光柵尺和編碼器檢測在數控設備維護中的應用研究

王雷飛，童立信，薛一剛，常喜萍，高 博

（第一拖拉機股份有限公司大拖公司，河南洛陽 471003）

0 引言

隨著智能制造技術的不斷發展，生產加工過程對數字化、自動化及智能化程度的要求也越來越高。自動化程度及加工精度已處于行業領先水平，公司兩條德國惠樂希樂18 臺臥式加工中心組成的全自動箱體加工生產線，以及由森精機、德瑪吉、BW 等40 余臺大型數控加工中心機床柔性加工生產線，其設備進口率已占全車間的95%以上，所使用的的系統涵蓋了西門子、發那科、海德漢、三菱等眾多知名數控系統，高精度、滿負荷的加工作業對數控設備的測量檢測系統的要求極高。

光柵尺、編碼器是高精度的位置反饋裝置和設備運行的檢測裝置。如果光柵尺或者編碼器出現問題，設備就會產生報警，停止正常工作。由于維修檢測系統的手段有限，往往只能通過簡單的清理或更換工作恢復設備的正常運轉。對于出現故障的光柵尺或編碼器故障無法準確判斷，造成大量的無效勞動，甚至由于判斷錯誤等待訂購備件，造成設備停機。因此急需開發一種能線上、線下快速檢測光柵尺或編碼器的故障診斷方法，能夠準確判定故障點，避免無效勞動、節省維修時間、節約備件費用，保持加工生產線有效的開動率，這一技術在維修系統中推廣應用就顯得尤為重要。

1 技術方案

利用PWM20 海德漢檢測儀，開發一套適合公司數控設備的光柵尺和角度編碼器（圓光柵）故障診斷的軟件系統，能夠有效地檢測到設備的狀態、故障點、故障原因、失效元器件等診斷因素，通過診斷軟件的開發，同時制定一套有效的維護與維修技術方法，完成對設備的維護與維修，快速處置故障，使光柵尺和角度編碼器（圓光柵）系統進入工作狀態，設備處在正常工作狀態，保持加工生產的正常運轉，提高勞動生產效率。系統檢測流程如圖1 所示。

圖1 系統檢測流程

2 研究過程和取得的效果

2.1 PWM20 海德漢檢測儀在維修系統中的推廣應用

目前高精度的機床轉臺一般配有海德漢的角度編碼器（圓光柵）和光柵尺。增量式的編碼器有1Vpp、TTL 信號，這些可以用傳統的示波器分析信號。但是對于海德漢研發的Endat 絕對值信號，除了海德漢自家公司的儀器市場上是沒有檢測手段的（除非直接聯接系統看報警信息）。對于1 Vpp 信號PWM20 可以看到A 或B 幅值具體數據、參考點信號、相位角、信號周期等。Endat信號可以看到位置值數據、脈沖數、報警信息、信號質量百分百、錯誤信息復位、精度誤差等。對于LB382C/LC281/LC291F/LC291M 等鋼帶式光柵尺還可以做拉伸計數。西門子、力士樂等伺服電機調相位角都可以用PWM20 實現，具體就是把原來編碼器的數據復制下來通過PWM20 海德漢檢測儀粘貼到新編碼器里。當然，ATS 還有很多強大的維修檢測功能。

在機械加工過程中，設備在出現編碼器報警或找不到位置信息時多是角度編碼器或光柵尺出現了故障，通常反映在主軸編碼器、伺服電機編碼器或各個坐標軸光柵尺。在無法借助專業檢測工具對故障編碼器或光柵尺進行專業診斷時，通常只是對角度編碼器和光柵尺進行拆卸清理再安裝，因為普遍的認知是工作環境臟污、讀數頭臟污、或編碼器碼盤破碎導致故障的產生，然而拆卸清理再安裝后的角度編碼器或光柵尺其實存在很大的風險，清理過程和安裝過程均對光柵有著極高的要求，光柵的使用地點一般都處于嚴密的防護罩之內，拆裝過程均耗時耗力，而且還沒有十足的把握，事實證明這樣的手段無法從根本上找準故障原因，特別是使用圓光柵的工作臺，拆裝更是投入更多的人力、物力。有的經過拆裝，發現并非編碼器或光柵尺的故障；更有拆完了光柵尺或編碼器進行訂貨，待備件到貨時發現并不是所判斷的故障，造成了很大浪費。此時，將PWM20 海德漢檢測儀引入維修系統就能有效改善目前在光柵維修工作中的局限性，填補公司在這項技術方面的空白。通過多項對比就能發現，PWM20 海德漢檢測儀在維修工作中的便利（表1）。

