蔡 丹，王 鵬，郭 烽

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī) (集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

1.引言

近年來，數(shù)控設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，但是絕大多數(shù)的數(shù)控機(jī)床在使用一段時(shí)間后，就會(huì)產(chǎn)生許多問題。例如工作臺(tái)漂移、坐標(biāo)軸跑數(shù)、機(jī)床本體變形等。不同測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床要想保證正常工作，在開機(jī)時(shí)各伺服軸都必須先找到機(jī)床參考點(diǎn)，即數(shù)控機(jī)床回零，從而消除漂移、變形等各種因素造成的一些誤差。但是對(duì)于絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)機(jī)床并不需要每次開機(jī)時(shí)都回參考點(diǎn)，而是隔一段時(shí)間回一次參考點(diǎn)。

數(shù)控機(jī)床的參考點(diǎn)是機(jī)床每個(gè)伺服軸上的一個(gè)用于確保機(jī)床能夠正確檢測(cè)和計(jì)數(shù)的一個(gè)固定的起點(diǎn)。根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的不同，數(shù)控機(jī)床的主要回零方式分為兩種：一種是絕對(duì)值式返回參考點(diǎn)，另一種是增量式返回參考點(diǎn)。兩者的區(qū)別在于：前者使用的是絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)，它的檢測(cè)元件為絕對(duì)式(例如絕對(duì)脈沖編碼器)，零點(diǎn)信號(hào)記憶在絕對(duì)值編碼器中，只要數(shù)控機(jī)床的后備電池有效，機(jī)床無論在任何位置停止運(yùn)行或停電，再次通電啟動(dòng)時(shí)絕對(duì)值編碼器都會(huì)自動(dòng)將機(jī)床當(dāng)前所處位置的坐標(biāo)值送到數(shù)控系統(tǒng)NCU中，然后在此基礎(chǔ)上累加，達(dá)到檢測(cè)的作用；后者使用的是增量式測(cè)量系統(tǒng)，它的檢測(cè)元件為增量式(例如脈沖編碼器、光柵尺)，它相當(dāng)于一個(gè)計(jì)數(shù)器，機(jī)床每次停電后，增量式脈沖編碼器中所記載的機(jī)床當(dāng)前伺服軸的位置坐標(biāo)值就會(huì)丟失，所以機(jī)床在每次開機(jī)后都必須先進(jìn)行回零操作，找到計(jì)數(shù)的起點(diǎn)輸入到數(shù)控系統(tǒng)NCU中，以確定機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)，保證機(jī)床正常工作。

2.數(shù)控機(jī)床返回參考點(diǎn)的工作原理

數(shù)控機(jī)床返回參考點(diǎn)主要是由機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)NCU與機(jī)床的PLC系統(tǒng)相互配合控制伺服軸完成的。例如1臺(tái)配有西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床回零，首先NCU接收來自操作面板MCP的指令JOG、REF，然后控制機(jī)床各伺服軸向指令設(shè)定的方向(正或負(fù))運(yùn)動(dòng)，尋找零點(diǎn)開關(guān)(或機(jī)械撞塊)，假設(shè)此時(shí)PLC的反饋信號(hào)為0，當(dāng)機(jī)械撞塊壓上零點(diǎn)開關(guān)(或脫離零點(diǎn)開關(guān))時(shí)，PLC的反饋信號(hào)為1，機(jī)床的PLC系統(tǒng)向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出減速信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)控制各伺服軸開始減速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制各軸的位置檢測(cè)元件編碼器開始接收零點(diǎn)脈沖信號(hào)，當(dāng)收到第一個(gè)脈沖后，機(jī)床回零完成，檢測(cè)元件向系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，編碼器開始計(jì)數(shù)。

3.數(shù)控機(jī)床返回參考點(diǎn)的工作過程

(1)過程1：機(jī)床伺服軸加速至規(guī)定速度(參考點(diǎn)接近速度)v1，以v1速度運(yùn)行壓向零點(diǎn)開關(guān)，伺服軸制動(dòng)停止，隨后NCU控制伺服軸以v2速度繼續(xù)運(yùn)行直到零點(diǎn)開關(guān)脫離撞塊，數(shù)控系統(tǒng)接收到第一個(gè)零脈沖時(shí)，便以v3速度尋找到機(jī)床零點(diǎn)。此過程如圖1所示。

