摘要：臥式鏜銑床廠家分析了數(shù)控機床返回參考點的原理，結(jié)合具體數(shù)控機床事例，對故障各種形式進(jìn)行分析、診斷及排除，并提出了對加工中心機床換刀點的改進(jìn)意見。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；參考點；故障診斷；排除
0前言
手動回參考點操作是建立機床坐標(biāo)系的前提， 絕大多數(shù)數(shù)控機床開機后的第一動作一般都是手動操作回參考點。若回參考點出現(xiàn)故障將無法進(jìn)行程序加工，回參考點的位置不準(zhǔn)確將影響到加工精度，甚至出現(xiàn)撞車事故。分析和排除回參考點故障問題是非常必要的。
1 返回參考點的原理
數(shù)控機床按照控制理論可分為閉環(huán)、半閉環(huán)、開環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)裝 有檢測最終直線位移的反饋裝置，半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置測量裝置安裝在伺服電動機轉(zhuǎn)動軸上或絲桿的端部，也就是說反饋信號取自角位移，而開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)不帶位置檢測反饋裝置。對于閉環(huán)、半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，通常利用位移檢測反饋裝置脈沖編碼器或光柵尺進(jìn)行回參考點定位，即柵格法回參考點。而開環(huán)系統(tǒng)則需另外加裝檢 測元件，通常利用磁感應(yīng)開關(guān)回參考點定位，即磁開關(guān)法回參考點。無論采用哪種回參考點操作，為保證準(zhǔn)確定位，在到達(dá)參考點之前必須使數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)自動減速，因此在多數(shù)數(shù)控機床上安裝減速擋塊及相應(yīng)的檢測元件。柵格法根據(jù)檢測反饋元件計量方法的不同又可分為絕對柵格法和增量柵格法。采用絕對脈沖編碼器 或光柵尺回參考點的稱為絕對柵格法，在機床調(diào)試時，通過參數(shù)設(shè)置和機床回零操作確定參考點， 只要檢測反饋元件的后備電池有效， 此后每次開機， 均記錄有參考點位置信息，因而不必再進(jìn)行回參考點操作。采用增量式編碼器或光柵尺回參考點的稱為增量柵格法，在每次開機時都需要回參考點。不同數(shù)控系統(tǒng)返回參考點的動作、細(xì)節(jié)有所不同，圖1中以某數(shù)控銑床(采用FANUC 0i 系統(tǒng))為例，簡要敘述增量柵格法返回零點的原理和過程。在圖1中，快速進(jìn)給速度參數(shù)、慢速進(jìn)給速度參數(shù)、加減速時間常數(shù)、柵格偏移量等參數(shù)分別由數(shù)控系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)設(shè)定。機床返回參考點的操作步驟為：
a.將方式開關(guān)撥到“回參考點”檔，選擇返回參考點的軸，按下該軸正向點動按鈕，該軸以快速移動速度移向參考點；
b.當(dāng)與工作臺一起運動的減速擋塊壓下減速開關(guān)觸點時，減速信號由通(ON) 轉(zhuǎn)為斷(OFF) 狀態(tài)，工作臺進(jìn)給會減速，按參數(shù)設(shè)定的慢速進(jìn)給速度繼續(xù)移動。減速可削弱運動部件的移動慣量，使零點停留位置準(zhǔn)確；
