教学案例1机床不能正常返回参考点

教学案例1
机床不能正常返回参考点
参考点（Reference point）——是数控厂家通过在伺服轴上建立一个相对稳定不变的物理位置作为参考点，又称电气栅格。

所谓返回参考点，严格意义上是回到电气栅格零点。

（数控机床分为机械坐标零点、工件坐标零点、电气栅格零点——参考点。

我们加工时所使用的工件坐标零点（G54~G59），是在参考点的基础上进行一定量的偏置而生成的（通过参数）。

所以当参考点一致性出现问题时，工件零点的一致性也丧失，加工精度更无从保证。

目前建立参考点的方式主要分为两种：
(1)增量方式（reference position with dogs）
也称为有档块回零,在每次开电后，需要手动返回参考点，当“机械档块”碰到减速开关后减速，并寻找零位脉冲，建立零点。

一旦关断电源，零点丢失。

(2)绝对坐标方式（absolute-position detector）
每次开电后不需要回零操作，零点一旦建立，通过后备电池将绝对位置信息保存在特定的SRAM区中，断电后位置信息也不丢失，这种形式被称为绝对零点。

不能正常返回参考点（增量方式）故障表现形式为：
情况1：手动回零时不减速，并伴随超程报警
情况2：手动回零有减速动作，但减速后轴运动不停止直至90# 报警——伺服
轴找不到零点
情况3：手动回零方式下根本没有轴移动
那么我们从分析整个返回参考点的工作过程和工作原理入手。

原理及过程过程分析：
1)回参考点方式有效（ZRN）（MD1/MD4）——对应PMC地址G43.7=1，
G43.0=1/G43.2=1。

2)轴选择（+/-Jx）有效——对应PMC地址G100~G102=1。

3)减速开关读入信号（*DECx）——对应PMC地址X9.0~X9.3或G196.0~3=101。

4)电气格被读入，找到参考点。

增量式回零过程：
图13-1 回参考点过程
这里需要详细说明的是“电气栅格”。

FANUC 数控系统除了与一般数控系统一样，在返回参考点时需要寻找真正的物理栅格——编码器的一转信号（如图13-1所示），或光栅尺的栅格信号（如图13-2所示）。

并且还要在物理栅格的基础上再加上一定的偏移量——栅格偏移量（1850#参数中设定的量），形成最终的参考点。

也即图13-1中的“GRID”信号，“GRID”信号可以理解为是在所找到的物理栅格基础上再加上“栅格偏移量”后生成的点。

FANUC 公司使用电气栅格“GRID”的目的，就是可以通过1850# 参数的调整，在一定量的范围内（小于参考计数器容量设置范围）灵活的微调参考点的精确位置，这一点与西门子数控系统返回参考点方式有所不同。

而这一“栅格偏移量”参数恰恰是我们维修工程师维修、调整时应该用到的参数。

图13-2 一转脉冲
故障原因分析：
了解上述的工作原理，我们就不难分析各阶段故障产生的原因。

首先我们分析上面情况1 的故障原
因及解决方案。

当我们选择了回参考点方式后，按下某个轴的方向按钮，此时如果机床能够快速向参考点方向移动时，则说明方式选择信号通过PMC 接口通知了CNC（时序图第①步顺利通过）。

此后如果没有减速现象出现，并且还伴随超程报警，则说明在执行到时序图②的时候出现了问题——减速开关信号*DECn 没有通知到CNC，这时请关注下面两个环节：
1)减速开关进油或进水，信号失效，I/O 单元之前就没有信号。

