数控系统抗干扰措施与故障分析

*位置检测装置故障及诊断一.位置检测故障形式二.位置检测元件的维护三.位置检测装置的故障诊断四川工程职业技术学院第1页，共55页。2022/12/12编码器信号航空插头第2页，共55页。2022/12/13其他编码器外形第3页，共55页。2022/12/14其他编码器外形（续）拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。第4页，共55页。2022/12/15其他编码器外形

（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）第5页，共55页。光栅尺*第6页，共55页。封闭式光栅尺*第7页，共55页。数控系统结构与维修维护*一.位置检测故障形式大多数情况下，当位置控制出现故障时，往往在CRT上显示报警号及报警信息。轮廓误差监视报警:

正在运动的轴实际位置误差超过机床参数所设定的允差值；静态误差监视报警:

机床坐标轴定位时的实际位置与给定位置之差超过机床参数设定的允差值；测量装置监控报警:

位置测量硬件有故障。

第8页，共55页。数控系统结构与维修维护*二.位置检测元件的维护1.光栅

光栅有两种形式：一是透射光栅，即在一条透明玻璃片上刻有一系列等间隔密集线纹；二是反射光栅，即在长条形金属镜面上制成全反射或漫反射间隔相等的密集线纹。光栅输出信号有：两个相位信号输出，用于辨向；一个零标志信号，用于机床回参考点的控制。

对光栅尺的维护要注意以下几点：

第9页，共55页。①防污。光栅尺由于直接安装于工作台和机床床身上，因此，极易受到切削液的污染，从而造成信号丢失，影响位置控制精度。切削液在使用过程中会产生轻微结晶，这种结晶在扫描头上形成一层薄膜且透光性差，不易清除，故在选用切削液时要慎重。②防水雾。加工过程中，切削液的压力不要太大，流量不要过大，以免形成大量的水雾进入光栅。③光栅最好通入低压压缩空气（10.5Pa左右），以免扫描头运动时形成的负压把污物吸入光栅。压缩空气必须净化，滤芯应保持清洁并定期更换。④清洁。光栅上的污物可以用脱脂棉蘸无水酒精轻轻擦除。⑤防振。光栅拆装时要用静力，不能用硬物敲击，以免造成光学元件的损坏。*第10页，共55页。数控系统结构与维修维护*二.位置检测元件的维护2.光电脉冲编码器

光电脉冲编码器是在一个圆盘的边缘上开有间距相等的缝隙，在其两边分别装有光源和光敏元件。当圆盘转动时，光线的明暗变化，经光敏元件变成电信号的强弱，从而得到脉冲信号。编码器的输出信号有：两个相位信号输出，用于辨向；一个零标志信号（又称一转信号）用于机床返回参考点的控制。另外，还有+5V电源和接地端。

编码器的维护主要注意两个问题。

第11页，共55页。①防振和防污。由于编码器是精密测量元件，使用或拆装时要与光栅一样注意防振和防污问题。污染容易造成信号丢失，振动容易使编码器内的紧固件松动脱落，造成内部电源短路。②防止连接松动。脉冲编码器用于位置检测时有两种安装形式，一种是与伺服电动机同轴安装，称为内装式编码器；另一种是编码器安装于传动链末端，称为外装式编码器，当传动链较长时，这种安装方式可以减小传动链累积误差对位置检测精度的影响。不管是哪种安装方式，都要注意编码器连接松动的问题。由于连接松动，往往会影响位置控制精度。另外，在有些交流伺服电动机中，内装式编码器除了位置检测外，同时还具有测速和交流伺服电动机转子位置检测的作用。编码器连接松动还会引起进给运动的不稳定，影响交流伺服电动机的换向控制，从而引起机床的振动。*第12页，共55页。使用维护(1)精确安装。编码器与电机轴联轴安装的质量直接影响其检测电机转速的准确性，联轴安装过松、过紧、不同心、变形等都会造成速度波形出现毛刺，导致系统控制不稳定。(2)电压要匹配。数控机床编码器通常为5V。(3)加装防护部件。编码器内部多为精密电子元件，冬季气温低，电子元件容易热胀冷缩，影响其工作特性，导致编码器故障。可在编码器外壳加装防护套，不仅有效保护电子元件，还具有防尘作用。*第13页，共55页。3.感应同步器感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测元件，它由定尺和滑尺两部分组成，两者相对平行安装，定尺和滑尺上的绕组均为矩形绕组，其中定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，即正弦绕组和余弦绕组，分别接入交流电。对感应同步器的维护应注意以下问题：①安装时，必须保持定尺和滑尺相对平行，且定尺固定螺栓不得超过尺面，调整间隙在0.09～0.15mm为宜。②不要损坏定尺表面耐切削液涂层和滑尺表面一层带绝缘层的铝箔，否则，会腐蚀厚度较小的电解铜箔。③接线时要分清滑尺的正弦绕组和余弦绕组，其阻值基本相同，这两个绕组必须分别接入励磁电压。*第14页，共55页。4.旋转变压器旋转变压器输出电压与转子的角位移有固定的函数关系，可用作角度检测元件，一般用于精度要求不高或大型机床的粗测及中测系统。对旋转变压器的维护应注意以下几点：①接线时，定子上有相等匝数的励磁绕组和补偿绕组，转子上也有相等匝数的正弦绕组和余弦绕组，但转子和定子的绕组阻值却不同，一般定子电阻阻值稍大，有时补偿绕组自行短接或接入一个阻抗。②由于结构上与绕线转子异步电动机相似，因此，碳刷磨损到一定程度后要更换。*第15页，共55页。5.磁栅尺磁栅是由磁性标尺、磁头和检测电路三部分组成。磁性标尺是在非导磁材料（如玻璃、

