数控机床回参考点故障诊断及解决措施

张 帆 ，曹巨江

（1.陕西科技大学，陕西西安 710021；2.陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000）

1 机床回参考点的方式

按照数控机床进给系统的控制方式可将其分为开环、半闭环和闭环等3类（图1）：①开环系统，CNC装置发出的指令经驱动模块2处理后，给伺服电机3下达指令从而通过丝杠带动工作台4移动。②半闭环系统和闭环系统，两者都是由CNC装置发出指令经驱动装置5给伺服电机6，从而带动与丝杠螺母联接的工作台4按照程序运动。位置检测装置7对执行部件的位置和速度进行检测并反馈至伺服系统，与CNC发出的指令进行比较以确定命令是否被正确执行。两者的差别在于：全闭环控制系统的位置检测装置（如光栅尺、旋转编码器等）是在最终的移动部件上，反馈信息更为准确。主要用于高精度的加工中心、磨床等精度要求较高的设备上；半闭环控制系统的反馈信号一般由伺服电机或者丝杠处检测得到，并未包含丝杆螺母机构的弹性变形、丝杠螺距误差等其它因素，相对于全闭环来说精度要低点。但它又不受整个进给系统弹性变形的影响导致系统的不稳定，相对全闭环系统来说，系统工作稳定且调试相对容易很多，成本也低。故而广泛应用于各类普通数控设备上。

由于数控机床尤其适用于大批量的精密加工，此时为保证其加工的高精度和尺寸一致性，必须首先建立起统一的机床坐标系从而确定机床各运动轴的坐标值。故而必须确定机床的参考点作为机床的机械原点。同时机床在调试和使用过程中，很多功能都需要在参考点建立的基础上才能进行。如机床调试时测定的定位精度和重复定位精度，需要进行丝杠螺距误差补偿和反向间隙补偿，只有在机床返回参考点后才生效；自动运行方式也必须是在机床各轴均完成参考点返回后方可进行操作。

图1 数控机床进给系统控制方式

在闭环控制系统中，用于速度和位置检测的元件有绝对式脉冲编码器和增量式脉冲编码器两种，机床进行参考点返回时的方式也不相同。对于配置绝对式检测反馈元件的机床，只要数控系统的备份电池正常并按系统厂家规定进行更换，参考点在机床调试时建立，并通过参数设置确定机床坐标系后，就无须每次开机时进行回零操作。而占据市场多数的配备增量式脉冲编码器的机床，在调试及使用过程中每次开机都必须首先对各轴进行参考点返回操作，从而确定机床各轴原点以建立起正确的机床坐标系。各轴的参考点能否准确返回并保证其唯一性，主要与各轴零点开关及其所配置的检测元件（增量式光栅尺和增量式旋转编码器）的零点脉冲有关，一般有2种方式。

（1）“正—负”回零方式。以配置日本FANUC和广州数控系统的机床为主要代表的各类机床采用的回零方式（图2a）：轴按系统参数中设定的回零方向以速度v1快速移动，直至挡块压下（或感应到）零点开关，坐标轴反向以速度v2移动至行程挡块脱离零点开关，系统开始零点寻找，搜索到最近的一个零点脉冲，轴即停止运动确定该轴参考点位置，系统显示该轴坐标为零。

（2）“正—负—正”回零方式。以配置德国SIEMENS、西班牙Fagor及华中数控系统的机床一般采用的回零方式（图2b）：轴按系统参数中设定的回零方向快速移动至挡块压下（或感应到）零点开关后即减速，同时反向至行程挡块将零点开关释放后，轴即沿设定方向再次运动开始进行零点搜索，直至找到增量式位置检测元件的标记脉冲（零脉冲）完成参考点返回，确定该轴坐标原点，坐标显示零。

图2 回零方式

这种参考点返回方式虽然程序较复杂，但适合于机床坐标轴处于任何位置时的操作。由于执行命令时机床的动作由机床PLC程序的输入点逻辑电平来判定，这样即使在回参考点时机床处于零点位置或在正向区域内，只要系统接收到输入点的状态即会反向移动，避免了由此而引起的误操作所导致的报警或对机床的损害。

