数控机床的零点漂移及其研究

数控机床的零点漂移及其研究

摘 要：通过对半闭环与全闭环系统数控机床同零原理的分析，阐述机床零点飘移产生的原因，以及对机床零点飘移的 些关键性解决办法。 关键字：数控机床：列零；半闭环；全闭环

Abstract：a~ ough half-closed．1oop and closed -loop system-wide principles of CNC machine tools back to the an alysis of zero。Described the causes of machine zero drift As well as solne of the key machine zero drift solutions． Keywords：CNC；Backto zero；Semi-closed-loop；Closed-loop

概述

数控机床的回零操作是数控机床控制操作中最为关键的环节之 。数控操作规程明确指出，机床通电后首先必须进行同零操作，以确定机床原点和机床坐标系，为后续建立工件坐标系平和工件原点提供基准点。同时数控机床的各种刀具补偿、间隙补偿、轴向补偿以及其他精度补偿措施能否发挥正确作用，也完全取决于数控机床能否回到正确的零点位置。因此，正确回零和能否准确回零是关系到一个零件加工质量的重要环节和首要步骤。机床精度之所以得以保证，其中有一个重要方面是通过各个轴的回零来确定机床的绝对坐标，而被加工箱体各个面相对坐标的确定是以机床绝对坐标为前提的。零点的飘移会造成绝对坐标与实际位置之间产生错误，从而使相对坐标与箱体位置之问产生了错误，轻则产生较大的重复定位误差，导致箱体报费，重则撺坏刀具乃至对机床床身造成严重的破坏。零点飘移是芙系到加1 精度甚至整个机床的一个重要指标。

机床回零的工作原理

目前，数控机床一般采用的检测装置为脉冲编码器、光栅或磁尺。根据检测装置的不同，回零方法也因此可以分为栅格法或磁开关法两种放方法。其中，由于磁开关法存在定位漂移的现象，故而行业内较少采用，因此许多机床均采用栅格法回零。栅格法回零又可根据检测元件的计量方式不同，分为绝对栅格法回零和增量栅格法回零两种具体的操作方法。采用绝对栅格法同零的数控机床，在有后备存贮器电池支持的情况下，需在机床第1次开机调试时进行回零操作调整，因为以后每次开机后均记录有零点位置信息，也就不必再重复进行回零操作，而增量栅格法回零则每次均须进行回零操作。加工中心与数控机床的位置环控制有半闭环系统与全闭环系统两种，机床的工作原理与回零有所差异，不同轴的运转方式不一样其回零方式也存在差异。分别以两类数控机床的X轴为例介绍两个系统的回零工作原理(半闭环系统以法挪科0TD系统为例，全闭环系统以西门了840D系统的卧式加工中心为例)

1．1 半闭环系统

半闭环系统的轴控制原理(如图1)，回零时在MDI方式按“HOME”键与“x+”键，产生x轴回零的计算机指令，数控系统N C输出控制信号，经数／模转换后，以恒定的速度v传送给x轴伺服控制器，X轴伺服控制器控制X辅伺服电机M沿着x轴正向移动。当x轴压下凹零开关SQ31C，产生O信号给PLC输入端x1 6．5，PLC将该逻辑通过数据方式上传给数控系统NC，NC给出 零减速信号，经数／模转换后，以恒

定的速度V O传送给X轴伺服控制器，x轴伺服控制器控制x轴伺服电机M沿着x轴正向低速移动，当x轴释放回零开关SQ31C，产生1信号给PLC输入端x16．5，PLC将逻辑上传给N C给出位置信号，x轴旋转额定螺距后停车，系统置X轴坐标为零，作为x轴的机床绝对坐标圆点。如图2所示。

1．2 全闭环系统

全闭环系统的轴控制原理(如图3)，回零时，在回零方式下移动拔码盘指向x轴位置，按下“+”键产生x轴回零的计算机指令，NC输出信号经数／模转换，以恒定的速度V传送给伺服放大器，伺服放大器控制伺服电机M沿着X轴正向移动，当x轴压下回零开关O50一S l，产生1信号给PLC输入端I 16．0，PLC将逻辑上传给NC给出回零减速信号，经数／模转换，以恒定的速度一V0传送给x轴伺服控制器，X轴伺服控制器控制X轴伺服电机M沿着x轴负向低速移动，此时在光栅尺上寻找零脉冲，一旦找到第一个零脉冲给出位置信号，然后置x轴坐标为额定值，作为x轴的机床绝对坐标值(见图4)。

2 零点飘移的原因

回零操作作为机床操作的重要步骤，其正确性是确保零件加工质量是否合格的关键环节之一。根据我们长期

工作经验和对回零故障特点的分析可以知道，一般而言，回零故障主要有以下几种表现形式：

2．1 回零开关失灵

由于零点开关出现了问题，P L C没有产生信号反馈，或者是由于检测元件或接口电路某一部分遭受损坏而导致。一般无法回零，即便能同零由图2和图4可知也会产生严重的错误。

2．2 回零开关的位置有变化

由于零点开关位置设置不当(具体又可分为松动、调整不当等两种情况)、机械结构运动间隙或参数设置不当 等原因所导致。由于机床维修时(如检修回零开关或床身)或机床受外力(如撞车、强力振动)会导致回零开关 的位置变化，由图2和图4可知此时回零减速的位置产生了变化，因此无论半闭环还是全闭环系统回零点都会产生变化。

