陳闖

摘要：在數(shù)控機床操作的過程中，超程是相對比較嚴重的問題，為了解決數(shù)控機床之間的碰撞問題，大部分的機器設置硬件和軟件保護，當機器的軸同時觸發(fā)兩個方向的超程報警時，可借助系統(tǒng)診斷功能查詢機床PLC的當前狀態(tài)，并對機床電氣回路進行測量，查找并分析故障原因，通過調(diào)整行程開關(guān)位置并修改相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，最終排除數(shù)控機床的超程故障。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;超程故障;系統(tǒng)判斷;極限位置

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0119-02

0? 引言

超程故障是數(shù)控機床常見故障中的典型類別。數(shù)控機床超程保護通常分為軟件超程和硬件超程。保護軟件需要啟動執(zhí)行后返回參考點操作，保持系統(tǒng)機床坐標系統(tǒng)（例如，確定機床坐標系原點的位置），或安裝在機床上的線性光柵編碼器測量工作臺行程，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)軟件限位中指定參數(shù)以實現(xiàn)保護功能;當機床工作臺行程達到設定值時，系統(tǒng)軟件觸發(fā)超限報警。

因此，在設置軟件超程保護相關(guān)參數(shù)時，有必要仔細檢查數(shù)控系統(tǒng)手冊。數(shù)控機床的硬件超程保護是通過行程開關(guān)在工作臺底部安裝塊限位位置的觸點來實現(xiàn)的。硬件超程保護是數(shù)控機床的限位行程保護方法。

1? 數(shù)控機床概述

數(shù)控機床是計算機數(shù)控機床的縮寫，它是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動機床。控制系統(tǒng)可以用控制代碼或其他符號指令在邏輯上處理程序，對其進行解碼，用編碼數(shù)字表示程序，然后通過信息載體將其輸入到數(shù)控設備中。

數(shù)控機床是上個世紀美國發(fā)明家John Parsons發(fā)明的。在電子信息技術(shù)的引領(lǐng)下，機床行業(yè)步入以數(shù)字制造技術(shù)為核心的機電一體化時代。

隨著我國數(shù)控機床智能技術(shù)的新突破，大大拓展了機床功能，例如：自動調(diào)整干擾和防撞功能、停電后工件自動退出安全區(qū)域，斷電保護功能、加工件檢測和自動補償學習功能、高精度加工件智能參數(shù)選擇功能、自動消除了加工過程中的機械振動等。在實踐階段，智能技術(shù)還促使精密加工技術(shù)取得了進一步發(fā)展。數(shù)控金屬切削機床的加工精度從原來的絲級（0.01mm）提高到微米級（0.001mm），有些品種達到了約0.05μm。超精密數(shù)控機床的微切削和磨削精度可以穩(wěn)定在0.05μm左右，形狀精度可以達到0.01μm左右。使用光、電、化學和其他能量進行特殊加工的精度可以達到納米級（0.001μm）。通過優(yōu)化的機床結(jié)構(gòu)設計，超精加工的機床零件精確組裝，使用高精度的全閉環(huán)控制以及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術(shù)，提高了機床的幾何加工精度，降低了形狀和位置誤差、表面粗糙度等，超精加工進入亞微米和納米級時代。其次，功能組件的性能不斷提高。功能組件一直朝著高速、高精度、大功率和智能化的方向發(fā)展，并且已經(jīng)實現(xiàn)了成熟的應用。高精度主軸單元等功能部件得到推廣應用，大大提高了數(shù)控機床的技術(shù)水平。雖然技術(shù)水平提高了，但是從中出現(xiàn)的問題也越來越多，導致機器故障的情況也逐一增多。

2? 機床硬件超程故障概述

2.1 硬件超程故障描述

數(shù)控機床硬件超程是指在機床機械部件運動過程中按下安裝在機床上的限位開關(guān)而引起的超程報警。行程限位開關(guān)通常安裝在機床機械部件可以移動的安全位置。按下行程開關(guān)的原因可能會導致超程報警使機床停止，這也與CNC機床電氣控制的PMC控制有關(guān)。

