FANUC数控机床机械原点的设置及回零常见故障分析

第一篇：FANUC数控机床机械原点的设置及回零常见故障分析

FANUC数控机床机械原点的设置及回零常见故障分析

当前大多数数控机床均采用通过减速档块的方式回零，但谊方式在日常使用中故障率却艰高，有时甚至出现机械原点的丢失。本文以FANUC系统的台中精机VCENTER-70加工中心为例浅析了数控机床机械原点的设置方法，并对该类数控机床常见回零故障的各种形式式进行了分析与总结。

机械原点是机床生产厂家在生产机床时任机床上设置的一个物理位置，可以使控制系统和机床能够同步，从而建立起一个用于测量机床运动坐标的起始位置点，通常也是程序坐标的参考点。大多数数控机床在开机后都需要回零即回机械原点的操作。本文以FANUC系统的台中精机VCENTER-70加工中心为例浅析了数控机床机械原点的设置方法，并对此类数控机床常见回零故障的各种形武进行了分析与总结。1 机械原点设置

1.1 机械原点丢失的原因

台中精机生产的VCENTER-70加工中心采用增量编码器作为机床位置的检测装置。系统断电后，工件坐标系的坐标值就会失去记忆，尽管靠电池能够维持坐标值的记忆，但只是记忆机床断电前的坐标值而不是机床的实际位置，所以机床首次开机后要进行返回参考点操作。而当系统断电遇到电池没电或特殊情况失电时，就会造成机械原点的丢失．从而使机床回参考点失败而无法正常工作。此时机床会产生。#306 n轴电池电压0#的报警信息，并且还会产生机械坐标丢失报警。#300第n轴原点复位要求”(n代指X、Y、Z)。

1.2 机械原点的设置

在通常情况下，设置数控机床机械原点的方法主要有以下两种：1)手动使X、Y、Z三轴超程印利用三轴的极限位置选择机械原点。2)利用各坐标轴的伺服检溯反馈系统提供相应基准脉冲来选择机床参考点即机械原点。由于第一种方法是机床厂家通常建议的也是较为简便和实用的方法．因此本文在此详细介绍第1种做法。以X轴为例，设置步骤如下：

(1)将机床操作面板上的方式选择开关设定为MDI方式。

(2)按下机床MDI面板上的功能键[OFS/SET]数次，进入设定画面。

(3)将写参数中的0改为1，由此，系统进入了参数可写状态。此时机床出现。SWO 100参数写入开关处于打开”的报警信息。忽略这条报警信息，设置完参数后改回为0即可。

(4)按下功能键lsYSTEM】，进入系统参数键面。通过参数搜索找到参数1815(如表l所示)通常情况下，X轴的#4APZ或#5 APC会显示为0，若不为0就将其设定为0。

(5)找到参数1320，此参数为存储各轴正向行程的坐标值。将其X轴的正向行程设定为最大值999999。目的是让X轴的正向软限位位置值大于其正向硬限位的位置值。

(6)将方式选择开关打到手轮方式，然后摇动手轮使工作台碰及X轴的正向限位档块，此时机床会出现“#500+X过行程”报警。

(7)按下MDI面板上的[POS]功能键．进入机床坐标显示键面。打开相对坐标显示键面，按下X+[起源]使X轴的相对坐标值变为0。

(8)按下机床操作面板上的【超程释放】并摇动手轮至X-6．5的位置。

(9)再次找到参数1815，将X轴的#4APZ或#5 APC都设定为1。

最后重启数控系统，完成X轴的机械原点设置。

Y轴和Z轴的机械原点设置方法与X轴相同，三轴的机械原点都设定好后重新打开写参数设定键面，将其设定为0。此时机床的报警信息全部消失，完成了加工中心的机械原点设置。

利用基准脉冲设定机床零点。

在通常情况下，闭环系统直线的光栅尺每隔50mm就会产生一个基准脉冲，但也会有一些特殊的直线光栅尺，它会每隔20mm就产生一个基准脉冲。对于闭环系统中的旋转编码器来说，产生的基准脉冲距离要比直线光栅尺小很多，比如只有6mm。由于这个基准脉冲在机床上经常会被选定为致控系统计数的基准．因此通过修改机床里的参数就可以将这个基准点的值设定为0，从而使这个点成为机床的参考点也就是机床的机械原点。

