数控车床工作台回零故障分析及处理

摘要
在FANUC 0i数控系统中，对于维修经常出现的回参考点故障来说，弄清楚回参考
点的作用及机械与电气原理是非常重要的。

根据我们的维修实践来看。

有关数控机床回参考点方面的故障率还相当高，为了便于数控维修人员能够迅速准确地判断故障点，在这里把有关机床回参考点过程中各种形式的故障进行分析、如机床不能归参考点、归参考点失败、归参考点不准确等，找出了这些故障的产生原因并给出了其排除方法及总结。

【关键词】参考点，故障诊断，分析，排除
目录
摘要
第1章绪论 (1)
1.1、数控机床的发展 (1)
1.2、数控机床故障诊断技术的发展 (3)
第2章数控机床的参考点 (5)
2.1、什么是参考点 (5)
2.2、回参考点的目的 (6)
2.3、回参考点的原理 (6)
2.4、回参考点的方式 (10)
第3章回零点的故障案例与分析 (13)
3.1、故障类型与分析 (13)
第4章小结 (18)
参考文献 (19)
第1章绪论
1.1 数控机床的发展
数字控制(Numerical Control)技术,简称数控(CNC)技术,是指用数字指令来控制
机器的动作。

采用数控技术的控制系统成为数控系统。

采用存贮程序的专用计算机来实
现部分或全部基本数控功能的数控系统，称为计算机数控（CNC）系统。

装备了数控系统的机床称为数控机床.数控技术是为了解决复杂型面零件加工的自动化而生产的。

1948年，美国PARSONS公司在研制加工直升飞机叶片轮廓用检查样板的机床时，首先提出了数控机床的设想，在麻省理工学院的协助下，于1952年试制成功了世界上第一台数控机床样机。

后又经过三年时间的改进和自动程序编制的研究，数控机床进入了实用阶段，市场上出现了商品化数控机床。

1958年，美国KEANEY AND TRECKER公司在世界上首先研制成功了带有自动换刀装置的加工中心。

我国于1958年开始研制数控机床，到了60年代末和70年代初，简易的数控线切割机床已在广泛使用。

80年代初，我国引进了国外先进的数控技术，是我国的数控机床在质量和性能上都有了很大提高。

从90年代起，我国已向高档数控机床方向发展。

目前，数控机床的应用越来越广泛，其加工柔性好，精度高，生产效率高，具有很多的优点。

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正向以下几个方向发展。

1.1.1 高速化和高精度化
为实现高速化和高精度化，今后数控技术的发展如下：
①使伺服电动机的位置环、速度环的控制实现数字化，以达到对电动机的高速、高精度控制
②采用现代控制理论，减少滞后量提高跟随精度。

③采用高分辨率的位置编码器。

现代高分辨率位置编码器绝对位置的测量可达163840脉冲/转。

④实现多种补偿功能，提高数控机床的加工精度和动态特性。

1.1.2智能化、开放式、网络化
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成，为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。

简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、
方便系统的诊断及维修等。

为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。

目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。

数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。

所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。

目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

1.2数控机床故障诊断技术的发展
数控机床是当代机、电、光、气一体化高新技术的结晶。

电气复杂，管路交叉林立。

数控系统五花八门，故障现象也各不相同，特别是大、重型数控机床，价格昂贵，以数百万美金计。

安装调试时间长（几个月到一年以上）。

大型数控机床内有成千上万只元器件，其中任一元件有故障，都会造成机车工作不正常。

大、重型数控机床体积庞大，在无恒温条件下使用，环境的影响也很容易引发故障。

因此数控机床的维修就成了许多企业的老大难题。

要迅速找出数控机床的故障、隐患，并及时排除，就要迅速发展数控诊断技术。

1.2.1通信诊断
通信诊断也称原距离诊断或海外诊断。

用户只需把CNC系统中专用“通信接口”连接到普通电话线上，维修中心的专用通信诊断计算机的“数据电话”也连接到电话线路上。

由通信计算机向各用户CNC系统发送诊断程序，并将测试数据送回诊断计算机进行
分析并得出结论，最后又将诊断结论和处理方法通知用户。

FUNUC公司生产的数控系统就具有这种诊断功能。

通信诊断不仅用于故障发生之后对数控系统进行诊断，而且还可以用作用户的定期预防性诊断，只需按约定的时间对机床作一系列试运行检查，将检查数据通过电话线送入维修中心的计算机进行分析处理，维修人员不必亲临现场，就可以发现系统可能出现的故障隐患。