c.柵格法是采用脈沖編碼器上每轉(zhuǎn)出現(xiàn)一次的柵格信號(又稱一轉(zhuǎn)信號PCZ) 來確定參考點，當(dāng)減速擋塊釋放減速開關(guān)，觸點狀態(tài)由斷轉(zhuǎn)為通后，數(shù)控系統(tǒng)將等待編碼器上的第一個柵格信號的出現(xiàn)。該信號一出現(xiàn)，工作臺運動就立即停止，同時數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出參考點返回完成信號，參考點燈亮，表明機床該軸回參考點成功。有的數(shù)控機床在減速信號由通(ON ) 轉(zhuǎn)為斷(OFF) 后，減速向前繼續(xù)運動。當(dāng)又脫開開關(guān)后，軸的運動方向則向相反的進(jìn)給方向運動，直到數(shù)控系統(tǒng)接受到第一個零點脈沖，軸停止運動。

圖1 增量柵格法回參考點原理

開環(huán)系統(tǒng)沒有位移檢測反饋裝置脈沖編碼器或光柵尺，所以不會產(chǎn)生柵格信號，通常利用磁感應(yīng)開關(guān)回參考點定位。下面以某數(shù)控車床為例簡要敘述磁開關(guān)法返回參考點的原理和過程。在圖2中，快速進(jìn)給速度參數(shù)、慢速進(jìn)給速度參數(shù)、加減速時間常數(shù)、偏移量等參數(shù)分別由數(shù)控系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)設(shè)定。返回參考點的操作步驟為：
前兩步同柵格法返回參考點的操作步驟，第三步為減速擋塊釋放減速開關(guān)，觸點狀態(tài)由斷轉(zhuǎn)為通后，數(shù)控系統(tǒng)將等待感應(yīng)開關(guān)信號的出現(xiàn)。該信號一出現(xiàn)，工作臺運動就立即停止，同時數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出參考點返回完成信號，參考點燈亮，表明機床回該軸參考點成功。

圖2 磁開關(guān)法回參考點原理

2數(shù)控機床回參考點故障診斷與分析
當(dāng)數(shù)控機床回參考點出現(xiàn)故障時，首先應(yīng)由簡單到復(fù)雜，進(jìn)行全面檢查。先檢查原點減速擋塊是否松動、減速開關(guān)固定是否牢固、開關(guān)是否損壞，若無問題，應(yīng)進(jìn)一步用千分表或激光測量儀檢查機械相對位置的漂移量、檢查減速開關(guān)位置與原點之間的位置關(guān)系， 然后檢查伺服電機每轉(zhuǎn)的運動量、指令倍率比(CMR)及檢測倍乘比(DMR)，再檢查回原點快速進(jìn)給速度的參數(shù)設(shè)置及接近原點的減速速度的參數(shù)設(shè)置。數(shù)控機床回參考點不穩(wěn)定，不但會直接影響零件加工精度，對于加工中心機床，還會影響到自動換刀。根據(jù)經(jīng)驗，數(shù)控機床回參考點出現(xiàn)的故障大多出現(xiàn)在機床側(cè)，以硬件故障居多，但隨著機床元器件的老化，軟故障也時有發(fā)生，筆者介紹幾種常見的數(shù)控機床回參考點故障及其對策。
2.1機床能夠執(zhí)行返回參考點操作，回參考點綠燈亮，但返回參考點時出現(xiàn)停止位置漂移，且沒有報警產(chǎn)生，該故障一般有兩種情況：
a.機床開機后首次手動回參考點時，偏離參考點一個或幾個柵格距離，以后每次進(jìn)行回參考點操作所偏離的距離是一定的。一般造成這種故障的原因是減速擋塊位置不正確；減速擋塊的長度太短或參考點用的接近開關(guān)的位置不當(dāng)。該故障一般在機床首次安裝調(diào)試后或大修后發(fā)生，可通過調(diào)整減速擋塊的位置或接近開關(guān)的位置來解決，或者通過調(diào)整回參考點快速進(jìn)給速度、快速進(jìn)給時間常數(shù)來解決；
