参考点的调整

参考点是确定机床坐标原点的基准，而且还是轴的软限位和各种误差补偿生效的条件。如果采用带绝对值编码器的伺服电机，机床的坐标原点是在机床调试时设定的。但是由于成本原因，大多数数控机床都采用带增量型编码器的伺服电机。编码器采用光电原理将角位置进行编码，在编码器输出的位置编码信息中，还有一个零脉冲信号，编码器每转产生一个零脉冲。
当伺服电机安装到机床床身时，伺服电机的位置确定，编码器零脉冲的角位置也就确定了。由于编码器每转产生一个零脉冲，在坐标轴的整个行程内有很多零脉冲，这些零脉冲之间的距离是相等的，而且每个零脉冲在机床坐标系统的位置是绝对确定的。为了确定坐标轴的原点，可以利用某一个零脉冲的位置作为基准，这个基准就是坐标轴的参考点。为了确定参考点的位置，通常在数控机床的坐标轴上配置一个参考点行程开关。数控机床在开机后，首先要寻找参考点行程开关，在找到参考点行程开关之后，在寻找与参考点行程开关距离最近的一个零脉冲作为该坐标的参考点，根据参考点就可以确定机床的原点了。所以利用编码器的零脉冲可以准确地定位机床坐标原点。
采用增量式编码器时，必须进行返回参考点的操作，数控系统才能够找到参考点，从而确定机床各轴的原点。使用绝对值编码器时，初始配置轴之后也要执行参考点调整操作，才能够实现机电系统同步。所以在数控机床上电之后第一个必要执行的操作就是返回机床各轴的参考点，图5-18所示为参考点配置的一个简单例子。
图5-18  参考点配置的一个简单例子
（1）参考点调整概要
   在840D/810D数控系统中，回参考点的方式可以有通道回参考点，即通道内的轴以规定的次序依次执行回参考点动作；也可以轴回参考点，即每个轴独立回参考点。执行回参考点操作时，可以带有参考点档块，也可以没有参考点档块。执行回参考点操作过程中，可以是点动形式，也可以是连续方式。可以通过机床数据MD来实现这些配置。
? MD 34110: REFP_CYCLE_NR  通道特定的回参考点；
1 至 n——确定通道特定回参考点的各轴的起动顺序；
0——该机床轴不能由通道指定回参考点功能起动；
-1——“NC起动”可以不必要求本轴回参考点。
? MD 34200: ENC_REFP_MODE[n] 参考点模式；
0——绝对值编码器；
1——带零脉冲的增量编码器；
3——带距离编码的长度测量系统；
5——用接近开关取代参考点撞块。
? MD 34000: REFP_CAM_IS_ACTIVE；
1——有参考点撞块；
0——无参考点撞块（利用零脉冲回参考点）。
? MD 20700: REFP_NC_START_LOCK；
0——“NC起动”可不必要求各轴回参考点。
? MD 11300: JOG_INC_MODE_LEVELTRIGGRD；
1——JOG-INC和回参考点功能以点动方式进行；
0——JOG-INC和回参考点功能以连续方式进行。
轴指定回参考点：轴指定回参考点由各机床轴的接口信号“移动键正/负” (DB31 ,...DBX4.7 / 4.6)来起动。若要求几个机床轴按一定顺序回参考点可以有如下可能性：
? 由操作者决定其起动顺序
? 由PLC程序决定各轴起动顺序
通道指定回参考点：通道指定的回参考点由接口信号“激活回参考点”（DB21...30,DBX1.0 ）。控制器通过接口信号“回参考点有效”（DB21...30, DBX33.0 ）确认成功的起动。利用此功能本通道内的所有机床轴都可以回参考点。通过MD 34110: REFP_CYCLE_NR（通道特定回参考点的轴顺序）可确各机床的回参考点的顺序。当所有输入到REFP_CYCLE_NR的轴到达参考点时，接口信号“所有要求的轴到达参考点” （DB21...30，DBX36.2）被置位。轴特定的回参考点与通道特定的回参考点互不排斥。
减速挡块：线性轴的回参考点通常需要安装减速档块，它有以下用途：
? 接近零脉冲时(同步脉冲)选择进给方向；
? 在需要时选择零脉冲。
位置测量系统：以下位置测量系统可以安装在电机或机床上：
? 增量式旋转测量系统；
? 绝对式旋转测量系统。
BERO：可以使用BERO（感应接近开关）作为编码器用于同步脉冲（代替位置编码器零脉冲）（优先用于旋转轴，主轴）。
（2）增量式编码器参考点调整
