编码器原理在数控系统维修中的应用
2020-6-24 来源：- 作者：-
摘要：本文分析了编码器工作原理及其在数控系统中的应用， 结合维修工作中常见的机床零点丢失故障案例，找出有效的解决方法。
关键词：编码器 FANUC 数控系统 参考点
目前数控机床采用日本 FANUC 系统居多，且 FANUC 系统带有自诊断、参数诊断、 PMC 信号追踪功能，为维修方面提供了一种手段。在 FANUC 系统维修实践中，经常遇到参考点丢失故障，本文针对此问题分析编码器工作原理及数控系统参考点建立的过程，并在此基础上给出解决方法。
1、参考点的设置
参考点是机床厂在伺服轴上建立的固定物理位置。机床回零点，即数控系统返回参考点。工件坐标零点是加工零件时根据加工工艺要求，在参考点的基础上进行一定量的偏置生成的，不同的零件其工件坐标零点与参考点的偏置量是不同的。所以当参考点丢失时，工件坐标零点就无法建立，数控加工程序就不能正常运行。参考点一致性出现问题时，数控加工程序虽可运行，但工件零点的一致性发生变化，加工精度就无法保证。数控系统建立参考点的方式主要有两种：增量式、绝对坐标式。
1.1 增量式回参考点的原理
数控系统采用增量方式回参考点，执行过程如下：
（1）根据控制面板的设定（轴选择、正向或负向、进给倍率设为 ×10）点按操作面板home 按钮，机床工作台沿参考点方向快速移动；
（2）当工作台挡块压上导轨减速行程开关触头，触头常闭触点断开，此开关量信号送 进 FANUC 系 统 PMC 单 元， 由 FANUC 的CPU，结合回零信号，输出减速指令给伺服放大器，伺服放大器控制伺服电机减速，工作台以一定的低速继续移动；
（3）在工作台挡块滑过行程开关的触头后，触头由断开再次闭合时，CNC 检测伺服电机编码器的零标志脉冲信号，当检测到此信号后，工作台立刻停止进给，停止的位置就是参考点。此时 CNC
向 PMC 发出回参考点完成信号 ZPX、、ZPZ。
从上述回参考点过程可以看出，减速信号由行程开关和工作台挡块共同作用产生，电气栅格位置信号则由伺服电机上安装的编码器零位脉冲精确给出。当零位建立以后，机床工作台进给距离由此参考点加上偏移量得到。机床数控系统不能长期保存参考点的坐标信息，机床断电后，此信息立刻丢失，下次开机仍需再执行回参考点步骤，故工作效率低。且数控系统靠行程开关触头通断来反馈减速信号存在响应误差，所以每次回零操作后得到的零点坐标是不同的，这给加工精度带来一定影响。行程开关是易损件，此种回零方式故障率相对较高。
因存在上述弊端，目前数控机床常采用绝对坐标式回参考点方式。本文着重介绍此种方式原理和故障解决方法。
1.2 绝对坐标式回参考点
与增量式回参考点方式相比，绝对坐标式回参考点不需机床每次开机进行回参考点操作。由于参考计数器已设置，且栅格点已建立，可直接返回原点。系统断电后，机床位置偏移量保存在电机编码器 SRAM 中，通过伺服放大器上的电池支持电机编码器 SRAM。数控系统读取编码器 SRAM 中的参考点数据和偏移量建立当前位置，计算当前位置到机床原点的距离，计算结果赋给计数器，栅格点被确立。
2、 参考点信息丢失故障解决方法
当更换伺服电机、伺服放大器、插拔伺服放大器信号电缆插头或绝对位置编码器信息电池电压长期（一周以上）低于 3V 时，绝对位置编码器SRAM中保存的参考点信息将丢失，下次开机会出现
300 号报警，报警信息为“机床需要回零点”。解决方法如下：
（1）开机后在伺服放大器上电状态下更换电池，注意极性不要装反。然后按数控操作面板上的“RESET”复位按钮，消除360号报警；
（2）拨动数控操作面板上轴选择开关，选择要进行回参考点的轴；
（3） 数控操作面板上“MDI”按钮， 点亮该按钮指示灯；再按“OFFSET SETTING”键，进入参数画面，将第一行参数“PARAMETER WRITE” 值改为 1； 再按“INPUT”键，关闭参数写保护功能，此时数控系统屏幕上出现 100 号报警，信息为“系统参数已经打开”；
（4）按下“SYSTEM”键，点击“PARA”按钮，进入机床参数画面，输入 1320，点击“search”按钮，可以看到各轴软限位设定值。1320、1321 参数分别保存了机床各轴正向、负向软限位坐标值。记下上述数值，再把1320 或 1321 中的对应需要回零位轴参数分别改为 +99999999、-99999999，将软件限位功能关闭。半闭环控制系统中，参考点设置在靠近伺服电机编码器一端，这样做的目的是考虑到滚珠丝杠热变形造成的基准误差最小，因此需要根据电机安装情况确定改动正、负方向软限位坐标值；
（5）拨动操作面板轴选择旋钮，选择对应轴，将进给倍率设为“×1”, 然后按“回参考点”按钮，执行回参考点操作，当机床工作台移动到参考点位置附近时，再继续往前走将收到绝对位置编码器零位脉冲信号，也叫一转信号，此时计数器清零，重新开始计数，当移动到 1850 参数设定的偏移距离后，工作台停止进给，停止点的坐标就是这个轴的参考点坐标。此时屏幕上的报警信息自动消除；
（6）将 1320 或 1321 中的参数改回原来的值；
（7）将第（3）步中的“PARAMETER WRITE”值重新改为 0，按下操作面板上的“RESET”按钮，屏幕上显示 100 号报警消除；
（8）关闭机床电源，重新开机，故障彻底排除。
需要注意的是，在执行回参考点操作前，通过 MPG 手动将工作台移动到该轴丝杠参考点 2 个螺距距离，以保证数控系统正确检测到编码器的一转信号。
我校一台 CK6125D 型数控车床曾出现车螺纹乱扣故障，故障随机出现。为排除伺服放大器引起上述故障的可能性，将 X 轴和 Y 轴伺服放大器互换，看故障是否转移。更换伺服放大器是在断电状态下，需要插拔伺服放大器信号电缆插头，由此造成X轴和Y轴零位丢失。
开机后又增加 300、301 号报警，机床需要重新回零位，这两个报警就是按照上述方法排除的。
3 、结束语
机床参考点是数控机床各轴上重要坐标点，是零件坐标的参照点，对零件加工精度影响巨大。机床参考点坐标丢失故障产生的原因也有多种，一般来说，只要编码器和伺服功能正常，通过上述方法是可以解决的。而编码器和伺服放大器硬件功能正常与否可以通过与其它轴互换的方法来判断。
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