光柵尺和編碼器檢測在數(shù)控設(shè)備維護(hù)中的應(yīng)用研究

王雷飛，童立信，薛一剛，常喜萍，高 博

（第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司，河南洛陽 471003）

0 引言

隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)加工過程對數(shù)字化、自動化及智能化程度的要求也越來越高。自動化程度及加工精度已處于行業(yè)領(lǐng)先水平，公司兩條德國惠樂希樂18 臺臥式加工中心組成的全自動箱體加工生產(chǎn)線，以及由森精機(jī)、德瑪吉、BW 等40 余臺大型數(shù)控加工中心機(jī)床柔性加工生產(chǎn)線，其設(shè)備進(jìn)口率已占全車間的95%以上，所使用的的系統(tǒng)涵蓋了西門子、發(fā)那科、海德漢、三菱等眾多知名數(shù)控系統(tǒng)，高精度、滿負(fù)荷的加工作業(yè)對數(shù)控設(shè)備的測量檢測系統(tǒng)的要求極高。

光柵尺、編碼器是高精度的位置反饋裝置和設(shè)備運(yùn)行的檢測裝置。如果光柵尺或者編碼器出現(xiàn)問題，設(shè)備就會產(chǎn)生報(bào)警，停止正常工作。由于維修檢測系統(tǒng)的手段有限，往往只能通過簡單的清理或更換工作恢復(fù)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對于出現(xiàn)故障的光柵尺或編碼器故障無法準(zhǔn)確判斷，造成大量的無效勞動，甚至由于判斷錯誤等待訂購備件，造成設(shè)備停機(jī)。因此急需開發(fā)一種能線上、線下快速檢測光柵尺或編碼器的故障診斷方法，能夠準(zhǔn)確判定故障點(diǎn)，避免無效勞動、節(jié)省維修時間、節(jié)約備件費(fèi)用，保持加工生產(chǎn)線有效的開動率，這一技術(shù)在維修系統(tǒng)中推廣應(yīng)用就顯得尤為重要。

1 技術(shù)方案

利用PWM20 海德漢檢測儀，開發(fā)一套適合公司數(shù)控設(shè)備的光柵尺和角度編碼器（圓光柵）故障診斷的軟件系統(tǒng)，能夠有效地檢測到設(shè)備的狀態(tài)、故障點(diǎn)、故障原因、失效元器件等診斷因素，通過診斷軟件的開發(fā)，同時制定一套有效的維護(hù)與維修技術(shù)方法，完成對設(shè)備的維護(hù)與維修，快速處置故障，使光柵尺和角度編碼器（圓光柵）系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，設(shè)備處在正常工作狀態(tài)，保持加工生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高勞動生產(chǎn)效率。系統(tǒng)檢測流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)檢測流程

2 研究過程和取得的效果

2.1 PWM20 海德漢檢測儀在維修系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用

目前高精度的機(jī)床轉(zhuǎn)臺一般配有海德漢的角度編碼器（圓光柵）和光柵尺。增量式的編碼器有1Vpp、TTL 信號，這些可以用傳統(tǒng)的示波器分析信號。但是對于海德漢研發(fā)的Endat 絕對值信號，除了海德漢自家公司的儀器市場上是沒有檢測手段的（除非直接聯(lián)接系統(tǒng)看報(bào)警信息）。對于1 Vpp 信號PWM20 可以看到A 或B 幅值具體數(shù)據(jù)、參考點(diǎn)信號、相位角、信號周期等。Endat信號可以看到位置值數(shù)據(jù)、脈沖數(shù)、報(bào)警信息、信號質(zhì)量百分百、錯誤信息復(fù)位、精度誤差等。對于LB382C/LC281/LC291F/LC291M 等鋼帶式光柵尺還可以做拉伸計(jì)數(shù)。西門子、力士樂等伺服電機(jī)調(diào)相位角都可以用PWM20 實(shí)現(xiàn)，具體就是把原來編碼器的數(shù)據(jù)復(fù)制下來通過PWM20 海德漢檢測儀粘貼到新編碼器里。當(dāng)然，ATS 還有很多強(qiáng)大的維修檢測功能。

