張 帆 ，曹巨江

（1.陜西科技大學(xué)，陜西西安 710021；2.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

1 機床回參考點的方式

按照數(shù)控機床進給系統(tǒng)的控制方式可將其分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)等3類（圖1）：①開環(huán)系統(tǒng)，CNC裝置發(fā)出的指令經(jīng)驅(qū)動模塊2處理后，給伺服電機3下達指令從而通過絲杠帶動工作臺4移動。②半閉環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)，兩者都是由CNC裝置發(fā)出指令經(jīng)驅(qū)動裝置5給伺服電機6，從而帶動與絲杠螺母聯(lián)接的工作臺4按照程序運動。位置檢測裝置7對執(zhí)行部件的位置和速度進行檢測并反饋至伺服系統(tǒng)，與CNC發(fā)出的指令進行比較以確定命令是否被正確執(zhí)行。兩者的差別在于：全閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置檢測裝置（如光柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等）是在最終的移動部件上，反饋信息更為準確。主要用于高精度的加工中心、磨床等精度要求較高的設(shè)備上；半閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號一般由伺服電機或者絲杠處檢測得到，并未包含絲桿螺母機構(gòu)的彈性變形、絲杠螺距誤差等其它因素，相對于全閉環(huán)來說精度要低點。但它又不受整個進給系統(tǒng)彈性變形的影響導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，相對全閉環(huán)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)工作穩(wěn)定且調(diào)試相對容易很多，成本也低。故而廣泛應(yīng)用于各類普通數(shù)控設(shè)備上。

由于數(shù)控機床尤其適用于大批量的精密加工，此時為保證其加工的高精度和尺寸一致性，必須首先建立起統(tǒng)一的機床坐標系從而確定機床各運動軸的坐標值。故而必須確定機床的參考點作為機床的機械原點。同時機床在調(diào)試和使用過程中，很多功能都需要在參考點建立的基礎(chǔ)上才能進行。如機床調(diào)試時測定的定位精度和重復(fù)定位精度，需要進行絲杠螺距誤差補償和反向間隙補償，只有在機床返回參考點后才生效；自動運行方式也必須是在機床各軸均完成參考點返回后方可進行操作。

圖1 數(shù)控機床進給系統(tǒng)控制方式

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用于速度和位置檢測的元件有絕對式脈沖編碼器和增量式脈沖編碼器兩種，機床進行參考點返回時的方式也不相同。對于配置絕對式檢測反饋元件的機床，只要數(shù)控系統(tǒng)的備份電池正常并按系統(tǒng)廠家規(guī)定進行更換，參考點在機床調(diào)試時建立，并通過參數(shù)設(shè)置確定機床坐標系后，就無須每次開機時進行回零操作。而占據(jù)市場多數(shù)的配備增量式脈沖編碼器的機床，在調(diào)試及使用過程中每次開機都必須首先對各軸進行參考點返回操作，從而確定機床各軸原點以建立起正確的機床坐標系。各軸的參考點能否準確返回并保證其唯一性，主要與各軸零點開關(guān)及其所配置的檢測元件（增量式光柵尺和增量式旋轉(zhuǎn)編碼器）的零點脈沖有關(guān)，一般有2種方式。

（1）“正—負”回零方式。以配置日本FANUC和廣州數(shù)控系統(tǒng)的機床為主要代表的各類機床采用的回零方式（圖2a）：軸按系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)定的回零方向以速度v1快速移動，直至擋塊壓下（或感應(yīng)到）零點開關(guān)，坐標軸反向以速度v2移動至行程擋塊脫離零點開關(guān)，系統(tǒng)開始零點尋找，搜索到最近的一個零點脈沖，軸即停止運動確定該軸參考點位置，系統(tǒng)顯示該軸坐標為零。

（2）“正—負—正”回零方式。以配置德國SIEMENS、西班牙Fagor及華中數(shù)控系統(tǒng)的機床一般采用的回零方式（圖2b）：軸按系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)定的回零方向快速移動至擋塊壓下（或感應(yīng)到）零點開關(guān)后即減速，同時反向至行程擋塊將零點開關(guān)釋放后，軸即沿設(shè)定方向再次運動開始進行零點搜索，直至找到增量式位置檢測元件的標記脈沖（零脈沖）完成參考點返回，確定該軸坐標原點，坐標顯示零。

圖2 回零方式

這種參考點返回方式雖然程序較復(fù)雜，但適合于機床坐標軸處于任何位置時的操作。由于執(zhí)行命令時機床的動作由機床PLC程序的輸入點邏輯電平來判定，這樣即使在回參考點時機床處于零點位置或在正向區(qū)域內(nèi)，只要系統(tǒng)接收到輸入點的狀態(tài)即會反向移動，避免了由此而引起的誤操作所導(dǎo)致的報警或?qū)C床的損害。