1.3 设置机械原点时的注意事项

(1)设置前要检查各坐标轴上要否安装有机床回零的微动开关，且各微动开关的位置是否适合。

(2)在第一个基准脉冲验出之前，必顺保证该坐标轴到了需要降速的距离上了。而这个降速距离就是所选速度的滞后误差值。

(3)由于使用的是编码器．故两个基准脉冲之间的距离会很小，所以在回机床零点时，速度要低一些，从而使滞后误差不会高于这个值的500。

(4)由于各坐标轴回机床机械原点时的速度是由机床的相应参效决定的．因此在设置这些参数时要注意．确保机床回零速度合适。

(5)倘若机床在回零点时压住了微动开关，那么就必须通过手轮或是手动的方式操作数控机床坐标轴，强制其退出微动开关并退到离微动开关较远的位置，然后再次执行各坐标轴回参考点的操作。2 机床回零常见故障分析及处理

2.1 机床开机后不能回零故障分析及处理

(1)可能系统参数设置有误。解决方法是仔细检查各个相关参数，必要时重设参数。

(2)零脉冲不良导致的故障。零脉冲不良就会使回零时找不到零脉冲，引起的原因可能是系统轴板故障或是编码器及接线出现故障。解决方法是对编码器进行更换或清洗，检查线路及系统轴板是否有问题。

(3)有可能减速开关短路或是已经损坏。这种故障会导致减速信号不能产生。解决方法是检查减速开关的线路，对减速开关进行维修，必要时更换减速开关。

(4)可能检测元件已被污染。在全闭环控制的系统中，若光栅尺沾有油污，就不能采集到信号。解决方法是清洗光栅尺。

2.2 机床回零时找不到零点位置故障分析及处理

(1)减速开关有可能已经损坏或受污，也可能是线路短路或断路。解决方法就是及时对减速开关进行清理维修，必要时更换减速开关。检查线路连接情况．及时发现问题并解决。

(2)可能是减速档块所处位置不准确。解决方法是调整减速档块到限位开关的距离，避免两者行程过小引发此故障。

2.3 机床回零后的位置与零点位置发生螺距偏移故障分析及处理

引起这一故障可能的原因是产生栅格信号的时刻与减速信号从断开到接通的时刻太接近了，再加上存在的传动误差，就使得机床回零过程中工作台碰到减速开关时，刚好错过了栅格信号，所以只能等到脉冲编码器再转过一周以后才能找到下一个栅格信号。故而出现了此类故障。具体分析如下：

在减速开关的信号从断开恢复到接通状态时，随即便出现了栅格信号，也就是晚栅格信号处在门临界点上(如图1a所永)。这样一来，机械部分的热变形，减速开关出现“通”、“断”信号的重复精度误差都会导致零点发生位置偏离的故障(如图1b所示)。解决方法足可适当的阔整减速档块所处的位置，从而使零点位置与工作台停止的位置重合(如图1c所示)。也可以采用修改栅格偏移量的方法，使产生栅格信号的时划离减速信号从断开到接通时刻的距离是栅格信号产生周期的一半，就可消除此故障(如图1d所示)。

图1故障分析及鳞决方法示意囤

2.4 机床幽零位置随机性变化故障分析及处理

(1)脉冲编码器的供电电压太低。解决方法是调整从主板上输出的电压值，同时查看编码器线路板上的电源电压是否已到了合适的范围。

(2)伺服调节不良．从而引起跟踪误差偏大。解决方法足修改伺服参数。

(3)滚珠丝杠间隙偏大或丝杠与电动机的联轴器出现了松动。解决的方法是对演珠丝杠螺母剐的间隙进行调整及优化，对联轴器进行紧周或更换。

(4)零咏冲受到干扰。解决的方法是检查脉冲编码器的电缆布置是否合理，反馈电缆萍蔽是否连接无误。3 结语

掌握数拧机床原点的设置方法和常见回零故障处理方式对于解决生产实践中的机床回零故障具有很好的指导作用。但值得说明的是故障观象与故障原因并非是一一对应的，有可能是几种原困引起的。因此在维修时要根据机床的实际情况，结合实践经验和维修手册逐一检查排除假象，找到故障起因并予以排除。

第二篇：数控机床伺服进给系统常见故障及典型案例分析

数控机床伺服进给系统常见故障及典型案例分析

摘 要：数控机床和数控系统在工作时常出现由于伺服进给系统原因造成的机床故障，此类故障出现的常见形式有超程、过载、工件尺寸无规律偏差等。针对这些典型故障现象，采用一定的机床维修技术，减少此类故障的发生率。

关键词：伺服进给系统；精度；伺服电动机伺服进给系统常见故障形式

1.1 超程

当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关决定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在CRT上显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除超程。

1.2 爬行

一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服和滚珠丝杠连接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动或伺服的转动不同步，从而使进给忽快忽慢，产生爬行现象。

