FANUC 編碼器的研究與應(yīng)用

1、FANUC 編碼器的研究與應(yīng)用 湯彩萍（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，213164）摘要：編碼器性能的好壞決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。本文通過與常規(guī)的旋轉(zhuǎn)編碼器比較，詳細(xì)分析了應(yīng)用廣泛的FANUC編碼器的原理和在數(shù)控機(jī)床參考點(diǎn)返回中的應(yīng)用，并對(duì)采用FANUC系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上與編碼器相關(guān)的典型故障進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：編碼器；數(shù)控機(jī)床；FANUC；參考點(diǎn)返回；絕對(duì)值中圖分類號(hào)：TP21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004-0420(2008)03-0016-04Study on FANUC encoders and the applicationin CNC machinesTANG Cai ping(Chan

2、gzhou Institute of Mechatronic Technology， 213164)Abstract：Encoders play important role in CNC machines on which the machining accuracy depends. This article analyzes the operating principle of the widely used FANUC encoders by comparing with conventional encoders. How the encoders are used in CNC m

3、achine 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前言隨著數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)中的普及，作為精密位置測(cè)量元件的編碼器技術(shù)成為數(shù)控技術(shù)的重要組成部分。FANUC系統(tǒng)作為世界上使用率最高的數(shù)控系統(tǒng)，其伺服電機(jī)內(nèi)裝的編碼器及分立型的編碼器得到了廣泛的應(yīng)用。但FANUC的編碼器在

4、很多方面與常規(guī)的旋轉(zhuǎn)編碼器有許多獨(dú)特之處。本文詳細(xì)分析了FANUC編碼器的原理和應(yīng)用，并對(duì)數(shù)控機(jī)床上與編碼器相關(guān)的典型故障進(jìn)行了分析。1編碼器概述編碼器是將機(jī)械的直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字信號(hào)的機(jī)電一體化的傳感器。它由LED、碼盤、光欄板、光電元件、印制電路板等組成。主要有兩類：增量式和絕對(duì)式。1.1增量式編碼器其光電碼盤是在一塊玻璃圓盤上鍍上一層不透光的金屬薄膜（見圖1），然后在上面制成圓周等距的透光與不透光相間的條紋，光欄板（光電孔）上有兩組條紋A組和B組，彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距。當(dāng)光電碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線通過光欄板和碼盤產(chǎn)生明暗相間的變化，由光電元件接收，經(jīng)過電路板轉(zhuǎn)換成脈沖輸出信號(hào)。A、

5、B兩組條紋相對(duì)應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)彼此相差90°相位，用于辨別旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)光電碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)超前B信號(hào)90°，當(dāng)光電碼盤反轉(zhuǎn)時(shí)，B信號(hào)超前A信號(hào)90°。此外，在光電碼盤的里圈里還有一條透光條紋，用以每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖信號(hào)又稱1轉(zhuǎn)信號(hào)或零標(biāo)志脈沖，作為測(cè)量基準(zhǔn)。增量式編碼器的輸出通常為并行信號(hào)，如圖2所示。圖增量式編碼器工作原理示意圖 圖2增量式編碼器輸出信號(hào)增量式編碼器的A/B輸出的波形除了圖2所示的方波信號(hào)，還有一種類似正弦曲線的sin/cos曲線波形信號(hào)輸出，A與B相差1/4周期90度相位，如果A是類正弦sin曲線，那么B就是類余弦cos曲線，如

6、圖所示3。1.2絕對(duì)值編碼器增量式編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)器來(lái)知道其位置。當(dāng)編碼器停電時(shí)，存放在緩沖器或外部計(jì)數(shù)器中的數(shù)值將丟失。這說(shuō)明如果機(jī)床因下班或維修而被迫關(guān)機(jī)時(shí)，重新啟動(dòng)后，編碼器將無(wú)法知道其確切位置。解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)，緩沖器或計(jì)數(shù)器被清零，數(shù)控系統(tǒng)才知道確切的位置。在回過參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在數(shù)控機(jī)床控制中就有每次開機(jī)先回參考點(diǎn)的操作。但是機(jī)床的刀具在發(fā)生故障時(shí)通常還處于加工位置，與工件有直接接觸，有時(shí)甚至還處于工件的內(nèi)部（如鉆孔、攻螺紋等），為了安全地進(jìn)行過參考點(diǎn)動(dòng)作，必須首先手動(dòng)將刀具移出加工位置。如果此時(shí)刀具的指向與X，

