沒(méi)有接通+24 V電源，可能原因：①減速開關(guān)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(jīng)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，減速開關(guān)+24 V電纜接線端子已斷開，重新焊接后故障排除。

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

3.2 某數(shù)控銑床Y軸返回參考點(diǎn)隨機(jī)故障

（1）故障現(xiàn)象。某數(shù)控銑床Y軸在返回參考點(diǎn)過(guò)程中，減速后有時(shí)直接撞向軟限位報(bào)警，有時(shí)正常回參考點(diǎn)，且無(wú)規(guī)律。

圖2 信號(hào)*DECX狀態(tài)界面

（2）故障分析及排除方案。該機(jī)床采用FANUC 0i-MC數(shù)控系統(tǒng)，半閉環(huán)控制，從回參考點(diǎn)原理上分析，Y軸能快速移動(dòng)，說(shuō)明第1步順利通過(guò)，有減速動(dòng)作說(shuō)明第2步的*DEC信號(hào)1→0正常，進(jìn)入機(jī)床PMC查看I/O狀態(tài)，觀察到*DEC由1→0→1變化，第3步也正常。基本可以推斷，問(wèn)題出在了第4步（系統(tǒng)沒(méi)有接收到電氣柵格信號(hào)），主要原因是減速開關(guān)的通/斷靈敏度較差或機(jī)械熱變形等，導(dǎo)致*DECY信號(hào)觸發(fā)不穩(wěn)定。如圖3所示，當(dāng)信號(hào)正常到來(lái)時(shí)（或者相對(duì)早觸發(fā)）系統(tǒng)能及時(shí)讀到柵格信號(hào)①完成回參考點(diǎn)，當(dāng)信號(hào)相對(duì)來(lái)遲時(shí)，錯(cuò)過(guò)了柵格信號(hào)①，在等待讀入柵格信號(hào)②的過(guò)程中碰到了軟限位（虛線處）報(bào)警，即減速擋塊位置距離參考點(diǎn)太近，使其處于了特殊的“臨界狀態(tài)”，導(dǎo)致回參考點(diǎn)時(shí)而成功，時(shí)而失敗。

對(duì)于此類故障，比較簡(jiǎn)單的解決方式是調(diào)整軟限位參數(shù)#1320→9999999、#1321→-9999999，再重新回參考點(diǎn)，完成后恢復(fù)參數(shù)原值。這種方式“治標(biāo)不治本”，后續(xù)還有可能故障復(fù)現(xiàn)，若要徹底解決故障，一般有以下2種方式：①調(diào)整參數(shù)#1850（柵格位移量/參考點(diǎn)位移量）由0→3000，具體數(shù)值可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況多次回參考點(diǎn)試驗(yàn)而定。②調(diào)整減速擋塊位置，同時(shí)觀察診斷302的值，使診斷302中的數(shù)值約等于參數(shù)#1821（參考計(jì)數(shù)器容量）設(shè)定值的一半，即使柵格信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)刻距離減速信號(hào)從“0”到“1”時(shí)相距約半個(gè)柵格信號(hào)周期。以上2種調(diào)整方式的共同目的是使回參考點(diǎn)遠(yuǎn)離“臨界狀態(tài)”，徹底排除故障。

圖3 回參考點(diǎn)故障原因示意

（3）小結(jié)。解決該故障的關(guān)鍵是了解*DEC信號(hào)與電氣柵格信號(hào)GRID的關(guān)系（當(dāng)*DEC由0→1后系統(tǒng)才讀取電氣柵格建立參考點(diǎn)），抓住了這一細(xì)節(jié)才能從根本上解決問(wèn)題。熟悉與回參考點(diǎn)相關(guān)的參數(shù)，如：#1006，#1821，#1850，#1815 和 #3003等，掌握參數(shù)的含義以及調(diào)整方法對(duì)解決回參考點(diǎn)故障大有裨益，在平時(shí)工作中應(yīng)注意積累并經(jīng)常加以運(yùn)用。

4 結(jié)語(yǔ)

在排除機(jī)床回參考點(diǎn)故障時(shí)，可以采取以下思路：首先，仔細(xì)觀察故障現(xiàn)象和細(xì)節(jié)，包括報(bào)警內(nèi)容是什么、回零速度是否正常、以及故障是否有規(guī)律等。其次，在掌握回參考點(diǎn)原理的基礎(chǔ)上，充分利用和PMC相關(guān)的地址信號(hào)狀態(tài)，把故障現(xiàn)象和回參考點(diǎn)步驟結(jié)合或進(jìn)行“比對(duì)”，找出問(wèn)題出在哪一步。最后，分析和故障點(diǎn)有關(guān)的可能原因（有時(shí)是多方面的）并進(jìn)行一一檢測(cè)，并設(shè)法從根本上排除故障。