1.3 窜动

在进给时出现窜动现象，其可能原因有：

1、接线端子接触不良，如紧固的螺钉松动；

2、位置控制信号受到干扰；

3、测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等。如果窜动发生在正、反向运动的瞬间，则一般是由于进给传动链的反向间隙或者伺服系统增益过大引起。

1.4 过载

当进给运动的负载过大、参数设定错误、频繁正、反向运动以及进给传动链润滑状态不良时，均会引起过载的故障。此故障一般机床可以自行诊断出来，并在 CRT显示屏上显示过载、过热或过电流报警。同时，在进给伺服模块上用指示灯或者数码管显示驱动单元过载、过电流等报警信息。

1.5 伺服电动机不转

当速度、位置控制信号未输出、或者使能信号（即伺服允许信号，一般为DC+24V继电器线圈电压）未接通以及进给驱动单元故障都会造成此故障。此时应测量数控装置的指令输出端子的信号是否正常，通过CRT观察I/O状态，分析机床 PLC梯形图（或流程图），以确定进给轴的启动条件，观察如润滑、冷却等是否满足。如是进给驱动单元故障则用交换法，可判断出相应单元是否有故障。伺服进给系统常见故障典型案例分析

（1）一台配套FANUC 7M系统的加工中心，进给加工过程中，发现Y轴有振动现象。

为了判定故障原因，将机床操作方式置于手动方式，用手摇脉冲发生器控制Y轴进给，发现Y轴仍有振动现象。在此方式下，通过较长时间的移动后，Y轴速度单元上OVC报警灯亮。证明Y轴伺服驱动器发生了过电流报警，根据以上现象，分析可能的原因如下：

①电动机负载过重；②机械传动系统不良；③位置环增益过高；④伺服电动机不良，等等。

维修时通过互换法，确认故障原因出在直流伺服电动机上。卸下Y轴电动机，经检查发现2个电刷中有1个的弹簧己经烧断，造成了电枢电流不平衡，使电动机输出转矩不平衡。另外，发现电动机的轴承亦有损坏，故而引起-轴的振动与过电流。更换电动机轴承与电刷后，机床恢复正常。

（2）一台配套FANUC 6ME系统的加工中心。轴在运动时速度不稳.由运动到停止的过程中，在停止位置出现较大幅度的振荡，有时不能完成定位，必须关机后，才能重新工作。

分析与处理过程：仔细观察机床的振动情况，发现，X轴振荡频率较低，且无异常声。从振荡现象上看，故障现象与闭环系统参数设定有关，如：系统增益设定过高、积分时间常数设定过大等。

检查系统的参数设定、伺服驱动器的增益、积分时间电位器调节等均在合适的范围，且与故障前的调整完全一致，因此可以初步判断，轴的振荡与参数的设定与调节无关。为了进一步验证，维修时在记录了原调整值的前提下，将以上参数进行了重新调节与试验，发现故障依然存在，证明了判断的正确性。

在以上基础上，将参数与调整值重新回到原设定后，对伺服电动机与测量系统进行了检查。首先清理了测速发电机和伺服电动机的换向器表面，并用数字表检查测速发电机绕组情况。检查发现，该伺服电动机的测速发电机转子与电动机轴之间的连接存在松动，粘接部分已经脱开；经重新连接后，开机试验，故障现象消失，机床恢复正常工作。

（3）一台数控铣床，采用FUNAC 6M系列三轴一体型伺服驱动器，开机后，X轴工作正常，但是手动移动Z轴，发现在较小范围内，Z轴可以运动，但继续移动Z轴，系统出现伺服报警。

分析和处理过程：根据故障现象，检查机床实际工作情况，发现开机后Z轴可以少量运动，不久温度迅速上升，表面发烫。

分析引起以上故障的原因，可能是机床电气控制系统故障或机械传动系统不良。为确定故障部位，考虑到本机床采用半闭环结构，维修时首先松开伺服与丝杠的连接，并再次开机实验，发现故障现象不变，故确认报警是由于电气控制系统不良引起。由于机床Z轴伺服带有制动器，开机测量制动器的输入电压正常，在系统、驱动器关机的情况下，对制动器单独加入电源进行试验，手动转动Z轴，发现制动器松开，手动转动轴平稳、轻松，证明制动器工作良好。

为了进一步缩小故障部位，确认Z轴伺服的工作情况，维修时利用不同规格的 X轴在机床侧进行互换实验，发现换上的同样出现发热现象，且工作时故障现象不变，从而排除了伺服本身原因。

为了确认驱动器的工作情况，维修时在驱动器侧，对Z轴的驱动器进行互换实验，即将X轴驱动器与Z轴伺服链接，Z轴驱动器与X轴连接。经实验发现故障转移到X轴，Z轴工作恢复正常

