FANUC编码器的研究与应用.doc

FANUC编码器的研究与应用———————————————————————————————— 作者：———————————————————————————————— 日期： 编码器性能的好坏决定了数控机床的加工精度本文通过与常规的旋转编码器比拟，详细分析了应用广泛的FANUC编码器的原理和在数控机床参考点返回中的应用，并对采用FANUC系统的数控机床上与编码器相关的典型故障进展了分析 随着数控机床在制造业中的普及，作为精细位置测量元件的编码器技术成为数控技术的重要组成局部FANUC系统作为世界上使用率最高的数控系统，其伺服电机内装的编码器及分立型的编码器得到了广泛的应用但FANUC的编码器在很多方面与常规的旋转编码器有许多独特之处本文详细分析了FANUC编码器的原理和应用，并对数控机床上与编码器相关的典型故障进展了分析1编码器概述编码器是将机械的直线位移或角位移转换成脉冲或数字信号的机电一体化的传感器它由LED、码盘、光栏板、光电元件、印制电路板等组成主要有两类：增量式和绝对式其光电码盘是在一块玻璃圆盘上镀上一层不透光的金属薄膜〔见图1〕，然后在上面制成圆周等距的透光与不透光相间的条纹，光栏板〔光电孔〕上有两组条纹A组和B组，彼此错开1/4节距。

当光电码盘旋转时，光线通过光栏板和码盘产生明暗相间的变化，由光电元件接收，经过电路板转换成脉冲输出信号A、B两组条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差90相位，用于区分旋转方向当光电码盘正转时，A信号超前B信号90，当光电码盘反转时，B信号超前A信号90此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹，用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称1转信号或零标志脉冲，作为测量基准增量式编码器的输出通常为并行信号，如图2所示图１增量式编码器工作原理示意图 图2 增量式编码器输出信号增量式编码器的A/B输出的波形除了图2所示的方波信号，还有一种类似正弦曲线的sin/cos曲线波形信号输出，A与B相差1/4周期90度相位，如果A是类正弦sin曲线，那么B就是类余弦cos曲线，如下图3增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数器来知道其位置当编码器停电时，存放在缓冲器或外部计数器中的数值将丧失这说明如果机床因下班或维修而被迫关机时，重新启动后，编码器将无法知道其确切位置解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，缓冲器或计数器被清零，数控系统才知道确切的位置在回过参考点以前，是不能保证位置的准确性的为此，在数控机床控制中就有每次开机先回参考点的操作。

但是机床的刀具在发生故障时通常还处于加工位置，与工件有直接接触，有时甚至还处于工件的内部〔如钻孔、攻螺纹等〕，为了平安地进展过参考点动作，必须首先手动将刀具移出加工位置如果此时刀具的指向与X，Y，Z轴成一定角度〔多轴机床〕，此项操作那么变得尤其困难，往往要消耗大量的时间和人力 于是就有了绝对编码器的出现绝对值编码器旋转时，有与位置一一对应的代码〔二进制、BCD码等〕输出，从代码的变更即可判别正反方向和位移所处的位置，而无需判向电路它有一个绝对零位代码，当停电或关机后再开机时，仍可准确地读出停电或关机位置的代码，并准确地找到零位代码绝对码盘和输出信号如图4所示，高位绝对值编码器通常采用串行输出图3 增量式编码器弦波输出信号图4 绝对值编码器码盘和输出即编码器工作时每圈输出的脉冲数增量式编码器的原始分辨率按物理刻线数算〔如1024线、2500线等等〕；而绝对式编码器的分辨率按圈数算〔2的N次方，折成线数一般在上万线〕增量式编码器采用倍频细分技术，获得数控机床所需的更高的分辨率，用ppr表示〔pulse per revolution〕 一般说来，方波最高只能做4倍频率，更高的分频要用增量脉冲信号是sin/cos类正余弦的信号来做，后续电路可通过读取波形相位的变化，用模数转换电路来细分，5倍、10倍、20倍，甚至100倍以上，分好后再以方波波形输出。

然而过高的分辨率将影响编码器的最高转速，这是因为高速旋转时编码器能够处理的频率受到限制2 FANUC编码器表1列出了几种型号的FANUC生产的伺服电机内装编码器，可以看出型号中带字母“A〞的为绝对值编码器〔Absolute〕，带字母“I〞的为增量式编码器〔Incremental〕表2为FANUC编码器输出信号表表1 FANUC公司生产的编码器型号分辨率〔ppr〕绝对/增量型号分辨率〔ppr〕绝对/增量αA1 0001000000〔4000 rpm〕绝对βA32B32768〔2^15〕绝对αA6465536〔216〕绝对βI32B32768〔2^15〕增量αI6465536〔216〕增量βA64B65536〔2^16〕绝对αA32B32768〔215〕绝对βI64B65536〔2^16〕增量αI88192〔213〕增量β64iA65536〔2^16〕绝对β128iA131072〔2^17〕绝对表2 FANUC编码器输出信号表表1中β128iA为分辨率为131 072 ppr的绝对值编码器，而在大约直径40 mm的玻璃盘上刻划131 072个逻辑码道是不可想象的通过拆装β128iA编码器，发现其码盘属增量式，且原始物理刻线是2048线〔2的11次方，11位〕，分辨率并不很高。

