分析FANUC数控系统返回参考点功能

korg707 · 发表于 2009-2-7 21:58

分析FANUC数控系统返回参考点功能

一. 概述：
现今汽车行业的机加工都使用数控机床。我公司动力总成厂的机加工机床也不例外的使用数控机床，且使用当今国际上最先进的数控系统。我厂使用的数控系统有1）FANUC；2）INDRAMAT；3）LANDIS；4）simens  等产品。其中使用最多的是FANUC系统，97%以上的数控机床使用FANUC系统。
我厂使用FANUC系统控制的设备有：1）卧式加工中心；2）立式加工中心；2）立式车床；4）滚齿机；5）珩磨机；6）高频淬火机；7）抛光机；8）上下料机械手（GANTRY）9）各种专机等。
使用FANUC数控系统的种类有：1）FS-160CM；2）FS-18BT；3）FS-PMD；4）FS-PMH；5）FS-PMI；6）FS-15M。
在我们对设备的使用和维修过程中，遇到较多的是返回参考点（通常所说的“回零”）问题。返回参考点的作用是修改数控系统（CNC）的软件记忆位置与设备的机械位置相一致（类似标定）；所以数控机床在运行前必须进行返回参考点。在调试时，要初次设置参考点；在使用时，加工超差有时需要调整参考点；在维修时，系统，伺服或光栅故障，或者更换丝杠后，需找回原参考点。
FANUC CNC提供的返回参考点方法有多种；根据各种设备的特点和应用场合等个性问题，设置各种设备的参考点方法不相同；同种设备的生产厂商不同，其返回参考点的方法也不相同；而各个厂商根据自己的思路，设计的返回参考点操作过程各不相同。所以我们在现场操作过程中，感觉纷繁复杂，不着边际，且经常出错，造成设备或刀具受损。所以我们急需分析清楚FANUC CNC各种方法返回参考点功能的原理，从理论上找出其共性；以便在以后的操作中有理论依据，避免出错！
下面针对我厂所使用的FANUC CNC各种返回参考点方法进行理论分析。而我厂使用最多的FAUNC CNC是FS-160CM，FS-18BT，FS-PMD；且这三种CNC的参数和PMC接口体系是一致的；在分析过程使用FS-160CM参数和PMC接口信号。
返回参考点的方法有四种： 1) 栅格法；2)手动输入法；3)双MARK法；4) 扭矩法。

二. 返回参考点有关的信息：
注： Pxxxx：CNC参数号；Gxxxx：PMC  CNC信号；Fxxxx：CNCPMC信号；Xxxxx：MTPMC信号。
1. 与返回参考点有关的参数：
1) P1002(1)：所有轴使用回零减速开关与否（位型参数）。
         0：使用；1：使用轴都不使用。
   说明：当P1002（1）=0时，若某个轴不使用回零减速开关则由的P1005（1）设置。
P1005(1)：各个轴使用回零减速开关与否（轴位型参数）；
0：使用；1：不使用。
   说明：当P1002（1）=0时， P1005（1）才有效。
2) P1006(5)：确定回零方向（位型参数）；
0：正向；1：负向。
   说明：回零方向和回零时的运动方向是两个概念。
3) P1815(5)：APC 分别表示每个轴是否为绝对型编码器（轴位型参数）；
0：增量型编码器；1：绝对型编码器。
P1815(4)：APZ 分别表示每个绝对型编码器的轴是否已建立参考点（轴位型参数）；
0：已经建立参考点；1：尚未建立参考点。
4) P1815(1)：OPT 分别表示每个轴是否全闭环系统（轴位型参数）；
0：半闭环；1：全闭环。
5) P1240：各个轴第一参考点的坐标值（轴双字型参数）。单位：最小检测单位（我们的设备都是0.001 mm）。
解释：参考点在机床坐标系中的坐标值。即回零完成后，机床坐标系变为P1240设定的值。
6) P1420：各个轴的快速速度（轴字型参数）。单位：mm/min。
解释：执行G00命令，快速倍率为100%时的各个轴运行速度。
P1424：各个轴回零快速速度（轴字型参数）。单位：mm/min。
解释：回零时压减速开关前各个轴的速度。
说明：若P1424=0, 则取P1420*快速倍率的速度。
7) P1425：所有轴回零低速速度（字型参数）。单位：mm/min。
解释：即压上减速开关后轴运动降至此速度。
8) P1850：各个轴的栅格偏移量（轴双字型参数）。单位：0.001 mm。
解释：脱开减速开关找到第一个MARK点后各个轴再偏移的距离。用于调整各个轴的参考点。
9) P3003(5)：减速开关有效状态（位型参数）；
0：“0”有效；1：“1”有效。