根据以上实验，乐意确认以下几点：

①机床机械传动系统正常，制动器工作良好；

②数控系统工作正常，因为当Z轴驱动器带动X轴时，机床无报警；③Z轴伺服工作正常，因为将它在机床侧与X轴互换后，工作正常；

④Z轴驱动器工作正常，因为通过X轴驱动器在电柜侧互换，控制Z轴后，同样

发生故障。

综合以上判断，可以确认故障是由于Z轴伺服的电缆连接引起的。

仔细检查伺服的电缆连接，发现该机床在出厂时电枢线连接错误，即驱动器的L/M/N端子未与插头的 A/B/C连接端一一对应，相序存在错误，重新连接后，故障消失，Z轴可以正常工作。

（4）一台配套FUNAC 6ME系统的加工中心，X轴在静止时机床工作正常，无报警；但在X轴运动过程中，出现振动，伴有噪声。

分析与处理过程：由于机床在X轴静止时机床工作正常，无报警，初步判定数控系统与驱动器无故障。考虑到X轴运动时定位正确，因此，进一步判定系统X位置环工作正常。检查X轴的振动情况，经观察发现，振动的频率与运动速度有关，运动速度快振动频率较高，运动速度慢则振动频率低，初步认为故障与速度反馈环节有关。分析引起以上故障可能的原因有：

①测速发电机不良；②测速发电机连接不良；③直流伺服电动机不良。

维修时首先检查X轴伺服电动机的测速发电机连接，未发现不良。检查X轴伺服电动机与内装式测速发电机，发现换向器表面积有较多的碳粉，用压缩空气进行清理后，故障未消除。进一步利用数字万用表，测量测速发电机换向片之间的电阻值，经比较后发现，有一对极片间的电阻值比其他各对极片间的电阻值大了很多，说明测速发电机绕组内部存在断路现象。更换新的测速发电机后，机床恢复正常。

第三篇：数控车床工作台回零故障分析及处理

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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

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Ⅰ

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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 装 2.2、回参考点的目的 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.3、回参考点的原理

„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

订 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 线 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

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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、共 19 页

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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

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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

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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。

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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。

装 订 线图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

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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装 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 订 线 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

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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（v1）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（v2）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

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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

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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：

装 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

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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

装 订 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 Oi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v1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v2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 线 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)

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2.4.2.方 式 二

回参考点时,轴先以速度v1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v2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v2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v1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

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

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回参考点时,轴先以速度v1向参考点快速移动,碰到参考点开关后制动到零,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。如(图2-8)装 订 线

图2-8 回参考点方式四

FUNUC-0i系统数控机床返回参考点的方式因数控类型和机床生产厂家不同而异，一台FUNUC-0i系统数控铣床采用的是方式三回参考点：

曾出现这种故障现象：X轴先正方向快速运动，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，直到碰到限位开关而紧急停止。根据故障现象和返回参考点的方式，可以判断减速信号正常，位置测量装置的零标志脉冲信号不正常。通过CNC系统PLC接口指示观察，确定参考点开关信号正常，用示波器检测零标志信号，如果有零标志脉冲信号输出，可诊断CNC系统测量组件有关零标志脉冲信号通道有问题。进一步确诊可用互换法，即将有关电路板：如X轴和Y轴的电子脉冲整形插值倍频电路板互换，如发现同样故障转移到Y轴，而X轴工作正常，则该电路板有问题。

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第3章 回参考点的故障案例与分析

3.1故障类型与分析

数控机床返回参考点的方式，因数控系统类型和机床生产厂家而不同，要排除回参考点的故障，先要搞清机床回参考点的动作方式及工作原理，然后再对照故障现象来进行分析。一般主要有三类情况：第一类是机床停止位置与参考点位置不一致；第二类是机床不能正常返回参考点，且有报警产生；第三类是机床数控系统没有准备好信号或超程报警。

装 3.1.1 第一类情况

采用栅格法返回参考点时，可通过移动栅格(可由系统参数设定)来调整参考点位置。位置检测装置随伺服电机旋转产生栅格信号，当减速撞块压下减速开关时，伺服电机减速继续向参考点运行。当减速开关释放，数控系统检测到的第一个栅格或零标志位信号即为原点(参考点)时，伺服电机停转。该方法的特点是机床如果接近原点的速度小于某一同定值，则数控机床总是停止于同一点。采用磁性开关方式时，可通过移动接近开关来调整其参考点位置。当磁感应原点开关或接近开关检测到原点信号后，伺服电机立即停止，该停止点被认作原点(参考点)。该方法的特点是软件及硬件简单，但原点位置随着伺服电机速度的变化而成比例地漂移，即原点不确定。3.1.1.1 停止位置偏离参考点一个固定值

