数控机床的回零及其常见故障分析[1]

数控机床参考点的回归及其常见故障诊断

数控机床启动后通常需要进行返回参考点的操作，在这个过程中常会遇到各种问题，问题处理的正确与否在很大程度上会直接影响机床的使用及工件的加工精度。

一、为什么要返回参考点

在数控机床上，各坐标轴的正方向是定义好的，因此只要机床原点一旦确定，机床坐标系也就确定了。机床原点往往是由机床厂家在设计机床时就确定了，但这仅仅是机械意义上的，计算机数控系统还是不能识别，即数控系统并不知道以哪一点作为基准对机床工作台的位置进行跟踪、显示等。为了让系统识别机床原点，以建立机床坐标系，就需要执行回参考点的操作。

如在CK0630型数控车床上，机床原点位于卡盘端面后20mm处，为让数控系统识别该点，需回零操作。在CK0630型数控车床的操作面板上有一个回零按钮“ZERO”，当按下这个按钮时将会出现一个回零窗口菜单，显示操作步骤。按照这个步骤，依此按下“X”按钮、“Z”按钮，则机床工作台将沿着X轴和Z轴的正方向快速运动，当工作台到达参考点的接近开关时，工作台减速停止。

回参考点的工作完成后，显示器即显示机床参考点在机床坐标系中的坐标值（X400，Z400），此时机床坐标系已经建立（如图1所示）。

目前，大多数数控机床均采用增量式位置检测装置来做位置环反馈元件，当机床在断电状态时NC系统会失去对机床坐标系值的记忆，因此每次机床重新通电之初，必须手动操作返回机床参考点一次，恢复记忆，以便进行自动加工。

对使用日本FUNAC系统的机床，除通电之初外，在机床工作过程中如出现断电、紧急停止或压下了机床行程限位开关时，也必须返回参考点。机床返回参考点的方向、速度、参考点的坐标等均可由系统参数设定。

二、返回参考点的原理

目前数控机床回参考点的方式有两种：使用脉冲编码器或光栅尺的栅格法和使用磁感应开关的磁开关法。磁开关法由于存在定位漂移现象，因此较少使用。大多数数控机床均采用栅格法回参考点。

栅格法根据检测元件计量方法的不同又可分为绝对栅格法和增量栅格法。采用绝对栅格法回参考点的数控机床在后备存储器电池支持下，只需在机床第一次开机调试时进行回参考点操作调整，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。采用增量式编码器做位置环反馈的机床应用增量栅格法来确定参考点，其反馈元件为脉冲编码器，在每次开机时都需要回参考点。 图1 机床零点和机床参考点的关系

图1 机床零点和机床参考点的关系 不同数控系统返回参考点的动作、细节有所不同，下面以XK713数控铣床（采用FUNUC Oi系统）为例简要叙述增量栅格法返回参考点的原理和过程（图2）。

（1）将方式开关拨到“回参考点”档，并选择返回参考点的轴，按下该轴点动按钮，该轴以快速移动速度移向参考点。

（2）当随工作台一起运动的减速撞块压下参考点开关触头时，使减速信号（*DECX、*DECY、*DECZ、*DEC4之一）由通（ON）转为断（OFF）状态，机床工作台会减速并按参数设定的速度继续移动。减速可削弱运动部件的移动惯量，使参考点停留位置准确。

（3）因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）来确定参考点，所以当减速撞块释放参考点开关触头使其触点状态由断再转为通后，NC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ZPX、ZPY、ZPZ或ZP4，参考点灯亮，表明机床回该轴参考点成功。当所有的轴都找到参考点后，回参考点的过程结束。

机床使用中，只要不改变脉冲编码器与丝杠间的相对位置或不移动参考点撞块调定的位置，栅格信号就会以很高的重复精度出现。 速度时间快速进给速度快速进给加减速时间常数FL速度栅格偏移量栅格PCZ*DECONONOFF(PRM1420 α）(PRM1425 α）(PRM1620 α）(PRM1850）