2)减速开关OK，但PMC诊断画面没有反应，虽然信号已经输入到系统接口板，但由于I/O 接口板或输入模块已经损坏。

由于减速开关在工作台下面，工作条件比较恶略（油、水、铁屑侵蚀），严重时引起24V 短路，损伤接口板，从而导致上述两种情况时有发生。

作为维修技术人员，应该能够娴熟的判断出上述两种不同的故障，其手段比较简单——用万用表检测开关通断情况，通过PMC 诊断画面观察*DECn 的变化。

*DECn 的地址是X9.0~X9.3或G196.0~G196.3，分别代表第1轴到第4 轴的减速开关的状态，n表示第n 轴。

注意；这里“ * ”表示负逻辑，即低电平有效，正常情况下*DECn应该是101的变化。

只要*DECn 信号能够从1变为0，则工作台就会完成减速这一动作，即时序图中②步可以通过。

下面我们分析不能够返回参考点的第2种情况——有减速动作，但工作台减速后一直不停的低速运行，并最终出现90#报警。

从图8-4时序图中我们应该注意一个细节，FANUC 数控系统寻找参考点一般
是在减速开关抬起后寻找第一个一转信号（对于编码器，参见图8-5“一转脉冲”）或物理栅格，此时如果一转信号或物理栅格信号缺失，则就会出现90#报警——找不到参考点。

那么什么会导致一转信号或物理栅格信号缺失呢？通过我们多年的实践，下述几种情况均容易引起栅格信号缺失：
①编码器或光栅尺被污染，如进水进油。

②反馈信号线或光栅适配器受外部信号干扰
③反馈电缆信号衰减
④编码器或光栅尺接口电路故障、器件老化。

⑤伺服放大器接口电路故障。

上述前三种情况是维修中常遇到的现象，分析这一故障的关键点是“一转信号”或“栅格信号”。

数控系统一旦找到这一信号，返回参考点即告完成。

实例分析:
实例1:龙门数控镗铣床FANUC16iM 系统，半闭环控制，每天开机手动返回参考点时X轴偶尔会
出现90#报警，找不到参考点，返回参考点时工作台有减速动作，但是一旦手动回参考点成功，重复用G28 方式回零没有任何问题。

分析原因,大多数机床制造商设置在手动返回参考点时，寻找并读取PCZ信号（物理栅格信号）建立参考点，而在G28 方式下使用计数器清零的方式返回参考点，不寻找物理栅格信号。

从故障描述来看重点应该检查一转信号。

首先采用最简便易行的方法，检查反馈电缆，用万用表电阻挡测量电缆两端通断，结果没有问题。

接下来更换脉冲编码器，将X轴编码器与另一个可以回参考点的轴（Y轴）编码器互换，结果没有任何变化，即：X轴仍然不能够每次找到零点，而Y轴回零正常，说明脉冲编码器良好。

之后更换伺服放大器，仍然没有效果。

说明相关的硬件均已更换，仍然没有找到故障点。

仔细分析大型机床的结构，发现X轴反馈电缆经过坦克链到伺服放大器共计50余米，初步判断可能是由于信号衰减造成的一转信号不好，最后将5V 及0V线脚与电缆中多余的备用线并联加粗，降低线间电阻，提高信号幅值，最终排除了故障。

注意：FANUC α系列驱动的反馈装置采用的是高速串行传送，用传统的示波器无法观测波形，所以更多的是采用替代法或者借助系统界面诊断排查故障。

教学案例2
主轴速度误差过大报警
主轴速度误差过大报警在屏幕上的显示内容为：7102 SPN 1: EX SPEED
ERROR，同时在主轴模块上七段显示管“02”报警。

主轴速度误差过大报警的检出，是反映实际检测到的主轴电机速度与M03 或M04 中给定的速度指令值相差过大。

这个报警也是FANUC系统常见的报警之一，主要引起原因是主轴速度反馈装置或外围负载的问题。

下面我们从主轴速度检测入手，分析报警产生的原因与解决方案。

工作原理分析：
FANUC 主轴的连接可以根据不同的硬件选配，产生多种组合，如：单一电机速度反馈（用于数控铣床）、速度反馈+磁传感器定位（多用于立式加工中心等，磁传感器定位用于机械手换刀或镗孔准停）、速度反馈+分离位置编码器（数控车床或加工中心，可进行车削螺纹或刚性攻丝）、采用内置高分辨磁编码器等（用于内装式主轴或Cs轴控制等）。

这里我们仅介绍图13-3由主轴电机速度反馈+分离编码器的结构，这也是目前比较常见的结构。

图13-3 主轴电机速度反馈+分离编码器的结构
此种结构需要注意的是：主轴电机反馈和机械主轴位置编码器反馈是两路不同的通道，电机速度反馈通过JY2 进入主轴模块，编码器反馈从JY4 输入到主轴模块。