2. 与返回参考点有关的输入/输出信号：
1) X0009(0—7)：*DEC1—*DEC8 回零减速开关信号。
解释：分别连接第1到第8伺服轴的回零减速开关。
例如：X轴回零减速开关连接到X9(0)；
      Y轴回零减速开关连接到X9(1)；
      Z轴回零减速开关连接到X9(2)；
               …
2) G0014(0,1)：ROV1，ROV2 快速倍率信号。
解释：回零时压到回零减速开关前的快速速度，受该倍率信号控制。
3) G0043(0,1,2,7)：MD1，MD2，MD4，ZRN 方式选择信号。
解释：G43(0,1,2,7)=[1,0,1,0] JOG方式(CRT上显示JOG)；
      G43(0,1,2,7)=[1,0,1,1] 回零方式(CRT上显示REF)。
4) G0100(0—7)：+J1— +J8 手动正向信号。
解释：手动运行时，分别控制第1到第8伺服轴正向运动。
G0102(0—7)：-J1— -J8 手动负向信号。
解释：手动运行时，分别控制第1到第8伺服轴负向运动。

5) F0094(0—7)：ZP1—ZP8 回零完成信号。
解释：此信号为“1”，分别表示第1到第8伺服轴返回参考点完成，且在参考点上；一但某一轴移动，对应这一轴的信号变为“0”。
说明：只有手动回零（REF方式）和自动回零（G28指令）回零完成后，才能置回零完成信号为“1”；而用其它方式（JOG或G00，G01）移动轴到参考点，却不能置为“1”。
6) F120(0—7)：ZRF1—ZRF8 参考点已经建立。
解释：在返回参考点过程中，一旦CNC位置与机械位置的对应关系被建立，此信号便置“1”。ZRF1—ZRF8分别对应第1到第8伺服轴。
说明：该信号一旦建立便被保持，轴运动不会复位此信号为“0”；只有CNC位置与机械位置的对应关系被破坏后，才复位为“0”。
例如：半闭环系统使用增量型编码器的轴，和全闭环系统使用增量型光栅尺的轴，断电后ZRF信号被复位为“0”；所有每次开机后，都需进行返回参考点操作。半闭环系统使用绝对型编码器的轴，和全闭环系统使用绝对型光栅尺的轴，断电后ZRF信号也保持为“1”；所有每次开机后，不需进行返回参考点操作。

三. 详细分析四种返回参考点方法的原理:
1. 栅格法:
栅格法适用范围最广；即适用于半闭环系统，也适用于全闭环系统；即适用于增量型位置反馈元件，也适用于绝对型位置反馈元件。
栅格法分两种情况：1）有回零减速开关；2）无回零减速开关。
1.1 有回零减速开关的情况：
1) 有关的参数：
P1002(1)=0，且P1005(1)=0：有减速开关。
P1006(5)：确定回零方向。0：正向；1：负向。
注：回零方向和回零时的运动方向是两个概念。
P3003(5)：减速开关有效状态。0：“0”有效；1：“1”有效。
P1424：回零快速速度。压减速开关前的速度。
注：若P1424=0，以P1420*快速倍率的速度运行。
P1425：回零低速速度。压上减速开关后降至到此速度。
P1850：栅格偏移量。脱开减速开关找到第一个MARK点后，伺服轴偏移的距离。
P1240：第一参考点的坐标值。返回参考点完成后，机床坐标系变为P1240设定的值。

