检测装置故障的诊断方法

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分，它的作用是检测位置、位移和速度，向控制装置发送反馈信号，构成闭环控制。若检测装置所测量的对象就是被测量本身，例如，直线式检测装置测量直线位移，旋转式检测装置测量角位移，则该测量方式称为直接测量。典型的检测装置有光栅尺、感应同步器或磁尺，以及用编码器测主轴的旋转。图10.2光栅尺定尺的测长方向上有两组光栅线轨迹，主光栅线和每隔50 mm一组的基准标记光栅线。

检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分，它的作用是检测位置、位移和速度，向控制装置发送反馈信号，构成闭环控制。闭环数控机床的加工精度主要由检测环节的精度决定，检测环节的精度通过分辨率来体现，分辨率是位置检测装置所能检测到的最小移动单位。分辨率越小，说明检测精度越高，它不仅取决于检测元件本身，也取决于测量电路。

测量方式分为直接测量和间接测量。若检测装置所测量的对象就是被测量本身，例如，直线式检测装置测量直线位移，旋转式检测装置测量角位移，则该测量方式称为直接测量。典型的检测装置有光栅尺、感应同步器或磁尺，以及用编码器测主轴的旋转。若旋转时检测装置测量的回转运动只是中间值，由它再推算出与之相关联的工作台的直线位移，那么该测量方式称为间接测量。

目前数控机床上用得较多的为直线光栅尺和光电编码器，因此，本节对其他类型的测量装置不再介绍。

10.5.1　直线光栅尺的工作原理

（1）光栅尺的结构

光栅尺是在玻璃或金属基体上均匀地刻画很多等节距的条纹而制成的。它的制作工艺是在一块长形玻璃上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用照相腐蚀法制成等节距的透光和不透光相间的条纹，这些线纹与运动方向垂直，线纹间距离为栅距。

光栅尺由定尺（标尺光栅）和扫描头（指示光栅）组成，如图10.2所示。当数控机床的坐标轴移动时，使其定尺和扫描头相对运动。由于动尺与指示光栅的位置有一定的角度，这种相对运动产生了莫尔效应，将位置移动量转化成亮暗相间的光的摩尔条纹移动，再由光电转化成数字量的电信号。

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图10.2　光栅尺

定尺的测长方向上有两组光栅线轨迹，主光栅线和每隔50 mm一组的基准标记光栅线。这使得光栅尺起到两个作用：一是当轴移动时由主光栅线产生两组相位相差90°的正弦和余弦的电信号，用于决定轴的移动方向和位移量；二是当轴回零点时，由基准标记线产生一个基准信号，以确定机床的机床零点。主光栅所产生的两组位置信号还要经过一个放大整形和插值倍频的专门装置，使其转变成一系列位置数字脉冲。

（2）信号处理电路

1）输出信号

增量式旋转测量装置或直线测量装置的输出信号有两种形式：一是电压或电流正弦信号，其中EXE为脉冲整形插值器；二是TTL电平信号。

机床在运动过程中，从扫描单元输出三组信号：两组增量信号由4个光电池产生，将两个相差180°的光电池接在一起，它们推挽就形成了相位差90°、幅值为11 μA左右的Ie1和Ie2两组近似正弦波；另一组基准信号也由两个相差180°的光电池接成推挽形式，输出为一尖峰信号Ie0，其有效分量为5.5 μA，此信号只有经过基准标志时才会产生。所谓基准标志，是在光栅尺外壳上装有一块磁铁，在扫描单元上装有一只干簧管，在接近磁铁时，干簧管接通，基准信号才能输出。

两组增量信号Ie1、Ie2经传输电缆和接插件进入EXE，经放大、整形后，输出两路相差90°的方波信号Ua1、Ua2及参考信号Ua0，这些信号经适当组合处理，即可在一个信号周期内产生5个脉冲，即5倍频处理，经连接器送至CNC位控模块。

2）EXE信号处理

如图10.3所示，脉冲整形插值器EXE的作用是将光栅尺或编码器输出的增量信号Ie1、Ie2和Ie0进行放大、整形、倍频和报警处理，输出至CNC进行位置控制。 EXE由基本电路和细分电路组成。

