摘要：卧式镗铣床厂家分析了数控机床返回参考点的原理，结合具体数控机床事例，对故障各种形式进行分析、诊断及排除，并提出了对加工中心机床换刀点的改进意见。
关键词：数控机床；参考点；故障诊断；排除
0前言
手动回参考点操作是建立机床坐标系的前提， 绝大多数数控机床开机后的第一动作一般都是手动操作回参考点。若回参考点出现故障将无法进行程序加工，回参考点的位置不准确将影响到加工精度，甚至出现撞车事故。分析和排除回参考点故障问题是非常必要的。
1 返回参考点的原理
数控机床按照控制理论可分为闭环、半闭环、开环系统。闭环数控系统装 有检测最终直线位移的反馈装置，半闭环数控系统的位置测量装置安装在伺服电动机转动轴上或丝杆的端部，也就是说反馈信号取自角位移，而开环数控系统不带位置检测反馈装置。对于闭环、半闭环数控系统，通常利用位移检测反馈装置脉冲编码器或光栅尺进行回参考点定位，即栅格法回参考点。而开环系统则需另外加装检 测元件，通常利用磁感应开关回参考点定位，即磁开关法回参考点。无论采用哪种回参考点操作，为保证准确定位，在到达参考点之前必须使数控机床的伺服系统自动减速，因此在多数数控机床上安装减速挡块及相应的检测元件。栅格法根据检测反馈元件计量方法的不同又可分为绝对栅格法和增量栅格法。采用绝对脉冲编码器 或光栅尺回参考点的称为绝对栅格法，在机床调试时，通过参数设置和机床回零操作确定参考点， 只要检测反馈元件的后备电池有效， 此后每次开机， 均记录有参考点位置信息，因而不必再进行回参考点操作。采用增量式编码器或光栅尺回参考点的称为增量栅格法，在每次开机时都需要回参考点。不同数控系统返回参考点的动作、细节有所不同，图1中以某数控铣床(采用FANUC 0i 系统)为例，简要叙述增量栅格法返回零点的原理和过程。在图1中，快速进给速度参数、慢速进给速度参数、加减速时间常数、栅格偏移量等参数分别由数控系统的相应参数设定。机床返回参考点的操作步骤为：
a.将方式开关拨到“回参考点”档，选择返回参考点的轴，按下该轴正向点动按钮，该轴以快速移动速度移向参考点；
b.当与工作台一起运动的减速挡块压下减速开关触点时，减速信号由通(ON) 转为断(OFF) 状态，工作台进给会减速，按参数设定的慢速进给速度继续移动。减速可削弱运动部件的移动惯量，使零点停留位置准确；
c.栅格法是采用脉冲编码器上每转出现一次的栅格信号(又称一转信号PCZ) 来确定参考点，当减速挡块释放减速开关，触点状态由断转为通后，数控系统将等待编码器上的第一个栅格信号的出现。该信号一出现，工作台运动就立即停止，同时数控系统发出参考点返回完成信号，参考点灯亮，表明机床该轴回参考点成功。有的数控机床在减速信号由通(ON ) 转为断(OFF) 后，减速向前继续运动。当又脱开开关后，轴的运动方向则向相反的进给方向运动，直到数控系统接受到第一个零点脉冲，轴停止运动。

图1 增量栅格法回参考点原理

开环系统没有位移检测反馈装置脉冲编码器或光栅尺，所以不会产生栅格信号，通常利用磁感应开关回参考点定位。下面以某数控车床为例简要叙述磁开关法返回参考点的原理和过程。在图2中，快速进给速度参数、慢速进给速度参数、加减速时间常数、偏移量等参数分别由数控系统的相应参数设定。返回参考点的操作步骤为：
前两步同栅格法返回参考点的操作步骤，第三步为减速挡块释放减速开关，触点状态由断转为通后，数控系统将等待感应开关信号的出现。该信号一出现，工作台运动就立即停止，同时数控系统发出参考点返回完成信号，参考点灯亮，表明机床回该轴参考点成功。

图2 磁开关法回参考点原理

2数控机床回参考点故障诊断与分析
