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1、精品名师归纳总结FANUC 编码器的争论与应用汤彩萍（常州机电职业技术学院，213164 ）摘要：编码器性能的好坏准备了数控机床的加工精度。本文通过与常规的旋转编码器比较，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，并对接受 FANUC系统的数控机床上与编码器相关的典型故障进行了分析。关键词：编码器。数控机床。FANUC。参考点返回。确定值中图分类号： TP21 文献标识码： B 文章编号： 1004-0420202103-0016-04 Study on FANUC encoders and the applicationin CNCmachinesTANG C
2、ai pingChangzhou Institute of Mechatronic Technolog，y213164Abstract： Encoders play important role in CNC machines on which the machining accuracy depends. This article analyzes the operating principle of the widelyused FANUC encoders by comparing with conventional encoders. How the encoders are used
3、 in CNC machine reference point approaching is discussed as well. And troubleshooting related to encoders is also involved.Key words： encoder。 CNC machine。 FANUC。 reference point approaching。 absolute0 前言随着数控机床在制造业中的普及，作为精密位置测量元件的编码器技术成为数控技术 的重要组成部分。 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
4、应用。但FANUC的编码器在许多方面与常规的旋转编码器有许多特殊之处。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行了分析。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：增量式和确定式。1.1 增量式编码器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。当光电码回旋转时，光线通过光栏板和码盘产生明暗相间的变化，由
5、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，用于辨别旋转方向。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仍有一条透光条纹，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。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图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，仍有一种类似正弦曲线的sin/cos 曲线波形信号输出，
6、A 与 B 相差 1/4 周期 90 度相位，假如 A 是类正弦 sin 曲线，那么 B 就是类余弦 cos 曲线，如以下图 3。1.2 确定值编码器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丢失。这说明假如机床因下班或修理而被迫关机时，重新启动后，编码器将无法知道其精确位置。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，数控系统才知道精确的位置。在回过参考点以前，是不能保证位置的精确性的。为此，在数控机床把握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仍处于加工位置，与工件有直接接触，有时甚至
7、仍处于工件的内部（如钻孔、攻螺纹等），为了安全的进行过参考点动作，必需第一手动将刀具移出加工位置。假如此时刀具的指向与X， Y， Z 轴成确定角度（多轴机床），此项操作就变得特殊困难，往往要耗费大量的时间和人力。于是就有了确定编码器的显现。确定值编码器旋转时，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。它有一个确定零位代码，当停电或关机后再开机时，仍可精确的读出停电或关机位置的代码，并精确的找到零位代码。确定码盘和输出信号如图4 所示，高位确定值编码器通常接受串行输出。图 3 增量式编码器弦波输出信号可编辑资料 - - -
8、 欢迎下载精品名师归纳总结图 4 确定值编码器码盘和输出1.3 编码器的辨论率即编码器工作时每圈输出的脉冲数。增量式编码器的原始辨论率按物理刻线数算（如1024 线、 2500 线等等）。而确定式编码器的辨论率按圈数算（2 的 N 次方，折成线数一般在上万线）。增量式编码器接受倍频细分技术，获得数控机床所需的更高的辨论率，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
9、后再以方波波形输出。然而过高的辨论率将影响编码器的最高转速，这是由于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”的为确定值编码器（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。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.1 FANUC编码器本质上是增量式编码器表 1 中 128iA 为辨论率为 131072 ppr 的确定值编码器，而在大约直径40mm 的玻璃盘上刻划 131072 个规律码道是不行想象的。通过
10、拆装 128iA 编码器，发觉其码盘属增量式，且原始物理刻线是2048 线（ 2 的 11 次方， 11 位），辨论率并不很高。原先，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“确定值”的，而并非每个位置有一一对应的代码表示，因此也称为伪确定值编码器。2.2 FANUC编码器内部含 sin/cos 信号细分电路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）的辨论率，即 131072 ppr 。这就是有些日系编
11、码器的17 位高位数编码器的由来。2.3 FANUC编码器信号为串行输出从图 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，就该编码器仍是增量式编码器。3 在返回参考点中的应用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。3.1 FANUC的编码器当作增量式用时，有挡块回零可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结当数控系统检测到电机 1 转信号时，数
12、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，随着一转信号的显现产生一个栅格点。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止， 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的编码器当作确定值编码器用时，无挡块回零使用确定检测反馈元件的机床第一次返回参考点时，第一数控系统与确定式检测反馈元件进行数据通信以建立当前的位置，并运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，将运算
13、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 编码器就可以充当确定值编码器用。因此发生电池电压低报警时应准时更换新电池。诊断参数201204 有助于分析编码器故障。当使用确定编码器的电机时，发生各轴参考点丢失（因电池用完）、或联轴器拆卸、或伺服电机插头在断电情形下被拆除后，引起参考点位置变更。Z 轴参考点变化将引起换刀点随之转变，必需重新确定换刀点。此时屏幕将显现“300 APC 报警： n 轴需回零”报警信息，并且参数1815#4APZ所对应的n 轴的参数为 0。1815#4APZ=1 表示无挡块回参考点。 1815#5APC=1 表示使用确定值编
14、码器。以下为 X 轴参考点丢失时排除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 ，显现负载表。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结d. 用手轮沿该轴的负方向移动机床轴，同时观看该轴对应的负载表，移动该轴直至其负载明显增大（80%以上）、或者显现“409 转矩限制（负载反常）”报警。当负载增大时，应留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
15、，同时观看该轴对应的负载表，移动该轴直至其负载明显增大（80%以上）、或者显现“ 409 转矩限制（负载反常）”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。请留意： B0，即 Aa，否就以上操作确定有不当之处。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。依据提示，关闭系统电源，重新开机后， 300 号报警排除，该轴的参考点设置完成。5 结语传统的具有A、B 信任号的编码器，由于它不能
16、兼顾辨论率和高速度，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 就克服了上述缺点，由于它将来自sin 和 cos 信号的角度转化成数字量，使它具有4000r/min的高速以及高达1 000000 脉冲转的辨论率，并通过内置电池记忆原点，串行输出位置值。参考文献：1FANUC公司 . AC Servo Motor is Series DescriptionsZ. 2003. 2PLC 技术网 . .3 张炳杰 . 加工中心回参考点故障几例J. 中国设备工程， 2003 ，（ 6 ）.4 颜声远，许彧青 . 数控机床人机界面设计原就初探Z. .作者简介：汤彩萍 1970 一，女，副教授，工程师。主要从事数控机床的设计工作和数控技术相关教案工作。可编辑资料 - - - 欢迎下载