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数控机床返回参考点故障分析


  
  数控机床零件加工是建立在机床零点之上的。数控机床零点是机床坐标系的零点,它由机床厂家事先确定的。由于数控系统上电时通常并不知道机床零点的位置,同时在多数情况下,当已装好刀具和零件时,机床的零点已不可能接近,需要附设一个参考点。机床参考点是数控机床上一个特殊位置的点,该点通常位于机床正向极限点附近,如图1所示数控车床参考点位置。它与机床零点的转换关系可以在数控系统参数中设定。因此机床找到参考点位置,也就确定了该坐标轴的零点位置,数控系统就建立起了机床坐标系,可以进行正常的加工工作。在数控机床工作中返回参考点故障发生率较高,因此了解数控机床“返参”方式及位置检测装置工作原理对解决数控机床“返参”故障至关重要。

  
  根据数控机床选择的位置反馈元件的差异及控制方式的差异,数控机床的返回参考点方式也大不相同。
  
  一、数控机床开机后不需要返参
  
  使用绝对式编码器或绝对式直线光栅尺作为位置反馈装置的数控机床坐标轴在安装调试时进行一次参考点位置设定(只要编码器或光栅尺的后备电池有效)。数控机床再开机无需返回参考点,绝对式编码器或光栅尺就可立即得到坐标轴的当前绝对位置值,并反馈到数控系统。这是由于它们的内部结构决定的,绝对式编码器的绝对值编码通常有两种形式:格雷码和系列码。如图2所示为格雷码绝对式编码器结构原理图,编码盘上具有多道编码的光栅刻轨,绝对位置值来自格雷码编码的排列,当机床开机时便可立即获得位置信息。编码盘外圈增量信号刻轨还能在细分后提供位置值,并同时生成增量信号。如图3所示为系列码绝对式编码器结构原理图,编码器只需两个刻轨就能生成绝对位置值,刻线码盘的绝对信号仅需一个刻轨,系列码的排列方式在每圈中都是唯一的。增量信号刻轨在外圈,增量信息刻轨用于细分成位置值,同时也用于生成高质量增量信号。两个刻轨产生的信息在编码器内的信号处理单元中形成高分辨率的绝对位置值。系列码绝对式编码器的性能优于格雷码绝对式编码器,其特点是扫描信号质量高和抗污染性能力强。

  
  二、数控机床开机后需要返参
  
  数控机床一般采用增量式旋转编码器或增量式光栅尺作为位置反馈元件,在机床断电后就失去了对各坐标轴位置的记忆,因而机床开机后首先要执行各坐标轴返回参考点操作。
  
  增量式位置检测装置的数控机床一般有三种返回参考点方式:
  
  1、回参考点时,轴先以速度V1向参考点快速移动,碰到参考点减速开关后,在减速信号的控制下,减速到速度V2并继续前移,脱开挡块后,再寻找测量系统零标志信号。当轴到达测量系统零标志发出栅格信号时,速度即制动到零,然后再以V2速度前移参考点偏移量停止于参考点。如图4所示为返参时序图,此种返参方式多用于FANUC数控系统的半闭环控制轴,例如FANUC0iTC数控系统需设定如下参数:


  
  2、回参考点时,轴先以速度V1快速向参考点移动,碰到参考点减速开关后速度制动到零,然后反向以速度V2慢速移动,到达测量系统零标志产生栅格信号时,速度制动到零,再前移参考点偏移量而停止于参考点。此种返参方式多用于Siemens数控系统的半闭环控制轴,例如Sinumerik840D数控系统需设定如下参数:


  
  3、回参考点时,轴先以速度V1快速向参考点移动,碰到参考点减速开关后速度制动到零,再反向微动直至脱离参考点开关,然后又沿原方向微动撞上参考点开关,并且以速度V2慢速前移,到达测量系统零标志产生栅格信号时,速度制动到零,再前移参考点偏移量而停止于参考点。
  
  使用增量式光栅尺作为位置检测装置的全闭环控制数控机床,由于普通光栅尺只有一个参考点零标志,这样机床每次返参时都需找到这个零标志,有时可能需要移动较大的行程,时间较长。为了加快和简化返回参考点操作,光栅尺生产厂家开发出一种带距离编码参考点的增量式光栅尺,两个参考点间相差一定的距离,一般移过两个相邻参考点后(一般只有数十毫米)。如图5所示,德国HEIDENHAIN公司生产的LS型光栅尺,机床直线轴移动20mm,数控系统就可以找到参考点位置,显示器上显示当前机械所在位置的机床坐标值。


