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数控机床编码器故障诊断方法与维修指南

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：谢鹏余超

[导读] 摘要：本论文通过分析脉冲编码器的工作原理，熟练掌握拆卸、自主修复和安装编码器的方法技巧，熟练应用解决编码器故障诊断的方法技能，有助于减少设备故障停机时间和节约数控设备维修费用。

        中车戚墅堰机车有限公司江苏常州 213011
        摘要：本论文通过分析脉冲编码器的工作原理，熟练掌握拆卸、自主修复和安装编码器的方法技巧，熟练应用解决编码器故障诊断的方法技能，有助于减少设备故障停机时间和节约数控设备维修费用。
        关键词：位置测量系统；编码器；机床参数；闭环
        一、概述
        作为内燃机车配件生产主要单位，我们公司拥有众多西门子和FANUC等主流关键数控设备，而位置测量系统在数控系统中占有及其重要地位，从某种意义上决定了系统的控制精度，测量元件检测机床轴的位移或速度的变化，作为反馈信号输入到NC系统中，构成系统的闭环或半闭环控制。本论文总结了数控设备近年来集中出现的主动编码器和从动编码器报警，通过分析故障现状，找出问题点并固化维修经验，节约了委外及采购备品备件费用。
        二、编码器的工作原理
        数控机床脉冲编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量被测物的转角或直线位移量。编码器，英文名称“Encoder”，它是一种能把距离（直线位移）和角度（角位移）转换成电信号并输出的传感器。编码器通常用于工业的运动控制中，用于测量并反馈被测物体的位置和状态，如机床、机器人、伺服和普通电机反馈系统以及测量和控制设备等。根据工作原理的不同，编码器可分为光电编码器、磁性编码器、电感式编码器和电容式编码器等等，使用最多的是光电编码器。
        光电编码器（Optical Encoder）的组成包括：连接轴（Shaft），码盘（Code disk），光源（Light Source），输出电路（Output circuit）及外壳和连接法兰等。
        数字编码器主要分为增量编码器和绝对编码器：
        1、增量式旋转编码器
        用光信号扫描分度盘（分度盘与转动轴相联），通过检测、统计信号的通断数量来计算旋转角度。
        增量式旋转编码器的特点：编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是相对的。由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定，由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会丢失需要重新复位。
        2、绝对式旋转编码器
        用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相联）上的格雷码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，然后将检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲的形式输出测量的位移量。
        绝对式旋转编码器的特点：在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码编码，因此编码器输出的位置数据是唯一的，因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置不会改变，上电后立即可以取得当前位置数据，检测到的数据为格雷码，因此不存在模拟量信号的检测误差。
        三、污染光学编码器拆卸、清洁、安装方法流程
        海德汉编码器与安装主轴之间是通过锥度为1：10的锥轴与锥孔进行连接，拆装编码器必须要设备断电的情况下进行。
        （一）拆卸步骤
        1、首先把编码器旋编线从编码器上轻轻拔下。
        2、其次把编码器最外圈的M2.5的内六角螺栓松开但不要拧下来，这时编码器应该能够灵活转动，如不能转动则继续松M2.5螺栓，直到编码器能够灵活转动为止。
        3、把编码器中间的M5内六角螺栓松两圈，但不要卸下来。
        4、用一个M10的螺栓拧进中间的螺纹孔内，然后施加一定的力矩拧紧M10螺栓，当达到一定力时编码器会猛然一动，这时编码器的锥轴已经与安装主轴锥孔脱离。

