伺服与运动控制技术答疑

《伺服与运动控制》技术答疑

2013年4月

李方园

【问题1】什么是编码器的长线驱动？普通型编码器能否远距离传送？请举例说明。

【解答】

长线驱动也称差分长线驱动，5V或TTL的正负波形对称形式，由于其正负电流方向相反，对外电磁场抵消，故抗干扰能力较强。

普通型编码器一般传输距离是100米，如果是24V HTL型且有对称负信号的，传输距离300-400米。

图1所示为Hlperface编码器的长线驱动接线示意，表1为其端子定义。

图1 编码器的长线驱动接线示意

表1 编码器端子定义

【问题2】增量型编码器和绝对型编码器有何区别？做一个伺服系统时怎么选择呢？

【解答】

常用的为增量型编码器，如果对位置、零位有严格要求用绝对型编码器。

伺服系统要具体分析，看应用场合。测速度用常用增量型编码器，可无限累加测量；测位置用绝对型编码器，位置唯一性（单圈或多圈），最终看应用场合，看要实现的目的和要求。

【问题3】选用绝对型编码器应注意哪些事项？

【解答】

A．机械部分:

1.测长度还是测角度，测长度如何通过机械方式转换(在上面有一些介绍，如不清楚可来电讨论)。测角度是360度内(单圈)，还是可能过360度(多圈)。生产过程是一个方向旋转循环工作，还是来回方向循环工作。

2.轴连接安装形式，有轴型通过软性联轴器连接，还是轴套型连接。

3.使用环境：要注意粉尘、水气、震动、撞击。

B．电气部分

1.需要确定连接的输出接收部分是什么。

2. 需要确定信号形式。

3. 需要确定分辨率要求。

4. 需要确定控制要求。

【问题4】一个圆盘，分50个点，要实现定位控制，转速很慢，是要用到绝对型编码器吗？怎么找原点呢？50个位置定位是360度均匀等分吗？

【解答】

绝对编码器的编码都是2的幂次方，没有360度均匀50等分的，要近似，看精度要求有多高，选多高线数的编码器，如果精度要求不是太高的话，用8位256线的就可以了。编码器的每个位置都有唯一编码，编码为零的就可以作为零点，也可以任意位置定义为零，其他位置与其比较计算。

如果可以用参考点的话，也可以用增量式的，因速度慢，应该选3000线或以上的，每圈一个零位。

【问题5】光电编码器、光学电子尺和静磁栅绝对编码器的优缺点是什么？

【解答】

光电编码器：

1、优点：体积小，精密，本身分辨度可以很高(目前我公司通过细分技术在直径φ66的编码器上可达到54000cpr) ，无接触无磨损；同一品种既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移；多圈光电绝对编码器可以检测相当长量程的直线位移(如25位多圈)。寿命长，安装随意，接口形式丰富，价格合理。成熟技术，多年前已在国内外得到广泛应用。

2、缺点：精密但对户外及恶劣环境下使用提出较高的保护要求；量测直线位移需依赖机械装置转换，需消除机械间隙带来的误差；检测轨道运行物体难以克服滑差。

光学电子尺：

1、优点：精密，本身分辨度较高（可达到0.005mm）；体积适中，直接测量直线位移；

无接触无磨损，测量间隙宽泛；价格适中，接口形式丰富，已在国内外金属切削机械行业得到较多应用（如线切割、电火花等）。

2、缺点：测量直线和角度要使用不同品种；量程受限制（量程超过4m，生产制造困难价格昂贵），不适于在大量程恶劣环境处实施位移检测。

静磁栅绝对编码器：

1、优点：体积适中，直接测量直线位移，绝对数字编码，理论量程没有限制；无接触无磨损，抗恶劣环境，可水下1000米使用；接口形式丰富，量测方式多样；价格尚能接受。

2、缺点：分辨度1mm不高；测量直线和角度要使用不同品种；不适于在精小处实施位移检测（大于260毫米）。

【问题6】图2所示的FTC-30 数控车床在加工过程中出现414# 、410# 报警，动力停止。关闭电源再开机，X 轴移动时机床振颤，后又出现报警并动力停止。请问该如何处理？

图2 FTC-30 数控车床

【解答】

查系统维修手册，报警信息为伺服报警、检测到 X 轴位置偏差大。根据现象分析，认为可能有以下原因 :

(1) 伺服驱动器坏 ;

(2)X 轴滚珠丝杠阻滞及导轨阻滞。

针对原因 (1)，调换同型号驱动器后试机，故障未能排除。

针对故障（2)，进入伺服运转监视画面，移动轴观察驱动器负载率，发现明显偏大，达到 250%-300%。判断可能为机械故障。拆开 X 轴防护罩，仔细检查滚珠丝杠和导轨均未发现异常现象。机床 X 轴水平倾斜45o 安装，应有防止其下滑的平衡块或制动装置，检查中未发现平衡块，但机床说明书电器资料，显示PMC 确有 X 轴刹车释放输出接点，而对比同型机床该接点输出正常。检查机床厂设置的I/0 转接板，该点输出继电器工作正常，触点良好，可以输出 110V 制动释放电压。据此可断定制动线圈或传输电缆有故障。断电后，用万用表检测制动线圈直流电组及绝缘良好，两根使用的电缆中有一根已断掉。更换新的电缆后开机试验，一切正常。

