数控机床回参考点故障诊断与维修

汪小宝 钱明珠

摘要：结合实际生产过程中数控机床回参考点故障的案例，对回参考点的方式和工作过程进行了详细的阐述，由故障现象/信息→故障特征→判出故障类型→找出最可能的故障成因，进行“据理析象”。

关键词：数控机床；回参考点；故障诊断

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）30-0265-02

Abstract： Based on the case of the fault of the return reference point of the numerical control machine tool in the actual production process， this paper elaborates the method and working process of the return reference point. From the fault phenomenon/information → fault feature → fault type → finding the most possible fault cause， it conducts the "theoretical analysis".

Key words： CNC machine tools；zero return； troubleshooting

数控机床按照进给系统的控制方式可分为开环、闭环、半闭环。开环系统由于难以实现较高的控制精度，在现代工业生产中较少使用。相对于全闭环系统，半闭环系统工作稳定，易于调试，可以实现比较好的精度，同时成本较低，在装备制造业应用最为广泛。本文主要介紹半闭环系统回参考点方式和工作过程，结合实际生产过程中回参有关故障，进行分析和诊断，对全闭环系统回参故障诊断也有一定的借鉴意义。

数控机床开机后一般都需要进行回零（回参考点）操作，回零成功后才能建立机床坐标系；同时，参考点是各种补偿的基准点，能否正确回参考点影响零件的加工质量。因此，对回参考点的方式和工作过程熟悉和理解，在数控机床回参考点故障诊断与维修中带来很大的方便，会大大减少故障诊断的时间，可以起到事半功倍的作用。

1 概述

在半闭环控制系统中， 用于速度和位置检测的元件有绝对式编码器和增量式编码器两种，这两种编码器的工作原理不同，机床进行回参考点的方式也不相同。对于配置绝对式编码器的机床，系统断电后，有后备电池对编码器供电，系统会记忆当前点位在机床坐标系下的坐标值。因此，每次开机时无须进行回零操作。

对于配备增量式脉冲编码器的机床，每次开机后都必须进行回零操作。

2 回参考点方式

数控机床返回参考点的方式，常用的有两种方式，即栅格方式和磁性开关方式。栅格方式：数控机床如果接近原点的速度小于某一固定值，则总是停止于同一点，也就是说，回参考点的一致性性好。磁性开关方式：原点位置随着伺服电机速度的变化而变化，即回原点的一致性不够好。因此，目前大部分数控机床采用栅格方式回零。

增量式检测装置的数控机床一般有四种回参考点方式，本文主要介绍其中的常用的两种方式。

（1）“正—负方式”：配置FANUC数控系统使用此方式，见图1a。 回参考点时，轴先以系统设定速度（缺省值v1=1000mm/min）向参考点方向（正方向）快速移动，当减速挡块碰到行程开关，轴减速到系统设定速度（缺省值v2=50mm/min）并向相反方向（负方向）运行。当系统收到第一个零脉冲信号，轴立即停止运动，此即为参考点位置（当系统参数中参考点偏移不为零时，会移动相应偏移量）。

（2）“正—负—正方式”： 配置华中数控系统使用此方式，见图1b。 回参考点时，轴先以系统设定速度（缺省值v1=1000mm/min）向参考点方向（正方向）快速移动，当减速挡块碰到行程开关，轴立即减速（缺省值v2=50mm/min）并反向（负方向）微动一小段距离，然后再次反向（正方向）运行。当系统收到第一个零脉冲信号，轴立即停止运动，此即为参考点位置（当系统参数中参考点偏移不为零时，会移动相应偏移量）。

从图1中回零方式工作过程分析，数控机床正确回零依赖于两个信号：

1）减速信号：一般设计为减速挡块压下行程开关触点发出，此信号通过PLC输入数控系统，作为回零的粗定位信号。

2）零脉冲信号：也叫Z脉冲信号，一转信号，由编码器Z脉冲产生，编码器器每转一圈会发出一个零脉冲信号信号，作为回零的精确定位信号。需要注意的是，在回零过程中，零脉冲信号并不是唯一的，电机和编码器通过传动机构连接，回零过程中电机转过多少圈，会发出多少个零脉冲信号信号。工程师在兼顾经济性的原则下进行了巧妙的设计，设定收到减速信号开始，此时系统收到的第一个零脉冲信号作为回零的精确定位信号，解决了.零脉冲信号唯一性的问题。这一实现方式也为某些极端情况下，带来了故障隐患。