这种情况多数是因为减速撞块安装位置不正确或减速撞块太短。检验的方法是：先减小数控系统中接近原点速度的参数，减小运动部件的移动惯量，若返回参考点正常，则可确定是此原因造成。通常需要重新调整撞块位置或减速开关位置，或适当增加撞块长度。也可通过设置栅点偏移量的方法来解决，因为数控系统识别减速信号的变化需要一定时间，当减速撞块离原点太近时，捕捉不到第一个原点信号，系统只能确定两个原点信号，所以机床停止位置偏离参考点刚好一个栅格问距。如使用上述办法后仍有偏离，则应检查参考计数器设置的值是否正确有效，修正参数设置。案例一：

某台经济型数控车床，FANUC 0i数控系统采用方式三回参考点，X轴经常出现原点漂移，且每次漂移量为10mm左右。订 线 共 19 页

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诊断：由于每次漂移量基本固定，可能与X轴回参考点有关。经检查相关的参数没有发现问题。检查安装在机床上的减速撞块及检测开关，发现撞块距离检测开关太近。重新调整减速撞块位置，将其控制在该轴丝杠螺距(该轴的螺距为10mm)的一半，约为6mm±lmm，故障排除。3.1.1.2 随机偏差，没有规律性

造成此故障的原因较多，可能的原因有：外界干扰；脉冲编码器的电源电压过低； 脉冲编码器损坏；数控系统的主印刷线路板不良；伺服电机与工作台联轴器连接松动等。案例二：

某配套FANUC-0i系统的数控铣床，回参考点动作正常，但参考点位置随机性大，每次定位都有不同的值。

诊断： 由于机床回参考点动作正常，进一步检查发现，参考点位置虽然每次都在变化，但却总是处在减速撞块放开后的位置上。因此，可以初步判定故障的原因是由于脉冲编码器“零脉冲”不良或丝杠与电动机间的连接不良引起的故障。该机床伺服系统为半闭环结构，维修时采用隔离法，脱开电动机与丝杆间的联轴器，手动压下减速开关，进行回参考点试验。经多次试验发现，每次回参考点完成后，电动机总是停在某一固定的角度上，说明脉冲编码器“零脉冲”无故障。故障的原因可能在电动机与丝杠的连接处。经仔细检查，发现拉杆与联轴器间的弹性胀套配合间隙过大，产生松动。经修整胀套，重新安装后机床恢复正常。3.1.1.3 微小误差

此类故障的原因多数为电缆或连接器接触不良，或因主印刷电路板及速度控制单元工作性能不良，造成位置偏置量过大。案例三：

某配套FANUC-0i 的数控机床，在回参考点后无法继续操作。

诊断：在操作中发现机床在参考点位置停止后，机床操作面板参考点指示灯不亮，无法进行进一步操作。但关机后，又可手动操作，返回参考点后上述现象又出现。这说明机床回参考点动作属正常，考虑到机床已在参考点附近停止运动，因此，初步判断其原因可能是参考点定位精度未达到规定的要求。通过机床的诊断功能，对系统的“位置跟随误差”随DGN800~802进行了检查，发现机床的Y轴踪误差超过了定位精度的允许数值范围。调整伺服驱动器的“偏移”电位器，使“位置跟随误差”DGN800～802的值接近0后，机床恢复正常。装 订 线 共 19 页

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3.1.2 第二类情况

故障原因主要是零标志位脉冲信号失效(信号未产生或在传输处理中丢失)。如光栅或脉冲编码器的基准信号(零标志位信号)没有输入到主印刷电路板；磁感应原点开关或接近开关没有检测到原点信号。故障原因多为连接信号电缆断线或检测元件损坏。另外，在进行返回参考点时，机床运动部件开始移动起始点距离参考点太近，也会产生此类故障，所以机床停机前，将机床的运动部件停在距离参考点较远的地方。排除这类故障的方法：首先检查安装在机床上的撞块和检测开关是否松动，再用CNC系统PLC接口的I/O状态观察检洲的开关是台输入剑数控系统中，采用示波器检测零标志位脉冲信号。根据测得的信号，判断故障部位。案例四：