三、回参考点过程中常见故障及其诊断

数控机床在回参考点过程中出现的故障主要有以下表现形式：

1.坐标轴在执行回参考点时，没有减速过程，一直等碰到位置极限开关停机，从而造成回参考点操作失败。

该故障原因可能是该轴的减速开关失效，从而导致运行中位置检测元件发出的栅格信号或基准脉冲信号不起作用。这时需根据先机械后电气的维修原则，首先检查减速撞块是否松动，然后检查减速开关至系统的连接电路是否断路等。

2.工作台回参考点过程中观察到有减速，但以关断速度移动直到触及限位开关而停机，没有找到参考点，归参考点操作失败。 图2 参考点返回时序图（挡块方式） 造成上述现象的原因可能是测量系统在减速开关恢复接通到机床碰到限位开关期间，没有捕捉到一转信号或基准信号。具体讲，有两种可能：一种是检测元件在回参考点操作中没有发出一转信号，或该脉冲在传输或处理中丢失，或测量系统发生了硬件故障，对该脉冲信号无识别或处理能力；另一种可能由于传动误差等原因，使得一转信号刚错过，在等待下一个一转信号的过程中，坐标轴触及到限位开关，所以只好停机。对第一种情况可用跟踪法对该信号的传输通道进行分段检查，看检测元件是否有一转信号发出，或信号在哪个环节丢失，从而采取相应对策。对第二情况，可试着适当调整限位开关或减速开关与参考点位置标记间的距离，即可消除故障。

3.机床在返回参考点过程中有减速，也有制动到零的过程，但停止位置常常与参考点正确位置前移或后移一个丝杠螺距（即相当编码器一转的机床位移量的偏差）。

出现这种情况的原因是一转信号产生的时刻离减速信号从断到通处太近，加之传动误差，使得工作台在返回参考点操作过程中碰上减速开关时，测量系统所用的脉冲编码器上的一转信号刚错过，只能等待脉冲编码器再转一周后，测量系统才能找到一转信号，故出现上述故障。

如图3a所示，当减速开关信号从断（OFF）恢复到通（ON）时，一转信号随即就出现（既所谓信号处在了临界点上），这样，减速开关“通”、“断”信号出现的重复精度，或机械部分热变形等，都会使参考点返回中出现位置偏离的故障（图3b）。 参考点返回方向栅格偏移量PCZ栅格*DECPCZ栅格栅格偏移量栅格*DECPCZ栅格*DEC栅格偏移量栅格偏移量*DECPCZ工作台停止位置新参考点位置工作台停止位置δ正确的参考点工作台停止位置正确的参考点正确的参考点工作台停止位置dcba

在这种情况下，可适当调整减速开关的位置（图3c）或修改栅格偏移量参数(图3d所示），使一转信号产生的时刻离减速信号从断到通时相距约半个一转信号产生的周期，即可消除故障。若采用修改栅格偏移量参数法调整，则参考点的坐标值要相应加上δ值。

、数控机床回参考点的必要性

图3 返回参考点的位置调整 数控机床在接通电源后要做回零的操作，这是因为在机床断电后，就失去了对各坐标位置的记忆，所以在接通电源后，必须让各坐标轴回到机床一固定点上，这一固定点就是机床坐标系的原点或零点，也称机床参考点。使机床回到这一固定点的操作称为回参考点或回零操作。

数控机床回参考点的好处如下：

(1)系统通过返回参考点来确定机床的原点位置，以正确建立机床坐标系。

(2)螺距误差补偿及反向间隙补偿有效，软极限行程保护有效。

回参考点是数控机床的重要功能之一，能否正确地返回参考点，将会影响到零件的加工质量。同时，由于数控机床是多刀作业，每一把刀具的刀位点安装位置不可能调整到同一坐标点上，因此就需要用刀具补偿来校正，如加工中心刀具的长度补偿和数控车床车刀刀尖的位置补偿，这种刀具偏置的补偿量也是通过刀位点的实际位置与由参考点确立的基本坐标系比较后补偿得到的。

