数控机床超程故障维修

陈闯

摘要：在数控机床操作的过程中，超程是相对比较严重的问题，为了解决数控机床之间的碰撞问题，大部分的机器设置硬件和软件保护，当机器的轴同时触发两个方向的超程报警时，可借助系统诊断功能查询机床PLC的当前状态，并对机床电气回路进行测量，查找并分析故障原因，通过调整行程开关位置并修改相关系统参数，最终排除数控机床的超程故障。

关键词：数控机床;超程故障;系统判断;极限位置

中图分类号：TG659                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）05-0119-02

0  引言

超程故障是数控机床常见故障中的典型类别。数控机床超程保护通常分为软件超程和硬件超程。保护软件需要启动执行后返回参考点操作，保持系统机床坐标系統（例如，确定机床坐标系原点的位置），或安装在机床上的线性光栅编码器测量工作台行程，结合数控系统软件限位中指定参数以实现保护功能;当机床工作台行程达到设定值时，系统软件触发超限报警。

因此，在设置软件超程保护相关参数时，有必要仔细检查数控系统手册。数控机床的硬件超程保护是通过行程开关在工作台底部安装块限位位置的触点来实现的。硬件超程保护是数控机床的限位行程保护方法。

1  数控机床概述

数控机床是计算机数控机床的缩写，它是一种装有程序控制系统的自动机床。控制系统可以用控制代码或其他符号指令在逻辑上处理程序，对其进行解码，用编码数字表示程序，然后通过信息载体将其输入到数控设备中。

数控机床是上个世纪美国发明家John Parsons发明的。在电子信息技术的引领下，机床行业步入以数字制造技术为核心的机电一体化时代。

随着我国数控机床智能技术的新突破，大大拓展了机床功能，例如：自动调整干扰和防撞功能、停电后工件自动退出安全区域，断电保护功能、加工件检测和自动补偿学习功能、高精度加工件智能参数选择功能、自动消除了加工过程中的机械振动等。在实践阶段，智能技术还促使精密加工技术取得了进一步发展。数控金属切削机床的加工精度从原来的丝级（0.01mm）提高到微米级（0.001mm），有些品种达到了约0.05μm。超精密数控机床的微切削和磨削精度可以稳定在0.05μm左右，形状精度可以达到0.01μm左右。使用光、电、化学和其他能量进行特殊加工的精度可以达到纳米级（0.001μm）。通过优化的机床结构设计，超精加工的机床零件精确组装，使用高精度的全闭环控制以及温度、振动等动态误差补偿技术，提高了机床的几何加工精度，降低了形状和位置误差、表面粗糙度等，超精加工进入亚微米和纳米级时代。其次，功能组件的性能不断提高。功能组件一直朝着高速、高精度、大功率和智能化的方向发展，并且已经实现了成熟的应用。高精度主轴单元等功能部件得到推广应用，大大提高了数控机床的技术水平。虽然技术水平提高了，但是从中出现的问题也越来越多，导致机器故障的情况也逐一增多。

2  机床硬件超程故障概述

2.1 硬件超程故障描述

数控机床硬件超程是指在机床机械部件运动过程中按下安装在机床上的限位开关而引起的超程报警。行程限位开关通常安装在机床机械部件可以移动的安全位置。按下行程开关的原因可能会导致超程报警使机床停止，这也与CNC机床电气控制的PMC控制有关。

发生硬件超程报警时，取消报警的方法与软件超程报警相同。对于通用数控机床，通常将软极限设置在硬极限的行程范围内，这样可以更好地保护机床的安全性。因此，当将软极限设置在硬极限内并且机床正确返回参考点时，机床运动行程到达的第一个位置就是由软极限设置的极限位置。通常，只会出现软限制，极限超程报警。如果丢失了机械参考点，则由软件限制设置的行程极限无效，并且当机器超程时，硬极限行程开关将被按下，并且将出现硬件超程警报。

机床硬件限位开关主要用来保护机床的机械硬件，防止滚珠丝杠螺母副的脱离。当然，在大多数情况下，丝杠螺母副即使没有行程限位开关保护也不会脱离，但是当丝杠螺母副运动到该坐标轴极限位置时，即螺母运动到丝杆的端部，由于伺服驱动电机的继续运转，可能会引起驱动模块发热，导致驱动模块烧坏。因此，为了保护机床机械硬件或电气驱动模块，通常数控机床上都会在机床工作台运动的安全行程上安装硬件限位开关。用硬件限位开关来强制设定机床的运动行程范围，起到安全保护作用。机床硬件限位开关由于是机械式的通断触点，因此在使用过程中极易引起机械触点的通断故障。因此，设置机床软限位保护可以更好地解决这些问题。软限位不仅可以无限次的使用，而且出现软限位报警时，解决软限位的超程故障比较容易。

一台国产型号SYNTEC 900M三轴立式数控铣床，半闭环控制，增量脉冲编码器，采用台湾新地公司数控系统。铣床的加工表面形状通常由直线、圆弧或其他曲线组成。普通铣床的操作人员按图纸要求。不断改变刀具和工件之间的相对位置，然后与选定的铣刀速度匹配，以便刀具可以切割工件，并可以加工具有不同形状的各种工件。

