數(shù)控銑打機(jī)系統(tǒng)操作返回參考點(diǎn)的原理分析

本文分析了數(shù)控銑打機(jī)返回參考點(diǎn)的原理，結(jié)合具體數(shù)控銑打機(jī)事例，對故障各種形式進(jìn)行分析、診斷及排除，并提出了對數(shù)控銑打機(jī)的改進(jìn)意見。

手動(dòng)回參考點(diǎn)操作是建立機(jī)床坐標(biāo)系的前提， 絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)床開機(jī)后的第一動(dòng)作一般都是手動(dòng)操作回參考點(diǎn)。若回參考點(diǎn)出現(xiàn)故障將無法進(jìn)行程序加工，回參考點(diǎn)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(diǎn)故障問題是非常必要的。

1 返回參考點(diǎn)的原理

數(shù)控銑打機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上或絲桿的端部，也就是說反饋信號(hào)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(diǎn)定位，即柵格法回參考點(diǎn)。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(diǎn)定位，即磁開關(guān)法回參考點(diǎn)。無論采用哪種回參考點(diǎn)操作，為保證準(zhǔn)確定位，在到達(dá)參考點(diǎn)之前必須使數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)自動(dòng)減速，因此在多數(shù)數(shù)控機(jī)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(jì)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(diǎn)的稱為絕對柵格法，在機(jī)床調(diào)試時(shí)，通過參數(shù)設(shè)置和機(jī)床回零操作確定參考點(diǎn)， 只要檢測反饋元件的后備電池有效， 此后每次開機(jī)， 均記錄有參考點(diǎn)位置信息，因而不必再進(jìn)行回參考點(diǎn)操作。采用增量式編碼器或光柵尺回參考點(diǎn)的稱為增量柵格法，在每次開機(jī)時(shí)都需要回參考點(diǎn)。不同數(shù)控系統(tǒng)返回參考點(diǎn)的動(dòng)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(diǎn)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(shí)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(jī)床返回參考點(diǎn)的操作步驟為：

a.將方式開關(guān)撥到“回參考點(diǎn)”檔，選擇返回參考點(diǎn)的軸，按下該軸正向點(diǎn)動(dòng)按鈕，該軸以快速移動(dòng)速度移向參考點(diǎn);

b.當(dāng)與工作臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)的減速擋塊壓下減速開關(guān)觸點(diǎn)時(shí)，減速信號(hào)由通(ON) 轉(zhuǎn)為斷(OFF) 狀態(tài)，工作臺(tái)進(jìn)給會(huì)減速，按參數(shù)設(shè)定的慢速進(jìn)給速度繼續(xù)移動(dòng)。減速可削弱運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)慣量，使零點(diǎn)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(hào)(又稱一轉(zhuǎn)信號(hào)PCZ) 來確定參考點(diǎn)，當(dāng)減速擋塊釋放減速開關(guān)，觸點(diǎn)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(gè)柵格信號(hào)的出現(xiàn)。該信號(hào)一出現(xiàn)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)就立即停止，同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出參考點(diǎn)返回完成信號(hào)，參考點(diǎn)燈亮，表明機(jī)床該軸回參考點(diǎn)成功。有的數(shù)控機(jī)床在減速信號(hào)由通(ON ) 轉(zhuǎn)為斷(OFF) 后，減速向前繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)又脫開開關(guān)后，軸的運(yùn)動(dòng)方向則向相反的進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)，直到數(shù)控系統(tǒng)接受到第一個(gè)零點(diǎn)脈沖，軸停止運(yùn)動(dòng)。

圖1 增量柵格法回參考點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生柵格信號(hào)，通常利用磁感應(yīng)開關(guān)回參考點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)的操作步驟為：

前兩步同柵格法返回參考點(diǎn)的操作步驟，第三步為減速擋塊釋放減速開關(guān)，觸點(diǎn)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(hào)的出現(xiàn)。該信號(hào)一出現(xiàn)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)就立即停止，同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出參考點(diǎn)返回完成信號(hào)，參考點(diǎn)燈亮，表明機(jī)床回該軸參考點(diǎn)成功。

圖2 磁開關(guān)法回參考點(diǎn)原理

2數(shù)控機(jī)床回參考點(diǎn)故障診斷與分析

當(dāng)數(shù)控機(jī)床回參考點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，首先應(yīng)由簡單到復(fù)雜，進(jìn)行全面檢查。先檢查原點(diǎn)減速擋塊是否松動(dòng)、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(jī)械相對位置的漂移量、檢查減速開關(guān)位置與原點(diǎn)之間的位置關(guān)系， 然后檢查伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)量、指令倍率比(CMR)及檢測倍乘比(DMR)，再檢查回原點(diǎn)快速進(jìn)給速度的參數(shù)設(shè)置及接近原點(diǎn)的減速速度的參數(shù)設(shè)置。數(shù)控機(jī)床回參考點(diǎn)不穩(wěn)定，不但會(huì)直接影響零件加工精度，對于加工中心機(jī)床，還會(huì)影響到自動(dòng)換刀。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，數(shù)控機(jī)床回參考點(diǎn)出現(xiàn)的故障大多出現(xiàn)在機(jī)床側(cè)，以硬件故障居多，但隨著機(jī)床元器件的老化，軟故障也時(shí)有發(fā)生，筆者介紹幾種常見的數(shù)控機(jī)床回參考點(diǎn)故障及其對策。

