回零点整螺距偏差的分析与控制

摘要:本文介绍数控机床加工Y轴回零产生螺距偏差损毁零部件及甚至造成机床损坏的原因、正常工作状态下的Y轴回零方式、产生故障的原因分析、故障判断是否正确的验证，以及故障的排除与控制。

关键词:数控机床;挡块;螺距;响应;影响

一、引言

在机械加工过程中，特别是KV1400B加工中心系统，其Y轴回参考点时(又称为零点)，偶尔会产生一个螺距的偏差。这种故障，极易造成加工工件的报废，甚至将机床损坏。现分析其产生故障的原因，以试图控制、解决此类现象的发生，减少机械加工零部件的损坏及机床本身的受损。

二、正常工作状态下的Y轴回零方式

对于KVC1400B加工中心来说，它采用的是FANUCOi-MA系统，而Y轴回参考点是常用的有挡块回零方式。在回零时(见如图1的时序图)，其工作步骤依次为：一是将手动回零选择信号ZRN置\"1\";二是选择Y轴和回零进给方向;三是接近挡块时，机床上的回零接近开关状态由\"1\"变\"0\"，而坐标轴变为FL低速运动;四是离开挡块时，回零接近开关状态由\"0\"变\"1\"，而坐标轴继续以FL低速运动到编码器的第一栅格点附近，并由1850号参数定义的栅格偏移量Lsft处停止;五是确定当前位置位于到位区域后，便发出Y轴参考点返回结束信号ZP2和Y轴参考位置建立信号ZRF2。

三、产生故障的原因分析

在回零的过程中，要将进给倍率开关拨至100%，当到达挡块处开始减速时，Y轴到零点只移动4mm，观察302号诊断数据，脱离减速挡块到第一栅格点距离在11200μm左右;再将倍率开关拨至10%，开始减速时，Y轴到零点还要移动52mm，观察302号诊断数据显示脱离减速挡块到第一栅格点距离在180μm左右。通过多次改变倍率的方法试验，发现回零速度越快，减速时Y轴到零点移动的距离越短，脱离减速挡块到第一栅格点的距离越长。

由于Y轴丝杠螺距为12mm，也就是相邻两个栅格点之间的距离为12000μm，当低速回零时，发现302号诊断的数据很小，这说明接近开关离开挡块的A点与第一栅格点B点很近。有时高速回零时，而302号诊断数据却在11200附近，这说明减速后找到的栅格点与低速回零找到的栅格点并不是编码器旋转同一圈的栅格点。从观察的现象和多次回零相差一个螺距的结果来看，明显可知Y轴在离开减速挡块后，有时停止在第一栅格点，也有时停止在第二个栅格点。这种情况通常发生在图1中接近开关离开挡块的A点与第一栅格点B点太近，而回零的快速进给速度过快或者挡块设计过短，Y轴无法迅速从快速进给减速到FL速度，离开挡块时接近开关状态翻转的信号通过开关触发输出的延迟，NC最终得到该信息时，Y轴已经冲过了第一栅格点，回零结束时停止的位置就在第二栅格点处，这样造成了多次回零相差了一个螺距。

四、故障判断验证

为验证这种判断的是否正确，我们可以先估算速度的影响，脱离挡块后以理想的FL速度运动，两个相邻栅格点之间(编码器转一圈)需要的时间：t=2400ms;当倍率10%时，脱离挡块后的速度与FL速度非常接近，从脱离挡块到第一个栅格点花费的时间为：t1=36ms。

在快速回零速度15000mm/min和倍率100%时，当挡块不够长，脱离挡块后的实际速度远大于FL速度，这样到第一栅格点的时间t1必然远远小于36ms。估算接近开关电平翻转信号传输到NC所需时间t2，t2≥接近开关的响应时间十PLC输入信号接收器的延迟时间。普通接近开关的响应频率通常在25-1000Hz，响应时间大约为1-40ms。根据实际开关的类型，我们选取中间值20ms;FANUC系统用于有振荡信号的接收器响应时间为5-20ms，也选取中间值12.5ms，这样t2通常在32.5ms左右。根据接近开关和PLC接口的不同存在一定的变化，就可知在15000mm/min速度下回零时，由于t1很可能小于t2，极容易发生相差一个螺距的结果。

再估算减速挡块长度的影响。因Y轴为指数型加减速，FANUC系统要求挡块长度LDW满足下式：

LDW>[VR(TR+30+ TS)/(60×1000)]×1.2=[15000(100+30+25)/(60×1000)] ×1.2=46.5(mm)

式中：VR——决速进给速度，设定值15000mm/min;

TR——决速进给加减速时间常数，设定值100ms;

TS——伺服时间常数，计算值TS=1/伺服增益=1/40s=25ms。

通过上式计算的挡块长度，一般应在46.5mm以上。若不考虑其中的20%余量，此时最短也必须在38.75mm。但是，实际机床的挡块长度只有33mm，说明挡块设计明显偏短。

五、故障排除与控制

一般在不方便更换挡块的情况下，只有降低回零速度，同时再微调挡块位置，即可使302诊断号的Ldec值尽量接近两个相邻栅格点距离的一半(6000μm)。为此，我们可以降低决速回零速度至5000mm/min，再调整挡块使Ldec显示为7200μm，从而使原有回零整螺距偏差的问题得到彻底解决与控制。

六、结束语

对于有挡块回零方式，也是目前数控机床所普遍采用的一种回零方式。但是，由于调试的马虎与粗心大意或挡块的松动等多种原因，都可能导致发生回零整螺距的偏差故障。因此，也就说快速回零速度和挡块长度，这些因素都有影响。总的来说，无论采用哪种数控系统，前述的分析与解决问题的方法都适用，在操作过程中应注重其程序和正确的操作方法，避免加工零部件的损毁与报废及机床自身的损坏。

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