  
  三、回参考点的故障分析与诊断
  
  根据数控机床回参考点常见故障及本人工作经验总结,系统性地编制了数控机床回参考点的故障分析与诊断流程图,如图6所示。


  
  数控机床发生回参考点故障时应重点检查如下项目:
  
  1、检查回参考点的模式是否是开机的第一次回参考点,是否采用绝对式的位置检测装置;
  
  2、检查减速挡块和减速开关的状态;
  
  3、检查参数设置是否合适,如检查回参考点快速进给速度、接近参考点速度等参数的设置。
  
  四、故障排除实例
  
  [实例1]一台日本FANUC0iTC数控系统的数控车床,X和Z轴位置检测装置配置为绝对式光电脉冲编码器。
  
  故障现象:开机后报警300号,报警内容:要求返回参考点。
  
  故障检查与分析:由于该机床采用的是绝对式位置检测装置,开机时不需要各轴返回参考点,出现300号报警的原因是编码器后备电池电压过低或人为修改了数控系统参数1240、1850。系统参数1240、1850含义如下:


  
  经检查发现编码器后备电池电压过低。
  
  故障处理:更换编码器后备电池后,重新设定机床参考点位置。步骤如下:
  
  (1)JOG方式下,移动X和Z轴到参考点位置;
  
  (2)机床关机重新启动;
  
  (3)修改系统参数1815#4设为1,即当使用绝对位置检测装置时,机械位置与绝对位置检测装置的位置关系,1为一致,0为不一致;
  
  (4)机床关机重新启动后故障排除。
  
  [实例2]一台数控铣床X轴返回参考点时报警X轴正向硬件超程。
  
  故障现象:X轴返参时以回参考点速度向参考点接近,但找不到参考点,而是一直以这一速度向前移动,直到碰到正向行程限位开关后紧急停止。
  
  故障检查与分析:从故障现象可得知,返参时有快速移动的V1速度,没有寻找参考点零标志的慢速V2,参考点减速开关没发出减速信号,检查发现参考点减速开关失效,触点锈蚀粘连。
  
  故障处理:更换新的参考点减速开关后故障排除。
  
  [实例3]一台数控铣床Y轴返回参考点时报警Y轴负向硬件超程。
  
  故障现象:Y轴返参时以回参考点速度向参考点接近,碰到参考点开关后,能以慢速反向运动,但找不到参考点,而且一直反向运动,直到碰到负向行程限位开关后紧急停止。
  
  故障检查与分析:从故障现象可得知,返参时有快速移动的V1速度,有寻找参考点零标志的慢速V2,但寻找不到检测装置零标志信号,检查发现电机的脉冲编码器损坏。
  
  故障处理:更换新的电机脉冲编码器后故障排除。
  
  [实例4]一台数控铣床Y轴回参考点动作过程正常,只是实际参考点位置不固定。
  
  故障现象:Y轴能进行返参操作,能找到参考点,但是每次返回参考点所停的位置不固定。
  
  故障检查与分析:首先检查减速开关安装位置合适,且回参考点时快速移动的V1速度和寻找参考点零标志的V2速度参数设定值也较恰当,移动减速开关位置,修改速度参数值无效,更换编码器和位置控制板后故障仍然存在。根据回参考点的基本原理分析,认为故障还是与位置检测信号或者零标志脉冲有关,用示波器观察编码器输出信号,发现信号幅值偏低,测量编码器电源输入端只有3V左右(正常5V,TTL信号),编码器电源是由位置控制板提供的,测量位置控制板输出5V正常,检查中发现电缆插头电阻较大,造成编码器电源衰减。
  
  故障处理:对该电缆插头修复后故障排除。
  
  五、结束语
  
  数控机床不能正确返回参考点是数控机床常见的故障之一,本文介绍了数控机床返参原理,根据数控机床回参考点常见故障,系统性地编制了回参考点的故障分析与诊断流程图,并举例说明,对数控机床故障维修初学者具有一定的参考价值。

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