2．3 光栅尺的位置有变化

在全闭环系统中才会有光栅尺，光栅尺在清洗后(西门子840D系统中出现l322报警时，是测量系统有故障，此

时可以用清洗的办法来清洗光栅尺)，安装位置必然会产生变化，则第一零脉冲位置也会产生变化由图4可知回零点也必然会产生变化。

2．4 伺服速度环有故障

该回零故障的引起，主要原因是伺服控制器出现了问题，执行回零减速命令，机床仍快速前进，因速度太快，

系统会产生接受错误的或不是正确位置的零脉冲。

2．5 其它故障

光栅尺的零脉冲或位置编码器有故障，都会产生错误的零脉冲，使响应的零脉冲不是真正的第一零脉冲。

3 解决办法

故障时，一般会出现三种现象，根据不同的故障现象作出相应的对策，对于不同的系统的方法也不尽相同。

3．1 无回零减速

即回零开关没有接触到，或回零开关已损坏。方法是应打开诊断画面或动态梯形图，查阅相应的轴的输入点(如果是法挪科x轴则查x16．0)是否与图2或图4的波形致，如不一致更换相应的开关或电缆线即可。 一一台采用西门子SINUMERIK 840D的数控铣床，丌机后x轴找不到参考点，且一起运动到极限限位，产生限位报警。根据以上故障现象分析，可能是零点开关有问题。使用编程器监控发现DB31．DBX12．7的输出状态一直为零，表明在坐标轴回参考点时没有变化，这就证明了零点开关部位出现了问题。经检查零点开关没有问题，于是再检查电气连线，发现开关端子连线折断，致使PLC得不到零点开关的变化信号，因而造成回零信号无输出，只须重新连接线路。找出问题所在并加以解决，故障自然也就可以排除了。

3．2 回零点产生了变化但能保持此变化。

回零开关的位置与原来有变化，而以后则能保持在新的位置上，可以使用移动开关位置的办法，但一般采用改变相对坐标系与第二参考点的办法(法挪科x轴第二参考点参数号为7 3 5)。全闭环系统除了以上的方法还可以修改回零点的赋值(西门子8 40D系统的X轴的零点赋值参数号为NC2400)。

3．3 回零点产生了变化但不能保持此变化

每一次回零都有不同的结果，无重复定位精度可言。对于半闭环系统，回零开关在释放时的随动误差与系统的检测造成零点飘移，一般是上升1 Omm或下降1 Omm(即上升或下降一个螺距)。方法是将回零开关或档块向前或向后微移，或将回零档块变陡，使用这两种方法要求有一定的工作经验。

另一种方法是修改零点偏移量，调整方法是摇动于轮移动相应的轴，至回零开关释放点，与回零点比较记下

误差，如此重复数十次，计算平均值，要求保证误差平均值最佳为50460(因为在0～100 u m范围内为本螺距，而在1O0-0u m和lO0～200 u m分别为上、下一个螺距)，否则根据公式修改相应的零点偏移量(法挪科X轴零点偏移量参数号为5 O8，出厂设定为0)，公式为：零点偏移量参数值=50-误差平均值

如法挪科系统x轴误差平均值为-20，根据公式将508号参数改为70。对于全闭

环系统则与回零开关无关，是光栅尺的零脉冲有故障，应对光栅尺进行清洗，若无效则光栅尺需要更换。

3．4 其它

若是伺服放大器或位置编码器故障，由于涉及更多方面的问题在此就不一一叙述。常用的方法是替换法，值

得注意的是西门子8 4 0 D系统更换伺服放大器时要调整好参数板。数控机床开机回零命令不执行，且手动时也不动这一类回零操作故障的引起，原因很可能是机床伺服系统的伺服轴的使用条件不满足。此时，应及时对伺服系统进行检查和诊断。

一台采用西门子SINUMERIK880的数控镗床，开机后X轴回了参考点。观察其回的过程，发现x轴在这个过程中有减速过程，也有返程过程，但返程后终保持运行，直到压上限位开关，这说明零点开关无问题，问题出在零点脉冲上。但检查光栅尺零点脉冲的晃片时也并没有发现异常之处，经反复观察会发现，当零点开关被压上时，光栅尺的读数头应该对到晃片上。而事实上发现光栅尺的读数头与晃片两者并没有对齐，因此没能找到零点信号。此类故障只需移动晃片将其与读数头位置对准，故障自然就会消失。

4 结束语

机床回零出现故障后，应从故障现象着手，根据机床报警信号及指示灯状态，及时认真分析故障产生的原因，

本着由简到难、由外到内，先机械、后电气的原则进行查找，就一定能找到故障点。同时，在回零故障诊断和维修的过程中，一定要加强故障的判断能力，并切实注意加强在实践中善于摸索、发现的能力，并不断进行总结和提高。只有这样，才能适应新时代数控设备检测和维修的需要。当然对于维修来说是一个复杂的长期的过程，只有不断的摸索、学习，才会有所创新，希望大家在实践中不断总结经验，共同提高数控机床水平。

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