機床位置反饋系統工作不穩定的原因及處理

林超青

昌河飛機工業（集團）有限責任公司 江西景德鎮 333002

1 序言

我公司一臺FZ32五坐標高速加工中心在A軸回零過程中，經常發生回零不準確或回零后零點位置不準確等問題，需要多次回零或修正系統參數校正零點。給設備操作和使用帶來很大的困擾和風險，稍不注意就會造成零件報廢，但是數控系統沒有任何報警和提示，機床照常運行。

2 故障原因分析及處理

FZ32五坐標高速加工中心在A軸回零過程中經常發生回零不準確或回零后零點位置不準確。主要原因是機床位置反饋系統工作不穩定，回零時零點信號出現偏差，導致回零后零點位置不準確。引起機床位置反饋系統工作不穩定的可能原因涉及軟件和硬件兩方面。軟件方面的原因主要有數控系統軟件不穩定或遭到損壞，有關機床回零的系統參數設置不合理，PLC程序編寫有漏洞等。硬件方面的原因主要有光柵尺或編碼器（圓光柵）有缺陷，接地或屏蔽不良，電纜及接頭有缺陷，以及伺服驅動的軸控制板有問題等。具體的原因要根據實際情況進行排查和處理。

2.1 機床A軸回零不準確由軟件問題導致的可能性

如果數控系統軟件內部文件丟失，病毒破壞文件數據，PLC程序編制有漏洞，就會使機床運行不穩定；如果位置測量與反饋有關參數設置不合理，回零誤差大，就可能導致零點位置不準確。

（1）數控系統軟件內部文件數據遭病毒破壞而丟失 該機床在運行過程中，數控系統多次發生中病毒事故，導致Windows系統文件丟失，無法進入Windows系統。經過系統修復并完善丟失的文件后，Windows才恢復正常工作。對于機床回零不準確的問題是否由數控系統軟件受損引起的可能性無法排除。

為確認和修復數控系統軟件的完好性，可以使用數控系統西門子840D的備份和還原功能，對數控系統進行修復。主要步驟是對數控系統和PLC進行清除復位，然后利用備份壓縮文件進行解壓還原，在數控系統單元中重新安裝數控系統和PLC文件。對該機床數控系統進行系統還原恢復后，重新起動機床進行回零測試，發現回零位置不準確的現象依然存在。檢查數控系統與位置測量、反饋及回零有關的參數，與設備出廠的設置一致，因此參數設置變化的可能性可以排除。

為徹底驗證回零不準確的現象是否由數控系統軟件造成，可以利用該設備的出廠離線備份文件進行系統覆蓋和還原。該機床交付驗收時進行了操作系統Windows和數控系統的硬盤備份，并制作了備份硬盤。對該機床更換備份硬盤后，重新起動機床進行回零測試，結果回零位置不準確的問題沒有消除。因此系統軟件受損或參數設置不合理的可能性可以排除。

（2） PLC程序編制有漏洞 編制的PLC程序有漏洞，機床回零時動作不準確，也有可能導致回零錯誤，出現回零位置誤差。利用西門子S7-300軟件對該機床的PLC程序進行檢查，發現該機床的PLC程序并沒有對機床A軸的回零動作進行編程，A軸的回零動作是由數控系統軟件和系統參數進行設置的。因此，該機床A軸回位置度不準確的問題是由PLC程序造成的可能性可以排除。

2.2 機床A軸回零不準確由硬件問題導致的可能性

光柵尺或編碼器（圓光柵）有缺陷，接地或屏蔽不良，電纜及接頭有缺陷，以及伺服驅動的軸控制板有問題等，都有可能導致機床位置反饋系統工作不穩定，回零時零點信號出現偏差，回零后零點位置不準確。具體的原因要根據實際情況進行排查和處理。

（1）光柵尺或編碼器（圓光柵）有缺陷 如果光柵尺或編碼器（圓光柵）有缺陷，會導致回零信號出現誤差，回零位置不準確。檢查機床A軸的編碼器（見圖1）和電纜，其外觀干凈無破損，線纜也沒有折損。因此，編碼器（圓光柵）和電纜機械受損的可能性可以排除。