2) 有关的PMC状态：
方式：G43(0,1,2,7)=(1,0,1,1)；返回参考点（REF）方式。
运动方向：G100(0-7)；分别控制8个轴返回参考点时的正向运动；
  G102(0-7)；分别控制8个轴返回参考点时的负向运动。
      注：运动方向与P1006(5)的回零方向是两个概念。
减速开关：X9(0-7) 分别代表8个轴的减速开关;
      注：减速开关是“0”有效还是“1”有效，取决于P3003(5)。
回零完成：F120(0-7) =1 分别表示8个轴的参考点已经建立；
         注：使用增量型反馈元件的轴，在不断电的时，保持为“1”，断电后为“0”；
            使用绝对型反馈元件的轴，断电后也保持为“1”。
      F94(0-7)=1 分别表示返回参考点完成，且在参考点上。
注：当轴移动后，便为“0”。

3) 回零过程（以X轴回零为例）：
将操作方式置成回零方式，G43(0,1,2,7)=(1,0,1,1)。CRT上显示REF。
操作X轴的JOG方向信号，G100(0)[+JX]或G102(0)[-JX]。机床便沿X轴按指定方向运动。
（1）压减速开关前：快速运动；速度为P1424[X]设定的值，若P1424[X]=0，则以P1420[X]*快速倍率的速度运动。
（2）压减速开关后：运动方向与回零方向一致时，速度减至由P1425设定的回零低速运动。若运动方向与回零方向相反，保持原来的快速压过减速开关后，自动反向；再次压到减速开关后，减速至P1245设定的回零低速运动。
（3）脱开减速开关后：继续以回零低速运动，找到反馈元件上的第一个MARK（零信号）点后，再移动由P1850[X]设定的栅格偏移量后，停止。此点就是参考点。

                                                                  +X方向

图1.1.1：运动方向为正向；回零方向也为正向时的图示
[G100(0)=1；P1006(5)=0]

                                                                  +X方向

图1.1.2：运动方向为负向；回零方向为正向时的图示
[G102(0)=1；P1006(5)=0]

                                                                  +X方向

图1.1.3：运动方向为正向；回零方向为负向时的图示
[G100(0)=1；P1006(5)=1]

                                                                  +X方向

图1.1.4：运动方向为负向；回零方向也为负向时的图示
[G102(0)=1；P1006(5)=1]

4）回零结束后的状态：
(1) 机床坐标系的X坐标值跳变为由P1240[X]设定的第一坐标系的值；
(2) 返回参考点完成信号F0094(0)[ZFX]=1；
(3) 参考点已经建立信号F0120(0)[ZRFX]=1；

1.2 无回零减速开关的情况：
1) 有关的参数：
P1002(1)=1，或P1005(1)=1：无减速开关。
P1006(5)：确定回零方向。0：正向；1：负向。
P1425：回零低速速度。
P1850：栅格偏移量。找到第一个MARK点后，伺服轴偏移的距离。
P1240：第一参考点的坐标值。返回参考点完成后，机床坐标系变为P1240设定的值。

2) 有关的PMC状态：
方式：G43(0,1,2,7)=(1,0,1,1)；返回参考点（REF）方式。
运动方向：G100(0-7)；分别控制8个轴返回参考点时的正向运动；
  G102(0-7)；分别控制8个轴返回参考点时的负向运动。
回零完成：F120(0-7) =1 分别表示8个轴的参考点已经建立；
      F94(0-7)=1 分别表示返回参考点完成，且在参考点上。