而数控机床在调试过程中，即由制造厂设计相应的零点搜索程序和PLC控制程序，并在系统中设定了各轴的回零方向、各档速度、偏置量等相关参数。无论是在手动方式（MDI）下还是自动方式下执行回参考点时，系统向驱动发布指令控制电机带动工作台运动，安装于运动部件上的行程挡块压下或感应到零点开关后，对应的开关逻辑电平发生变化，通过设计的数控系统PLC程序及原点搜索程序执行回零操作。各轴都完成参考点后坐标值清零，结束机床参考点返回操作，正确的机床坐标系得以建立。

一般情况下，数控机床产生回参考点故障原因可能有几种情况：一是零点开关故障，数控系统PLC程序无法接收到逻辑信号变化；二是作为检测元件的编码器或光栅尺发生故障；三是系统测量部分故障，无法接收到编码器的零脉冲信号；四是设计调试中硬（软）限位置与零点开关布置太近或不合理，导致在寻找零脉冲时出现不唯一的点，从而致使机床回参考点不准确（一般相差一个或是丝杠的整数倍）；五是系统参数丢失等等。当然硬件故障一般可采用配件更换的方法逐一进行排除，从而确定原因。可大多用户不一定都能有相同的配件长期备货，同时在原因不明情况下对备件逐一进行更换也不太切合生产实际。结合个人实际工作中两个典型实例对参考点返回故障诊断进行论述。

2 调试及维修实例

（1）为某公司开发设计一台螺杆铣床，机床配置SIEMENS 810D数控系统，在使用过程中出现开机回参考点，X轴向回参考的相反方向移动。

分析：机床X轴采用西门子1FK系列电机驱动滚珠丝杠沿直线导轨副移动，该轴使用伺服电机自带增量脉冲编码器作为检测反馈元件，为半闭环控制方式。搜寻参考点的信号控制由一个机械式行程开关触发。

西门子系统参考点返回采用的是“正—负—正”回零方式，机床X轴采用增量式编码器进行速度及位置检测，开机时必须执行回零操作。其正常的动作顺序为：轴先沿系统参数设定的正方向以回零速度v1快速移动，安装于其上的行程挡块随其一起移动压下零位开关，系统PLC程序输入点I32.2由高电平1转变为低电平0向CNC系统传输。系统随即向驱动装置发出指令，伺服电机反向旋转并减速以v2速度移动释放开关触点，I32.2信号重新变回为1。数控系统向驱动再次发出指令使电机反向以速度v2向正方向运动，行程撞块再次压下开关使开关量变为0时，CNC开始寻找伺服电机的零标志脉冲，识别后即确立参考点，此时X轴即停止或以当前速度移动一个由参数MD34090设定的偏置量后停止，X轴坐标显示为0，完成回零过程。

故障现象“在机床执行回零操作时轴向反方向移动”说明在执行命令时CNC系统接收到的PLC初始状态是0,从而导致系统会判定此时的机床动作应是“负”动作而向反方向前进。通过对机床PLC的检查发现输入点I32.2状态显示始终为0，现场对X轴零位开关触头进行压下与释放，检查I32.2也发现其一直为0，给CNC误判定机床的零位开关是被压下，符合分析判定，从而基本认定是此轴的零位开关触头无法正常复位导致机床故障。

虽然此时可以通过更换开关来对机床故障进行排除，但在使用过程中发现机床停止运行进都是停在X行程的中间位置，不存在由于机床在停止时长期压下开关触头导致弹簧失效的原因。

此时需要做的是如何找到开关失效的原因，进一步检查机床加工程序，由于机床加工的零件都是同一类型的压缩机单螺杆槽（图3），其零件特征为盘类零件圆周上均布了6个基本相同的螺旋槽，槽面的过程为一大循环，而每个槽的加工也是由径向逐深进刀加工完成，为几个小循环。在大小循环加工结束时均出现G90 G00 X0 Y-30 Z-30程序，使得机床的铣削头停在参考点上。虽然最终机床停机时X轴处于行程中间位置未压下零位开关，但在每一相加工循环结束时X轴都压下开关一次，加大了开关触头的被压次数，使触头弹簧产生疲劳失效现象，导致机床X轴无法正确回参考点，这可能是本次故障的真正原因。因此在将零点开关更换排除机床故障后，同时对该程序段进行更改为“G90 G00 X-25 Y-30 Z-30”使机床各轴在每一循环后停在机床安全位置，以减少对零点开关的持续压迫。当然也可以采用系统参数设置中的34090参考点偏置对机床参考点进行“零偏”操作，从而使机床处于零点位置时挡块离开零点开关，确保了机床的正常开机率。