1.2.2自修复系统
自修复系统就是在系统内设置备用模块,在数控系统的软件中装有自修复程序.当软件在运行时一旦发现某一个模块有故障时,系统一方面将故障信息显示在CRT,同时自动寻找是否有备用模块, 若有备用模块,系统能自动使故障模块脱机而接通备用模块,从而使系统较快地进入正常工作状态。

Cincinnati-Milacron公司生产的950CNC系统就采用了这种自修复技术。

1.2.3人工智能（AI）专家故障诊断系统
专家系统是一个或一组能在某些特定领域内，应用大量的专家知识和推理方法求解复杂问题的一种人工智能计算机程序。

图1-1 故障诊断专家系统
通常，专家系统由知识库、推理机、数据库以及解释程序、知识获取程序等5个部分组成，见图1-1。

其核心部分为知识库和推理机。

其中知识库中存放着求解问题所需的知识，推理机负责使用知识库中的知识去解决实际问题。

知识库的建造需要知识工程师和领域专家相互合作把领域专家的知识和经验整理出来，并用系统的知识方法存放在知识库中。

当解决问题时，用户为系统提供一些已知的数据，就可从系统处获得专家水平的结论。

从数控机床故障诊断的内容看，故障诊断专家系统用于故障检测、故障分析和解决处理三个
方面。

在FANUC 0i系统中，已将专家故障诊断系统用于故障诊断。

在使用时，操作者以简单的会话问答方式，通过数控系统上的MDI/CRT操作，就能如同专家亲临现场一样，诊断出系统的故障。

1.2.4 人工神经元网络诊断
人工神元网络，简称神经网络，是人们在对人脑思维研究的基础上，用数学方法将其简化、抽象并模拟，能反映人脑基本功能特性的一种并行分布处理连接网络模型。

由于神经元网络具有联想、容错、记忆、自适应、自学习和处理复杂多模式故障的优点，是数控机床故障诊断新的发展途径。

将神经网络和专家系统结合起来，发挥两者各自的优点，更有助于数控机床的故障诊断。

第2章 数控机床的参考点
2.1 什么是参考点
所谓参考点又称原点或零点，是机床的机械原点和电气原点相重合的点，是原点复
归后机械上固定的点。

每台机床可以有一个参考原点，也可以据需要设置多个参考原点，用于自动刀具交换（ATC ）或自动拖盘交换（APC ）等。

参考点作为工件坐标系的原始参照系，机床参考点确定后，各工件坐标系随之建立。

所谓机械原点，是基本机械坐标系的基准点，机械零部件一旦装配完毕，机械原点随即确立。

所谓电气原点，是由机床所使用的检测反馈元件所发出的栅点信号或零标志信号确立的参考点。

为了使电气原点与机械原点重合，必须将电气原点到机械原点的距离用一个设置原点偏移量的参数进行设置。

这个重合的点就是机床原点。

图2-1为一卧式数控铣床参考点相对工作台中心位置的示意图
图2-1 卧式加工中心参考点 2.2 回参考点的目的
数控机床在接通电源后要做回参考点的操作，这是因为在机床断电后，就失去了对
装
订
线
各坐标位置的记忆，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。

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，也称机床参考点往往是由机床厂家在设计机床时就确定的，但这仅仅是机械意义上的。

使机床回到这一固定的操作称回参考点或回零操作。

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。

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参考点确立的基本坐标系比较后补偿等到的。

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，需回参
考点操作。

在CK0630型数控车床
的操作面板上有一个回参考点按
钮“ZERO ”，当按下这个按钮时
将会出现一个回参考点窗口菜单，
显示操作步骤。

这个步骤，依此 按下“X ”按钮，“Z ”按钮，则 图2-2 机床参考点的建立
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2-2所示)。

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FANUC-0i 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。

2.3回参考点的原理
按机床检测元件检测原点信号方式的不同，返回机床参考点的方法有两种。

一种
为栅格法，另一种为磁开关法。

数控机床多采用栅格法产生检测元件的回参考点信号。

2.3.1、栅格法
数控机床按照控制理论可分为闭环、半闭环和开环系统。

闭环数控系统装有检测最
终直线位移的反馈装置；半闭环数控系统的位置测量装置安装在伺服电动机转动轴上或
装
订 线
丝杆的端部，即反馈信号取自角位移；开环数控系统不带位置检测反馈装置。

闭环、半闭环数控系统通常利用位移检测反馈装置（脉冲编码器或光栅尺）进行回参考点定位，即栅格法回参考点；开环系统则需另外加装检测元件，通常利用磁感应开关回参考点定位，即磁开关法回参考点。

