FANUC 編碼器的研究與應用

1、FANUC 編碼器的研究與應用 湯彩萍（常州機電職業(yè)技術學院，213164）摘要：編碼器性能的好壞決定了數(shù)控機床的加工精度。本文通過與常規(guī)的旋轉(zhuǎn)編碼器比較，詳細分析了應用廣泛的FANUC編碼器的原理和在數(shù)控機床參考點返回中的應用，并對采用FANUC系統(tǒng)的數(shù)控機床上與編碼器相關的典型故障進行了分析。關鍵詞：編碼器；數(shù)控機床；FANUC；參考點返回；絕對值中圖分類號：TP21文獻標識碼：B文章編號：1004-0420(2008)03-0016-04Study on FANUC encoders and the applicationin CNC machinesTANG Cai ping(Chan

2、gzhou Institute of Mechatronic Technology， 213164)Abstract：Encoders play important role in CNC machines on which the machining accuracy depends. This article analyzes the operating principle of the widely used FANUC encoders by comparing with conventional encoders. How the encoders are used in CNC m

3、achine reference point approaching is discussed as well. And troubleshooting related to encoders is also involved.Key words：encoder; CNC machine; FANUC; reference point approaching; absolute0前言隨著數(shù)控機床在制造業(yè)中的普及，作為精密位置測量元件的編碼器技術成為數(shù)控技術的重要組成部分。FANUC系統(tǒng)作為世界上使用率最高的數(shù)控系統(tǒng)，其伺服電機內(nèi)裝的編碼器及分立型的編碼器得到了廣泛的應用。但FANUC的編碼器在

4、很多方面與常規(guī)的旋轉(zhuǎn)編碼器有許多獨特之處。本文詳細分析了FANUC編碼器的原理和應用，并對數(shù)控機床上與編碼器相關的典型故障進行了分析。1編碼器概述編碼器是將機械的直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字信號的機電一體化的傳感器。它由LED、碼盤、光欄板、光電元件、印制電路板等組成。主要有兩類：增量式和絕對式。1.1增量式編碼器其光電碼盤是在一塊玻璃圓盤上鍍上一層不透光的金屬薄膜（見圖1），然后在上面制成圓周等距的透光與不透光相間的條紋，光欄板（光電孔）上有兩組條紋A組和B組，彼此錯開1/4節(jié)距。當光電碼盤旋轉(zhuǎn)時，光線通過光欄板和碼盤產(chǎn)生明暗相間的變化，由光電元件接收，經(jīng)過電路板轉(zhuǎn)換成脈沖輸出信號。A、

5、B兩組條紋相對應的光敏元件所產(chǎn)生的信號彼此相差90°相位，用于辨別旋轉(zhuǎn)方向。當光電碼盤正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90°，當光電碼盤反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90°。此外，在光電碼盤的里圈里還有一條透光條紋，用以每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱1轉(zhuǎn)信號或零標志脈沖，作為測量基準。增量式編碼器的輸出通常為并行信號，如圖2所示。圖增量式編碼器工作原理示意圖 圖2增量式編碼器輸出信號增量式編碼器的A/B輸出的波形除了圖2所示的方波信號，還有一種類似正弦曲線的sin/cos曲線波形信號輸出，A與B相差1/4周期90度相位，如果A是類正弦sin曲線，那么B就是類余弦cos曲線，如

6、圖所示3。1.2絕對值編碼器增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)器來知道其位置。當編碼器停電時，存放在緩沖器或外部計數(shù)器中的數(shù)值將丟失。這說明如果機床因下班或維修而被迫關機時，重新啟動后，編碼器將無法知道其確切位置。解決的方法是增加參考點，編碼器每經(jīng)過參考點，緩沖器或計數(shù)器被清零，數(shù)控系統(tǒng)才知道確切的位置。在回過參考點以前，是不能保證位置的準確性的。為此，在數(shù)控機床控制中就有每次開機先回參考點的操作。但是機床的刀具在發(fā)生故障時通常還處于加工位置，與工件有直接接觸，有時甚至還處于工件的內(nèi)部（如鉆孔、攻螺紋等），為了安全地進行過參考點動作，必須首先手動將刀具移出加工位置。如果此時刀具的指向與X，