以电机带有增量式编码器，具有标记零脉冲，机床轴带有参考点档块为例说明半闭环系统回参考点的操作。使用增量测量系统回参考点时，其过程可以分为如下三个阶段：
? 运行到减速挡块；
? 与零脉冲同步；
? 寻找参考点。
（a）寻找参考点减速挡块时的特性
? 进给率修调和进给停止生效；
? 机床轴可以停止/启动；
? 必须在 MD34030 REFP_MAX_CAM_DIST 中定义的进给范围内到达减速挡块。否则输出相应的报警；
? 机床轴必须在到达档块时停顿。否则输出相应的报警。
（b）零脉冲同步时的特点
? 进给修调不生效。使用100％进给率修调。如果进给率修调为0％，移动即被取消；
? 进给停止生效；进给轴将停止并显示相应报警；
? 不能使用NC 停止/启动键使进给轴停止/启动；
? MD34060 REFP_MAX_MARKER_DIST 监控零脉冲有效。
（c）寻找参考点时的特性
? 进给率修调和进给停止生效；
? 进给轴可以随NC 一起停止/启动；
? 如果参考点偏移量小于进给轴从参考点运行速度到静止状态的制动路径，将从反方向回参考点。
回参考点动作可以有参考点档块、无参考点档块，同步零脉冲也分为参考点档块信号的上升沿或下降沿同步零脉冲。如表5-6、表5-7所示为有/无参考点档块回参考点。
表5-6  有参考点档块回参考点
表5-7  无参考点档块回参考点
参考点减速挡块必须保证一个最短的长度，才能够正常完成回参考点的操作。例如，同步脉冲在减速挡块之前，参考点在同步脉冲前使用档块下降沿寻找同步零脉冲。
减速挡块必须足够长，使得用“寻找减速挡块速度”寻找减速挡块时可以在档块上结束制动过程（在档块上停动），并且在用“寻找接近开关信号速度”在反方向运行时又再次离开档块（恒定速度）。计算档块的最短长度时请使用其中较大的速度按下列公式计算：
如果机床轴不能在减速挡块上停止（接口信号“回参考点减速挡块”已经复位），则发出报警20001。如果减速挡块过短，并且在阶段1 机床轴制动时运行超出减速挡块，则会出现20001 报警。如果减速挡块很长，可以达到进给轴的运行范围界限，这也就避免选一个不允许的回参考点起点(在档块之后)。
减速挡块必须精确调节。 以下几点对识别减速挡块的时间性能（接口信号“参考点运行延迟”）具有影响：
? 减速挡块开关的精度；
? 减速挡块开关的时间延迟(常闭接点)；
? PLC 输入端时间延迟；
? PLC 循环时间；
? 内部处理时间。
调节两个同步脉冲信号的中间沿（或零脉冲）以达到同步是最好的方法。过程如下：
? 设置 MD34080 REFP_MOVE_DIST = MD34090 REFP_MOVE_DIST_CORR = MD 34100 REFP_SET_POS = 0；
? 轴回参考点；
? 在JOG 方式，在两个零脉冲之前使轴移动一半的路径。 路径取决于主轴丝杠的螺距S 和变速系数 n（例如： S=10 毫米/转, n=1:1 得出 5 毫米路径）。
? 调节档块开关，使它在此位置准确进行开关动作（接口信号”回参考点延迟”）；
? 或者，无需移动档块开关，可以修改 MD34090 REFP_CAM_SHIFT 中的值。
如果减速挡块没有精确调节，则可能会计算一个错误的同步脉冲（零脉冲）。因此控
制器接受一个错误的机床零点，并使进给轴运行到错误的位置。 这样，软件限位开
关就在错误的位置上生效，不能对机床进行保护。
（3）绝对值编码器参考点调整
数控系统上电时及如果相应进给轴被识别后，自动使用绝对值编码器回参考点。接收绝对值不发生轴运行，例如：上电时，自动回参考点必须满足两个前提条件：
? 进给轴使用绝对值编码器控制位置；
? 绝对值编码器已校正(MD34210 ENC_REFP_STATE = 2)。
进给轴带有绝对值编码器时，测量系统无需通过回参考点挡块进行同步。而采取校正的方式。则在系统调试过程中设定实际值被系统接受。
绝对值编码器回参考点，移动待校正的进给轴到达给定位置，然后设定实际值，其校正一般步骤：
? 设定 MD34200 ENC_REFP_MODE 和 MD34210 ENC_REFP_STATE 的值为0，然后通过上电使能。 参数 ENC_REFP_MODE=0 表示进给轴的实际值曾经设定。
? 在JOG 方式，手动使轴进给到已知的位置。 位置进给的方向必须按照 MD34010 REFP_CAM_DIR_IS_MINUS(0＝正方向，1＝负方向)中的设定。
