數(shù)控系統(tǒng)抗干擾措施與故障分析2課件

*位置檢測裝置故障及診斷一.位置檢測故障形式二.位置檢測元件的維護(hù)三.位置檢測裝置的故障診斷2023/2/62編碼器信號航空插頭2023/2/63其他編碼器外形2023/2/65其他編碼器外形

（參考德國圖爾克傳感與自動化技術(shù)專業(yè)公司）光柵尺*封閉式光柵尺*數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與維修維護(hù)*二.位置檢測元件的維護(hù)1.光柵

光柵有兩種形式：一是透射光柵，即在一條透明玻璃片上刻有一系列等間隔密集線紋；二是反射光柵，即在長條形金屬鏡面上制成全反射或漫反射間隔相等的密集線紋。光柵輸出信號有：兩個相位信號輸出，用于辨向；一個零標(biāo)志信號，用于機(jī)床回參考點(diǎn)的控制。

對光柵尺的維護(hù)要注意以下幾點(diǎn)：

①防污。光柵尺由于直接安裝于工作臺和機(jī)床床身上，因此，極易受到切削液的污染，從而造成信號丟失，影響位置控制精度。切削液在使用過程中會產(chǎn)生輕微結(jié)晶，這種結(jié)晶在掃描頭上形成一層薄膜且透光性差，不易清除，故在選用切削液時要慎重。②防水霧。加工過程中，切削液的壓力不要太大，流量不要過大，以免形成大量的水霧進(jìn)入光柵。③光柵最好通入低壓壓縮空氣（10.5Pa左右），以免掃描頭運(yùn)動時形成的負(fù)壓把污物吸入光柵。壓縮空氣必須凈化，濾芯應(yīng)保持清潔并定期更換。④清潔。光柵上的污物可以用脫脂棉蘸無水酒精輕輕擦除。⑤防振。光柵拆裝時要用靜力，不能用硬物敲擊，以免造成光學(xué)元件的損壞。*數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與維修維護(hù)*二.位置檢測元件的維護(hù)2.光電脈沖編碼器

光電脈沖編碼器是在一個圓盤的邊緣上開有間距相等的縫隙，在其兩邊分別裝有光源和光敏元件。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動時，光線的明暗變化，經(jīng)光敏元件變成電信號的強(qiáng)弱，從而得到脈沖信號。編碼器的輸出信號有：兩個相位信號輸出，用于辨向；一個零標(biāo)志信號（又稱一轉(zhuǎn)信號）用于機(jī)床返回參考點(diǎn)的控制。另外，還有+5V電源和接地端。

編碼器的維護(hù)主要注意兩個問題。

使用維護(hù)(1)精確安裝。編碼器與電機(jī)軸聯(lián)軸安裝的質(zhì)量直接影響其檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性，聯(lián)軸安裝過松、過緊、不同心、變形等都會造成速度波形出現(xiàn)毛刺，導(dǎo)致系統(tǒng)控制不穩(wěn)定。(2)電壓要匹配。數(shù)控機(jī)床編碼器通常為5V。(3)加裝防護(hù)部件。編碼器內(nèi)部多為精密電子元件，冬季氣溫低，電子元件容易熱脹冷縮，影響其工作特性，導(dǎo)致編碼器故障。可在編碼器外殼加裝防護(hù)套，不僅有效保護(hù)電子元件，還具有防塵作用。*3.感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種電磁感應(yīng)式的高精度位移檢測元件，它由定尺和滑尺兩部分組成，兩者相對平行安裝，定尺和滑尺上的繞組均為矩形繞組，其中定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個勵磁繞組，即正弦繞組和余弦繞組，分別接入交流電。對感應(yīng)同步器的維護(hù)應(yīng)注意以下問題：①安裝時，必須保持定尺和滑尺相對平行，且定尺固定螺栓不得超過尺面，調(diào)整間隙在0.09～0.15mm為宜。②不要損壞定尺表面耐切削液涂層和滑尺表面一層帶絕緣層的鋁箔，否則，會腐蝕厚度較小的電解銅箔。③接線時要分清滑尺的正弦繞組和余弦繞組，其阻值基本相同，這兩個繞組必須分別接入勵磁電壓。*4.旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓與轉(zhuǎn)子的角位移有固定的函數(shù)關(guān)系，可用作角度檢測元件，一般用于精度要求不高或大型機(jī)床的粗測及中測系統(tǒng)。對旋轉(zhuǎn)變壓器的維護(hù)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①接線時，定子上有相等匝數(shù)的勵磁繞組和補(bǔ)償繞組，轉(zhuǎn)子上也有相等匝數(shù)的正弦繞組和余弦繞組，但轉(zhuǎn)子和定子的繞組阻值卻不同，一般定子電阻阻值稍大，有時補(bǔ)償繞組自行短接或接入一個阻抗。②由于結(jié)構(gòu)上與繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)相似，因此，碳刷磨損到一定程度后要更換。*數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與維修維護(hù)*三.位置檢測裝置的故障診斷1.輸出信號增量式旋轉(zhuǎn)測量裝置或直線測量裝置的輸出信號有兩種形式：一是電壓或電流正弦信號，其中EXE為脈沖整形插值器；二是TTL電平信號。機(jī)床在運(yùn)動過程中，從掃描單元輸出三組信號：兩組增量信號由四個光電池產(chǎn)生，把兩個相差180度的光電池接在一起，它們的推挽就形成了相位差90度、幅值為11μA左右的Ie1和Ie1兩組近似正弦波，一組基準(zhǔn)信號也由兩個相差180度的光電池接成推挽形式，輸出為一尖峰信號Ie0，其有效分量約為5.5uA，此信號只有經(jīng)過基準(zhǔn)標(biāo)志時才產(chǎn)生。所謂基準(zhǔn)標(biāo)志，是在光柵尺身外殼上裝有一塊磁鐵，在掃描單元上裝有一只干簧管，在接近磁鐵時，干簧管接通，基準(zhǔn)信號才能輸出。