7、Y，Z軸成一定角度（多軸機床），此項操作則變得尤其困難，往往要耗費大量的時間和人力。于是就有了絕對編碼器的出現(xiàn)。絕對值編碼器旋轉(zhuǎn)時，有與位置一一對應的代碼（二進制、BCD碼等）輸出，從代碼的變更即可判別正反方向和位移所處的位置，而無需判向電路。它有一個絕對零位代碼，當停電或關機后再開機時，仍可準確地讀出停電或關機位置的代碼，并準確地找到零位代碼。絕對碼盤和輸出信號如圖4所示，高位絕對值編碼器通常采用串行輸出。圖3 增量式編碼器弦波輸出信號圖4 絕對值編碼器碼盤和輸出1.3編碼器的分辨率即編碼器工作時每圈輸出的脈沖數(shù)。增量式編碼器的原始分辨率按物理刻線數(shù)算（如1024線、2500線等等）；而絕對

8、式編碼器的分辨率按圈數(shù)算（2的N次方，折成線數(shù)一般在上萬線）。增量式編碼器采用倍頻細分技術，獲得數(shù)控機床所需的更高的分辨率，用ppr表示（pulse per revolution）。一般說來，方波最高只能做4倍頻率，更高的分頻要用增量脈沖信號是sin/cos類正余弦的信號來做，后續(xù)電路可通過讀取波形相位的變化，用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來細分，5倍、10倍、20倍，甚至100倍以上，分好后再以方波波形輸出。然而過高的分辨率將影響編碼器的最高轉(zhuǎn)速，這是因為高速旋轉(zhuǎn)時編碼器能夠處理的頻率受到限制。2FANUC編碼器表1列出了幾種型號的FANUC生產(chǎn)的伺服電機內(nèi)裝編碼器，可以看出型號中帶字母“A”的為絕對值編碼

9、器（Absolute），帶字母“I”的為增量式編碼器（Incremental）。表2為FANUC編碼器輸出信號表。2.1FANUC編碼器本質(zhì)上是增量式編碼器表1中128iA為分辨率為131072 ppr的絕對值編碼器，而在大約直徑40mm的玻璃盤上刻劃131072個邏輯碼道是不可想象的。通過拆裝128iA編碼器，發(fā)現(xiàn)其碼盤屬增量式，且原始物理刻線是2048線（2的11次方，11位），分辨率并不很高。原來，F(xiàn)ANUC的增量值編碼器內(nèi)部先通過電子細分，再由電池記憶而成為“絕對值”的，而并非每個位置有一一對應的代碼表示，因此也稱為偽絕對值編碼器。2.2FANUC編碼器內(nèi)部含sin/cos信號細分電路

10、FANUC增量編碼器輸出信號為sin/cos類正余弦信號。通過16倍（2的4次方，4位）細分，得到15位ppr，再次4倍頻（2的2次方，2位），得到了17位（Bit）的分辨率，即131072 ppr。這就是有些日系編碼器的17位高位數(shù)編碼器的由來。2.3FANUC編碼器信號為串行輸出從圖5可以看出，表1中FANUC編碼器并沒有輸出常見的并行六脈沖信號，而只有兩根信號線RD、*RD。這是串行輸出，編碼器和伺服放大器之間是有通訊協(xié)議的，為串行編碼器。+5 V、0 V為編碼器的工作電源，F(xiàn)G、+6 V為備份電池線，如不聯(lián)，則該編碼器還是增量式編碼器。3在返回參考點中的應用參考點返回的實質(zhì)是找尋編碼器