7、Y，Z軸成一定角度（多軸機(jī)床），此項(xiàng)操作則變得尤其困難，往往要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。于是就有了絕對(duì)編碼器的出現(xiàn)。絕對(duì)值編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)，有與位置一一對(duì)應(yīng)的代碼（二進(jìn)制、BCD碼等）輸出，從代碼的變更即可判別正反方向和位移所處的位置，而無(wú)需判向電路。它有一個(gè)絕對(duì)零位代碼，當(dāng)停電或關(guān)機(jī)后再開機(jī)時(shí)，仍可準(zhǔn)確地讀出停電或關(guān)機(jī)位置的代碼，并準(zhǔn)確地找到零位代碼。絕對(duì)碼盤和輸出信號(hào)如圖4所示，高位絕對(duì)值編碼器通常采用串行輸出。圖3 增量式編碼器弦波輸出信號(hào)圖4 絕對(duì)值編碼器碼盤和輸出1.3編碼器的分辨率即編碼器工作時(shí)每圈輸出的脈沖數(shù)。增量式編碼器的原始分辨率按物理刻線數(shù)算（如1024線、2500線等等）；而絕對(duì)

8、式編碼器的分辨率按圈數(shù)算（2的N次方，折成線數(shù)一般在上萬(wàn)線）。增量式編碼器采用倍頻細(xì)分技術(shù)，獲得數(shù)控機(jī)床所需的更高的分辨率，用ppr表示（pulse per revolution）。一般說(shuō)來(lái)，方波最高只能做4倍頻率，更高的分頻要用增量脈沖信號(hào)是sin/cos類正余弦的信號(hào)來(lái)做，后續(xù)電路可通過讀取波形相位的變化，用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來(lái)細(xì)分，5倍、10倍、20倍，甚至100倍以上，分好后再以方波波形輸出。然而過高的分辨率將影響編碼器的最高轉(zhuǎn)速，這是因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)時(shí)編碼器能夠處理的頻率受到限制。2FANUC編碼器表1列出了幾種型號(hào)的FANUC生產(chǎn)的伺服電機(jī)內(nèi)裝編碼器，可以看出型號(hào)中帶字母“A”的為絕對(duì)值編碼

9、器（Absolute），帶字母“I”的為增量式編碼器（Incremental）。表2為FANUC編碼器輸出信號(hào)表。2.1FANUC編碼器本質(zhì)上是增量式編碼器表1中128iA為分辨率為131072 ppr的絕對(duì)值編碼器，而在大約直徑40mm的玻璃盤上刻劃131072個(gè)邏輯碼道是不可想象的。通過拆裝128iA編碼器，發(fā)現(xiàn)其碼盤屬增量式，且原始物理刻線是2048線（2的11次方，11位），分辨率并不很高。原來(lái)，F(xiàn)ANUC的增量值編碼器內(nèi)部先通過電子細(xì)分，再由電池記憶而成為“絕對(duì)值”的，而并非每個(gè)位置有一一對(duì)應(yīng)的代碼表示，因此也稱為偽絕對(duì)值編碼器。2.2FANUC編碼器內(nèi)部含sin/cos信號(hào)細(xì)分電路

10、FANUC增量編碼器輸出信號(hào)為sin/cos類正余弦信號(hào)。通過16倍（2的4次方，4位）細(xì)分，得到15位ppr，再次4倍頻（2的2次方，2位），得到了17位（Bit）的分辨率，即131072 ppr。這就是有些日系編碼器的17位高位數(shù)編碼器的由來(lái)。2.3FANUC編碼器信號(hào)為串行輸出從圖5可以看出，表1中FANUC編碼器并沒有輸出常見的并行六脈沖信號(hào)，而只有兩根信號(hào)線RD、*RD。這是串行輸出，編碼器和伺服放大器之間是有通訊協(xié)議的，為串行編碼器。+5 V、0 V為編碼器的工作電源，F(xiàn)G、+6 V為備份電池線，如不聯(lián)，則該編碼器還是增量式編碼器。3在返回參考點(diǎn)中的應(yīng)用參考點(diǎn)返回的實(shí)質(zhì)是找尋編碼器

11、的零標(biāo)志脈沖信號(hào)，這通過參考計(jì)數(shù)器產(chǎn)生柵格信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.1FANUC的編碼器當(dāng)作增量式用時(shí)，有擋塊回零當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)檢測(cè)到電機(jī)1轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的參考計(jì)數(shù)器被清零。此后，參考計(jì)數(shù)器就成為一個(gè)環(huán)行計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器對(duì)移動(dòng)指令脈沖計(jì)數(shù)到參考計(jì)數(shù)器設(shè)定的值（電機(jī)1轉(zhuǎn)的移動(dòng)量）時(shí)被復(fù)位，隨著一轉(zhuǎn)信號(hào)的出現(xiàn)產(chǎn)生一個(gè)柵格點(diǎn)。當(dāng)減速撞塊壓下減速開關(guān)時(shí)，電機(jī)減速到回參考點(diǎn)低速運(yùn)行，撞塊釋放減速開關(guān)后，電機(jī)在下一個(gè)柵格點(diǎn)停止，產(chǎn)生一個(gè)回參考點(diǎn)完成信號(hào)，參考位置被復(fù)位，如圖5所示。圖5 FANUC參考點(diǎn)返回示意圖3.2FANUC的編碼器當(dāng)作絕對(duì)值編碼器用時(shí)，無(wú)擋塊回零使用絕對(duì)檢測(cè)反饋元件的機(jī)床第一次返回參考點(diǎn)時(shí)，

