數(shù)控系統(tǒng)抗干擾措施與故障分析

位置檢測(cè)裝置故障及診斷一.位置檢測(cè)故障形式二.位置檢測(cè)元件的維護(hù)三.位置檢測(cè)裝置的故障診斷編碼器信號(hào)航空插頭其他編碼器外形其他編碼器外形（續(xù)）拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其他編碼器外形

（參考德國(guó)圖爾克傳感與自動(dòng)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)一.位置檢測(cè)故障形式大多數(shù)情況下，當(dāng)位置控制出現(xiàn)故障時(shí)，往往在CRT上顯示報(bào)警號(hào)及報(bào)警信息。輪廓誤差監(jiān)視報(bào)警:

正在運(yùn)動(dòng)的軸實(shí)際位置誤差超過(guò)機(jī)床參數(shù)所設(shè)定的允差值；靜態(tài)誤差監(jiān)視報(bào)警:

機(jī)床坐標(biāo)軸定位時(shí)的實(shí)際位置與給定位置之差超過(guò)機(jī)床參數(shù)設(shè)定的允差值；測(cè)量裝置監(jiān)控報(bào)警:

位置測(cè)量硬件有故障。

數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與維修維護(hù)二.位置檢測(cè)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(zhǎng)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(hào)有：兩個(gè)相位信號(hào)輸出，用于辨向；一個(gè)零標(biāo)志信號(hào)，用于機(jī)床回參考點(diǎn)的控制。

對(duì)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(tái)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(hào)丟失，影響位置控制精度。切削液在使用過(guò)程中會(huì)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(shí)要慎重。②防水霧。加工過(guò)程中，切削液的壓力不要太大，流量不要過(guò)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(dòng)時(shí)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(wú)水酒精輕輕擦除。⑤防振。光柵拆裝時(shí)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(cè)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(gè)圓盤的邊緣上開(kāi)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(dòng)時(shí)，光線的明暗變化，經(jīng)光敏元件變成電信號(hào)的強(qiáng)弱，從而得到脈沖信號(hào)。編碼器的輸出信號(hào)有：兩個(gè)相位信號(hào)輸出，用于辨向；一個(gè)零標(biāo)志信號(hào)（又稱一轉(zhuǎn)信號(hào)）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(gè)問(wèn)題。

①防振和防污。由于編碼器是精密測(cè)量元件，使用或拆裝時(shí)要與光柵一樣注意防振和防污問(wèn)題。污染容易造成信號(hào)丟失，振動(dòng)容易使編碼器內(nèi)的緊固件松動(dòng)脫落，造成內(nèi)部電源短路。②防止連接松動(dòng)。脈沖編碼器用于位置檢測(cè)時(shí)有兩種安裝形式，一種是與伺服電動(dòng)機(jī)同軸安裝，稱為內(nèi)裝式編碼器；另一種是編碼器安裝于傳動(dòng)鏈末端，稱為外裝式編碼器，當(dāng)傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)時(shí)，這種安裝方式可以減小傳動(dòng)鏈累積誤差對(duì)位置檢測(cè)精度的影響。不管是哪種安裝方式，都要注意編碼器連接松動(dòng)的問(wèn)題。由于連接松動(dòng)，往往會(huì)影響位置控制精度。另外，在有些交流伺服電動(dòng)機(jī)中，內(nèi)裝式編碼器除了位置檢測(cè)外，同時(shí)還具有測(cè)速和交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的作用。編碼器連接松動(dòng)還會(huì)引起進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定，影響交流伺服電動(dòng)機(jī)的換向控制，從而引起機(jī)床的振動(dòng)。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(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性，聯(lián)軸安裝過(guò)松、過(guò)緊、不同心、變形等都會(huì)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?？稍诰幋a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(cè)元件，它由定尺和滑尺兩部分組成，兩者相對(duì)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(gè)勵(lì)磁繞組，即正弦繞組和余弦繞組，分別接入交流電。對(duì)感應(yīng)同步器的維護(hù)應(yīng)注意以下問(wèn)題：①安裝時(shí)，必須保持定尺和滑尺相對(duì)平行，且定尺固定螺栓不得超過(guò)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(huì)腐蝕厚度較小的電解銅箔。③接線時(shí)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(gè)繞組必須分別接入勵(lì)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(cè)元件，一般用于精度要求不高或大型機(jī)床的粗測(cè)及中測(cè)系統(tǒng)。對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的維護(hù)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①接線時(shí)，定子上有相等匝數(shù)的勵(lì)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(shí)補(bǔ)償繞組自行短接或接入一個(gè)阻抗。②由于結(jié)構(gòu)上與繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)相似，因此，碳刷磨損到一定程度后要更換。5.磁柵尺磁柵是由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測(cè)電路三部分組成。磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料（如玻璃、