FANUC速度反馈的结构如图一中照片所示，它是由一个小模数的测速齿轮与一个磁传感器组成，测速齿轮与电机轴同心，当主轴旋转时，齿面高低的变化感应磁传感器输出一个正弦波，其频率反映主轴速度的快慢。

那么磁传感器输出正弦波信号的质量，决定了速度反馈质量的好坏。

我们在查找主轴速度报警时，应该重点检查这一环节。

故障原因分析：
引起主轴速度反馈不良的主要原因有：
1)磁传感器老化，退磁。

2)反馈电缆屏蔽处理不良，受外部信号干扰，产生杂波。

3)主轴后轴承磨损，小模数齿轮跳动超过允许值。

4)主轴模块接口电路损坏。

5)主轴机械部分故障，机械负载过重。

下面我们通过几组实例分析，结合上面的主轴速度反馈工作原理和工作过程介绍，更加深入的理解排查此类故障的方法和思路。

实例分析：
某数控车，FANUC 0iD控制系统，FANUCα系列串行主轴，M03指令发出后出现主轴速度误差过大报警，主轴模块上的七段显示管“02”号报警，机床无法工作。

现场工程技术人员先后更换了主轴模块、反馈电缆，最终判断是主轴电机速度反馈问题，但是更换磁传感器备件后，原故障依旧没有解决。

后将主轴电机运至北京，经专业技术人员检查发现电气系统及器件良好，但是主轴尾部端跳0.3mm以上（正常情况应该在0.01~0.02mm 以下），导致齿面与传感器之间的间隙波动太大，无法有效调整和固定磁传感器位置，引发速度误差报警。

具体检查方法参见下图13-4所示。

图13-4 检查方法示意图
进一步诊断，发现主轴电机后轴承座径向尺寸被磨大，已经无法固定轴承外圈，只得订购后轴承座备件，以备更换。

之后了解到，这一问题的出现是由于钳工更换主轴三角皮带后张力调得过于大，导致后轴承座损坏，所以在我们今后的日常维修保养中要引以为戒。

教学案例3
螺纹加工乱牙的解决思路
故障现象：
数控系统选用Oi Mate-TD系统，加工螺纹时螺纹乱牙。

故障原因：
螺纹切削利用每转进给方式，即伺服的进给量是由主轴的旋转两来控制的，主轴旋转一转，Z轴按照指令的距离（螺距）进行进给，使主轴的旋转与Z轴的进给保持同步。

但是螺纹切削是多次的切削过程，要保证每次进刀的位置都是同一个位置，这就需要螺纹切削的起刀点和主轴的转角位置保持固定。

这一点是通过检测位置编码器的一转信号来完成的。

位置编码器中的A/B信号决定了进给的速度，Z相信号决定了螺纹的起刀点。

位置编码器与主轴相连接的示意图如图13-5所示。

图13-5 位置编码器与主轴连接示意图
螺纹切削要求机械精度、位置编码器检测精度、传动链精度都比较高，周围不能有大的干扰。

根据工作原理，故障原因可能有：
1)位置编码器与主轴连接故障；
2)Z轴联轴器松动或反向间隙较大；
3)系统硬件故障或存在干扰；
4)系统参数故障。

故障分析：
1)检查位置编码器与主轴的机械连接
一般主轴与位置编码器采用同步带连接，否则会有传动打滑现象。

位置编码器的一转信号指示的位置与主轴转动的实际位置不一致，造成螺纹切削的起刀位置每次都不一样，最终导致螺纹乱扣。

2)Z轴联轴器及反向间隙
如果Z轴联轴器部分松动或者反向间隙较大，就算位置编码器的一转信号主轴同步，也会造成主轴转角与Z轴相对位置的变化，造成起刀点的位置不同，导致螺纹乱扣。

3)检查系统硬件及干扰
考虑位置编码器、反馈电缆及周围干扰源（尤其是电源动力电缆）对一转信号的影响。

4)由于是正常使用的数控机床的参数没有人为修改或丢失，基本不需要考虑参数问题。

故障解决：
检查发现位置编码器联轴器松动，重新安装联轴器。