当数控机床回参考点出现故障时，首先应由简单到复杂，进行全面检查。先检查原点减速挡块是否松动、减速开关固定是否牢固、开关是否损坏，若无问题，应进一步用千分表或激光测量仪检查机械相对位置的漂移量、检查减速开关位置与原点之间的位置关系， 然后检查伺服电机每转的运动量、指令倍率比(CMR)及检测倍乘比(DMR)，再检查回原点快速进给速度的参数设置及接近原点的减速速度的参数设置。数控机床回参考点不稳定，不但会直接影响零件加工精度，对于加工中心机床，还会影响到自动换刀。根据经验，数控机床回参考点出现的故障大多出现在机床侧，以硬件故障居多，但随着机床元器件的老化，软故障也时有发生，笔者介绍几种常见的数控机床回参考点故障及其对策。
2.1机床能够执行返回参考点操作，回参考点绿灯亮，但返回参考点时出现停止位置漂移，且没有报警产生，该故障一般有两种情况：
a.机床开机后首次手动回参考点时，偏离参考点一个或几个栅格距离，以后每次进行回参考点操作所偏离的距离是一定的。一般造成这种故障的原因是减速挡块位置不正确；减速挡块的长度太短或参考点用的接近开关的位置不当。该故障一般在机床首次安装调试后或大修后发生，可通过调整减速挡块的位置或接近开关的位置来解决，或者通过调整回参考点快速进给速度、快速进给时间常数来解决；
b.偏离参考点任意位置，即偏离一个随机值或出现微小偏移，且每次进行回参考点操作所偏离的距离不等。这种故障可考虑下列因素并实施相应对策：外界干扰，如电缆屏蔽层接地不良，脉冲编码器的信号线与强电电缆靠得太近；脉冲编码器或光栅尺用的电源电压太低(低于4.75 V)或有故障；速度控制单元控制板不良；进给轴与伺服电机之间的联轴器松动；电 缆连接器接触不良或电缆损坏。可想而知，数控机床发生这类故障对用户来说是最可怕的，因为对于进行批量加工生产的数控机床，若机床每天所进行的回参考点操 作所定位的位置不稳定，机床加工时的工件坐标系会随每次进行回参考点操作参考点的漂移而产生漂移，机床所加工的批量零部件尺寸精度会出现不一致现象，而且极易造成批量废品。
例如，某公司的KMC- 2000SD 立式加工中心机床(配FANUC 15MA系统)在加工零件过程中，X 轴回参考点时常漂移，距离不等，且没有被及时发现，最后导致批量零件报废事件。经反复查找，故障原因在于X 轴编码器信号电缆因长期磨损、失去屏蔽作用而导致X 轴回参考点不稳定。
对于将各坐标轴参考点设为换刀点的加工中心机床， 若回参考点位置不稳定，造成每次换刀位置不稳定， 则会经常出现换刀故障。如某公司的TH66100 卧式加工中心，自动换刀时，由于换刀点位置的不稳定而导致换刀过程中经常卡紧，换刀动作停止，同时刀具拉钉极易伤害机床主轴。因此，要求数控机床操作人员在各坐标轴每次回参考点时应特别注意观察定位停止时的位置。
2.2机床在返回参考点时发出超程报警(OVER TROVERL+X 或+Y 或+Z)，回参考点绿灯不亮，数控系统出现“NOT READY”状态，机床回参考点失败该故障由于存在报警，机床不会执行任何程序，不会出现上述加工件批量废品现象。这种故障一般有四种情况
a.机床回参考点时无减速动作，一直运动到触及限位开关超程而停机。这种情况是因为返回参考点减速开关失效，开关接触压下后不能复位，或减速挡块松动而移位，机床回参考点时零点脉冲不起作用，致使减速信号没有输入到数控系统。解除机床的坐标超程应使用“超程解除”功能按钮，并将机床移回行程范围以内，然后应检查 回参考点减速开关是否松动及相应的行程开关减速信号线是否有短路或断路现象。
例如，某配套FANUC 11M 的加工中心，在回参考点过程中，发生超程报警。
分析与处理：经检查，发现该机床在回参考点时，当压下减速开关后，坐标轴无减速动作，由此判断故障原因应在减速检测信号上。通过系统的输入状态显示，发现该信号在回参考点减速挡块压合与松开情况下，状态均无变化。对照原理图检查线路，确认该轴的回参考点减速开关由于切削液的侵入而损坏。更换开关后，机床恢复正常。