b.偏離參考點任意位置，即偏離一個隨機值或出現(xiàn)微小偏移，且每次進(jìn)行回參考點操作所偏離的距離不等。這種故障可考慮下列因素并實施相應(yīng)對策：外界干擾，如電纜屏蔽層接地不良，脈沖編碼器的信號線與強電電纜靠得太近；脈沖編碼器或光柵尺用的電源電壓太低(低于4.75 V)或有故障；速度控制單元控制板不良；進(jìn)給軸與伺服電機之間的聯(lián)軸器松動；電 纜連接器接觸不良或電纜損壞?？上攵?，數(shù)控機床發(fā)生這類故障對用戶來說是最可怕的，因為對于進(jìn)行批量加工生產(chǎn)的數(shù)控機床，若機床每天所進(jìn)行的回參考點操 作所定位的位置不穩(wěn)定，機床加工時的工件坐標(biāo)系會隨每次進(jìn)行回參考點操作參考點的漂移而產(chǎn)生漂移，機床所加工的批量零部件尺寸精度會出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，而且極易造成批量廢品。
例如，某公司的KMC- 2000SD 立式加工中心機床(配FANUC 15MA系統(tǒng))在加工零件過程中，X 軸回參考點時常漂移，距離不等，且沒有被及時發(fā)現(xiàn)，最后導(dǎo)致批量零件報廢事件。經(jīng)反復(fù)查找，故障原因在于X 軸編碼器信號電纜因長期磨損、失去屏蔽作用而導(dǎo)致X 軸回參考點不穩(wěn)定。
對于將各坐標(biāo)軸參考點設(shè)為換刀點的加工中心機床， 若回參考點位置不穩(wěn)定，造成每次換刀位置不穩(wěn)定， 則會經(jīng)常出現(xiàn)換刀故障。如某公司的TH66100 臥式加工中心，自動換刀時，由于換刀點位置的不穩(wěn)定而導(dǎo)致?lián)Q刀過程中經(jīng)?？ňo，換刀動作停止，同時刀具拉釘極易傷害機床主軸。因此，要求數(shù)控機床操作人員在各坐標(biāo)軸每次回參考點時應(yīng)特別注意觀察定位停止時的位置。
2.2機床在返回參考點時發(fā)出超程報警(OVER TROVERL+X 或+Y 或+Z)，回參考點綠燈不亮，數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)“NOT READY”狀態(tài)，機床回參考點失敗該故障由于存在報警，機床不會執(zhí)行任何程序，不會出現(xiàn)上述加工件批量廢品現(xiàn)象。這種故障一般有四種情況
a.機床回參考點時無減速動作，一直運動到觸及限位開關(guān)超程而停機。這種情況是因為返回參考點減速開關(guān)失效，開關(guān)接觸壓下后不能復(fù)位，或減速擋塊松動而移位，機床回參考點時零點脈沖不起作用，致使減速信號沒有輸入到數(shù)控系統(tǒng)。解除機床的坐標(biāo)超程應(yīng)使用“超程解除”功能按鈕，并將機床移回行程范圍以內(nèi)，然后應(yīng)檢查 回參考點減速開關(guān)是否松動及相應(yīng)的行程開關(guān)減速信號線是否有短路或斷路現(xiàn)象。
例如，某配套FANUC 11M 的加工中心，在回參考點過程中，發(fā)生超程報警。
分析與處理：經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)該機床在回參考點時，當(dāng)壓下減速開關(guān)后，坐標(biāo)軸無減速動作，由此判斷故障原因應(yīng)在減速檢測信號上。通過系統(tǒng)的輸入狀態(tài)顯示，發(fā)現(xiàn)該信號在回參考點減速擋塊壓合與松開情況下，狀態(tài)均無變化。對照原理圖檢查線路，確認(rèn)該軸的回參考點減速開關(guān)由于切削液的侵入而損壞。更換開關(guān)后，機床恢復(fù)正常。
b.回歸參考點過程有減速，但直到觸及極限開關(guān)報警而停機，沒有找到參考點，回歸參考點操作失敗。產(chǎn)生該故障可能是減速后參考點的零標(biāo)志位信號不出現(xiàn)。這有4種可能：①可能是編碼器(或光柵尺)在 回歸參考點操作中沒有發(fā)出已經(jīng)回歸參考點的零標(biāo)志位信號；②可能是回歸參考點零標(biāo)記位置失效；③可能是回歸參考點的零標(biāo)志位信號在傳輸或處理過程中丟 失；④可能是測量系統(tǒng)硬件故障，對回歸參考點的零標(biāo)志位信號不識別。這可使用信號跟蹤法，用示波器檢查編碼器回歸參考點的零標(biāo)志位信號，判斷故障。