11、的零標志脈沖信號，這通過參考計數(shù)器產(chǎn)生柵格信號來實現(xiàn)。3.1FANUC的編碼器當作增量式用時，有擋塊回零當數(shù)控系統(tǒng)檢測到電機1轉(zhuǎn)信號時，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的參考計數(shù)器被清零。此后，參考計數(shù)器就成為一個環(huán)行計數(shù)器。當計數(shù)器對移動指令脈沖計數(shù)到參考計數(shù)器設定的值（電機1轉(zhuǎn)的移動量）時被復位，隨著一轉(zhuǎn)信號的出現(xiàn)產(chǎn)生一個柵格點。當減速撞塊壓下減速開關時，電機減速到回參考點低速運行，撞塊釋放減速開關后，電機在下一個柵格點停止，產(chǎn)生一個回參考點完成信號，參考位置被復位，如圖5所示。圖5 FANUC參考點返回示意圖3.2FANUC的編碼器當作絕對值編碼器用時，無擋塊回零使用絕對檢測反饋元件的機床第一次返回參考點時，

12、首先數(shù)控系統(tǒng)與絕對式檢測反饋元件進行數(shù)據(jù)通信以建立當前的位置，并計算當前位置到機床參考點的距離及當前位置到最近柵點的距離，將計算值賦給計數(shù)器，柵點被確立。4故障分析與排除從以上分析可以看出只要有備份電池，F(xiàn)ANUC編碼器就可以充當絕對值編碼器用。因此發(fā)生電池電壓低報警時應及時更換新電池。診斷參數(shù)201204有助于分析編碼器故障。當使用絕對編碼器的電機時，發(fā)生各軸參考點丟失（因電池用完）、或聯(lián)軸器拆卸、或伺服電機插頭在斷電情況下被拆除后，引起參考點位置變更；Z軸參考點變化將引起換刀點隨之改變，必須重新確定換刀點。此時屏幕將出現(xiàn)“300 APC報警：n軸需回零”報警信息，并且參數(shù)1815#4(AP

13、Z)所對應的n軸的參數(shù)為0。1815#4(APZ)=1表示無擋塊回參考點；1815#5(APC)=1表示使用絕對值編碼器。以下為X軸參考點丟失時消除300號報警的方法舉例：a.選擇操作面板上的HANDLE按鈕；b.在MPG手脈盒上選擇需重設參考點的軸；c.在MDI鍵盤上選擇POS鍵，再按軟鍵+-MONI，出現(xiàn)負載表；d.用手輪沿該軸的負方向移動機床軸，同時觀察該軸對應的負載表，移動該軸直至其負載明顯增大（80%以上）、或者出現(xiàn)“409轉(zhuǎn)矩限制（負載異常）”報警。當負載增大時，應注意盡量緩慢轉(zhuǎn)動手輪；e.在MDI鍵盤上選擇POS鍵，按軟鍵相對，輸入X，再按軟鍵歸零；f.用步驟D的同樣方法沿該軸的

14、正方向移動機床軸，同時觀察該軸對應的負載表，移動該軸直至其負載明顯增大（80%以上）、或者出現(xiàn)“409轉(zhuǎn)矩限制（負載異常）”報警；g.用該軸當前位置的相對坐標值A減去該機床的標準行程a，再將所得差值除以2得數(shù)值B，即：B=(A-a)/2;(請注意：B>0，即A>a，否則以上操作肯定有不當之處)；h.用步驟e的同樣方法，將該軸當前位置的相對坐標系值設為0；i.用手輪將該軸移動到相對坐標為-B的位置：j.在MDI方式下，將該軸參數(shù)1851#5（APC）設為1。按照提示，關閉系統(tǒng)電源，重新開機后，300號報警消除，該軸的參考點設置完成。5 結語傳統(tǒng)的具有A、B相信號的編碼器，由于它不能兼顧分辨率和高速度，且信號線太多，從而影響了高精度、高速度的伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)。而日本FANUC公司生產(chǎn)的脈沖編碼器則克服了上述缺點，由于它將來自sin和cos信號的角度轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，使它具有4000 r/min的高速