某德国产配备FANUC-0i数控系统的数控磨床，在回参考点时，出现Z轴找不到参考点的故障。

诊断：观察同参考点的过程，发现Z轴运动压到减速开关后，能够减速并反向运动，直到 下行程极限开关。这说明回参考点过程中减速开关没有问题；同时根据CNC显示Z轴的数值正常变化，判定为编码器的零标志位有问题，用示波器测试波形，没有发现零标志位脉冲，可断定是编码器的问题。将编码器拆开，发现其内部有许多油。经分析I六l编码器密封不好，冷却液形成的油雾进入编码器并沉淀，将编码器刻度盘遮挡，使零标志位出现故障。清除了编码器中的油污并将其清洗干净后重新密封，装配好再使用，故障消除。装 订 线 3.1.3 第三类情况

这类故障的原因较简单：（1）多数为返回参考点用的减速开关失灵，触点压下后不能复位造成的只需检查减速开关复位弹簧是否损坏或直接更换减速开关即可；（2）因后备电池失效导致参考点丢失；（3）间隔环磨损。案例五：

某台配备FANUC-0i数控系统的JCS-018立式加工中心，X轴不执行自动返回参考点动作。

诊断：故障发生后，机床无报警提示，但采用手动方式时X轴能够移动。将X轴采用手动方式移至参考点后，机床又能进行正常加工，加工完成后原有故障又重复出现．考虑到故障发生在X轴回参考点的过程中，怀疑该故障与X 轴参考点的参数发生变化有关。根据维修说明书，将与X轴参考点有关的参数调出检查，结果参数均正常。经

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仔细检查后发现，机床上X轴参考点的限位开关因油污染失灵，即始终处于接通状态。故当加工程序完成后，系统便认为已回到了参考点，清洗该限位开关后，故障排除。案例六：

日本FV650加工中心回参考点出现超程报警。该加工中心配用FANUC-0i控制系统，使用绝对脉冲编码器作为检测反馈元件，回参考点采用无参考点减速开关控制模式。

因CNC及绝对脉冲编码器的后备电池失效，造成参数丢失。用计算机将备份参数重新装入后，再回参考点时出现各轴在行程范围中间位置时停止，完成回参考点过程。

移动各轴，即使其机械位置在行程中间位置，CRT也显示各轴位置坐标超过软件限制，出现过行程报警。

使用绝对脉冲编码器的系统，采用后备电池维持编码器的位置数据，当电池失效后此时开机各轴所在的机械位置即被认作参考点位置。使用绝对脉冲编码器的加工中心，重新建立正确参考点的步骤如下：

1)在OFFSET菜单下，设置PWE=1。

装 2)将CNC参数NO.1815X、Y、Z各轴设置为00000000。3)将 X、Y、Z各轴手动移至机械原点附近。4)在回参考零模式，各轴手动回参考点。

5)仔细观察各轴是否在参考点位置上，特别是与ATC、APC等有关系的轴的参考点位置是否准确。如位置不准确，重复3至4步直至准确。

6)修改NO.1815为00110000。7)将PWE设置为0。

8)关断CNC电源，几分钟后开机，将各轴移离参考点位置后，手动回参考正常。值得一提的是，丢失参数后重装参数前，将各轴移至机械原点位置。装参数后，只要按正常的回参考点操作程序，开机后手动回各轴参考点即可。案例七：

日本FANUC-0i系统加工中心Z轴回参考点出现超行程报警。

该加工中心Z轴运动时有明显的冲击声，回参考点是CRT显示Z轴超行程报警。观察CRT上Z轴机械位置信息显示0.511，系软件超程。经试验确认，该报警出现时，手动回参考点的过程还未完成。

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在手动回参考点时观察减速开关输入PMC信号DGN16.5变化正常，说明减速开关无问题。

将CNC参数NO.702设定为99999999，手动回参考正常。NO.702重新设定回500。但加工零件程序运行时，G代码回参考点，又出现超程报警。

检查伺服电动机至工作台的机械传动各环节，发现Z轴滚珠丝杠预紧防松螺母松动。拆下防松螺母，下面的间隔环磨损严重，测量磨损量0.511mm。这就是故障的原因。由于间隔环的磨损，在解除软件限位后，可以手动回参考点。但在软件限位恢复设定后，Z轴所承载的主轴箱的重量使在Z轴使能状态下与伺服电动机同轴安装的编码器不动但主轴箱的机械位置却下滑了一段距离，即0.511mm。在其后任何形式的回参考点时，机械位置坐标显示的0值已经不是实际的参考点位置。虽然磨损是一个逐渐的过程，但因该机所使用的零件加工程序没有曲面加工，该磨损误差被刀具补尝所消除，因而从被加工零件的加工质量上反映不出来机床已发生了故障。装 订 线 共 19 页