表1 使用PWM20 海德漢檢測儀的優勢

2.2 PWM20 海德漢檢測儀系統功能

公司引進PWM20 海德漢檢測儀，專門用于光柵尺與編碼器的維修工作。PWM20 海德漢檢測儀作為目前行業先進的檢測儀器，這為光柵尺與編碼器的維修提供了強力保障。檢測儀具備下述功能：

（1）在維修診斷過程中通過輸入故障光柵尺或編碼器的ID進行自動編碼器識別。

（2）在環境臟污或銘牌丟失的情況，如果無法識別編碼器類型（ID 標簽丟失或難以辨認），或者編碼器不在ATS 數據庫中，可以手工輸入編碼器數據，進行數據檢測。

（3）顯示功能。能進行位置顯示、增量信號顯示、編碼器內存顯示、編碼器存儲內容的比較及電壓顯示等，幫助進行詳細故障診斷。

（4）在線診斷技術，診斷絕對/增量偏差，可以在線進行故障診斷，避免傳統的拆卸、安裝、實驗的方法，節省大量的人力、物力。

（5）安裝向導功能。對于光柵尺或編碼器，在安裝時通過信號，可以確定安裝位置是否正確，并能指導安裝位置是否滿足要求，方便安裝調整工作。

（6）數據重寫和存儲功能。對于錯誤的數據進行修改，并能把正常的數據進行存儲，進行數據比較。

（7）檢測儀能滿足西門子、海德漢、發那科、三菱等多種接口的光柵尺及編碼器的檢測功能，涵蓋了公司所有的數控系統。

2.3 檢測儀用于解決生產實際中數控設備疑難故障情況

（1）光柵尺型號和ID 號確定：2019 年7 月，公司的一臺五軸聯動進口加工中心DMU 160 在工作中Y 軸經常出現位置誤差大報警，導致Y 軸不能工作。經檢測是光柵尺測頭損壞，但由于光柵頭的標簽丟失，沒有型號和訂貨I D 號，設備制造廠也無法提供，不能進行訂貨，設備不能運行。通過PWM 20 對光柵尺進行自動識別，確定型號為LC 481 /20 μm，訂貨I D 號為353703-31，順利訂到備件，保證了生產。

（2）特別定制編碼器的替代：有些廠家為了自己的利益，對一些編碼器進行特別定制，如從美國進口的一臺加工中心，使用的是西門子伺服電機。在判斷刀庫電機編碼器損壞向編碼器制造廠購買時，被告知屬設備制造廠定制產品，需向設備廠家購買，而設備廠家報價為正常的5 倍之多，且周期為一般定貨的2 倍多。經過使用PWM 20，在安裝尺寸相同的類型編碼器中查找接近的編碼器，通過對幅值、相位角、頻率、脈沖數量的檢測和對比工作，找到了相似的編碼器，順利替代成功。不僅拓寬了備件訂貨的渠道，而且擺脫了設備廠家的技術封鎖。

（3）圓光柵數據丟失的找回：圓光柵一般用于數控設備旋轉工作臺的位置信號檢測，其測量反饋信號直接影響設備能否正常加工。公司有一臺NBH 800 型臥式加工中心，其B 軸采用圓光柵的檢測方式，設備在加工過程中頻繁出現B 軸編碼器報警，無法正常加工，對其工作臺進行吊出檢修，檢查圓光柵時發現編碼器線發生了磨損破皮的情況，更換編碼器線后進行試機發現找不到位置、B 軸抖動、懷疑圓光柵的數據丟失，求助設備廠家后被告知，此故障只能通過圓光柵的廠家進行服務。但服務人員無法趕赴現場。通過對另外設備使用PWM 20 進行數據讀取、保存；對這臺壞的編碼器進行數據比較，修改數據，數據傳輸，使這臺圓光柵順利修復。

2.4 將維修使用方法進行成果固化，納入數控設備維修工藝

PWM 20 海德漢檢測儀作為全新的維修儀器，其工作原理與使用方法需要更多地維修人員掌握，這項測試軟件填補了在光柵尺和編碼器維修上的技術空白。對此進行軟件的推廣使用及培訓工作，先后解決公司德瑪吉Y 軸無法移動問題、辛辛那提光柵尺替代問題及自動線工作臺圓光柵數據丟失問題等影響生產的數控設備疑難故障。

3 結束語

隨著數控設備不斷更新與發展，傳統的維修手段已經不能滿足越來越多的故障類型維修的需要，沒有專業的檢測儀器與手段，會在設備故障的準確判斷上走彎路，浪費時間、消耗費用，浪費人力。目前PWM 20 海德漢檢測儀在公司使用效果良好，能完美匹配目前所使用的數控系統與故障類型，打破了以前只能依靠更換光柵尺與編碼器解決故障的維修思路，節省維修時間的同時也節約了維修成本，與企業提倡的降本增效思路是一致的。