数控机床回参考点原理及故障排除

关进良，战祥鑫，刘 鑫，孙书芃

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

0 引言

数控机床坐标系一般包括机床坐标系、绝对坐标系和相对坐标系等，这些坐标系建立的前提是机床能够正常回参考点。数控机床参考点（也称“机床零点”）由机床制造商在机床出厂之前精确测定的，它与机床原点的相对位置（FANUC系统通过#1240参数设定的）是固定的，数控铣床参考点和机床原点通常是重合的，数控车床的参考点是离机床原点最远的极限点。另外，故障记录统计数控铣床或加工中心约有30%的故障与回参考点有关，因此有必要研究回参考点原理和典型故障排除方法。

1 数控机床回参考点方式

（1）增量方式。增量方式回参考点也称为“有挡块回零”，是采用增量式编码器或光栅尺，在减速开关或感应开关（发出减速信号）的配合下建立参考点。目前大部分数控机床上选用增量编码器回参考点，机床断电后，参考点相关数据自动丢失，每次开机后首先要进行回参考点操作。此外，以下2种情况也需要回参考点：①连续重复加工后，回参考点消除机床移动部件的累积误差；②遇到超程或者急停报警后，位置信息可能丢失，在恢复机床正常运行时要进行返回参考点操作。本文主要研究FANUC系统增量式回参考点原理及其相关故障排除方法。

（2）绝对方式。绝对方式回参考点也称为“无挡块回零”，是采用绝对式编码器建立的参考点，无需每次开机后回参考点操作，系统断电后，机床位置数据被保存在S-RAM（静态随机存储器）中，并由专用后备电池来保持数据，一旦数控系统提示电池电量不足，应及时更换。需要注意的是，在更换伺服放大器、电机或者反馈电缆后，S-RAM中的数据将会丢失，需要重新设置参考点。

（3）距离编码方式。距离编码方式是利用光栅尺距离编码技术来建立参考点的，这类光栅尺的栅格距离不像传统光栅尺是固定的，是按照一定比例系数变化的，当机床某轴返回零点时，只需要在任意位置移动一个相对较小的距离，待数控系统识别到几个不等距离的栅格信号后，会自动计算出轴当前的位置“找到”机床参考点。这种方式主要应用在各轴行程较长的机床上（如大型数控龙门铣床），减少每次回参考点所用时间。

2 FANUC系统数控机床回参考点原理

目前增量式编码器在数控机床上较为普遍，这里以增量方式回参考点为例介绍回零原理。当机床进入回参考点模式后，先快速向减速挡块方向移动，当减速开关被挡块压下后开始以FL速度减速移动（参数#1425中数值），回零开关弹起，系统读到电气上栅格后参考点建立。返回参考点完成之后，机床工件坐标系（G54等）建立，第二参考点（如换刀点）、螺距误差补偿功能方可生效。回参考点详细步骤如下，时序图见图1。

图1 回参考点时序

（1）在回参考点方式下，选择轴并快速移动，相应的PMC地址信号状态是G43.0（MD1），G43.2（MD4）和 G43.7（ZRN）同时为1，G100/G1O2 （+/-Jn）→1，n代表第n轴。

（2）挡块压下减速开关，轴减速运行（FL速度），对应的PMC 地址 X9.0～X9.3 或者 X1009.0～X1009.3（*DEC1～*DEC4）由1→0变化。

（3）减速开关弹起，相应的PMC地址信号*DECn由0→1。

（4）系统读到电气栅格信号，找到参考点。此时CNC向PMC发出参考点返回完成信号F94（ZPn）和参考点建立信号F120（ZRFn）。

3 典型故障维修实例

3.1 VMC1600立式加工中心X轴返回参考点故障

（1）故障现象。该加工中心在执行回参考点操作时，X轴一直以固定速度（慢速）移动，直到撞到软限位报警，反复操作，故障复现。

（2）故障分析及排除方案。该机床采用FANUC 0i-MC数控系统，半闭环控制，观察到回参考点时一直以参数#1425中设定的FL速度运动，整个过程并没有速度变化，依据回参考点原理和步骤分析，问题很可能出在第2步，为了进一步确定故障点可以借助机床PMC观察信号变化情况，SYSTEM→PMC→PMCDGN→STATUS→查看*DECX状态（图2），发现不论减速开关是否被压下，*DECX一直为“0”，显然X9.0没有接通+24 V电源，可能原因：①减速开关损坏（浸水锈蚀等）。②连接电缆破损或断路。③接线端子虚接或断开。经检测后发现，减速开关+24 V电缆接线端子已断开，重新焊接后故障排除。

（3）小结。*DECn属于高速信号，PMC采集后不作任何处理直接送给CNC，在梯形图中无法直接查到，但可在“STATUS”或信号状态界面观察到。如果是减速开关故障，每次更换前要做好位置标记，以免造成参考点变化过大或引起回参考点不稳定等二次故障。

3.2 某数控铣床Y轴返回参考点随机故障

（1）故障现象。某数控铣床Y轴在返回参考点过程中，减速后有时直接撞向软限位报警，有时正常回参考点，且无规律。

图2 信号*DECX状态界面

（2）故障分析及排除方案。该机床采用FANUC 0i-MC数控系统，半闭环控制，从回参考点原理上分析，Y轴能快速移动，说明第1步顺利通过，有减速动作说明第2步的*DEC信号1→0正常，进入机床PMC查看I/O状态，观察到*DEC由1→0→1变化，第3步也正常。基本可以推断，问题出在了第4步（系统没有接收到电气栅格信号），主要原因是减速开关的通/断灵敏度较差或机械热变形等，导致*DECY信号触发不稳定。如图3所示，当信号正常到来时（或者相对早触发）系统能及时读到栅格信号①完成回参考点，当信号相对来迟时，错过了栅格信号①，在等待读入栅格信号②的过程中碰到了软限位（虚线处）报警，即减速挡块位置距离参考点太近，使其处于了特殊的“临界状态”，导致回参考点时而成功，时而失败。

对于此类故障，比较简单的解决方式是调整软限位参数#1320→9999999、#1321→-9999999，再重新回参考点，完成后恢复参数原值。这种方式“治标不治本”，后续还有可能故障复现，若要彻底解决故障，一般有以下2种方式：①调整参数#1850（栅格位移量/参考点位移量）由0→3000，具体数值可根据现场情况多次回参考点试验而定。②调整减速挡块位置，同时观察诊断302的值，使诊断302中的数值约等于参数#1821（参考计数器容量）设定值的一半，即使栅格信号产生的时刻距离减速信号从“0”到“1”时相距约半个栅格信号周期。以上2种调整方式的共同目的是使回参考点远离“临界状态”，彻底排除故障。

图3 回参考点故障原因示意

（3）小结。解决该故障的关键是了解*DEC信号与电气栅格信号GRID的关系（当*DEC由0→1后系统才读取电气栅格建立参考点），抓住了这一细节才能从根本上解决问题。熟悉与回参考点相关的参数，如：#1006，#1821，#1850，#1815 和 #3003等，掌握参数的含义以及调整方法对解决回参考点故障大有裨益，在平时工作中应注意积累并经常加以运用。

4 结语

在排除机床回参考点故障时，可以采取以下思路：首先，仔细观察故障现象和细节，包括报警内容是什么、回零速度是否正常、以及故障是否有规律等。其次，在掌握回参考点原理的基础上，充分利用和PMC相关的地址信号状态，把故障现象和回参考点步骤结合或进行“比对”，找出问题出在哪一步。最后，分析和故障点有关的可能原因（有时是多方面的）并进行一一检测，并设法从根本上排除故障。