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第4章 小结

根据以上的分析，对于增量式测量系统数控机床，开机后回参考点的故障现象及原因较多，而故障现象与故障原因并无一一对应关系，往往是一种故障现象有几种原因综合引起，或一种原因引起几种故障。因此，诊断故障应该从弄清具体数控系统的回参考点方式及其控制原理入手，结合机床结构，凭借实践经验和维修手册，根据故障的表现形式进行故障定位，力求将故障定在尽可能小的的范围内，在按照可能性的大小进行逐一检查，排除假象，找出真正故障所在，进而排除故障。

在现场维修结束后，应认真填写维修记录，列出有关必备的备件的清单，建立用户档案，对于故障时间，现象，分析诊断方法，采用排故方法，如果有遗留问题应详尽记录，这样不仅使每次故障都有据可查，而且也可以积累维修经验

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第四篇：数控机床与普通机床的机械结构对比分析

数控机床与普通机床的机械结构对比分析

摘要：分析了金属切削类数控机床主机部分的机械结构特点，对比分析了数控机床与普通机床在机械结构和外观等方面的差异，阐述了数控机床相对于普通机床的结构改进和加工精度、节能环保等的优势。

关键词：数控机床；结构特点 前言

当今世界，综合实力较强的发达国家都对机床行业高度重视，因为机床是一切工业冷加工的基础。无论是汽车工业，还是航天、军工等产品的生产都离不开机床。随着机床技术的飞速发展，机床的种类不断增多、加工精度也不断提高，数控机床、加工中心等先进设备不断地改进完善。数控机床集现代机械制造技术、计算机技术、通讯技术、控制技术、液压气动技术、光电技术于一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性等特点，隶属于关系国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性产业，其先进性和拥有量是衡量一个国家先进制造业整体水平的重要标志。因此，各工业发达国家竞相发展数控机床产业，尤其发展高档数控机床已成为保证国防工业和高技术产业发展的战略物资，同时对提升一个国家的航空、航天、船舶、汽车、模具、电站设备等制造业的国际竞争力，将有着举足轻重的重要影响。所以各国都竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，特别是随着微电子、计算机技术的飞速发展，数控机床也在20世纪8O年代以后加速发展，有力地推动了社会的工业进步。

随着数控机床的飞速发展，已经形成了低、中、高三种格局的广阔市场。目前，我国数控金切机床市场上高、中、低档机床消费比重，在消费量上约为5：50：45，在消费额上约为15：70：15。可以说，国内对高中档数控机床的需求无论在消费量还是消费金额方面都已超过了低档机床。普通机床由于历史原因和区域经济发展还依然服役于一些小规模的加工企业或者老加工企业，但已逐年被淘汰或者技术改造，通过增加数控伺服系统，从而提高效率和加工精度。总之，数控机床替代普通机床装备已是大势所趋。下文主要针对数控机床与普通机床的机械结构做一些对比分析。数控机床的特点

数控在GB中的定义是“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。现代数控机床是集高新技术于一体的典型机电一体化加工设备。数控加工设备主要分切削加工、压力加工和特种加工(如数控电火花加工机床等)3类。切削加工类数控机床的加工过程能按预定的程序自动进行。消除了人为的操作误差和实现了手工操作难以达到的控制精度，加工精度还可以用软件来校正和补偿。因此，可以获得比机床精度还要高的加工精度及重复定位精度；工件在一次装夹后，能先后进行粗、精加工，配置自动换刀装置后，还能缩短辅助加工时间、提高生产率；由于机床的运动轨迹受可编程的数字信号控制，因而可以加工单件和小批量且形式复杂的零件，生产准备周期大为缩短。综上所述，数控机床具有精度高、效率高、自动化程度高和柔性好的特点。从数控机床的生产现状和发展趋势看，由于微电子技术、信息处理技术等新技术、新工艺在机床行业的渗透和应用，它与普通机床相比不仅在机械结构 性能方面发生了“质”和“形”的变化，且其外观造型也形成了自身独特的风格和特点。数控机床机械结构设计的特点

数控机床虽然也有普通机床所具有的床身和立柱、导轨、工作台、刀架等部件。但为了与控制系统的高精度、高速度控制相匹配，对机床主机部分的结构设计还提出了高精度、高刚度、低惯量、低摩擦、无问隙、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。由于机械结构形式是体现其性能的具体手段，是实现性能的核心因索(当然结构也受材料和工艺的影响)，因此，数控机床的关键部件在结构设计中也有了重大变化。