b.回归参考点过程有减速，但直到触及极限开关报警而停机，没有找到参考点，回归参考点操作失败。产生该故障可能是减速后参考点的零标志位信号不出现。这有4种可能：①可能是编码器(或光栅尺)在 回归参考点操作中没有发出已经回归参考点的零标志位信号；②可能是回归参考点零标记位置失效；③可能是回归参考点的零标志位信号在传输或处理过程中丢 失；④可能是测量系统硬件故障，对回归参考点的零标志位信号不识别。这可使用信号跟踪法，用示波器检查编码器回归参考点的零标志位信号，判断故障。
例如，1台采用SINUMERIK SYSTEM3的数控磨床，Z轴找不到参考点。观察寻找参考点过程，Z 轴首先快速运动，然后减速运动，一直压到极限开关，产生报警。
分析与处理：Z轴能减速运动，说明零点开关没有问题，可能是数控系统接收不到零标志位信号。经检查，编码器内有油污，使零标志信号不能输出。将编码器取下清洗，重新安装，故障消除。
c.回归参考点过程有减速，且有回归参考点的零标志位信号出现，也有制动到零的过程，但参考点的位置不准确，即返回参考点操作失败。该故障可能有3种可能：①可能是回归参考点的零标志位信号已被错过，只能等待脉冲编码器再转1周后，测量系统才能找到该信号而停机，使工作台停在距参考点1个选定间距的位置(相当编码器1转的机床的位移量)。②可能是减速档块离参考点位置太近，坐标轴未移动到指定距离，就接触到极限开关而停机。③可能是由于信号干扰、挡块松动、回归参考点零标志位信号电压过低等因素致使工作台停止的位置不准确，且无规律性。
例如，某台经济型数控车床（FANUC 0T数控系统），X 轴经常出现原点漂移，且每次漂移量为10 mm 左右。分析与处理：由于每次漂移量基本固定，怀疑与X 轴回参考点有关。经检查，相关的参数没有发现问题。检查安装在机床上的减速挡块及接近开关，发现挡块与接近开关的距离太近。重新调整减速挡块位置，将其控制在该轴丝杠螺距(该轴的螺距为10 mm) 的一半，约为6±1 mm 左右，故障则排除。
d.机床在返回基准点时，发出“未返回参考点”报警，机床不执行返回参考点动作，其原因可能是因改变了设定参数所致。出现这种情况应考虑检查数控机床的如下参数：①指令倍率比(CMR)是否设为零；②检测倍乘比(DMR) 是否设为零；③回参考点快速进给速度是否设为零；④接近原点的减速速度是否设为零等；⑤机床操作面板快速倍率开关及进给倍率开关是否设置了0%档。
3 结论
综上所述， 数控机床回参考点故障归结起来不外乎两种情况: 一是机床回参考点时有报警发生， 回参考点失败；二是机床回参考点时无报警发生，但在每次回参考点时却出现停止时的漂移。对于第一种情况， 由于数控机床回参考点故障有报警存在， 数控系统不会执行用户所编辑的任何加工程序，从而避免批量废品产生。而对于第二种情况，由于机床每次回参考点时均未产生报警， 但回参考点出现漂移的故障现象是存在的， 而机床操作人员却没有及时发现， 造成了加工件的废品， 甚至是批量废品。
尤其对于加工中心，现在很多机床将其坐标轴参考点作为换刀点。这样由于长时间的运行加工， 不仅影响回参考点开关的寿命， 而且还容易产生机床回参考点故障，特别是非报警类参考点漂移性故障。因此， 笔者建议设置第二参考点， 位置离开参考点一段距离为佳， 采用G30 X0 Y0 Z0 指令， 而非G28 X0 Y0 Z0 指令。这样可大大降低机床回参考点故障率和自动换刀故障率，而机床开机时只回参考点一次即可。当然，这样做会给刀库和机械手在加工中心机床中的位置设计带来了一定的难度， 但笔者认为从降低机床回参考点故障率和自动换刀故障率以及规范合理的角度来看， 这样做还是很有必要的。