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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。

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

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。

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

快速进给速度 (PRM1420 α) FL速度 (PRM1425 α)

时间 *DECα 快速进给加减速时间常数(PRM1620 α) ON OFF ON

PCZ 栅格 栅格偏移量 (PRM1850)

图 2 参考点返回时序图(挡块方式)

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。

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

a

*DECα

正确的参考点 工作台停止位置

PCZ 栅格 栅格偏移量

b

*DECα

正确的参考点

工作台停止位置

PCZ 栅格 栅格偏移量 *DECα 正确的参考点 工作台停止位置

c

PCZ 栅格 栅格偏移量 δ 新参考点位置 工作台停止位置

d

*DECα

PCZ 栅格 栅格偏移量

图 3 返回参考点的位置调整 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

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

果重新分别设置参数 1850 项(单位 0.001mm)。

规定零点坐标:X=260.000Z=500.000

回零后坐标显示:X=262.000Z=501.000

1850 项 X 参数设定为 6000—(262.000—260.000)×1000=4000

1850 项 Z 参数设定为 6000—(501.000—500.000)×1000=5000

(6)重新进行第 4、5 项操作,使机床刀架回零坐标值符合规定值。

(7)在系统参数 1240 中分别输入 X:260000(直径编程坐标值)和 Z:500000。

(8)机床断电重新送电, 进行回零操作, 转塔刀架就按规定的距离精确地回到 零点,并在显示屏上显示出机床零点的坐标值。

2)带距离编码光栅尺调整

Siemens840D 系统相关参数设定:

34000 参数设为零(不用返回参考点减速开关信号)。

34060 参数设为返回参考点最大移动距离=两倍直线光栅尺标准参考点标志 栅格间距。

34090 参数设为返回参考点偏移值。

34200 参数设为 3(选择距离编码光栅尺)。

34300 参数设为直线光栅尺标准参考点标志栅格间距。

34310 参数设为光栅尺信号节距。

例如:海德汉(HEIDENHAIN)LB382C

34300=40mm;34060=80mm;34310=0.04mm;

FANUC0i-c 系统相关参数设定:

1802 第 1 位设为零,使用 3 参考点检测回零点。

1815 第 1 位第 2 位均设为 1,选择了带距离编码参考点标志的直线光栅尺。

1821 设为直线光栅尺标准参考点标志栅格间距。 (相邻两 mark1 之间的距离)。

1882 设为相邻两 mark2 之间的距离。

1883 假想的光栅尺原点与参考点之间的距离。

LB382C:1821=40mm1822=40+0.04=40.04mm

4、数控机床返回参考点的常见故障分析及示例

(1)常见现象及可能的原因

a.找不到参考点(通常会导致机床超程报警)

机床回零过程无减速动作或一直以减速回零,多数原因为减速开关及接线故 障。

机床回零动作正常,但系统得不到一转信号。原因可能是电动机编码器及接 线或系统轴板故障(工厂中多数采用交换法来判别故障具体部位)。

减速开关偏移。

b.找不准参考点(即返回参考点有偏差)

减速挡块偏移、栅格偏移量参数设定不当、参考计数器容量参数设定不当、 位置环增益设定过大、编码器或轴板不良。

(2)常见故障实例分析

[例 1]某一数控车床(系统为 FANUC-TD)回零时, 轴回零动作正常(先正方向 X 快速运动,碰到减速开关后,能以慢速运动),但机床出现系统因 X 轴硬件超程而 急停报警。此时 Z 轴回零控制正常。

根据故障现象和返回参考点控制原理,可以判定减速信号正常,位置检测装 置的零标志脉冲信号不正常。产生该故障的原因可能是来自 x 轴进给电动机的编 码器故障(包括连接的电缆线)或系统轴板故障。因为此时 Z 轴回零动作正常,所 以可以通过采取交换方法来判断故障部位。交换后,发现故障转移到 Z 轴上(X 轴 回零操作正常而 Z 轴回零出现报警),则判定故障在系统轴板,最后更换轴板,机 床恢复正常工作。

[例 2]某一数控车床进行钻孔时(利用机床建立的坐标系),发现孔中心偏差 了一个进给丝杠的螺距误差。

根据故障现象,返回参考点的动作过程正常,判定减速挡块偏离导致机床回 参考点不准,使得该轴碰上该挡块时,脉冲编码器上的零位标志刚错过,只能等 待脉冲编码器再转过近一周后,系统才能找到零标志。故障排除方法是调整减速 挡块且机床重新进行参考点的设定。

通过该故障分析,凡是机床返回参考点出现近似一个进给丝杠螺距误差时, 多数故障原因在减速挡块偏离,如果有很小的偏差就应按返回参考点不准的原因 进行检查。

[例 3]参考计数器容量参数设定不当。

SV-45 立式加工中心断电再开机返回参考点时,X 轴参考点漂移。漂移量为 4mm,8mm 或 12mm。每次回零位置不确定。

处理:1、对调 X 轴、Y 轴的伺服板。

2、对调原点撞块,对调撞块开关。

3、对调 X 轴和 Z 轴的编码器。采用上述三种办法问题仍未解决。

问题分析:原机床 X 轴采用全闭环的光栅尺,由于光栅尺的故障,取消 X 轴 的光栅尺,将闭环改为半闭环(编码器)时,才出现的。估计是参数设定不对,经 反复分析,调整,发现 1821#设定错误。错误设定为 12000。

1821#:各轴的参考计数器容量

参考计数器容量=栅格间隔/检测单位

=脉冲编码器转一圈的移动量/检测单位

当与丝杠直联时,脉冲编码器转一圈的移动量=丝杠螺距=16mm

参考计数器容量=16/0.001=16000

将 1821#的 12000 改为 16000 问题得以解决。


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