12、首先數(shù)控系統(tǒng)與絕對(duì)式檢測(cè)反饋元件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以建立當(dāng)前的位置，并計(jì)算當(dāng)前位置到機(jī)床參考點(diǎn)的距離及當(dāng)前位置到最近柵點(diǎn)的距離，將計(jì)算值賦給計(jì)數(shù)器，柵點(diǎn)被確立。4故障分析與排除從以上分析可以看出只要有備份電池，F(xiàn)ANUC編碼器就可以充當(dāng)絕對(duì)值編碼器用。因此發(fā)生電池電壓低報(bào)警時(shí)應(yīng)及時(shí)更換新電池。診斷參數(shù)201204有助于分析編碼器故障。當(dāng)使用絕對(duì)編碼器的電機(jī)時(shí)，發(fā)生各軸參考點(diǎn)丟失（因電池用完）、或聯(lián)軸器拆卸、或伺服電機(jī)插頭在斷電情況下被拆除后，引起參考點(diǎn)位置變更；Z軸參考點(diǎn)變化將引起換刀點(diǎn)隨之改變，必須重新確定換刀點(diǎn)。此時(shí)屏幕將出現(xiàn)“300 APC報(bào)警：n軸需回零”報(bào)警信息，并且參數(shù)1815#4(AP

13、Z)所對(duì)應(yīng)的n軸的參數(shù)為0。1815#4(APZ)=1表示無(wú)擋塊回參考點(diǎn)；1815#5(APC)=1表示使用絕對(duì)值編碼器。以下為X軸參考點(diǎn)丟失時(shí)消除300號(hào)報(bào)警的方法舉例：a.選擇操作面板上的HANDLE按鈕；b.在MPG手脈盒上選擇需重設(shè)參考點(diǎn)的軸；c.在MDI鍵盤上選擇POS鍵，再按軟鍵+-MONI，出現(xiàn)負(fù)載表；d.用手輪沿該軸的負(fù)方向移動(dòng)機(jī)床軸，同時(shí)觀察該軸對(duì)應(yīng)的負(fù)載表，移動(dòng)該軸直至其負(fù)載明顯增大（80%以上）、或者出現(xiàn)“409轉(zhuǎn)矩限制（負(fù)載異常）”報(bào)警。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，應(yīng)注意盡量緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)手輪；e.在MDI鍵盤上選擇POS鍵，按軟鍵相對(duì)，輸入X，再按軟鍵歸零；f.用步驟D的同樣方法沿該軸的

14、正方向移動(dòng)機(jī)床軸，同時(shí)觀察該軸對(duì)應(yīng)的負(fù)載表，移動(dòng)該軸直至其負(fù)載明顯增大（80%以上）、或者出現(xiàn)“409轉(zhuǎn)矩限制（負(fù)載異常）”報(bào)警；g.用該軸當(dāng)前位置的相對(duì)坐標(biāo)值A(chǔ)減去該機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)行程a，再將所得差值除以2得數(shù)值B，即：B=(A-a)/2;(請(qǐng)注意：B>0，即A>a，否則以上操作肯定有不當(dāng)之處)；h.用步驟e的同樣方法，將該軸當(dāng)前位置的相對(duì)坐標(biāo)系值設(shè)為0；i.用手輪將該軸移動(dòng)到相對(duì)坐標(biāo)為-B的位置：j.在MDI方式下，將該軸參數(shù)1851#5（APC）設(shè)為1。按照提示，關(guān)閉系統(tǒng)電源，重新開機(jī)后，300號(hào)報(bào)警消除，該軸的參考點(diǎn)設(shè)置完成。5 結(jié)語(yǔ)傳統(tǒng)的具有A、B相信號(hào)的編碼器，由于它不能兼顧分辨率和高速度，且信號(hào)線太多，從而影響了高精度、高速度的伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。而日本FANUC公司生產(chǎn)的脈沖編碼器則克服了上述缺點(diǎn)，由于它將來(lái)自sin和cos信號(hào)的角度轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，使它具有4000 r/min的高速