3) 回零过程（以X轴回零为例）：
(1) 设置JOG方式, G43(0,1,2,7)=(1,0,1,0); CRT上显示JOG;
手动操作JOG方向信号+JX[G100(0)]或-JX[G102(0)], X轴移动一段距离, 人工停止.
注: 运动方向一定与回零方向一致; P1006(5)=0时,操作+JX; P1006(5)=1,操作-JX.
(2) 更换方式为回零方式, G43(0,1,2,7)=(1,0,1,1); CRT上显示REF;
再次操作X轴的JOG方向信号，G100(0)[+JX]或G102(0)[-JX]。机床便沿X轴回零方向[P1006(5)设定的方向]运动; 速度为回零低速[P1245设定值]。
(3) 找到反馈元件上的第一个MARK（零信号）点后，再移动由P1850[X]设定的栅格偏移量后，停止。此点就是参考点。

                           JOG方式          REF方式

                                                                  +X方向

图1.2.1：无减速开关正向回零时的图示
[运动方向和回零方向都为正向;[G100(0)=1；P1006(5)=0]

                              回零方式       JOG方式

                                                                  +X方向

图1.2.2：无减速开关负向回零时的图示
[运动方向和回零方向都为负向; [G102(0)=1；P1006(5)=1]
4) 回零结束后的状态：
(1) 机床坐标系的X坐标值跳变为由P1240[X]设定的第一坐标系的值；
(2) 返回参考点完成信号F0094(0)[ZFX]=1；
(3) 参考点已经建立信号F0120(0)[ZRFX]=1；

2. 手动输入法:
手动输入法适用于半闭环系统绝对型编码器.
该方法的原理: 在MDI方式下, 手动置参数P1815(4)=1, 就完成了返回参考点功能.CNC将当前机械位置作为参考点进行处理; 因为是绝对型编码器即使关机后,参考点位置也被记忆. 该方法简洁明了,操作简单.

1) 有关参数:
P1815(1)=0; OPT 半闭环系统.
P1815(5)=1; APC 绝对型编码器.
P1815(4)=X; APZ 绝对型编码器参考点建立与否.
P1240: 第一参考点的坐标值。返回参考点完成后，机床坐标系变为P1240设定的值。

2) 操作过程（以X轴回零为例）：
基本原则: 按CNC的报警提示信息进行, 不可违背.
(1) MDI方式下, 置APZ [P1815(4)X]=0; CNC提示#000报警(要求关机);
(2) 关机/开机; CNC提示#300报警(X轴绝对型编码器需要返回参考点);
(3) 用JOG和INC方式移动机械到参考点位置;
(4) MDI方式下, 置APZ [P1815(4)X]=1; CNC又提示#000报警(要求关机);
观察机床坐标系跳变为P1240设定的值。
(5) 关机/开机; 观察参考点已经建立信号F0120(0)[ZRFX]=1；

3) 注意: 若发生#306电池低报警, 则不能输入P1815(4)=1; 必须更换电池, 清除#306报警后, 才可以操作.

3. 双MARK法:
双MARK法适用全闭环系统, 带绝对参考标志的光栅尺.
双MARK法原理是: 带绝对参考标志的光栅尺有两路参考标志, Mark1和Mark2; Mark1的间距(P1821)与Mark2的间距(P1883)不相等,有一个较小的差值; 在光栅尺的原始零点(理论零点,物理上不存在) Mark1和Mark2重合, 离开原始零点后, Mark1和Mark2始终有差值,且越远越大; 只要测得刚刚经过的Mark1和Mark2之间的差值, 就可以计数出当前位置离开原始零点的距离. 测量出当前位置与机床参考点的距离, 再根据当前位置离开原始零点的距离又可以计数出机床参考点与原始零点的距离(P1883).

图3.1
在实际运作中, 测量Mark1和Mark2之间的间距3或4次,由P 决定; 手动返回参考点时测量Mark1和Mark2之间的间距3或4次后, 便停止轴运动; 而不停止到参考点, 只是确定机床零点到停止点的距离; 而机床零点到参考点的距离取决于P1240(第一参考点坐标).