? 必须缓慢地移动到已知位置而且始终按照定义的方向，确保该位置不被驱动系统中的背隙抵消。
? 在 MD34100 REFP_SET_POS 输入需到达位置的实际值。 该值可以是特定值(如固定停止)，或者使用测量系统计算。
? 设定 MD34210 ENC_REFP_STATE 的值为“1”。 这可以使能“校正”功能。
? 按复位使能修改后的机床数据。
? 更换到JOG－REF 方式。
? 按下第 2 步中使用的运行键将当前偏移值设定到 MD34090 REFP_MOVE_DIST_CORR 中，同时 MD34210 ENC_REFP_STATE 的值变为“2”，即轴已校正（按下运行方向键后更新屏幕显示）。
? 如果按了相应的进给键，进给轴不能移动，MD34100 REFP_SET_POS 中输入的值将在进给轴实际位置中显示。
? 退出JOG-REF 方式，轴校正完毕。
通过校正计算出机床零点和编码器零点之间的偏移量并将它存储在稳定的存储器中。 通常，只需在初次开机调试时进行一次校正。然后系统知道该值并可以在任何时候通过编码器绝对值计算出绝对机床位置。可以通过设定 MD34210 ENC_REFP_STATE=2 来标识该状态。偏移量保存在 MD34090 REFP_MOVE_DIST_CORR。
必须在出现以下情况时重复校正过程：
? 拆除/安装或更换编码器或内装有编码器的电机后；
? 电机(带有绝对值编码器)和负载的变速换档后；
? 通常，编码器和负载间的极限连接被断开且还未重新连接时。
系统不能发现需要重新校正的所有情况! 如果系统发现某些情况，会设定机床数据MD34210 的值为 0 或 1。系统能够识别以下情况： 变速换档，该变速档在编码器和负载间具有不同的变速比。在其它情况下，用户自己必须覆盖机床数据 MD34210。
数据保存也同时保存 MD34210 ENC_REFP_STATE 的状态。通过载入该数据记录，表示进给轴已自动校正。如果数据记录来自其它机床(如串行调试机床时)，当数据载入和使能后，必须进行校
正。
（4）带距离编码的测量系统回参考点
   在一些数控机床中，通常会配置带距离编码的直线光栅尺，如图5-19所示，对于线性测量系统的参数化需设置下列数值：
? 机床零点和长度测量系统第一个参考标记位置之间的绝对偏移量：
MD34090 REFP_MOVE_DIST_CORR（参考点偏移/绝对偏移）。
? 长度测量系统相对于机床坐标系的方向设置（相同或相反）：
MD34320 ENC_INVERS（长度测量系统与机床系统方向相反）。

图5-19  带距离编码的直线光栅尺
确定机床零点和机床轴第一个参考点位置之间的绝对偏移量时，建议如下操作：
? 将绝对偏移量数值设置为零：MD34090 REFP_MOVE_DIST_CORR = 0
? 执行返回参考点操作。
? 返回参考点运行应该在机床的某个位置执行，可在此位置使用如激活干涉测试仪等工具轻松测得机床轴相对于机床零点的准确位置。
? 通过操作面板获得机床轴的实时位置。
? 测量当前机床轴相对于机床零点的位置。
? 计算出绝对偏移量并输入 MD34090 中。
绝对偏移量的计算与测量系统相对于机床坐标系的方向（相同或相反）有关：
? 相同：所测得的位置 + 显示的实时位置；
? 相反：所测得的位置 - 显示的实时位置。
得到绝对偏移量并填入 MD34090 后，必须重新启动机床轴的回参考点运行。
在有间距编码参考标记时，可选择两种模式回到参考点：
? 分析计算相邻两个参考标记：MD34200 ENC_REFP_MODE（回参考点模式）= 3，这种方式优点在于运行路径较短；
? 分析计算相邻四个参考标记：MD34200 ENC_REFP_MODE = 8，这种方法优点在于可通过 NC 进行合理性检查，并且提高回参考点结果的安全性。
有间距编码参考标记时，返回参考点的时序过程分为 2 个阶段，如图5-20所示：
? 阶段 1： 同步启动通过参考标记；
? 阶段 2： 运行至固定目标点。

图5-20  带距离编码的直线光栅尺回参考点的时序步骤
在有间距编码参考标记的测量系统中，返回参考点本来无需任何参考凸轮。 出于功能性考虑，在通道专有返回参考点运行和使用零件程序返回参考点运行中（G74）须在机床轴
