主軸編碼器的工作原理及常見故障分析

摘 要：本文介紹了主軸編碼器在數(shù)控車床上的作用、工作原理以及常見故障和解決方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床 主軸編碼器 數(shù)控故障

一、主軸編碼器的作用和工作原理

主軸編碼器采用與主軸同步的光電脈沖發(fā)生器，通過中間軸上的齒輪1∶1地同步傳動(dòng)。數(shù)控車床的車螺紋加工時(shí)，為了滿足切削螺距的需要，要求主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)螺距（導(dǎo)程）。系統(tǒng)通過主軸編碼器的反饋脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給軸的插補(bǔ)功能，完成主軸位置脈沖的計(jì)數(shù)與進(jìn)給同步控制。此外，主軸編碼器還可實(shí)現(xiàn)恒線速度切削控制。

光電脈沖發(fā)生器的原理如圖1所示。在漏光盤上，沿圓周刻有兩圈條紋，外圈為圓周等分線條，例如：1024條，作為發(fā)送脈沖用，內(nèi)圈僅1條。在光欄上，刻有透光條紋A、B、C，A與B之間的距離應(yīng)保證當(dāng)條紋A與漏光盤上任一條紋重合時(shí)，條紋B應(yīng)與漏光盤上另一條紋的重合度錯(cuò)位1/4周期。在光欄的每一條紋的后面均安置光敏三極管一只，構(gòu)成一條輸出通道。

圖1 光電脈沖發(fā)生器的原理圖

燈泡發(fā)出的散射光線經(jīng)過聚光鏡聚光后成為平行光線，當(dāng)漏光盤與主軸同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于漏光盤上的條紋與光欄上的條紋出現(xiàn)重合和錯(cuò)位，使光敏管受到光線亮、暗的變化，引起光敏管內(nèi)電流大小發(fā)生變化，變化的信號(hào)電流經(jīng)整流放大電路輸出矩形脈沖。由于條紋A與漏光盤條紋重合時(shí)，條紋B與另一條紋錯(cuò)位1/4周期，因此 A、B兩通道輸出的波形相位也相差1/4周期。

脈沖發(fā)生器中漏光盤內(nèi)圈的一條刻線與光欄上條紋C重合時(shí)輸出的脈沖為同步（起步，又稱零位）脈沖。利用同步脈沖，數(shù)控車床可實(shí)現(xiàn)加工控制，也可作為主軸準(zhǔn)停裝置的準(zhǔn)停信號(hào)。數(shù)控車床車螺紋時(shí)，利用同步脈沖作為車刀進(jìn)刀點(diǎn)和退刀點(diǎn)的控制信號(hào)，以保證車削螺紋不會(huì)亂扣。

主軸編碼器一般與主軸采用1∶1齒輪傳動(dòng)且采用同步帶連接，編碼器為1024脈沖／轉(zhuǎn)，經(jīng)過系統(tǒng)４倍頻電路得到4096個(gè)脈沖。其信號(hào)及連接如圖2所示。

二、主軸編碼器常見故障及處理

1.不執(zhí)行螺紋加工的故障及處理

系統(tǒng)工作原理：數(shù)控車床螺紋加工的工作原理是主軸旋轉(zhuǎn)與Ｚ軸進(jìn)給之間的插補(bǔ)。當(dāng)執(zhí)行螺紋加工指令時(shí)，系統(tǒng)得到主軸位置檢測(cè)裝置發(fā)出的一轉(zhuǎn)信號(hào)后開始進(jìn)行螺紋加工，根據(jù)主軸的位置反饋脈沖進(jìn)行Z軸的插補(bǔ)控制，即主軸轉(zhuǎn)一周，Z軸進(jìn)給一個(gè)螺距或一個(gè)導(dǎo)程。

圖2 主軸位置編碼器信號(hào)及接線

產(chǎn)生故障的原因：

（1）主軸編碼器與系統(tǒng)之間的連接不良。

（2）主軸編碼器的位置信號(hào)PA、＊PA、PB、＊PB不良或連接電纜斷開。

（3）主軸編碼器的一轉(zhuǎn)信號(hào)PZ、＊Z不良或連接電纜斷開。

（4）系統(tǒng)或主軸放大器故障。

故障處理：對(duì)于故障產(chǎn)生原因（1），可通過檢查連接電纜接口及電纜的校線查到故障并修復(fù)。對(duì)于故障產(chǎn)生原因（2），可通過系統(tǒng)顯示裝置上是否有主軸速度顯示來判別，如查無主軸速度顯示則為該類故障。對(duì)于故障產(chǎn)生原因（3），可通過加工指令G99（每轉(zhuǎn)進(jìn)給加工）和G98（每分進(jìn)給加工）切換來判別，如果G98進(jìn)給切削正常而G99進(jìn)給不執(zhí)行，則為該類故障。如果以上故障都排除，則為系統(tǒng)本身故障，即系統(tǒng)存儲(chǔ)板或主板故障。

2.加工時(shí)出現(xiàn)“亂扣”的故障及處理

系統(tǒng)工作原理：一般的螺紋加工要經(jīng)過幾次切削才能完成，每次重復(fù)切削時(shí)，開始進(jìn)刀的位置必須相同。為了保證重復(fù)切削不亂扣，數(shù)控系統(tǒng)在接收主軸編碼器中的一轉(zhuǎn)信號(hào)后才開始螺紋切削的計(jì)算。

產(chǎn)生故障原因及處理：當(dāng)系統(tǒng)得到的一轉(zhuǎn)信號(hào)不穩(wěn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)“亂扣”現(xiàn)象。產(chǎn)生故障的原因是主軸編碼器的連接不良、主軸編碼器的一轉(zhuǎn)信號(hào)或信號(hào)電纜不良、主軸編碼器內(nèi)部有臟東西或編碼器本身不良。如果以上故障排除后系統(tǒng)還亂扣，則需要檢查系統(tǒng)或主軸放大器。

3.螺紋加工出現(xiàn)螺距不穩(wěn)故障及處理

系統(tǒng)工作原理：數(shù)控車床螺紋加工時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)與Z軸進(jìn)給時(shí)進(jìn)行插補(bǔ)控制，即主軸轉(zhuǎn)一周，Z軸進(jìn)給一個(gè)螺距或一個(gè)導(dǎo)程。

產(chǎn)生故障原因如下。

（1）如果產(chǎn)生螺距誤差是隨機(jī)的：產(chǎn)生故障的可能原因是主軸編碼器連接不良、主軸編碼器內(nèi)部太臟、Z軸位置編碼器不良、Z軸電動(dòng)機(jī)與Z軸連接松動(dòng)。

（2）如果產(chǎn)生螺距誤差是固定的：可能原因是主軸編碼器與主軸連接的傳動(dòng)比設(shè)定錯(cuò)誤或系統(tǒng)軟件不良。

（作者單位：許昌市高級(jí)技工學(xué)校）