不銹鋼等）的基體上，覆蓋上一層l0～20μm厚的磁性材料，形成一層均勻而規(guī)則的磁性膜。對(duì)磁柵尺的維護(hù)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①不能將磁性膜刮壞，防止鐵屑和油污落在磁性標(biāo)尺和磁頭上，要用脫脂棉蘸酒精輕輕地擦其表面。②不能用力拆裝和撞擊磁性標(biāo)尺和磁頭，否則會(huì)使磁性減弱或使磁場(chǎng)紊亂。③接線時(shí)要分清磁頭上激磁繞組和輸出繞組，前者繞在磁路截面尺寸較小的橫臂上，后者繞在磁路截面尺寸較大的豎桿上。數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與維修維護(hù)三.位置檢測(cè)裝置的故障診斷1.輸出信號(hào)增量式旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置或直線測(cè)量裝置的輸出信號(hào)有兩種形式：一是電壓或電流正弦信號(hào)，其中EXE為脈沖整形插值器；二是TTL電平信號(hào)。機(jī)床在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，從掃描單元輸出三組信號(hào)：兩組增量信號(hào)由四個(gè)光電池產(chǎn)生，把兩個(gè)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(hào)也由兩個(gè)相差180度的光電池接成推挽形式，輸出為一尖峰信號(hào)Ie0，其有效分量約為5.5uA，此信號(hào)只有經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)標(biāo)志時(shí)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(shí)，干簧管接通，基準(zhǔn)信號(hào)才能輸出。

數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與維修維護(hù)2.EXE信號(hào)處理脈沖增量信號(hào)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(cè)產(chǎn)生正弦波電流信號(hào)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(duì)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(duì)應(yīng)的三路方波信號(hào)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(hào)為零，這時(shí)報(bào)警信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)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(cè)裝置的故障診斷3.故障診斷當(dāng)出現(xiàn)位置環(huán)開(kāi)環(huán)報(bào)警時(shí)，將J2連接器脫開(kāi)，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(cè)量裝置還是在CNC系統(tǒng)的接口板上。若問(wèn)題出現(xiàn)在測(cè)量裝置，則可測(cè)J1連接器上有無(wú)信號(hào)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(jiàn)問(wèn)題1.未用的信號(hào)線若無(wú)絕緣包扎而觸碰短路，將會(huì)導(dǎo)致晶體燒毀。2.當(dāng)編碼器配線，因疏忽將DC電源接反或與任一相位信號(hào)線短路，將會(huì)導(dǎo)致晶體燒毀。3.編碼器軸心與傳動(dòng)軸軸心，相對(duì)偏心或偏角值過(guò)高，超出連軸器可吸收范圍，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)將導(dǎo)致滾珠軸承磨損。編碼器故障常見(jiàn)問(wèn)題4.編碼器與傳動(dòng)軸連結(jié)組裝不良，或未使用傳動(dòng)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)簦斐删幋a器軸心正向及側(cè)向負(fù)載壓力過(guò)大，也容易導(dǎo)致軸心故障或光柵片位移。6.編碼器之信號(hào)纜線長(zhǎng)度，如因?qū)嶋H需求必須自行加長(zhǎng)時(shí)，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(cè)試(1)離線。編碼器接通電源后，用萬(wàn)用表測(cè)量其通道電壓，在手動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的過(guò)程中，若6個(gè)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(wú)電平變化，則編碼器必然存在問(wèn)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(guò)多，可判斷編碼器存在問(wèn)題。西門子802C編碼器典型故障(參考診斷說(shuō)明)報(bào)警號(hào)：25000