數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與維修維護(hù)*2.EXE信號處理脈沖增量信號Ie1、Iel和Ie0進(jìn)行放大、整形、倍頻和報(bào)警處理，輸出至CNC進(jìn)行位置控制。EXE由基本電路和細(xì)分電路組成。整形插值器（EXE）的作用是將光柵尺或編碼器輸出的①通道放大器。當(dāng)光柵檢測產(chǎn)生正弦波電流信號Ie1、Ie1和Ie0后，經(jīng)通道放大器，輸出一定幅值的正弦電流電壓。②整形電路。在對Ie1、Ie1和Ie0放大的基礎(chǔ)上，經(jīng)整形電路轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的三路方波信號Ua1、Ua2及Ua0，其TTL高電平大于或等于2.5V，低電平小于或等于0.5V。③報(bào)警電路。當(dāng)光柵由于輸入電纜斷裂、光柵污染或燈泡損壞等原因，造成通道放大器輸出信號為零，這時報(bào)警信號經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動后，由連接器J2輸出至CNC系統(tǒng)。

④細(xì)分電路

數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與維修維護(hù)*三.位置檢測裝置的故障診斷3.故障診斷當(dāng)出現(xiàn)位置環(huán)開環(huán)報(bào)警時，將J2連接器脫開，在CNC系統(tǒng)的一側(cè)，把J2連接器上的+5V線同報(bào)警線ALM連在一起，合上數(shù)控系統(tǒng)電源，根據(jù)報(bào)警是否再現(xiàn)，便可迅速判斷出故障的部位是在測量裝置還是在CNC系統(tǒng)的接口板上。若問題出現(xiàn)在測量裝置，則可測J1連接器上有無信號輸入，這樣便可將故障定位在光柵尺或EXE脈沖整形電路上。

編碼器故障常見問題4.編碼器與傳動軸連結(jié)組裝不良，或未使用傳動效率100%的連軸器，仍容易導(dǎo)致滾珠軸承磨損及光柵片位移。5.編碼器懸空固定，或安裝疏忽重?fù)?，造成編碼器軸心正向及側(cè)向負(fù)載壓力過大，也容易導(dǎo)致軸心故障或光柵片位移。6.編碼器之信號纜線長度，如因?qū)嶋H需求必須自行加長時，須使用銅箔包覆的線材，以有效降低干擾現(xiàn)象發(fā)生。*故障測試(1)離線。編碼器接通電源后，用萬用表測量其通道電壓，在手動旋轉(zhuǎn)軸的過程中，若6個通道的電壓均呈高低電平變化，可初步判斷編碼器良好；若某一通道無電平變化，則編碼器必然存在問題。

(2)在線。采用示波器觀察運(yùn)行中的編碼器波形，良好的編碼器各通道波形大致如圖所示，若波形毛刺過多，可判斷編碼器存在問題。*西門子802C編碼器典型故障(參考診斷說明)報(bào)警號：25000

坐標(biāo)軸%/1編碼器硬件故障報(bào)警號：25010報(bào)警號：25020報(bào)警號：25030報(bào)警號：25040報(bào)警號：25050報(bào)警號：25060報(bào)警號：25070報(bào)警號：25080*松下MINASA4系列驅(qū)動器報(bào)警代碼（編碼器相關(guān)）報(bào)警代碼：45

