摘要：臥式鏜銑床廠家分析了數控機床返回參考點的原理，結合具體數控機床事例，對故障各種形式進行分析、診斷及排除，并提出了對加工中心機床換刀點的改進意見。
關鍵詞：數控機床；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系的前提， 絕大多數數控機床開機后的第一動作一般都是手動操作回參考點。若回參考點出現故障將無法進行程序加工，回參考點的位置不準確將影響到加工精度，甚至出現撞車事故。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
數控機床按照控制理論可分為閉環、半閉環、開環系統。閉環數控系統裝 有檢測最終直線位移的反饋裝置，半閉環數控系統的位置測量裝置安裝在伺服電動機轉動軸上或絲桿的端部，也就是說反饋信號取自角位移，而開環數控系統不帶位置檢測反饋裝置。對于閉環、半閉環數控系統，通常利用位移檢測反饋裝置脈沖編碼器或光柵尺進行回參考點定位，即柵格法回參考點。而開環系統則需另外加裝檢 測元件，通常利用磁感應開關回參考點定位，即磁開關法回參考點。無論采用哪種回參考點操作，為保證準確定位，在到達參考點之前必須使數控機床的伺服系統自動減速，因此在多數數控機床上安裝減速擋塊及相應的檢測元件。柵格法根據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，在機床調試時，通過參數設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。不同數控系統返回參考點的動作、細節有所不同，圖1中以某數控銑床(采用FANUC 0i 系統)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，快速進給速度參數、慢速進給速度參數、加減速時間常數、柵格偏移量等參數分別由數控系統的相應參數設定。機床返回參考點的操作步驟為：
a.將方式開關撥到“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.當與工作臺一起運動的減速擋塊壓下減速開關觸點時，減速信號由通(ON) 轉為斷(OFF) 狀態，工作臺進給會減速，按參數設定的慢速進給速度繼續移動。減速可削弱運動部件的移動慣量，使零點停留位置準確；
c.柵格法是采用脈沖編碼器上每轉出現一次的柵格信號(又稱一轉信號PCZ) 來確定參考點，當減速擋塊釋放減速開關，觸點狀態由斷轉為通后，數控系統將等待編碼器上的第一個柵格信號的出現。該信號一出現，工作臺運動就立即停止，同時數控系統發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。有的數控機床在減速信號由通(ON ) 轉為斷(OFF) 后，減速向前繼續運動。當又脫開開關后，軸的運動方向則向相反的進給方向運動，直到數控系統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

開環系統沒有位移檢測反饋裝置脈沖編碼器或光柵尺，所以不會產生柵格信號，通常利用磁感應開關回參考點定位。下面以某數控車床為例簡要敘述磁開關法返回參考點的原理和過程。在圖2中，快速進給速度參數、慢速進給速度參數、加減速時間常數、偏移量等參數分別由數控系統的相應參數設定。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，觸點狀態由斷轉為通后，數控系統將等待感應開關信號的出現。該信號一出現，工作臺運動就立即停止，同時數控系統發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 磁開關法回參考點原理

2數控機床回參考點故障診斷與分析
當數控機床回參考點出現故障時，首先應由簡單到復雜，進行全面檢查。先檢查原點減速擋塊是否松動、減速開關固定是否牢固、開關是否損壞，若無問題，應進一步用千分表或激光測量儀檢查機械相對位置的漂移量、檢查減速開關位置與原點之間的位置關系， 然后檢查伺服電機每轉的運動量、指令倍率比(CMR)及檢測倍乘比(DMR)，再檢查回原點快速進給速度的參數設置及接近原點的減速速度的參數設置。數控機床回參考點不穩定，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。根據經驗，數控機床回參考點出現的故障大多出現在機床側，以硬件故障居多，但隨著機床元器件的老化，軟故障也時有發生，筆者介紹幾種常見的數控機床回參考點故障及其對策。
2.1機床能夠執行返回參考點操作，回參考點綠燈亮，但返回參考點時出現停止位置漂移，且沒有報警產生，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的位置不當。該故障一般在機床首次安裝調試后或大修后發生，可通過調整減速擋塊的位置或接近開關的位置來解決，或者通過調整回參考點快速進給速度、快速進給時間常數來解決；
b.偏離參考點任意位置，即偏離一個隨機值或出現微小偏移，且每次進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；進給軸與伺服電機之間的聯軸器松動；電 纜連接器接觸不良或電纜損壞。可想而知，數控機床發生這類故障對用戶來說是最可怕的，因為對于進行批量加工生產的數控機床，若機床每天所進行的回參考點操 作所定位的位置不穩定，機床加工時的工件坐標系會隨每次進行回參考點操作參考點的漂移而產生漂移，機床所加工的批量零部件尺寸精度會出現不一致現象，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)在加工零件過程中，X 軸回參考點時常漂移，距離不等，且沒有被及時發現，最后導致批量零件報廢事件。經反復查找，故障原因在于X 軸編碼器信號電纜因長期磨損、失去屏蔽作用而導致X 軸回參考點不穩定。