的运行范围末端安装参考凸轮。
? 未触碰到参考凸轮的过程
启动返回参考点运行后，机床轴即加速到已编程的参考点停止速度：MD34040 REFP_VELO_SEARCH_MARKER（参考点停止速度）运行完已编程的参考标记个数后，机床轴再次停止，其实时数值系统同步至 NC 获得的绝对位置。
? 在参考凸轮上启动的过程
若启动返回参考点运行时机床轴位于参考凸轮上，则其将加速至已编程的参考点停止速度，运行方向与已编程的参考点运行方向相反：
MD34040 REFP_VELO_SEARCH_MARKER（参考点停止速度）；
MD34010 CAM_DIR_IS_MINUS（沿负方向返回参考点）。
如此可保证机床轴在未行驶完已编程的参考标记个数前不会撞上运行范围限制点。运行完已编程的参考标记个数后，机床轴再次停止，其实时数值系统同步至 NC 获得的绝对位置。
? 返回参考点途中触碰到参考凸轮的过程
启动返回参考点运行后，机床轴即加速到已编程的参考点停止速度：MD34040 REFP_VELO_SEARCH_MARKER（参考点停止速度）机床轴在运行完已编程的参考标记个数前即触碰到了参考凸轮。 此种情况下，机床轴会反向运行并沿相反的方向重新启动参考标记寻找过程。运行完已编程的参考标记个数后，机床轴再次停止，其实时数值系统同步至 NC 获得的绝对位置。
若 NC 在返回参考点运行过程中探测到两个相邻参考标记间的间距大于已编程参考标记间距的两倍，则会出现错误：MD34300 ENC_REFP_MARKER_DIST（参考标记距离）。
此种情况下，机床轴会以已编程的参考点停止速度 (MD34040) 的一半沿反方向运行并重新启动参考标记寻找过程。若又再次发现参考标记间距有误，则机床轴会停止并中断返回参考点运行过程（报警20003 “测量系统”故障）。
若在已编程的路段中未发现已编程的参考标记个数，机床轴会停止并中断返回参考点运行过程：MD34060 REFP_MAX_ MARKER_DIST（至参考标记的最长路段）
第 1 阶段成功结束后，机床轴实时数值系统即完成同步。
若第 1 阶段未发生报警且成功完成，则自动启动第 2 阶段。机床轴在结束了返回参考点运行后将在第 2 阶段中运行至已定义的目标位置（参考点）。若需要缩短参考点的运行路径，也可阻止此过程进行：MD34330 STOP_AT_ABS_MARKER
? 0——运行至目标位置；
? 1——不运行至目标位置。
运行至目标位置（通常情况），机床轴加速至已编程的参考点驶入速度并运行至已编程的目标点（参考点）：
? MD34070 REFP_VELO_SEARCH_CAM（回参考点驶入速度）；
? MD34100 REFP_SET_POS（参考点数值）。
机床轴已到达参考点。 NC 发出相应的接口信号进行识别。
不运行至目标位置，机床轴现在已到达参考点。NC 发出相应的接口信号进行识别。
（5）参考点调整常见故障处理
返回参考点类的故障，如表5-7、表5-8所示，当出现数控机床返回参考点故障时，可以从以下几个方面入手。
（1） 先检查参考点减速挡块是否松动，参考点开关是否松动或者损坏；
（2） 检查反馈测量系统的电缆；
（3） 检查脉冲编码器电源电压和输出信号；
（4） 检查有关参考点的MD设置；
（5） 检查有关参考点的接口信号。
表5-7  不能返回参考点或找不到参考点故障检查表
序号 原因 检查及处理
1 没有参考点减速挡块信号 检查接口信号DB3*.DBX12.7，确认减速挡块信号的正确输入。检查减速挡块以及连接电缆，并根据PLC程序检查信号的逻辑条件。
2 操作方式选择不正确 诊断DB2*.DBX1.0的状态，检查操作方式是否处于返回参考点的工作状态。
3 返回参考点轴的运动方向选择不正确 根据机床参数MD34010设置的返回参考点方向，正确选择轴的运动方向，确认轴方向信号连接是否正确，根据PLC程序检查信号的逻辑条件。
4 返回参考点的起点不正确 返回参考点的起点距离参考点太近，从返回参考点的起点到参考点的距离至少相当于电机两转的移动量。
5 脉冲编码器的电源连接不良 检查脉冲编码器的电源，其电压必须大于4.75V，电源电压要求5.05V~4.75V之间，连接编码器电路上的压降不能超过0.2V，否则应增大电源导线面积。