在现代制造技术中，采用UG等专业软件进行CAM编程时，为使机床离开加工区域以方便工件的装夹和测量，经常在程序尾部设置G28自动返回参考点命令，这样就会大大增加参考点开关被压次数从而导致此类故障的产生。故而可以在自动编程完成后对程序进行人工修改，取消G28指令并人工编制相应的程序段使轴处在适合于装夹测量的位置即可。

图3 单螺杆零件

（2）为重庆某集团公司交付的XYJ-2012数控专用沟槽倒角磨床执行回参考点时出现超程报警。

分析：机床采用日本FANUC 0i-M数控系统，控制β系列交流伺服电机与滚珠丝杠越障驱动各数控轴运动。回零方向应为“正—负”回零方式，其位置及速度检测反馈使用伺服电机自带增量式脉冲编码器，感应块感应图尔克接近开关触发PLC回零输入点，减速开始寻找电机编码器零标记脉冲完成参考点建立。经与用户沟通，设备在2002年交付使用后，由于生产原因一台设备使用不饱合，2010年CNC电池失效，造成机床参数丢失。利用通信电缆输入出厂时提供的备份数据，开机后执行回参考点操作，各轴均出现报警，屏幕显示“各轴软限位超程”无法完成命令。执行复位操作并切换至手动操作模式，将各轴移至任何位置都出现同一报警。经过进一步沟通，用户在开机时出现“935系统报警”,查阅安装手册后得知是CNC系统的CMOS备份电池电压不够，遂采购电池后进行更换。但当时未严格按安装手册程序进行，换锂电池时控制单元电源断电后时间过长，从而导致数据全部丢失。重新开机时数控系统错认实时位置为参考点位置。

基于报警显示超程，在以上分析的基础上尝试修改机床各轴的软限位设为最大，重新回到手动模式下进行回参考点操作以完成机床零点设置后，再对各轴参数恢复原值。记录机床各轴限位参数后进行如下操作。

①选择“MDI”模式，按 OFFSET键，设置 PWE=1,此时显示“100允许写入参数”报警；②修改X，Y，Z三轴参数#1321为最大值9999；③选择JOG手动方式，手轮或手动移动各轴至行程中间位置；④选择参考点回零模式，手动执行各轴回零；⑤根据机床原来的零点标识检查参考点位置，如不对，重复第三、四步操作使各轴回零位置准确，更改参数#1815.5=1，#1815.4=1,断电后重新启动系统；⑥按照事先记录的各轴行程重新设定各轴参数；⑦回到设置界面修改“PWE=0”，消除100报警。

此时需要对各轴回零后进行双向限位检查，以确保机床工作时的安全性。同时基于此类情况，建议在进行机床调试完成后，由制造商对各轴参考点位置打指示标牌进行标记，以方便在后续使用过程中出现参考点丢失而需要重新进行参考点恢复工作，当然前提是伺服电机与丝杠的连接位置未做改变。

3 结语

参考点建立作为数控机床建立坐标系的前提，决定了机床能否正常使用。如果发生参考点返回故障，应按照行程撞块—零点开关—位置检测元件由易到难的顺序进行检测，同时结合机床数控系统参数、PLC状态检测、加工程序等对故障现象进行诊断分析，从而确保机床准确完成参考点返回。

［1］宋玉明.数控机床机械原点的调整与修复［J］.制造技术与机床，2004（10）：76-78.

［2］史旭斌等.浅谈万能工具磨床的数控改造［J］.制造业自动化，2010（2）：134-135.

［3］宋建武等.数控机床回参考点故障分析与排除［J］.组合机床与自动化加工技术，2008（10）：60-63.

［4］闫存富等.数控机床回参考点故障诊断实例分析［J］.机械制造与自动化，2014（3）：84-85.

［5］西门子有限公司，SIEMENS810D数控系统参数说明及编程手册、简明安装调试［Z］.