图3.2(3)
1) 有关参数:
P1240: 第一参考点的坐标值。返回参考点完成后，机床坐标系变为P1240设定的值。
P1245: 回零低速速度。
P1802(1): DC4 当使用带绝对参考标志的光栅尺建立参考点时, 检测3个还是4个Mark确定参考点. 0: 3个; 1: 4个.
P1815(1)=1;  OPTx 全闭环系统.
P1815(2); DCLx 是否使用带绝对参考标志的光栅尺.
0: 不用; 1:使用.
P1821: Mark1的间隔(参考计数器容量).
P1882: Mark1的间隔.
P1883: 机床参考点到光栅尺理论原点的距离.

2) 有关的PMC状态：
方式：G43(0,1,2,7)=(1,0,1,1)；返回参考点（REF）方式。
运动方向：G100(0-7)；分别控制8个轴返回参考点时的正向运动；
  G102(0-7)；分别控制8个轴返回参考点时的负向运动。
回零完成：F120(0-7) =1 分别表示8个轴的参考点已经建立；

3) 操作过程（以X轴回零为例）：
(1) 方式为回零方式, G43(0,1,2,7)=(1,0,1,1); CRT上显示REF;
操作X轴的JOG方向信号，G100(0)[+JX]或G102(0)[-JX]。机床便沿X轴按给定的方向运动; 速度为回零低速[P1245设定值].
(2) 当第一次检测到Mark信号(Mark1和Mark2)后机床暂停一瞬间再前进, 第二次检测到Mark信号后又暂停; 如此3,4次, 机床停止; 如果光栅尺正常, 则参考点建立.

图3.3(2)
(3) F0120(0)[ZRFx]=1; 表示X轴参考点已建立;
机床坐标系的坐标值: 当前位置距离机床零点(并非参考点)的值;
Xmt=Xorg-P1883x-P1240x
Xmt: 当前位置在机床坐标系中的坐标值;
Xorg: 当前位置距离光栅尺理论零点的值;

图3.4(4)

4. 扭矩法:
扭矩法适用于半闭环系统绝对型编码器.
1) 扭矩法返回参考点的原理:
(1) 在REF方式下, 选择回零轴的手轮选择信号[G0018(3,2,1,0):编码设置各个轴], 按循环启动按钮[G0007(2)];
(2) 伺服轴便沿P1006(5)[回零方向]设定的方向向机床上的固定挡块运动, 速度为P7183的设定值;
(3) 压上固定挡块, 当伺服轴扭矩达到P7186设定的百分率;
(4) 伺服轴便反向运动, 距离为P7181的设定值;
(5) 伺服轴第二次去压固定挡块, 速度为P7184的设定值;
(6) 压上固定挡块, 当伺服轴扭矩达到P7186设定的百分率;
(7) 伺服轴便反向运动, 编码器第一次检测Mark信号;
(8) 伺服轴继续沿原反向运动, 移动P7182设定的距离后停止, 此点就是机床参考点;
(9) 返回参考点完成, P1815(4)[APZ]=1; F0120x=1; F0094x=1; 机床坐标系的X坐标值跳变为由P1240[X]设定的第一坐标系的值.

2) 有关参数:
P1006(5): 确定回零方向。0：正向；1：负向。
P1815(1)=0; OPT 半闭环系统.
P1815(5)=1; APC 绝对型编码器.
P1815(4)=X; APZ 绝对型编码器参考点建立与否.
P1240: 第一参考点的坐标值。返回参考点完成后，机床坐标系变为P1240设定的值。
P7181: 第一次压固定挡块后, 回退的距离;
P7182: 在参考点建立的Mark点到参考点的距离;
P7183: 第一次压固定挡块前的运动速度;
P7184: 第二次压固定挡块前的运动速度;
P7185: 第二次压固定挡块后的运动速度;
P7186: 在固定挡块的扭矩极限的百分比(%).

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