6 脉冲编码器故障 利用示波器察看编码器信号，若有故障则更换脉冲编码器。
7 减速开关故障 检查减速开关的工作情况，维修或者更换减速开关。
表5-8  参考点返回误差故障
序号 原因 检查及处理
1 减速挡块位置发生变化 检查减速挡块是否松动，固定减速挡块。
2 减速开关位置发生变化 检查减速开关是否松动或损坏，固定减速开关，或维修或更换。
3 零点脉冲信号受到干扰 检查反馈电缆屏蔽线连接是否正确，接地是否良好，布线是否合理，采取相应的措施，减小零点脉冲信号干扰。
4 编码器的电源电压过低或波动 检查脉冲编码器的电源，其电压必须大于4.75V，电源电压要求5.05V~4.75V之间。
5 脉冲编码器的输出信号不良 利用示波器检查编码器信号，确认输出各相信号正常，否则更换编码器。
6 电缆连接不良 检查电缆连接，确保连接可靠。
7 接近参考点的速度太快 检查机床数据MD34070设置的速度，减小接近参考点的速度。
以下列出一些常见的回参考点故障的案例：
? 如果在开机后，没有将工作台移出参考点减速区域之外，即开始了回参考点动作，则在回参考点的过程中，将出现超程报警，造成了机床的越位。此时可以在退出超程保护后，手动移动工作台，移出参考点减速区后，重新回参考点。
如果减速开关有故障将有可能导致减速开关挡块压上/松开后，信号均无变化。这样机床在回参考点时坐标轴无减速动作，将会出现超程报警。
电机与丝杠间的相对联接位置发生了变化，导致参考点偏离了原来的位置，这也会引起了该轴在回参考点时的超程报警。此时可以重新调整参考点。
? 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。机床回参考点动作正常，证明机床回参考点功能有效。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联接不良引起的故障。可以在维修时脱开电机与丝杠间的联轴器，并通过手动压参考点减速挡块，进行回参考点试验，每次回参考点完成后，电机总是停在某一固定的角度上。则就可以说明脉冲编码器“零脉冲”无故障，问题的原因应在电动机与丝杠的联接上。
? 在批量加工零件时，某天加工的零件产生批量报废。分析及处理过程：经对工件进行测量，发现零件的全部尺寸相对位置都正确，但X轴的全部坐标值都相差了整整10mm。分析原因，导致X轴尺寸整螺距偏移(该轴的螺距是10mm)的原因是由于参考点位置偏移引起的。
对于大部分系统，参考点一般设定于参考点减速挡块放开后的第一个编码器的“零脉冲”上；若参考点减速挡块放开时刻，编码器恰巧在零脉冲附近，由于减速开关动作的随机性误差，可能使参考点位置发生1个整螺距的偏移。这一故障在使用小螺距滚珠丝杠的场合特别容易发生。对于此类故障，只要重新调整参考点减速挡块位置，使得挡块放开点与“零脉冲”位置相差在半个螺距左右，机床即可恢复正常工作。
? 在回参考点时出现参考点位置不稳定，参考点定位精度差的故障。可以先检查该机床在手动方式下工作是否正常，参考点减速速度、位置环增益设置是否正确，同时测量编码器+5V电压是否正常，回参考点的动作过程是否正确。最后进一步检查发现，该轴编码器连接电缆的屏蔽线，屏蔽线不良也会引起参考点定位不稳定，定位精度达不到机床要求。
       如果使用光栅，要检查故障是否是由于光栅尺不良引起的。可以拆下光栅尺检查，看光栅内部是否被污染，如果污染，则重新清洗处理，并测试确认光栅输出信号恢复后，重新安装光栅尺。
? 编码器的供电电压必须在+5V±0.2V的范围内，当小于4.75V时，将会引起“零脉冲”的输出干扰。
编码器反馈的屏蔽线必须可靠连接，并尽可能使位置反馈电缆远离干扰源与动力线路。编码器本身的“零脉冲”输出必须正确，满足系统对零位脉冲的要求。参考点减速开关所使用的电源必须平稳，不允许有大的脉动。
? 影响回参考点动作的主要因素有：
-  数控系统的操作方式，它必须选择回参考点(Ref)方式。
-  “参考点减速”信号必须按要求输入。
-  位置检测装置“零脉冲”必须正确。
数控系统的参数设置必须正确。常见的故障是减速挡块位置调整不当和减速信号的故障，其次是位置检测元器件的“零脉冲”干扰、检测元器件的故障，以及机床参数的设定错误。
位置环增益设定不当，以及回参考点速度设定不当也都会引起回参考点的报警，尤其是在修改过参数或者初次配置机床轴时要注意。