主軸編碼器的工作原理及常見故障分析

摘 要：本文介紹了主軸編碼器在數控車床上的作用、工作原理以及常見故障和解決方法。

關鍵詞：數控車床 主軸編碼器 數控故障

一、主軸編碼器的作用和工作原理

主軸編碼器采用與主軸同步的光電脈沖發生器，通過中間軸上的齒輪1∶1地同步傳動。數控車床的車螺紋加工時，為了滿足切削螺距的需要，要求主軸每轉一周，刀具準確地移動一個螺距（導程）。系統通過主軸編碼器的反饋脈沖信號實現主軸旋轉與進給軸的插補功能，完成主軸位置脈沖的計數與進給同步控制。此外，主軸編碼器還可實現恒線速度切削控制。

光電脈沖發生器的原理如圖1所示。在漏光盤上，沿圓周刻有兩圈條紋，外圈為圓周等分線條，例如：1024條，作為發送脈沖用，內圈僅1條。在光欄上，刻有透光條紋A、B、C，A與B之間的距離應保證當條紋A與漏光盤上任一條紋重合時，條紋B應與漏光盤上另一條紋的重合度錯位1/4周期。在光欄的每一條紋的后面均安置光敏三極管一只，構成一條輸出通道。

圖1 光電脈沖發生器的原理圖

燈泡發出的散射光線經過聚光鏡聚光后成為平行光線，當漏光盤與主軸同步旋轉時，由于漏光盤上的條紋與光欄上的條紋出現重合和錯位，使光敏管受到光線亮、暗的變化，引起光敏管內電流大小發生變化，變化的信號電流經整流放大電路輸出矩形脈沖。由于條紋A與漏光盤條紋重合時，條紋B與另一條紋錯位1/4周期，因此 A、B兩通道輸出的波形相位也相差1/4周期。

脈沖發生器中漏光盤內圈的一條刻線與光欄上條紋C重合時輸出的脈沖為同步（起步，又稱零位）脈沖。利用同步脈沖，數控車床可實現加工控制，也可作為主軸準停裝置的準停信號。數控車床車螺紋時，利用同步脈沖作為車刀進刀點和退刀點的控制信號，以保證車削螺紋不會亂扣。

主軸編碼器一般與主軸采用1∶1齒輪傳動且采用同步帶連接，編碼器為1024脈沖／轉，經過系統４倍頻電路得到4096個脈沖。其信號及連接如圖2所示。

二、主軸編碼器常見故障及處理

1.不執行螺紋加工的故障及處理

系統工作原理：數控車床螺紋加工的工作原理是主軸旋轉與Ｚ軸進給之間的插補。當執行螺紋加工指令時，系統得到主軸位置檢測裝置發出的一轉信號后開始進行螺紋加工，根據主軸的位置反饋脈沖進行Z軸的插補控制，即主軸轉一周，Z軸進給一個螺距或一個導程。

圖2 主軸位置編碼器信號及接線

產生故障的原因：

（1）主軸編碼器與系統之間的連接不良。

（2）主軸編碼器的位置信號PA、＊PA、PB、＊PB不良或連接電纜斷開。

（3）主軸編碼器的一轉信號PZ、＊Z不良或連接電纜斷開。

（4）系統或主軸放大器故障。

故障處理：對于故障產生原因（1），可通過檢查連接電纜接口及電纜的校線查到故障并修復。對于故障產生原因（2），可通過系統顯示裝置上是否有主軸速度顯示來判別，如查無主軸速度顯示則為該類故障。對于故障產生原因（3），可通過加工指令G99（每轉進給加工）和G98（每分進給加工）切換來判別，如果G98進給切削正常而G99進給不執行，則為該類故障。如果以上故障都排除，則為系統本身故障，即系統存儲板或主板故障。

2.加工時出現“亂扣”的故障及處理

系統工作原理：一般的螺紋加工要經過幾次切削才能完成，每次重復切削時，開始進刀的位置必須相同。為了保證重復切削不亂扣，數控系統在接收主軸編碼器中的一轉信號后才開始螺紋切削的計算。

產生故障原因及處理：當系統得到的一轉信號不穩時，就會出現“亂扣”現象。產生故障的原因是主軸編碼器的連接不良、主軸編碼器的一轉信號或信號電纜不良、主軸編碼器內部有臟東西或編碼器本身不良。如果以上故障排除后系統還亂扣，則需要檢查系統或主軸放大器。

3.螺紋加工出現螺距不穩故障及處理

系統工作原理：數控車床螺紋加工時，主軸旋轉與Z軸進給時進行插補控制，即主軸轉一周，Z軸進給一個螺距或一個導程。

產生故障原因如下。

（1）如果產生螺距誤差是隨機的：產生故障的可能原因是主軸編碼器連接不良、主軸編碼器內部太臟、Z軸位置編碼器不良、Z軸電動機與Z軸連接松動。

（2）如果產生螺距誤差是固定的：可能原因是主軸編碼器與主軸連接的傳動比設定錯誤或系統軟件不良。

（作者單位：許昌市高級技工學校）