圖1 過程1示意圖

(2)過程2：機(jī)床伺服軸以v1速度運(yùn)行壓向零點(diǎn)開關(guān)，伺服軸制動(dòng)停止，隨后NCU控制伺服軸反向以v2速度繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)零點(diǎn)開關(guān)與撞塊脫離，數(shù)控系統(tǒng)接收到第一個(gè)零脈沖，便以v3速度尋找到機(jī)床零點(diǎn)。此過程如圖2所示。

(3)過程3：機(jī)床伺服軸以v1速度運(yùn)行壓向零點(diǎn)開關(guān)，伺服軸制動(dòng)停止，隨后NCU控制伺服軸反向以v2速度繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)零點(diǎn)開關(guān)與撞塊脫離時(shí)，伺服軸又制動(dòng)停止，然后又反向運(yùn)行到撞塊與零點(diǎn)開關(guān)脫離，數(shù)控系統(tǒng)接收到第一個(gè)脈沖，便以v3速度尋找到機(jī)床零點(diǎn)。此過程如圖3所示。

以上工作過程伺服軸均位于參考點(diǎn)撞塊之前，過程1多應(yīng)用于FANUC數(shù)控系統(tǒng)，過程2、3多應(yīng)用于西門子數(shù)控系統(tǒng)。

4.數(shù)控機(jī)床返回參考點(diǎn)的典型案例分析與解決方案

(1)瑞士機(jī)床STC1000Y軸絕對(duì)值編碼器故障分析

瑞士機(jī)床STC1000配用德國西門子數(shù)控系統(tǒng)，采用全閉環(huán)控制方式，機(jī)床每次下電或NCK重新啟動(dòng)時(shí)，Y軸由于壓力不穩(wěn)，主軸下沉，造成Y軸上的光柵尺下沉，絕對(duì)值編碼器讀數(shù)變化，Y軸坐標(biāo)值與Y軸實(shí)際位置出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致機(jī)床報(bào)警，無法進(jìn)行正常加工。

機(jī)床出現(xiàn)的報(bào)警為：Y軸絕對(duì)值編碼器初始化時(shí)編碼器硬件錯(cuò)誤。

解決分析：首先檢查電器控制板，其次校驗(yàn)編碼器反饋線，兩者都沒有問題，機(jī)床仍是該項(xiàng)報(bào)警，懷疑絕對(duì)值編碼器檢測(cè)的位置丟失，人為地將絕對(duì)值編碼器找正位置，檢測(cè)讀數(shù)，上二次電，觀察報(bào)警是否取消，如無上述報(bào)警，說明絕對(duì)值編碼器找正位置，機(jī)床正常的工作，維修人員可以通過調(diào)Y軸的機(jī)床參數(shù)使主軸找到具體的位置，進(jìn)行加工。具體數(shù)據(jù)見表1。

本機(jī)床定義主軸中心距工作臺(tái)面150.000 0為Y軸零點(diǎn)，通過上述數(shù)據(jù)可以觀察到Y(jié)軸實(shí)際到達(dá)150.000 0時(shí)，絕對(duì)值編碼器檢測(cè)到的機(jī)床Y軸的坐標(biāo)值為144.573 2，Y軸實(shí)際位置值與檢測(cè)位置值存在誤差，值為150.000-144.573 2=5.428 6這就要求我們將機(jī)床系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)參數(shù)調(diào)整，將Y軸位置坐標(biāo)值調(diào)整為150.000 0，通過機(jī)床數(shù)據(jù)中的參數(shù)補(bǔ)數(shù)來調(diào)整絕對(duì)值編碼器的數(shù)值為150.000 0，具體調(diào)整方法如下。

表1

①M(fèi)D34210數(shù)值設(shè)為0，NCK復(fù)位(此項(xiàng)說明回參考點(diǎn)的模式)。

②MD34100數(shù)值為廠家設(shè)定的“150.000 0”(Y軸無論實(shí)際到哪，哪里就是“150.000 0”，此項(xiàng)數(shù)值可改可不改，改為什么數(shù)值說明這個(gè)數(shù)值就為Y軸設(shè)定的零點(diǎn))。