在一次操作中，机床工作台沿y轴移动到原点，并锁定不受控制。X轴和Z轴可以正常移动，可以返回参考点操作。同时出现“Y轴超过正向硬件行程限制”、“Y轴超过负向硬件行程限制”、“Y轴参考点未恢复”三种报警信息。将过行程释放键与相应的方向键结合，工作台离开过行程区域后即可取消报警;重启系统，执行返回参考点操作：工作台沿Y轴负方向移动，在原点附近停止。系统中再次出现上述告警信息，Y轴锁定。

2.2 硬件超程故障的分析与处理

当浏览界面的“PLC状态”是（表1和表2中），发现I003的值和I004“I Bits”是“00”，表明循环由两个物理输入点PLC（Y+轴积极的极限位置接触，和轴-极限位置接触Y-）断开连接。“C Bits”接口的C052和C053都為“FF”，表示触发。

3  机械原点位置漂移现象的分析及处理

3.1 系统重启后进行机械原点位置漂移及分析

软件超程指的是机床运动坐标值超过系统参数设定的储存行程极限值的报警，在返回参考点操作时，远程报警消失。结果表明，挡块与减速触点“Y0”之间的距离显著增大，且反复运行后发现挡块与减速触点“Y0”之间的距离不是恒定的。由于在消除硬件远程故障过程中行程开关位置的变化，怀疑这种现象是闭塞和闭塞“Y0”接触引起它们之间距离的变化;或者机床角编码器的码盘被污染了。但更换Y轴角编码器后仍存在故障。

3.2 机械原点位置漂移现象的处理

请结合参数设置手册检查系统参数设置是否正确。首先检查与速度和方向有关的参数：参数862为Y轴原点搜索的方向：0为负方向（设定方向），1为正方向;参数822用于设置Y轴原点搜索的速度：默认值为1000mm/min;参数842是Y轴原点搜索第二阶段的速度：默认值为300mm/min。参数57是Y轴开始从减速开关触点闭合到伺服电机角度编码器生成的第一脉冲信号的角度的反向运动的系统：100表示丝杠旋转360°，50表示导螺杆旋转180°。通常，此参数的范围是20～80。

用参数设置手册检查系统参数设置是否正确。首先，检查速度和方向相关的参数：参数862是原点的Y轴方向，0为负（设定方向），91为正。参数822是Y轴查找原点的速度：默认值为1000mm/min;参数842是第二阶段的Y轴原点搜索速度，默认值为300mm/min。该参数的系数57是由Y轴旋转角度伺服电机的角度编码器从闭合的反向运动轴的减速器产生的脉冲信号：100表示360°丝杠旋转，而50表示丝杠旋转180°。通常取值范围是20～80。

参数942是Y轴原点搜索网格函数。当减速开关的零点信号接近伺服电机角度编码器产生的第一脉冲信号时，可能是由于系统扫描时间延迟和工作台移动距离太短，极限位置开关可能不能够及时动作，从而导致机床Y轴机械坐标零位不正确或找不到，其范围是：伺服电机角度编码器从中产生第一脉冲信号的角度的±20%以内触发行程开关的“Y0”触点。因此，应将参数942的值修改为1，即打开Y轴原点搜索网格功能。归巢网格函数的函数参数942和距离微调参数57示于表3。

重新启动机床并执行参考点返回操作。工作台沿Y轴的负方向移动，行程开关的“Y0”触点在机床原点附近触发，然后滚珠丝杠以较低的速度反向旋转180°以上。停止后。说明参数942的设置值为1，电网保护功能已打开，省略了不符合要求的角度编码器脉冲。Y轴系统报警未返回参考点，硬件超程解除。上述“诊断界面”中的所有参数均恢复为正常值。机器重新启动了几次，但故障没有再出现。

4  结语

机床工具产业作为国家基础战略产业，需要利用技术创新项目来支持和引领行业发展。我国机床工业的发展必须以自主创新为基础，通过自主研发原创技术，引进技术消化吸收，再创新，整合现有技术创新，实现关键技术突破和产业升级。建立和完善以企业为导向，市场为导向，产学研结合的技术创新体系;坚持加大研发投入;加强对关键技术和通用技术的研究，努力在基础技术和通用技术上取得突破，提高产品开发的技术水平。

由于数控机床是一种新型自动化机床，其机床加工精度高，加工自动化程度高，同时对机床的加工环境也有很高的要求。因此其故障的发生率也高。但数控机床的故障很多，本文介绍了数控机床SYNTEC 900M进行故障分析的解决，为解除硬件超程报警提供了明晰的方法;当机床的行程范围需要调整或出现行程开关故障时，可以根据文中分析处理原因进行程序修改以便机床维修。

参考文献：

[1]于海军，王细洋.数控机床超程故障维修[J].制造技术与机床，2020（05）.

[2]刘记军.利用PLC实现数控机床故障快速诊断与维修[J].中阿科技论坛（中英文），2020（2）.

[3]杨建中.PLC控制技术在数控机床维修中的应用分析[J].电子测试，2020.