2、回参考点的方式

回参考点的方式因数控系统的类型和机床生产厂家而异，目前，采用脉冲编码器或光栅尺作为位置检测的数控机床多采用栅格法来确定机床的参考点。脉冲编码器或光栅尺均会产生零位标志信号，脉冲编码器的零标志信号又称一转信号，每产生一个零标志信号相对于坐标轴移动一个距离，将该距离按一定等分数分割得到的数据即为栅格间距，其大小由参数确定。当伺服电机(带脉冲编码器)与滚珠丝杠采用l：l直连时，一般设定栅格间距为丝杠螺距，光栅尺的栅格间距为光栅尺上两个零标志之间的距离。采用这种增量式检测装置的数控机床一般采用档铁与回零减速开关相配合实现。随着智能型的检测元件的涌现，德国海德汉(HEIDENHAIN)公司推出了带距离编码参考点标志的线性测量系统。省去了回零减速开关，不必返回一个固定的机床参考点(第一参考点)且正负方向均可实现手动回零操作。

带减速挡块的栅格信号返回参考点控制，目前最常见的两种方式是FANUC系统和Siemens系统的方式。

FANUC系统在返回参考点状态下,按下各轴点动桉钮,机床以快移速度向机床参考点方向移动,当减速挡块碰到减速开关时,开始减速,以低速向参考点方向移动。减速开关离开减速挡块时，系统开始找栅格信号，系统接收到一转信号后，以低速移动一个栅格偏移量，准确停在机床的参考点上。

Siemens系统在返回参考点状态下,按下各轴点动桉钮,机床以快移速度向机床参考点方向移动,当减速挡块碰到减速开关时,坐标轴减速至静止。利用撞块信号的下降沿同步，按照搜索第1个零脉冲的速度，向相反方向退离参考点行程开关。利用第1个零脉冲实现同步并使坐标轴移动一个可设定的距离后停止。该位置就是坐标轴的参考点。

带距离编码参考点标志的线性测量系统是采用包括一个标准线性的栅格标志和一个与此相平行运行的另一个带距离编码参考点标志通道，每组两个参考点标志的距离是相同的，但两组之间两个相邻参考点标志的距离是可变的，每一段的距离加上一个固定的值，因此坐标轴可以根据距离来确定其所处的绝对位置。

3、数控机床返回参考点的调整

1)采用档铁与回零减速开关相配合的调整

数控机床各轴传动机械拆装后、进给伺服电动机更换后、位置检测装置修复后都将导致机床参考点位置不准，需对机床的返回参考点进行调整。

通常机床参考点设计在机床刀架X轴正方向上，Z轴正方向上。如果机床的刀架在机床回零操纵中要求设定固定的位置，若通过调整回零开关撞块的方法还不能满足回零的要求，则必须通过调整机床的相应参数来达到回零控制的要求。

机床相应参数调整步骤如下(以FANUC0i为例)：

(1)预置参数1006第5位(ZMIx)确定两轴回零的方向。

(2)预置参数1850项，X轴栅格调整的预置值。如X轴丝杠螺距为6mm，那么预置值为6000。

(3)预置参数1850项，Z轴栅格调整量的预置值。如Z轴丝杠螺距为6mm，那么预置值也为6000。

(4)用手动方法使机床刀架回到机床参考点。

(5)机床回到零后，X、Z位置显示与规定值进行比较。

当显示的坐标值大于规定值半个螺距时，先调整撞块使之接近规定值，重新将刀架移动到原起点，再进行第4步操作，反复调整撞块使显示值大于或小于规定值，但二值的绝对值之差要小于半个螺距。

将参数1850项预置值分别减去X、Z轴显示值与规定值的差值，再以所得结