③選擇機(jī)床操作面板上的用戶協(xié)議鍵，將Y軸回零選擇取消。

④MD34210[1]的數(shù)值設(shè)為“1”。⑤機(jī)床轉(zhuǎn)換到JOG---REF方式，倍率開關(guān)打到“0”。⑥在機(jī)床操作面板上按“+”或“-”鍵，數(shù)值就會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)?4090中。

(7)選擇機(jī)床操作面板上的用戶協(xié)議鍵，將Y軸回零選擇選中。

這樣Y軸位置坐標(biāo)與實(shí)際Y軸位置坐標(biāo)值相一致，Y軸調(diào)整完畢，主軸可以正常加工。

(2)國產(chǎn)數(shù)控臥式車床增量式脈沖編碼器故障分析

配有FANUC 0MD控制系統(tǒng)，采用全閉環(huán)控制方式，采用海德漢光柵尺，增量型編碼器，采用固定零點(diǎn)回零。機(jī)床Z軸在每次回零時(shí)機(jī)械零點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生誤差。

解決分析：首先在機(jī)床Z軸機(jī)械零點(diǎn)處壓上百分表，機(jī)床多次重復(fù)回零觀察機(jī)械零點(diǎn)處確實(shí)有誤差，從FANUC系統(tǒng)診斷302(擋塊脫離的位置到產(chǎn)生第一個(gè)柵格信號(hào)位置的距離)中記錄的數(shù)據(jù)看是有變化的，正常情況下記錄的數(shù)據(jù)是不會(huì)變的。檢查與Z軸回零有關(guān)的各硬件部位，沒有發(fā)現(xiàn)問題，將機(jī)床Z軸改為半閉環(huán)控制，Z軸多次回零均未出現(xiàn)誤差，懷疑Z軸光柵尺或讀數(shù)頭有問題，拆下光柵尺和讀數(shù)頭檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)頭有問題，重新更換，機(jī)床Z軸正?；亓?。

(3)國產(chǎn)數(shù)控臥式車床(配FANUC0i控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制，固定零點(diǎn)回零)Z軸返回參考點(diǎn)出現(xiàn)軟限位超程報(bào)警

解決分析：首先按機(jī)床操作面板上的RESET鍵，將報(bào)警復(fù)位掉，然后移動(dòng)Z軸，讓Z軸重新手動(dòng)回參考點(diǎn)，觀察機(jī)床是否出現(xiàn)上述報(bào)警，反復(fù)重復(fù)幾遍上述操作，觀察機(jī)床每次在還沒有到達(dá)參考點(diǎn)時(shí)就出現(xiàn)該報(bào)警。于是調(diào)取機(jī)床PMC中減速開關(guān)的信號(hào)，觀察它的變化是正常的，說明減速開關(guān)沒有問題，將機(jī)床系統(tǒng)中Z軸軟限位參數(shù)NO.704中的值設(shè)為最大，Z軸手動(dòng)回參考點(diǎn)正常。再次更改機(jī)床系統(tǒng)中Z軸軟限位參數(shù)中的值為原值7 000，Z軸返回參考點(diǎn)時(shí)又出現(xiàn)此項(xiàng)報(bào)警，這說明機(jī)床撞塊沒有問題，有可能是減速開關(guān)的位置松動(dòng)了。具體檢查發(fā)現(xiàn)，減速開關(guān)的位置的確松動(dòng)了，重新調(diào)整固定減速開關(guān)的位置，問題解決。

5.結(jié)語

數(shù)控機(jī)床的參考點(diǎn)在數(shù)控系統(tǒng)中起著重要的作用，是確保機(jī)床工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其故障可以總結(jié)為：零點(diǎn)開關(guān)故障、編碼器故障、系統(tǒng)控制板故障、零點(diǎn)開關(guān)與硬(軟)限位位置近等，只有全面地了解數(shù)控機(jī)床的參考點(diǎn)，才能很好的解決機(jī)床返回參考點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)的各種問題，確保機(jī)床持續(xù)高效地工作。

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