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        5、把M10的螺栓旋下再把中间的M5内六角螺栓旋出，手持编码器边旋转边向外移动就可把编码器轻轻卸下。
        （二）清洁步骤
        因安装位置方式，容易导致液体介质渗透，污染，导致编码器无法反馈设备准确位移主要原因为以下几类：污染导致发光单元光源信号弱；污染导致盘型玻璃光栅信号丢失甚至无信号；光硅电池及信号处理单元电路板污染，造成无法接受和转换光电信号。
        1、分解编码器：使用一字螺丝刀沿防护罩壳轻轻仔细撬开防护罩壳。
        2、清洗发光单元：使用电子清洁剂对准发光体喷射，如污染严重，采用长纤维棉花蘸清洁剂轻轻擦洗，用5X放大镜检查达到光洁无任何杂质附着。
        3、清洗盘型玻璃光栅：对准图示缺口，先采用电子清洁剂对准玻璃体正反面喷射处理，对顽固污渍，采用木质细棒（直径3－5mm）卷长纤维棉花蘸清洁剂轻轻旋转光栅擦洗。
        4、清洗受光硅电池及信号处理单元电路板：先采用电子清洁剂对准硅光电池和电路板喷射处理，对顽固污渍，采用木质细棒（直径2－3mm）卷长纤维棉花蘸清洁剂轻轻擦洗。
        5、以上清洗完成后，采用木质细棒（直径2－3mm）卷清洁干燥长纤维棉花轻轻进行擦干，用5X放大镜检查达到光洁无任何杂质附着。确认清洁后组装测试。
        （三）安装步骤
        1、首先选用正确规格的编码器，并检查编码器是否转动灵活。
        2、使用干净的细布把编码器的锥轴和安装主轴的锥孔擦拭干净，并检查锥孔及锥轴的配合表面有无毛刺和凸起的高点，必须保证锥度配合面的清洁，否则将严重影响安装质量。
        3、手持编码器的大端锥轴，向里把编码器推进，使锥轴与锥孔紧密结合，然后把编码器外壳中间的M10沉头螺旋旋下，可看到一个M5的内六角螺栓，把这个螺栓拧紧，最大力不超过5Nm，以防把内六角拧坏，最后最外圈的M2.5的内六角螺栓拧紧，使编码器的外圈涨紧，手持编码器外壳施加一定的力转动，如不能转动，说明编码器安装牢固，安装工作完成。
        四、故障案例及分析诊断
        案例1：某工区一台立式加工中心在执行返回参考点后，运行主轴旋转指令M03S800，主轴旋转了一圈，出现报警“025000轴SP主动编码器硬件出错”，按“Reset”键无法进行复位。
        该机床报警为西门子802系统的位置测量系统故障，主动编码器报警的主要原因是全闭环测量反馈出现问题。确定问题后，找到编码器所在位置，排除线路断路、接插件接触不良、驱动控制板是否报警等因素，检测正常，确定为主动编码器本身故障。拆掉与主轴连接的编码器组件，用内六角扳手将固定编码器的联轴节进行分离，单独对编码器进行观察诊断。打开编码器外壳，发现编码器光电线路板有油迹，镜面污染，用清洗剂进行清洁后，重新安装编码器。设备上电，机床恢复正常。
        案例2：某工区一台DMG卧式加工中心在开机后，出现25201报警，轴B1伺服驱动故障，报警停机。通过查找设备电气资料，结合问题现状，找出导致伺服驱动报警的根源。根据报警提示，轴B1电机温度传感器故障、循环数据传送故障及无组件通讯等现状。初步确定是由于伺服B轴电机编码器测量出现问题，需要检修。根据报警信息，查找电气图纸，确定B轴电机位置，拆除电机防护罩。确诊B轴电机编码器网络转换接头出现异常，采用更换法，与Y轴电机侧进行交换，发现报警转移到Y轴，说明编码器网络转换接头存在问题。
        五、总结
        综上，主要讲述了绝对式编码器和增量式编码器工作原理及故障处理方法，包括内置式安装和外置式安装，光电脉冲编码器是精密测量部件，污染的编码器容易造成信号丢失，影响控制精度，振动容易使编码器内的紧固件脱落，造成内部短路，损坏编码器。根据维修经验并结合编码器安装注意要求、参数调整和故障维修实例，总结了编码器检修、安装与调试操作法，为今后类似编码器故障报警能够提供参考意见和解决方法。
        作者简介：
        谢鹏（1984—），男，硕士，高级工程师，主要从事数控及自动化设备检修工作。