例如，1臺采用SINUMERIK SYSTEM3的數(shù)控磨床，Z軸找不到參考點。觀察尋找參考點過程，Z 軸首先快速運動，然后減速運動，一直壓到極限開關(guān)，產(chǎn)生報警。
分析與處理：Z軸能減速運動，說明零點開關(guān)沒有問題，可能是數(shù)控系統(tǒng)接收不到零標(biāo)志位信號。經(jīng)檢查，編碼器內(nèi)有油污，使零標(biāo)志信號不能輸出。將編碼器取下清洗，重新安裝，故障消除。
c.回歸參考點過程有減速，且有回歸參考點的零標(biāo)志位信號出現(xiàn)，也有制動到零的過程，但參考點的位置不準(zhǔn)確，即返回參考點操作失敗。該故障可能有3種可能：①可能是回歸參考點的零標(biāo)志位信號已被錯過，只能等待脈沖編碼器再轉(zhuǎn)1周后，測量系統(tǒng)才能找到該信號而停機，使工作臺停在距參考點1個選定間距的位置(相當(dāng)編碼器1轉(zhuǎn)的機床的位移量)。②可能是減速檔塊離參考點位置太近，坐標(biāo)軸未移動到指定距離，就接觸到極限開關(guān)而停機。③可能是由于信號干擾、擋塊松動、回歸參考點零標(biāo)志位信號電壓過低等因素致使工作臺停止的位置不準(zhǔn)確，且無規(guī)律性。
例如，某臺經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床（FANUC 0T數(shù)控系統(tǒng)），X 軸經(jīng)常出現(xiàn)原點漂移，且每次漂移量為10 mm 左右。分析與處理：由于每次漂移量基本固定，懷疑與X 軸回參考點有關(guān)。經(jīng)檢查，相關(guān)的參數(shù)沒有發(fā)現(xiàn)問題。檢查安裝在機床上的減速擋塊及接近開關(guān)，發(fā)現(xiàn)擋塊與接近開關(guān)的距離太近。重新調(diào)整減速擋塊位置，將其控制在該軸絲杠螺距(該軸的螺距為10 mm) 的一半，約為6±1 mm 左右，故障則排除。
d.機床在返回基準(zhǔn)點時，發(fā)出“未返回參考點”報警，機床不執(zhí)行返回參考點動作，其原因可能是因改變了設(shè)定參數(shù)所致。出現(xiàn)這種情況應(yīng)考慮檢查數(shù)控機床的如下參數(shù)：①指令倍率比(CMR)是否設(shè)為零；②檢測倍乘比(DMR) 是否設(shè)為零；③回參考點快速進(jìn)給速度是否設(shè)為零；④接近原點的減速速度是否設(shè)為零等；⑤機床操作面板快速倍率開關(guān)及進(jìn)給倍率開關(guān)是否設(shè)置了0%檔。
3 結(jié)論
綜上所述， 數(shù)控機床回參考點故障歸結(jié)起來不外乎兩種情況: 一是機床回參考點時有報警發(fā)生， 回參考點失??；二是機床回參考點時無報警發(fā)生，但在每次回參考點時卻出現(xiàn)停止時的漂移。對于第一種情況， 由于數(shù)控機床回參考點故障有報警存在， 數(shù)控系統(tǒng)不會執(zhí)行用戶所編輯的任何加工程序，從而避免批量廢品產(chǎn)生。而對于第二種情況，由于機床每次回參考點時均未產(chǎn)生報警， 但回參考點出現(xiàn)漂移的故障現(xiàn)象是存在的， 而機床操作人員卻沒有及時發(fā)現(xiàn)， 造成了加工件的廢品， 甚至是批量廢品。
尤其對于加工中心，現(xiàn)在很多機床將其坐標(biāo)軸參考點作為換刀點。這樣由于長時間的運行加工， 不僅影響回參考點開關(guān)的壽命， 而且還容易產(chǎn)生機床回參考點故障，特別是非報警類參考點漂移性故障。因此， 筆者建議設(shè)置第二參考點， 位置離開參考點一段距離為佳， 采用G30 X0 Y0 Z0 指令， 而非G28 X0 Y0 Z0 指令。這樣可大大降低機床回參考點故障率和自動換刀故障率，而機床開機時只回參考點一次即可。當(dāng)然，這樣做會給刀庫和機械手在加工中心機床中的位置設(shè)計帶來了一定的難度， 但筆者認(rèn)為從降低機床回參考點故障率和自動換刀故障率以及規(guī)范合理的角度來看， 這樣做還是很有必要的。