2.1機(jī)床能夠執(zhí)行返回參考點(diǎn)操作，回參考點(diǎn)綠燈亮，但返回參考點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)停止位置漂移，且沒有報(bào)警產(chǎn)生，該故障一般有兩種情況：

a.機(jī)床開機(jī)后首次手動(dòng)回參考點(diǎn)時(shí)，偏離參考點(diǎn)一個(gè)或幾個(gè)柵格距離，以后每次進(jìn)行回參考點(diǎn)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(diǎn)用的接近開關(guān)的位置不當(dāng)。該故障一般在機(jī)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(diǎn)快速進(jìn)給速度、快速進(jìn)給時(shí)間常數(shù)來解決;

b.偏離參考點(diǎn)任意位置，即偏離一個(gè)隨機(jī)值或出現(xiàn)微小偏移，且每次進(jìn)行回參考點(diǎn)操作所偏離的距離不等。這種故障可考慮下列因素并實(shí)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(hào)線與強(qiáng)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(jī)之間的聯(lián)軸器松動(dòng);電 纜連接器接觸不良或電纜損壞。可想而知，數(shù)控機(jī)床發(fā)生這類故障對用戶來說是最可怕的，因?yàn)閷τ谶M(jìn)行批量加工生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床，若機(jī)床每天所進(jìn)行的回參考點(diǎn)操 作所定位的位置不穩(wěn)定，機(jī)床加工時(shí)的工件坐標(biāo)系會(huì)隨每次進(jìn)行回參考點(diǎn)操作參考點(diǎn)的漂移而產(chǎn)生漂移，機(jī)床所加工的批量零部件尺寸精度會(huì)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(jī)床(配FANUC 15MA系統(tǒng))在加工零件過程中，X 軸回參考點(diǎn)時(shí)常漂移，距離不等，且沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，最后導(dǎo)致批量零件報(bào)廢事件。經(jīng)反復(fù)查找，故障原因在于X 軸編碼器信號(hào)電纜因長期磨損、失去屏蔽作用而導(dǎo)致X 軸回參考點(diǎn)不穩(wěn)定。

對于將各坐標(biāo)軸參考點(diǎn)設(shè)為換刀點(diǎn)的加工中心機(jī)床， 若回參考點(diǎn)位置不穩(wěn)定，造成每次換刀位置不穩(wěn)定， 則會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)換刀故障。如某公司的TH66100 臥式加工中心，自動(dòng)換刀時(shí)，由于換刀點(diǎn)位置的不穩(wěn)定而導(dǎo)致?lián)Q刀過程中經(jīng)常卡緊，換刀動(dòng)作停止，同時(shí)刀具拉釘極易傷害機(jī)床主軸。因此，要求數(shù)控機(jī)床操作人員在各坐標(biāo)軸每次回參考點(diǎn)時(shí)應(yīng)特別注意觀察定位停止時(shí)的位置。

2.2機(jī)床在返回參考點(diǎn)時(shí)發(fā)出超程報(bào)警(OVER TROVERL+X 或+Y 或+Z)，回參考點(diǎn)綠燈不亮，數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)“NOT READY”狀態(tài)，機(jī)床回參考點(diǎn)失敗該故障由于存在報(bào)警，機(jī)床不會(huì)執(zhí)行任何程序，不會(huì)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(jī)床回參考點(diǎn)時(shí)無減速動(dòng)作，一直運(yùn)動(dòng)到觸及限位開關(guān)超程而停機(jī)。這種情況是因?yàn)榉祷貐⒖键c(diǎn)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(dòng)而移位，機(jī)床回參考點(diǎn)時(shí)零點(diǎn)脈沖不起作用，致使減速信號(hào)沒有輸入到數(shù)控系統(tǒng)。解除機(jī)床的坐標(biāo)超程應(yīng)使用“超程解除”功能按鈕，并將機(jī)床移回行程范圍以內(nèi)，然后應(yīng)檢查 回參考點(diǎn)減速開關(guān)是否松動(dòng)及相應(yīng)的行程開關(guān)減速信號(hào)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(diǎn)過程中，發(fā)生超程報(bào)警。