无论采用哪种回参考点操作，为保证准确定位，在到达零点之前，数控机床的伺服系统必须自动减速，因此在多数数控机床上安装减速撞块及相应的检测元件。

栅格法中，按照检测元件测量方式的不同可以分为以绝对脉冲编码器方式回参考点和以增量脉冲编码器方式回参考点。

在使用绝对脉冲编码器作为测量反馈元件的系统中，调试机床时第一次开机，通过参数设置配合机床回参考点操作调整到合适的参考点，只要绝对脉冲编码器的后备电池有效，此后每次开机，不必进行回参考点操作。

在使用增量脉冲编码器的系统中，回参考点有两种模式：一种为开机后在参考点回零模式下各轴手动回原点，每一次开机后都要进行手动回原点操作。

另一种为采用存储器模式，第一次开机手动回原点，以后均可用G 代码指令回原点。

参考文献[4]
图2-3中采用FUNUC-0i
系统数控铣床为例，下面简要
给出增量栅格法返回参考点
的原理和过程：（采用方式三
回参考点）
在图2-3中，快速进给速度
参数、慢速进给速度参数、加
减速时间常数、栅格偏移量等
参数分别由数控系统的相应参
数设定。

机床返回参考点的操
作步骤为：
(1)将方式开关拔到“回参
考点”档，选择返回参考点的轴， 图2-3 增量栅格法返回参考点原理 按下该轴点动按钮，该轴以快速移动速度（v 1）移向参考点。

(2)当与工作台一起运动的减速撞块压下减速开关触点时，减速信号由通(0N)转为断(OFF)状态，工作台进给会减速，按参数设定的慢速进给速度（v 2）继续移动。

减速可削弱运动部件的移动惯量，使零点停留位置准确。

(3)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PCZ)
来确定参考点，当减速撞块释放减速开关，触点状态由断转为通后，数控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，参考点灯亮，表明机床回该轴参考点成功。

有的数控机床在减速信号由通(ON)转为断(OFF)后，减速向前继续运动，当又脱开
装 订 线
开关后，轴的运动方向与机床会向相反的进给方向运动， 直到数控系统接受到第一个零点脉冲，轴停止运动。

同时数控系统发出参考点返回完成信号，参考点灯亮，表明机床回该轴参考点成功。

根据数控机床栅格法回参考点动作过程引起回参考点故障原因有：编码器故障和位置环故障：
2.3.1.1 编码器故障
在数控机床中，光电脉冲编码器作为速度和位置检测的元件，故障发生率较高。

首先对光电脉冲编码器作一下简介。

光电脉冲编码器可分为增量式和绝对式所谓增量式即编码器转过角度就发出脉冲，查不出轴处于什么位置，只能记录得电后的脉冲数。

机床失电后，不能记忆轴的位置。

绝对式则能够记忆轴转过的角度和空间位置。

这依赖于一组或一个备用电池的支持，使机床失电后仍能保持记忆。

当然编码器依据安装位置不同又可分为内装式和外装式，内装式和伺服电动机同轴安装，外装式则安装在传动链末端。

编码器输出信号通常有两组相位差90°的方波信号用于辨向，一个零标志位（又称
一 转信号）+5v 电源和接地端。

绝对式还有备用电池连接端。

编码器故障分类如下：
①编码器本身故障是指编码器本身元器件出现故障，导致其不能产生和输出正确的波形。

这种情况下需更换编码器或维修其内部器件。

②编码器连接电缆故障这种故障出现的几率最高，维修中经常遇到，应是优先考虑的因素。

通常为编码器电缆断路、短路或接触不良，这时需更换电缆或接头。

还应特别注意是否是由于电缆固定不紧，造成松动引起开焊或断路，这时需卡紧电缆。

③编码器 +5v 电源下降是指+5v 电源过低，通常不能低于 4.75v ，造成过低的原因是供电电源故障或电源传送电缆阻值偏大而引起损耗，这时需检修电源或更换电缆。