用海德漢光柵尺測試儀PWT18對編碼器（圓光柵）進行信號測試（見圖2），測試結果發現該編碼器的信號波形完好無畸變，幅值正常，在1V左右?；亓銜r零點信號標志穩定正常，并且信號幅值也符合要求。因此，光柵尺或編碼器（圓光柵）有缺陷導致回零位置誤差的可能性可以排除。

圖1 海德漢編碼器

圖2 海德漢編碼器信號測試

圖3 配電柜地線和零線

（2）接地或屏蔽不良 如果屏蔽層、接地線安裝不正確，或使用過程中屏蔽層、接地線接觸不良，那么屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內有時會出現感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。如果系統接地與其他接地（見圖3、圖4）處理混亂，所產生的接地環流就可能在地線上產生不等電位分布，從而影響邏輯電路和模擬電路的正常工作。

檢查設備的地線與電網配電柜地線之間的連接：連接良好，兩者之間的電阻為0。因此，設備的地線與電網配電柜地線之間的連接沒有問題。

檢查編碼器（圓光柵）的接地與電網配電柜地線之間的連接：連接良好，兩者之間的電阻為0。因此，編碼器（圓光柵）的接地與電網配電柜地線之間的連接沒有問題。

檢查編碼器（圓光柵）的屏蔽層與電網配電柜地線之間的連接：連接良好，兩者之間的電阻為0。因此，編碼器（圓光柵）的屏蔽層與電網配電柜地線之間的連接沒有問題。

經過檢查，接地或屏蔽不良導致回零位置誤差的可能性可以排除。

（3）伺服驅動的軸控制板有問題 對于西門子611D伺服驅動，光柵尺或編碼器（圓光柵）的電纜及信號都是接到驅動模塊的軸控制板上，由軸控制板進行相應的處理后把數據送到數控系統。如果西門子611D伺服驅動的軸控制板有缺陷，也會造成位置測量與反饋出現誤差，導致回零位置不準確。

為檢查軸控制板的可靠性，對該伺服驅動更換一個同型號的軸控制板進行測試。測試結果發現，更換新的軸控制板后，回零位置不準確的問題依舊存在。因此，軸控制板存在問題而導致回零位置誤差的可能性可以排除。

（4）電纜及接頭有缺陷 如果編碼器（圓光柵）電纜存在拉伸或折損現象，電纜接頭焊接或壓接不良會導致編碼器（圓光柵）讀數頭與軸控制板接頭之間的電阻增大，編碼器（圓光柵）的輸出信號將衰減。若軸控制板接收到的信號強度處于臨界狀態，那么軸控制板和數控系統進行數據處理時就有可能造成誤差。如果軸控制板與數控系統對位置測量和反饋數據處理得不精確，就會導致坐標軸無法準確回零。

檢查編碼器（圓光柵）電纜，從編碼器（圓光柵）接頭開始一直到軸控制板，電纜沒有破損或折損現象。檢查編碼器（圓光柵）電纜接頭：編碼器（圓光柵）電纜是由兩段線連接而成，編碼器（圓光柵）自帶一段電纜（稱為電纜1）和接頭，另一段電纜（稱為電纜2）是與編碼器（圓光柵）自帶電纜連接，另一頭接到軸控制板。結果發現電纜2與編碼器（圓光柵）相連插頭的一個針腳虛接。對該針腳進行處理后，對機床進行測試，結果故障消除，機床每次回零動作都準確，零點角度都符合參數設置要求。

因此可以確定，該機床回零位置不準確是由于插頭的針腳虛接造成的，插頭針腳虛接會造成電阻增大，信號衰減，最終致使回零位置出現差錯。

圖4 機床接地

3 結束語

對于數控機床位置測量和反饋的軟故障，回零或機床運行時坐標軸無規律地出現差錯，這類故障一般都是由位置測量和反饋系統受到信號干擾或電纜、屏蔽層、接地線等接觸不良引起的。分別對造成故障的各種可能性進行排查，才能最終找到產生故障的原因，并排除故障，才會取得比較好的效果。