不锈钢等）的基体上，覆盖上一层l0～20μm厚的磁性材料，形成一层均匀而规则的磁性膜。对磁栅尺的维护应注意以下几点：

①不能将磁性膜刮坏，防止铁屑和油污落在磁性标尺和磁头上，要用脱脂棉蘸酒精轻轻地擦其表面。②不能用力拆装和撞击磁性标尺和磁头，否则会使磁性减弱或使磁场紊乱。③接线时要分清磁头上激磁绕组和输出绕组，前者绕在磁路截面尺寸较小的横臂上，后者绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上。*第16页，共55页。数控系统结构与维修维护*三.位置检测装置的故障诊断1.输出信号增量式旋转测量装置或直线测量装置的输出信号有两种形式：一是电压或电流正弦信号，其中EXE为脉冲整形插值器；二是TTL电平信号。机床在运动过程中，从扫描单元输出三组信号：两组增量信号由四个光电池产生，把两个相差180度的光电池接在一起，它们的推挽就形成了相位差90度、幅值为11μA左右的Ie1和Ie1两组近似正弦波，一组基准信号也由两个相差180度的光电池接成推挽形式，输出为一尖峰信号Ie0，其有效分量约为5.5uA，此信号只有经过基准标志时才产生。所谓基准标志，是在光栅尺身外壳上装有一块磁铁，在扫描单元上装有一只干簧管，在接近磁铁时，干簧管接通，基准信号才能输出。

第17页，共55页。数控系统结构与维修维护*2.EXE信号处理脉冲增量信号Ie1、Iel和Ie0进行放大、整形、倍频和报警处理，输出至CNC进行位置控制。EXE由基本电路和细分电路组成。整形插值器（EXE）的作用是将光栅尺或编码器输出的①通道放大器。当光栅检测产生正弦波电流信号Ie1、Ie1和Ie0后，经通道放大器，输出一定幅值的正弦电流电压。②整形电路。在对Ie1、Ie1和Ie0放大的基础上，经整形电路转换成与之相对应的三路方波信号Ua1、Ua2及Ua0，其TTL高电平大于或等于2.5V，低电平小于或等于0.5V。③报警电路。当光栅由于输入电缆断裂、光栅污染或灯泡损坏等原因，造成通道放大器输出信号为零，这时报警信号经驱动电路驱动后，由连接器J2输出至CNC系统。

④细分电路

第18页，共55页。数控系统结构与维修维护*三.位置检测装置的故障诊断3.故障诊断当出现位置环开环报警时，将J2连接器脱开，在CNC系统的一侧，把J2连接器上的+5V线同报警线ALM连在一起，合上数控系统电源，根据报警是否再现，便可迅速判断出故障的部位是在测量装置还是在CNC系统的接口板上。若问题出现在测量装置，则可测J1连接器上有无信号输入，这样便可将故障定位在光栅尺或EXE脉冲整形电路上。

第19页，共55页。编码器故障常见问题1.未用的信号线若无绝缘包扎而触碰短路，将会导致晶体烧毁。2.当编码器配线，因疏忽将DC电源接反或与任㆒相位信号线短路，将会导致晶体烧毁。3.编码器轴心与传动轴轴心，相对偏心或偏角值过高，超出连轴器可吸收范围，长期运转将导致滚珠轴承磨损。*第20页，共55页。编码器故障常见问题4.编码器与传动轴连结组装不良，或未使用传动效率100%的连轴器，仍容易导致滚珠轴承磨损及光栅片位移。5.编码器悬空固定，或安装疏忽重击，造成编码器轴心正向及侧向负载压力过大，也容易导致轴心故障或光栅片位移。6.编码器之信号缆线长度，如因实际需求必须自行加长时，须使用铜箔包覆的线材，以有效降低干扰现象发生。*第21页，共55页。故障测试(1)离线。编码器接通电源后，用万用表测量其通道电压，在手动旋转轴的过程中，若6个通道的电压均呈高低电平变化，可初步判断编码器良好；若某一通道无电平变化，则编码器必然存在问题。