④绝对式编码器电池电压下降这种故障通常有含义明确的报警，这时需更换电池，如果参考点位置记忆丢失，还须执行重回参考点操作。

⑤编码器电缆屏蔽线未接或脱落这会引入干扰信号，使波形不稳定，影响通信的准确性，必须保证屏蔽线可靠的焊接及接地。

⑥编码器安装松动这种故障会影响位置控制精度，造成停止和移动中位置偏差量超差，甚至刚一开机即产生伺服系统过载报警，请特别注意。

⑦光栅污染这会使信号输出幅度下降，必须用脱脂棉沾无水酒精轻轻擦除油污。

下面以FANUC - 0i 数控系统两例故障予以说明：
1）实例一
故障现象：加工中心主轴定向时一直低速旋转。

故障分析和处理：这很
显然是机床接收不到零标志信号，即一转信号。

打开机床侧盖，拆下脉冲编码器，发现脉冲编码器底部有一层粉末。

完全拆开编码器后发现圆光栅上的条纹已全部被磨光，当然发不出信号。

更换新编码器后，一切正常。

此时需修改主轴准停时停止位置偏移量参数，使定向位置与更换前相同。

2）实例二故障现象：开机后出现APC （绝对脉冲编码器）电压低故障。

故障分析和处理：该机床已闲置5年，采用FANUC 0i 系统，电池应该失效。

更换4节1号碱性干电池后，机床又显示请求回参考点故障。

此时在手动状态将机床移动到参考点附近，再将参数 1815 ＃5（APCx ）#4（APZx ）全部置 0，关断一次电源后重新启动，坐标值全部显示为0。

再将参数 1815# 5（APCx ）#4（APZx ）全部置 1，关断一次电源，再重启，一切正常。

这样便给机床重新建立了参考点。

综上所述，脉冲编码器故障总体而言可分为编码器本身故障和外围输入、输出故障，明确这两点许多问题就清晰了。

2.3.1.2 位置环故障：
位置环这是数控系统发出控制指令，并与位置检测系统的反馈值相比较，进一步完成控制任务的关键环节。

它具有很高的工作频度，并与外设相联接，所以容易发生故障。

常见的故障如下：
① 位置控制环报警：可能是测量回路开路；测量系统损坏，位控单元内部损坏。

② 不发指令就运动，可能是漂移过高，正反馈，位控单元故障；测量元件损坏。

③ 测量元件故障，一般表现为无反馈值；机床回不了基准点；高速时漏脉冲产生报
警可能的原因是光栅或读头脏了或光栅坏了。

2.3.2、磁开关法
磁开关法是在机械本体上安装磁铁及磁感应原点开关或者接近开关，当磁感应原点开关或接近开关检测到原点信号后，进给电机立即停止，该停止点被认作为原点。

磁开关法常用于开环系统，由于开环系统没有位移检测反馈装置脉冲编码器或光栅尺，所以不会产生栅格信号，通常利用磁感应开关回参考点定位。

下面以某数控车床为例简要叙述：
返回参考点的原理和过程。

在图2-4中，快速进给速度参数、慢速进给速度参数、加减速时间常数、偏移量等参数分别由数控系统的相应参数设定。

返回参考点的操作步骤为：
(1)将方式开关拔到回参考点档，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)当与工作台一起运动的减速撞块压下减速开关触点时，减速信号由通(0N)
转为
断(OFF)状态，工作台进给会减速，按参数设定的慢速进给速度继续移动。

减速可削弱运动部件的移动惯量，使零点停留位置准确。

(3)当减速撞块释放减速开关，触点状态由断转为通后，数控系统将等待感应开关信号的出现。

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，参考点灯亮，表明机
床回该轴参考点成功。

图2-4 磁开关法回参考点原理
2.4回参考点的方式
回参考点的方式将因数控系统的类型和机床生产厂家而异。

一台FUNUC O i 系统数控铣床是采用增量栅格法来确定机床的参考点的。

采用这种增量式检测装置的数控机床一般有以下四种回参考点的方式。

参考文献[8] 2.4.1.方 式 一
回参考点前，先用手动方式以速度v 1快速将轴移到参考点附近，然后启动回参考点操作，轴便以速度v 2慢速向参考点移动。

碰到参考点开关后，数控系统即开始寻找位置检测装置上的零标志。

当到达零标志时，发出与零标志脉冲相对应的栅格信号，轴速度
图2-5 回参考点方式一
即在此信号作用下制动到零，然后再前移参考点偏移量而停止，所停位置即为参考点。

偏移量的大小通过测量由参数设定。

如(图2-5)
装
订
线
2.4.2.方 式 二
回参考点时,轴先以速度v 1向参考点快速移动,碰到参考点开关后,在减速信号的控制下,减速到速度v 2并继续前移，脱开挡块后，再找零标志。

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v 2速度前移参考点偏移量而停止于参考点。

如(图2-6)
图2-6 回参考点方式二
2.4.
3.方 式 三
回参考点时，轴先以速度v 1快速向参考点移动，碰到参考点开关后速度制动到零，然后反向以速度v 2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
图2-7 回参考点方式三
前移参考点偏移量而停止于参考点。

如(图2-7) 2.4.4. 方 式 四
装
订
线。