坐標(biāo)軸%/1編碼器硬件故障報(bào)警號(hào)：25010報(bào)警號(hào)：25020報(bào)警號(hào)：25030報(bào)警號(hào)：25040報(bào)警號(hào)：25050報(bào)警號(hào)：25060報(bào)警號(hào)：25070報(bào)警號(hào)：25080松下MINASA4系列驅(qū)動(dòng)器報(bào)警代碼（編碼器相關(guān)）報(bào)警代碼：40

故障原因：絕對(duì)式編碼器電源斷電

應(yīng)對(duì)措施：重新接上電池，將絕對(duì)式編碼器數(shù)據(jù)清零報(bào)警代碼：41

故障原因：編碼器多圈計(jì)數(shù)器超過(guò)了規(guī)定值

應(yīng)對(duì)措施：正確設(shè)置參數(shù)或調(diào)整機(jī)床運(yùn)動(dòng)報(bào)警代碼：42

故障原因：只用電池供電時(shí)，編碼器超過(guò)規(guī)定轉(zhuǎn)速

應(yīng)對(duì)措施：檢查編碼器電壓，或者檢查接線報(bào)警代碼：44

故障原因：編碼器檢測(cè)到單圈計(jì)算器錯(cuò)誤

應(yīng)對(duì)措施：可能電機(jī)故障，建議更換電機(jī)松下MINASA4系列驅(qū)動(dòng)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(cè)到多圈計(jì)算器錯(cuò)誤

應(yīng)對(duì)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(shí)，編碼器超過(guò)規(guī)定轉(zhuǎn)速

應(yīng)對(duì)措施：避免電機(jī)在電源接通瞬間運(yùn)動(dòng)報(bào)警代碼：48

故障原因：沒(méi)有檢測(cè)到Z相脈沖信號(hào)，編碼器可能故障

應(yīng)對(duì)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(hào)邏輯異常，編碼器可能故障

應(yīng)對(duì)措施：可能電機(jī)故障，建議更換電機(jī)位置檢測(cè)裝置SIEMENS數(shù)控位控模塊與檢測(cè)裝置的連接1.輸出信號(hào)(有兩種形式）電壓或電流正弦信號(hào)/TTL電平信號(hào)機(jī)床在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，從掃描單元輸出三組信號(hào)，兩組增量信號(hào)和一組基準(zhǔn)信號(hào)位置檢測(cè)裝置2.EXE信號(hào)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(cè)裝置3.故障診斷當(dāng)出現(xiàn)位置環(huán)開(kāi)環(huán)報(bào)警時(shí)，將J2連接器脫開(kāi)，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(cè)量裝置還是在CNC系統(tǒng)的接口板上。在測(cè)量裝置的話，可再測(cè)J1連接器上有無(wú)信號(hào)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(cè)量裝置。運(yùn)行中出現(xiàn)114號(hào)報(bào)警，同時(shí)伴有113號(hào)報(bào)警。分析：114號(hào)電纜斷線或與地短路；信號(hào)丟失檢查：外觀檢查和測(cè)量；（信號(hào)漏讀）檢查信號(hào)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一、絕對(duì)式編碼器

絕對(duì)式碼盤與增量式碼盤有何區(qū)別？10碼道光電絕對(duì)式碼盤

絕對(duì)式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來(lái)。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)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)志絕對(duì)式接觸式編碼器演示4個(gè)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

2．絕對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系（4碼道）高位低位絕對(duì)式光電編碼器的分辨力及分辨率

絕對(duì)式光電編碼器的測(cè)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=1/2n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(cè)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：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ABC7/7/202339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(gè)狹縫距離是碼盤上的兩個(gè)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(shí)又稱為sin、cos元件。辨向信號(hào)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(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距，兩組狹縫相對(duì)應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)A、B彼此相差90相位，用于辯向。當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)超前B信號(hào)90；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時(shí)，B信號(hào)超前A信號(hào)90。(請(qǐng)畫出反轉(zhuǎn)時(shí)信號(hào)B的波形）

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

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

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，在T時(shí)間段內(nèi)有m1

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

m17/7/202343例題T

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，在5s時(shí)間內(nèi)測(cè)得65536個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m17/7/