而數(shù)控機床在調(diào)試過程中，即由制造廠設(shè)計相應(yīng)的零點搜索程序和PLC控制程序，并在系統(tǒng)中設(shè)定了各軸的回零方向、各檔速度、偏置量等相關(guān)參數(shù)。無論是在手動方式（MDI）下還是自動方式下執(zhí)行回參考點時，系統(tǒng)向驅(qū)動發(fā)布指令控制電機帶動工作臺運動，安裝于運動部件上的行程擋塊壓下或感應(yīng)到零點開關(guān)后，對應(yīng)的開關(guān)邏輯電平發(fā)生變化，通過設(shè)計的數(shù)控系統(tǒng)PLC程序及原點搜索程序執(zhí)行回零操作。各軸都完成參考點后坐標值清零，結(jié)束機床參考點返回操作，正確的機床坐標系得以建立。

一般情況下，數(shù)控機床產(chǎn)生回參考點故障原因可能有幾種情況：一是零點開關(guān)故障，數(shù)控系統(tǒng)PLC程序無法接收到邏輯信號變化；二是作為檢測元件的編碼器或光柵尺發(fā)生故障；三是系統(tǒng)測量部分故障，無法接收到編碼器的零脈沖信號；四是設(shè)計調(diào)試中硬（軟）限位置與零點開關(guān)布置太近或不合理，導(dǎo)致在尋找零脈沖時出現(xiàn)不唯一的點，從而致使機床回參考點不準確（一般相差一個或是絲杠的整數(shù)倍）；五是系統(tǒng)參數(shù)丟失等等。當然硬件故障一般可采用配件更換的方法逐一進行排除，從而確定原因?？纱蠖嘤脩舨灰欢ǘ寄苡邢嗤呐浼L期備貨，同時在原因不明情況下對備件逐一進行更換也不太切合生產(chǎn)實際。結(jié)合個人實際工作中兩個典型實例對參考點返回故障診斷進行論述。

2 調(diào)試及維修實例

（1）為某公司開發(fā)設(shè)計一臺螺桿銑床，機床配置SIEMENS 810D數(shù)控系統(tǒng)，在使用過程中出現(xiàn)開機回參考點，X軸向回參考的相反方向移動。

分析：機床X軸采用西門子1FK系列電機驅(qū)動滾珠絲杠沿直線導(dǎo)軌副移動，該軸使用伺服電機自帶增量脈沖編碼器作為檢測反饋元件，為半閉環(huán)控制方式。搜尋參考點的信號控制由一個機械式行程開關(guān)觸發(fā)。

西門子系統(tǒng)參考點返回采用的是“正—負—正”回零方式，機床X軸采用增量式編碼器進行速度及位置檢測，開機時必須執(zhí)行回零操作。其正常的動作順序為：軸先沿系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的正方向以回零速度v1快速移動，安裝于其上的行程擋塊隨其一起移動壓下零位開關(guān)，系統(tǒng)PLC程序輸入點I32.2由高電平1轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?向CNC系統(tǒng)傳輸。系統(tǒng)隨即向驅(qū)動裝置發(fā)出指令，伺服電機反向旋轉(zhuǎn)并減速以v2速度移動釋放開關(guān)觸點，I32.2信號重新變回為1。數(shù)控系統(tǒng)向驅(qū)動再次發(fā)出指令使電機反向以速度v2向正方向運動，行程撞塊再次壓下開關(guān)使開關(guān)量變?yōu)?時，CNC開始尋找伺服電機的零標志脈沖，識別后即確立參考點，此時X軸即停止或以當前速度移動一個由參數(shù)MD34090設(shè)定的偏置量后停止，X軸坐標顯示為0，完成回零過程。

故障現(xiàn)象“在機床執(zhí)行回零操作時軸向反方向移動”說明在執(zhí)行命令時CNC系統(tǒng)接收到的PLC初始狀態(tài)是0,從而導(dǎo)致系統(tǒng)會判定此時的機床動作應(yīng)是“負”動作而向反方向前進。通過對機床PLC的檢查發(fā)現(xiàn)輸入點I32.2狀態(tài)顯示始終為0，現(xiàn)場對X軸零位開關(guān)觸頭進行壓下與釋放，檢查I32.2也發(fā)現(xiàn)其一直為0，給CNC誤判定機床的零位開關(guān)是被壓下，符合分析判定，從而基本認定是此軸的零位開關(guān)觸頭無法正常復(fù)位導(dǎo)致機床故障。

雖然此時可以通過更換開關(guān)來對機床故障進行排除，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)機床停止運行進都是停在X行程的中間位置，不存在由于機床在停止時長期壓下開關(guān)觸頭導(dǎo)致彈簧失效的原因。

此時需要做的是如何找到開關(guān)失效的原因，進一步檢查機床加工程序，由于機床加工的零件都是同一類型的壓縮機單螺桿槽（圖3），其零件特征為盤類零件圓周上均布了6個基本相同的螺旋槽，槽面的過程為一大循環(huán)，而每個槽的加工也是由徑向逐深進刀加工完成，為幾個小循環(huán)。在大小循環(huán)加工結(jié)束時均出現(xiàn)G90 G00 X0 Y-30 Z-30程序，使得機床的銑削頭停在參考點上。雖然最終機床停機時X軸處于行程中間位置未壓下零位開關(guān)，但在每一相加工循環(huán)結(jié)束時X軸都壓下開關(guān)一次，加大了開關(guān)觸頭的被壓次數(shù)，使觸頭彈簧產(chǎn)生疲勞失效現(xiàn)象，導(dǎo)致機床X軸無法正確回參考點，這可能是本次故障的真正原因。因此在將零點開關(guān)更換排除機床故障后，同時對該程序段進行更改為“G90 G00 X-25 Y-30 Z-30”使機床各軸在每一循環(huán)后停在機床安全位置，以減少對零點開關(guān)的持續(xù)壓迫。當然也可以采用系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中的34090參考點偏置對機床參考點進行“零偏”操作，從而使機床處于零點位置時擋塊離開零點開關(guān)，確保了機床的正常開機率。