原来，FANUC的增量值编码器内部先通过电子细分，再由电池记忆而成为“绝对值〞的，而并非每个位置有一一对应的代码表示，因此也称为伪绝对值编码器FANUC增量编码器输出信号为sin/cos类正余弦信号通过16倍〔2的4次方，4位〕细分，得到15位ppr，再次4倍频〔2的2次方，2位〕，得到了17位〔Bit〕的分辨率，即131072 ppr这就是有些日系编码器的17位高位数编码器的由来从图5可以看出，表1中FANUC编码器并没有输出常见的并行六脉冲信号，而只有两根信号线RD、*RD这是串行输出，编码器和伺服放大器之间是有通讯协议的，为串行编码器5 V、0 V为编码器的工作电源，FG、+6 V为备份电池线，如不联，那么该编码器还是增量式编码器参考点返回的实质是找寻编码器的零标志脉冲信号，这通过参考计数器产生栅格信号来实现3.1FANUC的编码器当作增量式用时，有挡块回零当数控系统检测到电机1转信号时，数控系统内的参考计数器被清零此后，参考计数器就成为一个环行计数器当计数器对移动指令脉冲计数到参考计数器设定的值〔电机1转的移动量〕时被复位，随着一转信号的出现产生一个栅格点当减速撞块压下减速开关时，电机减速到回参考点低速运行，撞块释放减速开关后，电机在下一个栅格点停顿，产生一个回参考点完成信号，参考位置被复位，如图5所示。

图5 FANUC参考点返回示意图3.2FANUC的编码器当作绝对值编码器用时，无挡块回零使用绝对检测反应元件的机床第一次返回参考点时，首先数控系统与绝对式检测反应元件进展数据通信以建立当前的位置，并计算当前位置到机床参考点的距离及当前位置到最近栅点的距离，将计算值赋给计数器，栅点被确立4故障分析与排除从以上分析可以看出只要有备份电池，FANUC编码器就可以充当绝对值编码器用因此发生电池电压低报警时应及时更换新电池诊断参数201~204有助于分析编码器故障 当使用绝对编码器的电机时，发生各轴参考点丧失〔因电池用完〕、或联轴器拆卸、或伺服电机插头在断电情况下被撤除后，引起参考点位置变更；Z轴参考点变化将引起换刀点随之改变，必须重新确定换刀点此时屏幕将出现“300 APC报警：n轴需回零〞报警信息，并且参数1815#4(APZ)所对应的n轴的参数为01815#4(APZ)=1表示无挡块回参考点；1815#5(APC)=1表示使用绝对值编码器 以下为X轴参考点丧失时消除300号报警的方法举例： a.选择操作面板上的HANDLE按钮； b.在MPG手脉盒上选择需重设参考点的轴； c.在MDI键盘上选择POS键，再按软键[+]-[MONI]，出现负载表； d.用手轮沿该轴的负方向移动机床轴，同时观察该轴对应的负载表，移动该轴直至其负载明显增大〔80%以上〕、或者出现“409转矩限制〔负载异常〕〞报警。

当负载增大时，应注意尽量缓慢转动手轮； e.在MDI键盘上选择POS键，按软键[相对]，输入X，再按软键[归零]； f.用步骤D的同样方法沿该轴的正方向移动机床轴，同时观察该轴对应的负载表，移动该轴直至其负载明显增大〔80%以上〕、或者出现“409转矩限制〔负载异常〕〞报警； g.用该轴当前位置的相对坐标值A减去该机床的标准行程a，再将所得差值除以2得数值B，即：B=(A-a)/2;(请注意：B>0，即A>a，否那么以上操作肯定有不当之处)； h.用步骤e的同样方法，将该轴当前位置的相对坐标系值设为0； i.用手轮将该轴移动到相对坐标为-B的位置： j.在MDI方式下，将该轴参数1851#5〔APC〕设为1按照提示，关闭系统电源，重新开机后，300号报警消除，该轴的参考点设置完成5 结语 传统的具有A、B相信号的编码器，由于它不能兼顾分辨率和高速度，且信号线太多，从而影响了高精度、高速度的伺服系统的实现而日本FANUC公司生产的脉冲编码器那么克制了上述缺点，由于它将来自sin和cos信号的角度转化成数字量，使它具有4 000 r/min的高速以及高达1 000 000脉冲／转的分辨率，并通过内置电池记忆原点，串行输出位置值。