(2)在线。采用示波器观察运行中的编码器波形，良好的编码器各通道波形大致如图所示，若波形毛刺过多，可判断编码器存在问题。*第22页，共55页。西门子802C编码器典型故障(参考诊断说明)报警号：25000

坐标轴%/1编码器硬件故障报警号：25010报警号：25020报警号：25030报警号：25040报警号：25050报警号：25060报警号：25070报警号：25080*第23页，共55页。松下MINASA4系列驱动器报警代码（编码器相关）报警代码：40

故障原因：绝对式编码器电源断电

应对措施：重新接上电池，将绝对式编码器数据清零报警代码：41

故障原因：编码器多圈计数器超过了规定值

应对措施：正确设置参数或调整机床运动报警代码：42

故障原因：只用电池供电时，编码器超过规定转速

应对措施：检查编码器电压，或者检查接线报警代码：44

故障原因：编码器检测到单圈计算器错误

应对措施：可能电机故障，建议更换电机*第24页，共55页。松下MINASA4系列驱动器报警代码（编码器相关）报警代码：45

故障原因：编码器检测到多圈计算器错误

应对措施：可能电机故障，建议更换电机报警代码：47

故障原因：电源接通时，编码器超过规定转速

应对措施：避免电机在电源接通瞬间运动报警代码：48

故障原因：没有检测到Z相脉冲信号，编码器可能故障

应对措施：可能电机故障，建议更换电机报警代码：49

故障原因：编码器CS信号逻辑异常，编码器可能故障

应对措施：可能电机故障，建议更换电机*第25页，共55页。位置检测装置SIEMENS数控位控模块与检测装置的连接1.输出信号(有两种形式）电压或电流正弦信号/TTL电平信号第26页，共55页。第27页，共55页。机床在运动过程中，从扫描单元输出三组信号，两组增量信号和一组基准信号第28页，共55页。位置检测装置2.EXE信号处理通道放大器整形电路报警电路细分电路第29页，共55页。*第30页，共55页。位置检测装置3.故障诊断当出现位置环开环报警时，将J2连接器脱开，在CNC系统的一侧，把J2连接器上的5V线同报警线ALM连在一起，合上数控电源，根据报警是否再现，可迅速判断出故障的部位是在测量装置还是在CNC系统的接口板上。在测量装置的话，可再测J1连接器上有无信号输入，可将故障定位在光栅或EXE电路第31页，共55页。例一卧式加工中心，采用SINUMERIK8系统，带EXE光栅测量装置。运行中出现114号报警，同时伴有113号报警。分析：114号电缆断线或与地短路；信号丢失检查：外观检查和测量；（信号漏读）检查信号源和传输系统（光源和光学系统）实际：灯泡表面呈毛玻璃状、指示光栅表面也有一层雾状物第32页，共55页。*第33页，共55页。2022/12/134一、绝对式编码器

绝对式码盘与增量式码盘有何区别？10码道光电绝对式码盘

绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。透光区不透光区零位标志第34页，共55页。2022/12/135绝对式接触式编码器演示4个电刷4位二进制码盘+5V输入公共码道

最小分辨角度为α=360°/2n

第35页，共55页。2022/12/1362．绝对式光电编码器a）光电码盘的平面结构（8码道）b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）

高位低位第36页，共55页。2022/12/137绝对式光电编码器的分辨力及分辨率

绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：

α=360°/2n分辨率=1/2n第37页，共55页。2022/12/138增量式光电编码器的分辨力及分辨率

增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：第38页，共55页。2022/12/139二、增量式编码器转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABC第39页，共55页。2022/12/140光电编码器的输出波形

为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（m+1/4）倍，m为正整数，并设置了两组光敏元件A、B，有时又称为sin、cos元件。第40页，共55页。2022/12/141辨向信号和零标志

光电编码器的光栏板上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辩向。当编码正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。(请画出反转时信号B的波形）

在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。第41页，共55页。2022/12/142三、角编码器的应用

角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。第42页，共55页。2022/12/143M法测速（适合于高转速场合）T

编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）

m1第43页，共55页。2022/12/144例题T

有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m1第44页，共55页。2022/12/145T法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···

编码器每转产生N个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2

，则转速(r/min)为n=60fc/（Nm2）

第45页，共55页。2022/12/146T法测速举例时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···n=60fc

/（Nm2

）

=60*1000000/（1024*3000）

=19.53r/min有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz，则转速（r/min)为：第46页，共55页。2022/12/147安装套编码器的安装方式1.编码器的套式安装第47页，共55页。2022/12/148安装轴2.编码器的轴式安装第48页，共55页。2022/12/149编码器在定位加工中的应用1—绝对式编码器

2—电动机

3—转轴

4—转盘

5—工件

6—刀具

设该增量式光电编码器的参数为1024p/r，大、小皮带轮的传动比为5，若希望当加工好元件1后紧接着加工元件8，则电动机转动了多少分之几圈？应等待编码器给出多少脉冲数时，电动机停转？第49页，共