發(fā)生硬件超程報警時，取消報警的方法與軟件超程報警相同。對于通用數(shù)控機床，通常將軟極限設置在硬極限的行程范圍內(nèi)，這樣可以更好地保護機床的安全性。因此，當將軟極限設置在硬極限內(nèi)并且機床正確返回參考點時，機床運動行程到達的第一個位置就是由軟極限設置的極限位置。通常，只會出現(xiàn)軟限制，極限超程報警。如果丟失了機械參考點，則由軟件限制設置的行程極限無效，并且當機器超程時，硬極限行程開關(guān)將被按下，并且將出現(xiàn)硬件超程警報。

機床硬件限位開關(guān)主要用來保護機床的機械硬件，防止?jié)L珠絲杠螺母副的脫離。當然，在大多數(shù)情況下，絲杠螺母副即使沒有行程限位開關(guān)保護也不會脫離，但是當絲杠螺母副運動到該坐標軸極限位置時，即螺母運動到絲桿的端部，由于伺服驅(qū)動電機的繼續(xù)運轉(zhuǎn)，可能會引起驅(qū)動模塊發(fā)熱，導致驅(qū)動模塊燒壞。因此，為了保護機床機械硬件或電氣驅(qū)動模塊，通常數(shù)控機床上都會在機床工作臺運動的安全行程上安裝硬件限位開關(guān)。用硬件限位開關(guān)來強制設定機床的運動行程范圍，起到安全保護作用。機床硬件限位開關(guān)由于是機械式的通斷觸點，因此在使用過程中極易引起機械觸點的通斷故障。因此，設置機床軟限位保護可以更好地解決這些問題。軟限位不僅可以無限次的使用，而且出現(xiàn)軟限位報警時，解決軟限位的超程故障比較容易。

一臺國產(chǎn)型號SYNTEC 900M三軸立式數(shù)控銑床，半閉環(huán)控制，增量脈沖編碼器，采用臺灣新地公司數(shù)控系統(tǒng)。銑床的加工表面形狀通常由直線、圓弧或其他曲線組成。普通銑床的操作人員按圖紙要求。不斷改變刀具和工件之間的相對位置，然后與選定的銑刀速度匹配，以便刀具可以切割工件，并可以加工具有不同形狀的各種工件。

在一次操作中，機床工作臺沿y軸移動到原點，并鎖定不受控制。X軸和Z軸可以正常移動，可以返回參考點操作。同時出現(xiàn)“Y軸超過正向硬件行程限制”、“Y軸超過負向硬件行程限制”、“Y軸參考點未恢復”三種報警信息。將過行程釋放鍵與相應的方向鍵結(jié)合，工作臺離開過行程區(qū)域后即可取消報警;重啟系統(tǒng)，執(zhí)行返回參考點操作：工作臺沿Y軸負方向移動，在原點附近停止。系統(tǒng)中再次出現(xiàn)上述告警信息，Y軸鎖定。

2.2 硬件超程故障的分析與處理

當瀏覽界面的“PLC狀態(tài)”是（表1和表2中），發(fā)現(xiàn)I003的值和I004“I Bits”是“00”，表明循環(huán)由兩個物理輸入點PLC（Y+軸積極的極限位置接觸，和軸-極限位置接觸Y-）斷開連接?！癈 Bits”接口的C052和C053都為“FF”，表示觸發(fā)。

3? 機械原點位置漂移現(xiàn)象的分析及處理

3.1 系統(tǒng)重啟后進行機械原點位置漂移及分析

軟件超程指的是機床運動坐標值超過系統(tǒng)參數(shù)設定的儲存行程極限值的報警，在返回參考點操作時，遠程報警消失。結(jié)果表明，擋塊與減速觸點“Y0”之間的距離顯著增大，且反復運行后發(fā)現(xiàn)擋塊與減速觸點“Y0”之間的距離不是恒定的。由于在消除硬件遠程故障過程中行程開關(guān)位置的變化，懷疑這種現(xiàn)象是閉塞和閉塞“Y0”接觸引起它們之間距離的變化;或者機床角編碼器的碼盤被污染了。但更換Y軸角編碼器后仍存在故障。

