編碼器原理在數控系統維修中的應用
2020-6-24 來源：- 作者：-
摘要：本文分析了編碼器工作原理及其在數控系統中的應用， 結合維修工作中常見的機床零點丟失故障案例，找出有效的解決方法。
關鍵詞：編碼器 FANUC 數控系統 參考點
目前數控機床采用日本 FANUC 系統居多，且 FANUC 系統帶有自診斷、參數診斷、 PMC 信號追蹤功能，為維修方面提供了一種手段。在 FANUC 系統維修實踐中，經常遇到參考點丟失故障，本文針對此問題分析編碼器工作原理及數控系統參考點建立的過程，并在此基礎上給出解決方法。
1、參考點的設置
參考點是機床廠在伺服軸上建立的固定物理位置。機床回零點，即數控系統返回參考點。工件坐標零點是加工零件時根據加工工藝要求，在參考點的基礎上進行一定量的偏置生成的，不同的零件其工件坐標零點與參考點的偏置量是不同的。所以當參考點丟失時，工件坐標零點就無法建立，數控加工程序就不能正常運行。參考點一致性出現問題時，數控加工程序雖可運行，但工件零點的一致性發生變化，加工精度就無法保證。數控系統建立參考點的方式主要有兩種：增量式、絕對坐標式。
1.1 增量式回參考點的原理
數控系統采用增量方式回參考點，執行過程如下：
（1）根據控制面板的設定（軸選擇、正向或負向、進給倍率設為 ×10）點按操作面板home 按鈕，機床工作臺沿參考點方向快速移動；
（2）當工作臺擋塊壓上導軌減速行程開關觸頭，觸頭常閉觸點斷開，此開關量信號送 進 FANUC 系 統 PMC 單 元， 由 FANUC 的CPU，結合回零信號，輸出減速指令給伺服放大器，伺服放大器控制伺服電機減速，工作臺以一定的低速繼續移動；
（3）在工作臺擋塊滑過行程開關的觸頭后，觸頭由斷開再次閉合時，CNC 檢測伺服電機編碼器的零標志脈沖信號，當檢測到此信號后，工作臺立刻停止進給，停止的位置就是參考點。此時 CNC
向 PMC 發出回參考點完成信號 ZPX、、ZPZ。
從上述回參考點過程可以看出，減速信號由行程開關和工作臺擋塊共同作用產生，電氣柵格位置信號則由伺服電機上安裝的編碼器零位脈沖精確給出。當零位建立以后，機床工作臺進給距離由此參考點加上偏移量得到。機床數控系統不能長期保存參考點的坐標信息，機床斷電后，此信息立刻丟失，下次開機仍需再執行回參考點步驟，故工作效率低。且數控系統靠行程開關觸頭通斷來反饋減速信號存在響應誤差，所以每次回零操作后得到的零點坐標是不同的，這給加工精度帶來一定影響。行程開關是易損件，此種回零方式故障率相對較高。
因存在上述弊端，目前數控機床常采用絕對坐標式回參考點方式。本文著重介紹此種方式原理和故障解決方法。
1.2 絕對坐標式回參考點
與增量式回參考點方式相比，絕對坐標式回參考點不需機床每次開機進行回參考點操作。由于參考計數器已設置，且柵格點已建立，可直接返回原點。系統斷電后，機床位置偏移量保存在電機編碼器 SRAM 中，通過伺服放大器上的電池支持電機編碼器 SRAM。數控系統讀取編碼器 SRAM 中的參考點數據和偏移量建立當前位置，計算當前位置到機床原點的距離，計算結果賦給計數器，柵格點被確立。
2、 參考點信息丟失故障解決方法
當更換伺服電機、伺服放大器、插拔伺服放大器信號電纜插頭或絕對位置編碼器信息電池電壓長期（一周以上）低于 3V 時，絕對位置編碼器SRAM中保存的參考點信息將丟失，下次開機會出現
300 號報警，報警信息為“機床需要回零點”。解決方法如下：
（1）開機后在伺服放大器上電狀態下更換電池，注意極性不要裝反。然后按數控操作面板上的“RESET”復位按鈕，消除360號報警；
（2）撥動數控操作面板上軸選擇開關，選擇要進行回參考點的軸；
（3） 數控操作面板上“MDI”按鈕， 點亮該按鈕指示燈；再按“OFFSET SETTING”鍵，進入參數畫面，將第一行參數“PARAMETER WRITE” 值改為 1； 再按“INPUT”鍵，關閉參數寫保護功能，此時數控系統屏幕上出現 100 號報警，信息為“系統參數已經打開”；
（4）按下“SYSTEM”鍵，點擊“PARA”按鈕，進入機床參數畫面，輸入 1320，點擊“search”按鈕，可以看到各軸軟限位設定值。1320、1321 參數分別保存了機床各軸正向、負向軟限位坐標值。記下上述數值，再把1320 或 1321 中的對應需要回零位軸參數分別改為 +99999999、-99999999，將軟件限位功能關閉。半閉環控制系統中，參考點設置在靠近伺服電機編碼器一端，這樣做的目的是考慮到滾珠絲杠熱變形造成的基準誤差最小，因此需要根據電機安裝情況確定改動正、負方向軟限位坐標值；
（5）撥動操作面板軸選擇旋鈕，選擇對應軸，將進給倍率設為“×1”, 然后按“回參考點”按鈕，執行回參考點操作，當機床工作臺移動到參考點位置附近時，再繼續往前走將收到絕對位置編碼器零位脈沖信號，也叫一轉信號，此時計數器清零，重新開始計數，當移動到 1850 參數設定的偏移距離后，工作臺停止進給，停止點的坐標就是這個軸的參考點坐標。此時屏幕上的報警信息自動消除；
（6）將 1320 或 1321 中的參數改回原來的值；
（7）將第（3）步中的“PARAMETER WRITE”值重新改為 0，按下操作面板上的“RESET”按鈕，屏幕上顯示 100 號報警消除；
（8）關閉機床電源，重新開機，故障徹底排除。
需要注意的是，在執行回參考點操作前，通過 MPG 手動將工作臺移動到該軸絲杠參考點 2 個螺距距離，以保證數控系統正確檢測到編碼器的一轉信號。
我校一臺 CK6125D 型數控車床曾出現車螺紋亂扣故障，故障隨機出現。為排除伺服放大器引起上述故障的可能性，將 X 軸和 Y 軸伺服放大器互換，看故障是否轉移。更換伺服放大器是在斷電狀態下，需要插拔伺服放大器信號電纜插頭，由此造成X軸和Y軸零位丟失。
開機后又增加 300、301 號報警，機床需要重新回零位，這兩個報警就是按照上述方法排除的。
3 、結束語
機床參考點是數控機床各軸上重要坐標點，是零件坐標的參照點，對零件加工精度影響巨大。機床參考點坐標丟失故障產生的原因也有多種，一般來說，只要編碼器和伺服功能正常，通過上述方法是可以解決的。而編碼器和伺服放大器硬件功能正常與否可以通過與其它軸互換的方法來判斷。
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