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图10.3　信号处理过程

基本电路印制电路板内含通道放大器、整形电路、驱动和报警电路等，细分电路作为一种任选功能单独制成一块线路板，两板通过J3连接器连接。

①通道放大器

当光栅检测产生正弦波电流信号Ie1、Ie2和Ie0后，经通道放大器，输出一定幅值的正弦电流电压。

②整形电路(https://www.chuimin.cn)

在对Ie1、Ie2和Ie0放大的基础上，经整形电路转换成与之相对应的三路方波信号Ua1、Ua2及Ua0，其TTL高电平不低于2.5 V，低电平不高于0.5 V。

③报警电路

当光栅由于输入电缆断裂、光栅污染或灯泡损坏等原因，造成通道放大器输出信号为零，这时，报警信号经驱动电路驱动后，由连接器J2输出至CNC系统。

④细分电路

在某些精度要求很高的数控机床，如数控磨床的位置控制中，要求位置测量有较高的分辨率，如仅靠光栅尺本身的精度是不能满足的，因此，必须采用细分电路来提高分辨率，以适应高精度机床的需要：基本电路通道放大器的输出信号经连接器J3接入细分电路，经细分电路处理后，又通过连接器J3输出在一个周期内两路相差90°、占空比为1∶1的细分方波信号。这两路方波信号经基本电路中的驱动电路驱动后，即为对应的Ua1、Ua2通道信号，由连接器J2输出至CNC系统。

另外，同步电路的目的是获得与Ua1和Ua2两路方波信号前后沿精确对应的方波参考脉冲。

10.5.2　位置检测元件的维护

（1）光栅尺的维护

光栅尺本身具有一定的防护措施，有的需要给尺盒里面通入洁净的气源，保持尺内气压大于外部气压，防止潮气进入，由于机床是在生产线上，限于现场的生产环境及机床本身的加工条件（如高压力的切削液等），还需做好维护工作。其维护工作包括以下两点：

1）防污

光栅尺由于直接安装于工作台和机床床身上，因此，极易受到冷却液的污染，从而造成信号丢失，影响位置控制精度。

①冷却液在使用过程中会产生轻微结晶，这种结晶在扫描头上形成一层薄膜且透光性差，不易清除，故在选用冷却液时要慎重。

②加工过程中，冷却液的压力和流量过大，容易形成大量的水雾，会污染光栅尺。

③光栅尺最好通入低压空气，以免扫描头运动时形成的负压将污物吸入光栅，压缩空气必须净化，滤芯保持洁净并定时更换。

2）防振

光栅尺拆装时要用静力，不能用硬物敲击，以免引起光学元件的损坏。

（2）光电脉冲编码器的维护

光电脉冲编码器是在一个圆盘的边缘上开有间距相等的缝隙，在其两边分别装有光源和光敏元件，当圆盘转动时，光线的明暗变化，经过光敏元件检测变成电信号的强弱，从而得到脉冲信号。编码器的输出信号有：两个相位信号输出，用于辨向；一个零信号（又称一转信号）用于机床回参考点的控制，另外还有+5 V电源和接地端，编码器的维护主要应注意以下两个问题。

1）防振和防污

编码器是一个精密的测量元件，本身密封很好，使用环境和拆装时要与光栅尺一样应注意防振和防污。污染容易出现在导线引出段、接插头，应做好这些部位的防护措施，而振动容易造成内部紧固件松动脱落，造成内部短路。

2）连接问题

连接问题分为连接松动和连接调整不当。编码器的连接方式有内装式和外装式。内装式与伺服电机同轴安装，如西门子1FT5、1FT6伺服电机上的ROD320编码器；外装式安装于传动链的末端，当传动链较长时，这种安装方式可以减小传动链累积误差对位置检测精度的影响。连接松动，往往会影响位置控制精度。另外，在有些交流伺服电机内装式编码器除了位置检测外，还同时具有测速和交流伺服电机转子位置检测作用。因此，编码器连接松动还会引起进给运动的不稳定，影响交流伺服电动机的换向控制，致使机床的振动。另外，编码器通过皮带与传动连接，传动皮带调整过紧，给编码器轴承施加力过大，容易损坏编码器。

检测装置故障的诊断方法

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