對于將各坐標軸參考點設為換刀點的加工中心機床， 若回參考點位置不穩定，造成每次換刀位置不穩定， 則會經常出現換刀故障。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定而導致換刀過程中經常卡緊，換刀動作停止，同時刀具拉釘極易傷害機床主軸。因此，要求數控機床操作人員在各坐標軸每次回參考點時應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出超程報警(OVER TROVERL+X 或+Y 或+Z)，回參考點綠燈不亮，數控系統出現“NOT READY”狀態，機床回參考點失敗該故障由于存在報警，機床不會執行任何程序，不會出現上述加工件批量廢品現象。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超程而停機。這種情況是因為返回參考點減速開關失效，開關接觸壓下后不能復位，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控系統。解除機床的坐標超程應使用“超程解除”功能按鈕，并將機床移回行程范圍以內，然后應檢查 回參考點減速開關是否松動及相應的行程開關減速信號線是否有短路或斷路現象。
例如，某配套FANUC 11M 的加工中心，在回參考點過程中，發生超程報警。
分析與處理：經檢查，發現該機床在回參考點時，當壓下減速開關后，坐標軸無減速動作，由此判斷故障原因應在減速檢測信號上。通過系統的輸入狀態顯示，發現該信號在回參考點減速擋塊壓合與松開情況下，狀態均無變化。對照原理圖檢查線路，確認該軸的回參考點減速開關由于切削液的侵入而損壞。更換開關后，機床恢復正常。
b.回歸參考點過程有減速，但直到觸及極限開關報警而停機，沒有找到參考點，回歸參考點操作失敗。產生該故障可能是減速后參考點的零標志位信號不出現。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出已經回歸參考點的零標志位信號；②可能是回歸參考點零標記位置失效；③可能是回歸參考點的零標志位信號在傳輸或處理過程中丟 失；④可能是測量系統硬件故障，對回歸參考點的零標志位信號不識別。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志位信號，判斷故障。
例如，1臺采用SINUMERIK SYSTEM3的數控磨床，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，產生報警。
分析與處理：Z軸能減速運動，說明零點開關沒有問題，可能是數控系統接收不到零標志位信號。經檢查，編碼器內有油污，使零標志信號不能輸出。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志位信號出現，也有制動到零的過程，但參考點的位置不準確，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志位信號已被錯過，只能等待脈沖編碼器再轉1周后，測量系統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(相當編碼器1轉的機床的位移量)。②可能是減速檔塊離參考點位置太近，坐標軸未移動到指定距離，就接觸到極限開關而停機。③可能是由于信號干擾、擋塊松動、回歸參考點零標志位信號電壓過低等因素致使工作臺停止的位置不準確，且無規律性。
例如，某臺經濟型數控車床（FANUC 0T數控系統），X 軸經常出現原點漂移，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。經檢查，相關的參數沒有發現問題。檢查安裝在機床上的減速擋塊及接近開關，發現擋塊與接近開關的距離太近。重新調整減速擋塊位置，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.機床在返回基準點時，發出“未返回參考點”報警，機床不執行返回參考點動作，其原因可能是因改變了設定參數所致。出現這種情況應考慮檢查數控機床的如下參數：①指令倍率比(CMR)是否設為零；②檢測倍乘比(DMR) 是否設為零；③回參考點快速進給速度是否設為零；④接近原點的減速速度是否設為零等；⑤機床操作面板快速倍率開關及進給倍率開關是否設置了0%檔。
3 結論
綜上所述， 數控機床回參考點故障歸結起來不外乎兩種情況: 一是機床回參考點時有報警發生， 回參考點失敗；二是機床回參考點時無報警發生，但在每次回參考點時卻出現停止時的漂移。對于第一種情況， 由于數控機床回參考點故障有報警存在， 數控系統不會執行用戶所編輯的任何加工程序，從而避免批量廢品產生。而對于第二種情況，由于機床每次回參考點時均未產生報警， 但回參考點出現漂移的故障現象是存在的， 而機床操作人員卻沒有及時發現， 造成了加工件的廢品， 甚至是批量廢品。
尤其對于加工中心，現在很多機床將其坐標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的壽命， 而且還容易產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。當然，這樣做會給刀庫和機械手在加工中心機床中的位置設計帶來了一定的難度， 但筆者認為從降低機床回參考點故障率和自動換刀故障率以及規范合理的角度來看， 這樣做還是很有必要的。