在現(xiàn)代制造技術(shù)中，采用UG等專業(yè)軟件進行CAM編程時，為使機床離開加工區(qū)域以方便工件的裝夾和測量，經(jīng)常在程序尾部設(shè)置G28自動返回參考點命令，這樣就會大大增加參考點開關(guān)被壓次數(shù)從而導(dǎo)致此類故障的產(chǎn)生。故而可以在自動編程完成后對程序進行人工修改，取消G28指令并人工編制相應(yīng)的程序段使軸處在適合于裝夾測量的位置即可。

圖3 單螺桿零件

（2）為重慶某集團公司交付的XYJ-2012數(shù)控專用溝槽倒角磨床執(zhí)行回參考點時出現(xiàn)超程報警。

分析：機床采用日本FANUC 0i-M數(shù)控系統(tǒng)，控制β系列交流伺服電機與滾珠絲杠越障驅(qū)動各數(shù)控軸運動?；亓惴较驊?yīng)為“正—負”回零方式，其位置及速度檢測反饋使用伺服電機自帶增量式脈沖編碼器，感應(yīng)塊感應(yīng)圖爾克接近開關(guān)觸發(fā)PLC回零輸入點，減速開始尋找電機編碼器零標記脈沖完成參考點建立。經(jīng)與用戶溝通，設(shè)備在2002年交付使用后，由于生產(chǎn)原因一臺設(shè)備使用不飽合，2010年CNC電池失效，造成機床參數(shù)丟失。利用通信電纜輸入出廠時提供的備份數(shù)據(jù)，開機后執(zhí)行回參考點操作，各軸均出現(xiàn)報警，屏幕顯示“各軸軟限位超程”無法完成命令。執(zhí)行復(fù)位操作并切換至手動操作模式，將各軸移至任何位置都出現(xiàn)同一報警。經(jīng)過進一步溝通，用戶在開機時出現(xiàn)“935系統(tǒng)報警”,查閱安裝手冊后得知是CNC系統(tǒng)的CMOS備份電池電壓不夠，遂采購電池后進行更換。但當時未嚴格按安裝手冊程序進行，換鋰電池時控制單元電源斷電后時間過長，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)全部丟失。重新開機時數(shù)控系統(tǒng)錯認實時位置為參考點位置。

基于報警顯示超程，在以上分析的基礎(chǔ)上嘗試修改機床各軸的軟限位設(shè)為最大，重新回到手動模式下進行回參考點操作以完成機床零點設(shè)置后，再對各軸參數(shù)恢復(fù)原值。記錄機床各軸限位參數(shù)后進行如下操作。

①選擇“MDI”模式，按 OFFSET鍵，設(shè)置 PWE=1,此時顯示“100允許寫入?yún)?shù)”報警；②修改X，Y，Z三軸參數(shù)#1321為最大值9999；③選擇JOG手動方式，手輪或手動移動各軸至行程中間位置；④選擇參考點回零模式，手動執(zhí)行各軸回零；⑤根據(jù)機床原來的零點標識檢查參考點位置，如不對，重復(fù)第三、四步操作使各軸回零位置準確，更改參數(shù)#1815.5=1，#1815.4=1,斷電后重新啟動系統(tǒng)；⑥按照事先記錄的各軸行程重新設(shè)定各軸參數(shù)；⑦回到設(shè)置界面修改“PWE=0”，消除100報警。

此時需要對各軸回零后進行雙向限位檢查，以確保機床工作時的安全性。同時基于此類情況，建議在進行機床調(diào)試完成后，由制造商對各軸參考點位置打指示標牌進行標記，以方便在后續(xù)使用過程中出現(xiàn)參考點丟失而需要重新進行參考點恢復(fù)工作，當然前提是伺服電機與絲杠的連接位置未做改變。

3 結(jié)語

參考點建立作為數(shù)控機床建立坐標系的前提，決定了機床能否正常使用。如果發(fā)生參考點返回故障，應(yīng)按照行程撞塊—零點開關(guān)—位置檢測元件由易到難的順序進行檢測，同時結(jié)合機床數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)、PLC狀態(tài)檢測、加工程序等對故障現(xiàn)象進行診斷分析，從而確保機床準確完成參考點返回。

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［3］宋建武等.數(shù)控機床回參考點故障分析與排除［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2008（10）：60-63.

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［5］西門子有限公司，SIEMENS810D數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)說明及編程手冊、簡明安裝調(diào)試［Z］.