分析與處理：經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)該機(jī)床在回參考點(diǎn)時(shí)，當(dāng)壓下減速開關(guān)后，坐標(biāo)軸無減速動(dòng)作，由此判斷故障原因應(yīng)在減速檢測信號(hào)上。通過系統(tǒng)的輸入狀態(tài)顯示，發(fā)現(xiàn)該信號(hào)在回參考點(diǎn)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(diǎn)減速開關(guān)由于切削液的侵入而損壞。更換開關(guān)后，機(jī)床恢復(fù)正常。

b.回歸參考點(diǎn)過程有減速，但直到觸及極限開關(guān)報(bào)警而停機(jī)，沒有找到參考點(diǎn)，回歸參考點(diǎn)操作失敗。產(chǎn)生該故障可能是減速后參考點(diǎn)的零標(biāo)志位信號(hào)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(diǎn)操作中沒有發(fā)出已經(jīng)回歸參考點(diǎn)的零標(biāo)志位信號(hào);②可能是回歸參考點(diǎn)零標(biāo)記位置失效;③可能是回歸參考點(diǎn)的零標(biāo)志位信號(hào)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(diǎn)的零標(biāo)志位信號(hào)不識(shí)別。這可使用信號(hào)跟蹤法，用示波器檢查編碼器回歸參考點(diǎn)的零標(biāo)志位信號(hào)，判斷故障。

例如，1臺(tái)采用SINUMERIK SYSTEM3的數(shù)控磨床，Z軸找不到參考點(diǎn)。觀察尋找參考點(diǎn)過程，Z 軸首先快速運(yùn)動(dòng)，然后減速運(yùn)動(dòng)，一直壓到極限開關(guān)，產(chǎn)生報(bào)警。

分析與處理：Z軸能減速運(yùn)動(dòng)，說明零點(diǎn)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(hào)。經(jīng)檢查，編碼器內(nèi)有油污，使零標(biāo)志信號(hào)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(diǎn)過程有減速，且有回歸參考點(diǎn)的零標(biāo)志位信號(hào)出現(xiàn)，也有制動(dòng)到零的過程，但參考點(diǎn)的位置不準(zhǔn)確，即返回參考點(diǎn)操作失敗。該故障可能有3種可能：①可能是回歸參考點(diǎn)的零標(biāo)志位信號(hào)已被錯(cuò)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(hào)而停機(jī)，使工作臺(tái)停在距參考點(diǎn)1個(gè)選定間距的位置(相當(dāng)編碼器1轉(zhuǎn)的機(jī)床的位移量)。②可能是減速檔塊離參考點(diǎn)位置太近，坐標(biāo)軸未移動(dòng)到指定距離，就接觸到極限開關(guān)而停機(jī)。③可能是由于信號(hào)干擾、擋塊松動(dòng)、回歸參考點(diǎn)零標(biāo)志位信號(hào)電壓過低等因素致使工作臺(tái)停止的位置不準(zhǔn)確，且無規(guī)律性。

例如，某臺(tái)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(jī)床在返回基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，發(fā)出“未返回參考點(diǎn)”報(bào)警，機(jī)床不執(zhí)行返回參考點(diǎn)動(dòng)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(jī)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(diǎn)快速進(jìn)給速度是否設(shè)為零;④接近原點(diǎn)的減速速度是否設(shè)為零等;⑤機(jī)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(jī)床回參考點(diǎn)故障歸結(jié)起來不外乎兩種情況: 一是機(jī)床回參考點(diǎn)時(shí)有報(bào)警發(fā)生， 回參考點(diǎn)失敗;二是機(jī)床回參考點(diǎn)時(shí)無報(bào)警發(fā)生，但在每次回參考點(diǎn)時(shí)卻出現(xiàn)停止時(shí)的漂移。對于第一種情況， 由于數(shù)控機(jī)床回參考點(diǎn)故障有報(bào)警存在， 數(shù)控系統(tǒng)不會(huì)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(jī)床每次回參考點(diǎn)時(shí)均未產(chǎn)生報(bào)警， 但回參考點(diǎn)出現(xiàn)漂移的故障現(xiàn)象是存在的， 而機(jī)床操作人員卻沒有及時(shí)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(jī)床將其坐標(biāo)軸參考點(diǎn)作為換刀點(diǎn)。這樣由于長時(shí)間的運(yùn)行加工， 不僅影響回參考點(diǎn)開關(guān)的壽命， 而且還容易產(chǎn)生機(jī)床回參考點(diǎn)故障，特別是非報(bào)警類參考點(diǎn)漂移性故障。因此， 筆者建議設(shè)置第二參考點(diǎn)， 位置離開參考點(diǎn)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(jī)床回參考點(diǎn)故障率和自動(dòng)換刀故障率，而機(jī)床開機(jī)時(shí)只回參考點(diǎn)一次即可。當(dāng)然，這樣做會(huì)給刀庫和機(jī)械手在加工中心機(jī)床中的位置設(shè)計(jì)帶來了一定的難度， 但筆者認(rèn)為從降低機(jī)床回參考點(diǎn)故障率和自動(dòng)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。