此故障虽然是有系统报警，但直接原因却是电缆断线。这一故障并不常见机床厂家在安装整机时处理不当或电器件压接不牢靠通常却都能引起一些故障而此类故障分析查找原因较麻烦。

【问题7】某Fanuc系统的数控机床出现Y轴速度异常，05＃、07＃和37＃报警，请问如何处理？

【解答】

故障检查及分析：查FANUC-BESK 7M系统维修手册，05＃系统急停车信号接通；07＃系速度控制单元报警；37＃系Y轴位置控制偏移过大。

从维修手册中看，05＃报警是由紧急停车造成，排除其报警并不困难，对于07＃报警，维修手册指出：任意一轴的速度控制单元处于报警条件，或电机电源线的接触器断路，产生该报警。可考虑下列原因：

①电机过载：

②速度控制的电源变压器过热；

③速度控制电源变压器的电源保险丝断；

④在控制部分电源输入端子板上，接线座Xl的EMGI N1和EMGI N2之间的触点开路；

⑤在控制部分电源输入支架上，交流100V保险丝（F5）断；

⑥连接速度控制单元与控制部分之间的信号电缆断开或从触头中脱落；

⑦由于某种原因其它伺服机构报警，电机电源线上的接触器（MCC）断开。

经过对以上7项的宏观分析，认为07＃报警与05＃均是由于Y轴速度异常之后，采用紧急停车手段所引起。因此，把检查的重点放在37＃报警上。

从维修手册上看，37＃报警有两条原因：①伺服电机电源线断线；②位置检测器和伺服电机之间的连线松动。

分析原因①，伺服电机有转速，说明电源线未断。与此同时，又将位置控制环内的偏移补偿量调到CRT显示器上，与正常值进行比较，也无异常。从而排除了Y轴位置偏移量过大的问题。

对于②，根据“先外后内”的维修原则，用分段判定法对NC系统的01 GN 710位置控制器进行了详细的检查，具体步骤如下：

①根据X、Y、Z三个伺服驱动系统的结构和参数完全一致的特点，将Y、Z两个伺服驱动系统的NC中位置控制器的连线XC（Z轴）和XF（Y轴）以及测速反馈线XE（Z轴）与XH （Y轴）对调，即在机床控制中，用Y轴信号控制Z轴，用Z轴信号控制Y轴，以检查NC 系统的好坏。调换后故障依然存在，说明NC系统无故障；

②将标准电柜中Y、Z伺服驱动系统进行对调，即用Z轴控制信号去驱动Y轴，故障同样存在，又排除了伺服驱动系统的问题，将故障范围缩小到Y轴直流伺服电机中。

拆开直流伺服电机，发现测速发电机与伺服电机之间的连接齿轮松动。由于在自动控制系统中测速发电机是一种产生加速或减速信号和对旋转机械作恒速控制的元件。故它与伺服电机之间的连接松动便造成对恒速控制不准，甚至对CNC产生加速信号，从而造成Y轴速度异常。

处理方法：将其连接齿轮紧固，故障排除。

【问题8】图3所示的JCS一018加工中心交流主轴12＃报警，请问如何处理？

1-X轴的直流伺服电动机 2-换刀机械手 3-数控柜 4-盘式刀库 5-主轴箱6-操作面板 7-驱动电源柜 8-工作台 9-滑座 10-床身

图3 JCS一018加工中心

【解答】

查JCS一018加工中心交流主轴系统明书知：主轴12＃报警为直流电路电流过大，故障原因有如下三种情况：①输出端或电机绕组短路；②功率晶体管不良；③印刷板故障。

在确认输出端或电机绕组无短路的情况下，断开电源，检查晶体管组件，检查方法如下：打开印刷板，拆去电机动力线，用万用表xl0Ω档检查晶体管组件的集电极（C1 C2）和发射极（E1 E2）之间；集电极（C1 C2）和基极（B1 B2）之间以及基极（B1 B2）和发射极（E1 E2）之间的电阻值。晶体管组件损坏时，C-E；C-B之间成短路状态，检查发现Cl-El之间短路，即晶体管组件已烧毁。

为确定故障源，又对印刷板上晶体管回路进行了检查。检查情况如下：①将直流耦合熔断器F7拆下，合上交流电源，输入正转指令。②测定8个晶体管（型号为ET191）U、V、W 相再生回路的基极-射极电压（CN6，CN7上测量）。

以发射极为基准，测量B-E正常值一般在2V左右，有问题的回路与正常回路不同，发现了就可以判定。检查1C-1B之间为短路，即C-B极击穿。同时二极管D27也击穿。在更换上述部件后，主轴报警变为19＃报警。查阅有关资料知：AL-19报警为U相电流检测电路偏置过流报警。

对控制回路的电源进行检查，检查印刷电路板上电源测试端子19A-CT为AC19V；19B- CT 为AC19V；交流输入电源正常。直流输出+24V，+15V，+5V正常，而-15V电压为“0”。说明三端稳压管7915电源异常，检查7915端压管已被击穿。

解决方法：更换7915后，-15V输出电压正常，主轴AL-19报警消除。同时，主轴AL-12＃报警答也消除，机床恢复正常。