在機(jī)械加工過程中，設(shè)備在出現(xiàn)編碼器報(bào)警或找不到位置信息時多是角度編碼器或光柵尺出現(xiàn)了故障，通常反映在主軸編碼器、伺服電機(jī)編碼器或各個坐標(biāo)軸光柵尺。在無法借助專業(yè)檢測工具對故障編碼器或光柵尺進(jìn)行專業(yè)診斷時，通常只是對角度編碼器和光柵尺進(jìn)行拆卸清理再安裝，因?yàn)槠毡榈恼J(rèn)知是工作環(huán)境臟污、讀數(shù)頭臟污、或編碼器碼盤破碎導(dǎo)致故障的產(chǎn)生，然而拆卸清理再安裝后的角度編碼器或光柵尺其實(shí)存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，清理過程和安裝過程均對光柵有著極高的要求，光柵的使用地點(diǎn)一般都處于嚴(yán)密的防護(hù)罩之內(nèi)，拆裝過程均耗時耗力，而且還沒有十足的把握，事實(shí)證明這樣的手段無法從根本上找準(zhǔn)故障原因，特別是使用圓光柵的工作臺，拆裝更是投入更多的人力、物力。有的經(jīng)過拆裝，發(fā)現(xiàn)并非編碼器或光柵尺的故障；更有拆完了光柵尺或編碼器進(jìn)行訂貨，待備件到貨時發(fā)現(xiàn)并不是所判斷的故障，造成了很大浪費(fèi)。此時，將PWM20 海德漢檢測儀引入維修系統(tǒng)就能有效改善目前在光柵維修工作中的局限性，填補(bǔ)公司在這項(xiàng)技術(shù)方面的空白。通過多項(xiàng)對比就能發(fā)現(xiàn)，PWM20 海德漢檢測儀在維修工作中的便利（表1）。

表1 使用PWM20 海德漢檢測儀的優(yōu)勢

2.2 PWM20 海德漢檢測儀系統(tǒng)功能

公司引進(jìn)PWM20 海德漢檢測儀，專門用于光柵尺與編碼器的維修工作。PWM20 海德漢檢測儀作為目前行業(yè)先進(jìn)的檢測儀器，這為光柵尺與編碼器的維修提供了強(qiáng)力保障。檢測儀具備下述功能：

（1）在維修診斷過程中通過輸入故障光柵尺或編碼器的ID進(jìn)行自動編碼器識別。

（2）在環(huán)境臟污或銘牌丟失的情況，如果無法識別編碼器類型（ID 標(biāo)簽丟失或難以辨認(rèn)），或者編碼器不在ATS 數(shù)據(jù)庫中，可以手工輸入編碼器數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測。

（3）顯示功能。能進(jìn)行位置顯示、增量信號顯示、編碼器內(nèi)存顯示、編碼器存儲內(nèi)容的比較及電壓顯示等，幫助進(jìn)行詳細(xì)故障診斷。

（4）在線診斷技術(shù)，診斷絕對/增量偏差，可以在線進(jìn)行故障診斷，避免傳統(tǒng)的拆卸、安裝、實(shí)驗(yàn)的方法，節(jié)省大量的人力、物力。

（5）安裝向?qū)Чδ堋τ诠鈻懦呋蚓幋a器，在安裝時通過信號，可以確定安裝位置是否正確，并能指導(dǎo)安裝位置是否滿足要求，方便安裝調(diào)整工作。

（6）數(shù)據(jù)重寫和存儲功能。對于錯誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，并能把正常的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。