3．1 基础部件的结构特点

数控机床的基础件主要包括床身、立柱、工作台等支承件，它们的基本功能是支承承载和保持各执行器官的相对位置。数控机床集粗精加工于一体，既要能 够承受粗加工时大吃刀、大走刀的最大切削力、叉要能够保证精加工时的高精度。因此，对基础件的结构设汁在强度、刚度、抗振性、热变形和内应力等都提出了很高的要求。现行生产的数控机床采用的主要措施有：铸件采用全封闭截面，合理布置内部隔板和肋条，含砂造型或填充混凝土等材料，导轨面加宽，车床采用倾斜的床身和导轨还利于排屑，床身、立柱采用钢质焊接结构，可以明显提高其刚度，根据热对称原则布局还能增加散热隔热效果。

3．2 主传动系统的结构特点

主传动系统实现各种刀具和工件所需的切削功率，且在尽可能大的转速范围内保证恒功率输出，同时为使数控机床能获得最佳的切削速度，主传动须在较宽的范围内实现无级变速。现行数控机床采用高性能的直流或交流无级凋速主轴电机，较普通机床的机械分级变速传动链大为简化。对加工精度有直接影响的主轴组件的精度、刚度、抗振性和热变形性能要求，可以通过主轴组件的结构设计和合理的轴承组合及选用高精度专用轴承加以保证。为提高生产率和自动化程度，主轴应有刀具或工件的自动夹紧、放松、切屑清理及主轴准停机构。最近日本叉开发研制了新型的陶瓷主轴，重量轻，热膨胀率低，用在加工中心上，具有高的刚性和精度。

3．3 进给系统结构特点

数控机床的进给系统是由伺服电机驱动，通过滚珠丝杠带动刀具或工件完成各坐标方向的进给运动。为确定进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械装置时．以“无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度”为原则，具体措施有：①采用低摩擦、轻拖动、高效率的滚珠丝杠和直线滚动导轨；②采用大扭矩、宽调速的伺

服电机直接与丝杠相联接，缩短和简化进给传动链；③通过消隙装置消除齿轮、丝杠、联轴器的传动间隙；④ 对滚动导轨和丝杠预加载荷，预拉伸。

3．4 数控回转工作台和自动交换工作台

数控镗、数控铣和加工中心，采用内部结构具有数控进给驱动机构特点的回转工作台，实现圆周任意角度的分度和进给运动。对多工序数控机床，配置自动交换工作台，进一步缩短辅助加工时间。

3．5 刀架系统

回转刀架，更换主轴换刀和带刀库的自动换刀系统及多刀架、多主轴布局对提高生产效率和自动化水平发挥了重要作用。为使刀具在机床上迅速定位、夹紧，普遍采用标准刀具系统和机夹刀。

3．6 数控附件

机床附件的作用是配合机床实现自动化加工。

数控机床专用的附件有：①对刀仪，② 自动编程机，③自动排屑器，④物料储运及上下料装置，⑤ 自动冷却、润滑及各种新型配套件如导轨防护罩等。数控机床的外观造型特点

数控机床的外观大都采用线型简洁的板块组合式全封闭安全防护罩，配备有现代特征的集操作、显示、控制于一体的操作面板，淘汰了普通机床各种操作手柄、手轮和线型复杂零散的多面型表面形态。安全防护罩可防止高压、大流量冷却液及铁屑飞溅，减少粉尘人侵，隔声降噪，有利于机床的精度保持和环境保护，真正体现了机、电、液一体化的特点。依人机工程学宜人性原则设计的桌面式或悬挂式数控操作面版，是机床与操作者联系和信息交流的唯一界面，指示灯、按钮、按键的数量与排列及CRT的设计，既适合人的操作特性，又利于人机间的协调与交流，通过视觉良好的键面色彩，标准化的象形符号意象抽取，能准确反映和传递两者间的信息。结论 数控机床结构设计反映产品内在功能的深层特性，外观表达的是产品表层特性，对用户而言，深层次的与产品使用密切相关的结构性能要通过表层的外观形态来传递和表达。全封闭防护罩虽然掩盖了机床的主体结构，却至少传达了数控机床这样几个方面的深层内含：①先进的数控数显装置；②对机床的精度和刚度使用的可靠性、安全防护性及环保等有严格要求；③采用先进标准的刀具系统及安装位置合理的自动换刀装置；④ 采用整套商品化、标准化的新型配套件、自动排屑、润滑和冷却装置等。概括为高精度、高效率、高自动化和机电液一体化。

参考文献

[1] <实用数控加工技术)编委会．实用数控加工技术[M]．北京 兵器工业出版杜．1995．

[2] 高敏编著．机械产品艺术造型基础[M]．北京：学术书刊出版杜．1989． [3] 毕镜杰主编．机床数控技术[M]．北京：机械工业出版杜．1991 [4] 范之鹏 论数控机床的发展