3.2 機械原點位置漂移現(xiàn)象的處理

請結(jié)合參數(shù)設置手冊檢查系統(tǒng)參數(shù)設置是否正確。首先檢查與速度和方向有關(guān)的參數(shù)：參數(shù)862為Y軸原點搜索的方向：0為負方向（設定方向），1為正方向;參數(shù)822用于設置Y軸原點搜索的速度：默認值為1000mm/min;參數(shù)842是Y軸原點搜索第二階段的速度：默認值為300mm/min。參數(shù)57是Y軸開始從減速開關(guān)觸點閉合到伺服電機角度編碼器生成的第一脈沖信號的角度的反向運動的系統(tǒng)：100表示絲杠旋轉(zhuǎn)360°，50表示導螺桿旋轉(zhuǎn)180°。通常，此參數(shù)的范圍是20～80。

用參數(shù)設置手冊檢查系統(tǒng)參數(shù)設置是否正確。首先，檢查速度和方向相關(guān)的參數(shù)：參數(shù)862是原點的Y軸方向，0為負（設定方向），91為正。參數(shù)822是Y軸查找原點的速度：默認值為1000mm/min;參數(shù)842是第二階段的Y軸原點搜索速度，默認值為300mm/min。該參數(shù)的系數(shù)57是由Y軸旋轉(zhuǎn)角度伺服電機的角度編碼器從閉合的反向運動軸的減速器產(chǎn)生的脈沖信號：100表示360°絲杠旋轉(zhuǎn)，而50表示絲杠旋轉(zhuǎn)180°。通常取值范圍是20～80。

參數(shù)942是Y軸原點搜索網(wǎng)格函數(shù)。當減速開關(guān)的零點信號接近伺服電機角度編碼器產(chǎn)生的第一脈沖信號時，可能是由于系統(tǒng)掃描時間延遲和工作臺移動距離太短，極限位置開關(guān)可能不能夠及時動作，從而導致機床Y軸機械坐標零位不正確或找不到，其范圍是：伺服電機角度編碼器從中產(chǎn)生第一脈沖信號的角度的±20%以內(nèi)觸發(fā)行程開關(guān)的“Y0”觸點。因此，應將參數(shù)942的值修改為1，即打開Y軸原點搜索網(wǎng)格功能。歸巢網(wǎng)格函數(shù)的函數(shù)參數(shù)942和距離微調(diào)參數(shù)57示于表3。

重新啟動機床并執(zhí)行參考點返回操作。工作臺沿Y軸的負方向移動，行程開關(guān)的“Y0”觸點在機床原點附近觸發(fā)，然后滾珠絲杠以較低的速度反向旋轉(zhuǎn)180°以上。停止后。說明參數(shù)942的設置值為1，電網(wǎng)保護功能已打開，省略了不符合要求的角度編碼器脈沖。Y軸系統(tǒng)報警未返回參考點，硬件超程解除。上述“診斷界面”中的所有參數(shù)均恢復為正常值。機器重新啟動了幾次，但故障沒有再出現(xiàn)。

4? 結(jié)語

機床工具產(chǎn)業(yè)作為國家基礎戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，需要利用技術(shù)創(chuàng)新項目來支持和引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。我國機床工業(yè)的發(fā)展必須以自主創(chuàng)新為基礎，通過自主研發(fā)原創(chuàng)技術(shù)，引進技術(shù)消化吸收，再創(chuàng)新，整合現(xiàn)有技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)升級。建立和完善以企業(yè)為導向，市場為導向，產(chǎn)學研結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系;堅持加大研發(fā)投入;加強對關(guān)鍵技術(shù)和通用技術(shù)的研究，努力在基礎技術(shù)和通用技術(shù)上取得突破，提高產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)水平。

由于數(shù)控機床是一種新型自動化機床，其機床加工精度高，加工自動化程度高，同時對機床的加工環(huán)境也有很高的要求。因此其故障的發(fā)生率也高。但數(shù)控機床的故障很多，本文介紹了數(shù)控機床SYNTEC 900M進行故障分析的解決，為解除硬件超程報警提供了明晰的方法;當機床的行程范圍需要調(diào)整或出現(xiàn)行程開關(guān)故障時，可以根據(jù)文中分析處理原因進行程序修改以便機床維修。

參考文獻：

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