从图1中回零方式工作过程分析，数控机床回参考点故障可分为两种类型：

1）“找不到”参考点：减速信号和零脉冲信号任何一个缺失即会导致此故障。

2）“找不准”参考点：减速信号和零脉冲信号不良或发生偏移会导致此故障。

此故障又分为参考点随机性不稳定和发生正螺距偏差两种类型，此类故障比较隐蔽，回零操作正常，系统不会报警。往往在零件加工完成检测时发现问题，危害也更大。

3 数控机床回零故障诊断与维修实例

3.1 “找不到”参考点故障1

故障现象：一台数控车床，Z轴在回参考点过程中，发生超程报警。

分析及处理过程：经仔细检查，确认急停保护回路正常，在保障设备安全的前提下对该故障进行复现。Z轴执行回零操作，坐标轴向正方向运行，机床Z轴超程报警。回零过程中无减速动作，故障定位于减速信号不良。调出PLC状态图，手动按压Z轴回零，行程开关对应触点，发现该信号的状态有变化。说明与回零有关的电气线路和PLC部分工作正常。

机床工作方式切换到手动，调出PLC状态图，执行回零操作。发现减速挡块压到行程开关，该信号无变化。经仔细观察，最终确认Z轴回零对应行程开关触点弹簧失效，回零操作过程中减速挡块压到行程开关触点，常开触点不能完全闭合。更换行程开关后，机床恢复正常。

3.2 “找不到”参考点故障2

故障现象：一台FANUC加工中心，回参考点的过程中，发生超程报警。

分析及处理过程：经现场了解，操作人员对设备不够熟悉，回零操作时机床在参考点附近，没有移开即开始了回参考点操作。

FANUC数控机床一般使用“正—负”方式回零，如图1中a所示。回零操作时机床在参考点附近，轴先向正方向运行，由于机床当前位置已经越过了减速挡块，自然收不到减速信号，故当机床在参考点附近，执行回零操作时会发生超程报警。

此故障属误用户不熟悉机床操作规程导致，笔者尝试在使用“正—负—正”方式回零的华中数控系统机床上进行实验，机床在参考点附近执行回零操作，回零成功，不会出现此类故障。

3.3 “找不准”参考点故障

故障现象：一台数控机床，回参考点动作正常，但参考点位置存在随机性。

分析及处理过程：由于机床回参考点动作正常，说明数控系统软件和硬件功能正常。根据机床回零工作示意图1，参考点位置存在随机性说明减速信号或零脉冲信号不良。

为确认问题的原因，遵循先易后难的原则，首先检查了减速信号有关部分。减速挡块固定螺钉锁紧没有问题，减速挡块和行程开关触点位置没有问题，按压行程开关触点，感觉弹性良好，对减速挡块上铁屑进行了清理。怀疑行程开关内部是否有切削液入侵，拆开行程开关，对其进行维护处理。反复进行回零实验，发现故障还存在。

因此，故障定位于零脉冲信号。先检查编码器与电机之间传动部分，电机轴与丝杆联轴器部分，没有发现问题。

至此，故障定位于编码器。拆开编码器，没有发现明显的油污粉尘入侵，用示波器对编码器进行检测，没有发现异常现象。怀疑编码器反馈信号收到干扰，仔细检查编码器信号电缆，双端接地，没有发现问题。怀疑编码器供电是否可靠，在编码器端测量电压为4.75V。编码器正常工作电压为DC5V，由伺服放大器对编码器进行外部供电，其对工作电压质量要求较高，电压偏低会导致其不能正常工作。为排除虚焊、接触不良等接触阻抗，线路上产生电压降，导致编码器工作电压偏低。拆开编码器接插在伺服放大器上的航空插头，对DC5V供电的红色和黑色线进行了重新焊接，并且分别用了两股导线并联供电。

反复多次进行回零实验，故障没有出现。说明故障原因是编码器供电不足，导致反馈信号不良引起“找不准”参考点故障。

4结束语

通过上述几例可以看出，数控机床正确回零依赖于两个信号：减速信号和零脈冲信号。减速信号重点检查行程开关、减速挡块是否松动，是否有铁屑，行程开关到PLC输入端是否良好；零脉冲信号可以使用示波器对编码器进行检测，同时注意检查编码器是否有油污、粉尘侵入，编码器、电机、丝杆间传动链是否不良，编码器电缆屏蔽是否不良。编码器工作电压（DC5V）质量要求较高，对于编码器到电柜距离较远的，建议用多股导线并联供电，降低阻抗，减少导线上的电压降。

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【通联编辑：王力】