故障原因：編碼器檢測到多圈計(jì)算器錯誤

應(yīng)對措施：可能電機(jī)故障，建議更換電機(jī)報(bào)警代碼：47

故障原因：電源接通時，編碼器超過規(guī)定轉(zhuǎn)速

應(yīng)對措施：避免電機(jī)在電源接通瞬間運(yùn)動報(bào)警代碼：48

故障原因：沒有檢測到Z相脈沖信號，編碼器可能故障

應(yīng)對措施：可能電機(jī)故障，建議更換電機(jī)報(bào)警代碼：49

故障原因：編碼器CS信號邏輯異常，編碼器可能故障

應(yīng)對措施：可能電機(jī)故障，建議更換電機(jī)*位置檢測裝置SIEMENS數(shù)控位控模塊與檢測裝置的連接1.輸出信號(有兩種形式）電壓或電流正弦信號/TTL電平信號位置檢測裝置2.EXE信號處理通道放大器整形電路報(bào)警電路細(xì)分電路*位置檢測裝置3.故障診斷當(dāng)出現(xiàn)位置環(huán)開環(huán)報(bào)警時，將J2連接器脫開，在CNC系統(tǒng)的一側(cè)，把J2連接器上的5V線同報(bào)警線ALM連在一起，合上數(shù)控電源，根據(jù)報(bào)警是否再現(xiàn)，可迅速判斷出故障的部位是在測量裝置還是在CNC系統(tǒng)的接口板上。在測量裝置的話，可再測J1連接器上有無信號輸入，可將故障定位在光柵或EXE電路例一臥式加工中心，采用SINUMERIK8系統(tǒng)，帶EXE光柵測量裝置。運(yùn)行中出現(xiàn)114號報(bào)警，同時伴有113號報(bào)警。分析：114號電纜斷線或與地短路；信號丟失檢查：外觀檢查和測量；（信號漏讀）檢查信號源和傳輸系統(tǒng)（光源和光學(xué)系統(tǒng)）實(shí)際：燈泡表面呈毛玻璃狀、指示光柵表面也有一層霧狀物*2023/2/634一、絕對式編碼器

絕對式碼盤與增量式碼盤有何區(qū)別？10碼道光電絕對式碼盤

絕對式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電式等形式。透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志2023/2/635絕對式接觸式編碼器演示4個電刷4位二進(jìn)制碼盤+5V輸入公共碼道

最小分辨角度為α=360°/2n

2023/2/6362．絕對式光電編碼器a）光電碼盤的平面結(jié)構(gòu)（8碼道）b）光電碼盤與光源、光敏元件的對應(yīng)關(guān)系（4碼道）

高位低位2023/2/637絕對式光電編碼器的分辨力及分辨率

絕對式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤上的碼道數(shù)n有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：

α=360°/2n分辨率=1/2n2023/2/638增量式光電編碼器的分辨力及分辨率

增量式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：2023/2/639二、增量式編碼器轉(zhuǎn)軸盤碼及狹縫光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標(biāo)志ABC2023/2/640光電編碼器的輸出波形

為了判斷碼盤旋轉(zhuǎn)的方向，在上圖的光欄板上的兩個狹縫距離是碼盤上的兩個狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組光敏元件A、B，有時又稱為sin、cos元件。2023/2/641辨向信號和零標(biāo)志

光電編碼器的光欄板上有A組與B組兩組狹縫，彼此錯開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差90相位，用于辯向。當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90。(請畫出反轉(zhuǎn)時信號B的波形）

在上一頁圖的碼盤里圈，還有一根狹縫C，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉(zhuǎn)信號”或零標(biāo)志脈沖，作為測量的起始基準(zhǔn)。2023/2/642三、角編碼器的應(yīng)用

角編碼器除了能直接測量角位移或間接測量直線位移外，可用于數(shù)字測速、工位編碼、伺服電機(jī)控制等。2023/2/643M法測速（適合于高轉(zhuǎn)速場合）T

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，在T時間段內(nèi)有m1

個脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：n=60m1/（NT）

m12023/2/644例題T

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，在5s時間內(nèi)測得65536個脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m12023/2/645T法測速（適合于低轉(zhuǎn)速場合）時鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，用已知頻率fc作為時鐘，填充到編碼器輸出的兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2

，則轉(zhuǎn)速(r/min)為n=60fc/（Nm2）

2023/2/646T法測速舉例時鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···n=60fc

/（Nm2

）

=60*/（1024*3000）

=19.53r/min有一增