（7）檢測儀能滿足西門子、海德漢、發(fā)那科、三菱等多種接口的光柵尺及編碼器的檢測功能，涵蓋了公司所有的數(shù)控系統(tǒng)。

2.3 檢測儀用于解決生產(chǎn)實(shí)際中數(shù)控設(shè)備疑難故障情況

（1）光柵尺型號和ID 號確定：2019 年7 月，公司的一臺五軸聯(lián)動進(jìn)口加工中心DMU 160 在工作中Y 軸經(jīng)常出現(xiàn)位置誤差大報(bào)警，導(dǎo)致Y 軸不能工作。經(jīng)檢測是光柵尺測頭損壞，但由于光柵頭的標(biāo)簽丟失，沒有型號和訂貨I D 號，設(shè)備制造廠也無法提供，不能進(jìn)行訂貨，設(shè)備不能運(yùn)行。通過PWM 20 對光柵尺進(jìn)行自動識別，確定型號為LC 481 /20 μm，訂貨I D 號為353703-31，順利訂到備件，保證了生產(chǎn)。

（2）特別定制編碼器的替代：有些廠家為了自己的利益，對一些編碼器進(jìn)行特別定制，如從美國進(jìn)口的一臺加工中心，使用的是西門子伺服電機(jī)。在判斷刀庫電機(jī)編碼器損壞向編碼器制造廠購買時，被告知屬設(shè)備制造廠定制產(chǎn)品，需向設(shè)備廠家購買，而設(shè)備廠家報(bào)價(jià)為正常的5 倍之多，且周期為一般定貨的2 倍多。經(jīng)過使用PWM 20，在安裝尺寸相同的類型編碼器中查找接近的編碼器，通過對幅值、相位角、頻率、脈沖數(shù)量的檢測和對比工作，找到了相似的編碼器，順利替代成功。不僅拓寬了備件訂貨的渠道，而且擺脫了設(shè)備廠家的技術(shù)封鎖。

（3）圓光柵數(shù)據(jù)丟失的找回：圓光柵一般用于數(shù)控設(shè)備旋轉(zhuǎn)工作臺的位置信號檢測，其測量反饋信號直接影響設(shè)備能否正常加工。公司有一臺NBH 800 型臥式加工中心，其B 軸采用圓光柵的檢測方式，設(shè)備在加工過程中頻繁出現(xiàn)B 軸編碼器報(bào)警，無法正常加工，對其工作臺進(jìn)行吊出檢修，檢查圓光柵時發(fā)現(xiàn)編碼器線發(fā)生了磨損破皮的情況，更換編碼器線后進(jìn)行試機(jī)發(fā)現(xiàn)找不到位置、B 軸抖動、懷疑圓光柵的數(shù)據(jù)丟失，求助設(shè)備廠家后被告知，此故障只能通過圓光柵的廠家進(jìn)行服務(wù)。但服務(wù)人員無法趕赴現(xiàn)場。通過對另外設(shè)備使用PWM 20 進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、保存；對這臺壞的編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，修改數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸，使這臺圓光柵順利修復(fù)。

2.4 將維修使用方法進(jìn)行成果固化，納入數(shù)控設(shè)備維修工藝

PWM 20 海德漢檢測儀作為全新的維修儀器，其工作原理與使用方法需要更多地維修人員掌握，這項(xiàng)測試軟件填補(bǔ)了在光柵尺和編碼器維修上的技術(shù)空白。對此進(jìn)行軟件的推廣使用及培訓(xùn)工作，先后解決公司德瑪吉Y 軸無法移動問題、辛辛那提光柵尺替代問題及自動線工作臺圓光柵數(shù)據(jù)丟失問題等影響生產(chǎn)的數(shù)控設(shè)備疑難故障。

3 結(jié)束語

隨著數(shù)控設(shè)備不斷更新與發(fā)展，傳統(tǒng)的維修手段已經(jīng)不能滿足越來越多的故障類型維修的需要，沒有專業(yè)的檢測儀器與手段，會在設(shè)備故障的準(zhǔn)確判斷上走彎路，浪費(fèi)時間、消耗費(fèi)用，浪費(fèi)人力。目前PWM 20 海德漢檢測儀在公司使用效果良好，能完美匹配目前所使用的數(shù)控系統(tǒng)與故障類型，打破了以前只能依靠更換光柵尺與編碼器解決故障的維修思路，節(jié)省維修時間的同時也節(jié)約了維修成本，與企業(yè)提倡的降本增效思路是一致的。