光电脉冲编码器的故障诊断和维修方法

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（又称转信号）用于机床回参考点的控制；另外还有5V电源和接地端。编码器的维护和维修主要注意以下几个问题：

1.防振和防污

编码器是精密的测量元件，本身密封很好，使用环境和拆装时要与光栅尺一样注意防振和防污。污染容易出现在导线引出段、接插头上；振动容易使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。内装式与伺服电动机同轴安装，例如西门子1FT5、1FT6伺服电动机上的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。由于连接松动，往往会影响位置控制精度。另外，有些交流伺服电动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动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，从而引起机床的振动。另外编码器通过传动带与传动连接，传动带调整过紧，给编码器轴承施加力过大，容易损坏编码器。

3.光电脉冲编码器故障的检测及修理

光电脉冲编码器的电源电压有5V、12V及24V几种，在光电编码器的铭牌上均有说明。首先，向光电脉冲编码器加上所需要的电源，然后，再看是什么类型的光电编码器。如果是增量式编码器，它应该有8根线，包括5V电源线及A、A、B、B、Z、Z，还有一根地线。由于鉴向与四分频的需要，要有A、B、Z的反码。

用手转动脉冲编码器，在示波器上观察各相是否有矩形脉冲波。如果各相都有，一般问题不大；但有时也要看振幅和相位是否正确，这就要用双踪示波器来观察，振幅满足TTL电路要求即可。

如果缺相，就必须拆开光电脉冲编码器，分别测量是否有集成电路芯片损坏，再仔细观察玻璃码盘是否有断裂现象，还要检查光电池是否失效。

最常见的故障是发光二极管损坏。有些光电脉冲编码器的发光二极管很细，直径大约为2mm。这种二极管的塑料泡前还做成一个聚光的透镜。如果买到稍粗一些的发光二极管，可用无心磨床磨去一些，即可以放入印制电路板中。

如果是绝对式编码器，就要看说明书上标注的是多少位。如果是13位，那么应该有15根线（13根信号线、两根电源线）。测试的方法与增量式相同，加上所要求的电压之后，用示波器测量各相是否有方波存在。先逐相测量，然后把测量结果进行比较，就可以找到哪一相波形不好；然后拆开测量该相的输入与输出（在这一相的驱动集成电路芯片上），分析是上一级故障，还是本块集成电路芯片故障。

在更换芯片之前，一定要测此芯片周围的情况，完全确定之后，才可以更换。因为目前普遍采用多层电路板，且多为贴片技术焊接，非常不易更换，如错换，就会前功尽弃，甚至会把好芯片拆坏。

4.光电脉冲编码器中磁通检测器的维修

由于广泛采用交流伺服系统，采用永磁电动机时，矢量法控制要求知道每一瞬间的转子磁极位置。磁极位置检测装置叫做磁通检测器，在绝对编码器中不存在这种问题，因为电动机轴上安装上编码器之后，转子磁极的位置就可以通过绝对编码器给出，只要定义出代码的数值，就可以得到转子磁极的位置。

但是，采用增量式编码器就不能做到这一点，因此常常在增量编码器的内同心圆上做出周向透光狭缝，也就是光栅。一般是做成4个同心圆，分别给出的编码代号为C₃、C₂、C₁、C₀四个符号，可以给出16个位置。事实上交流伺服电动机多为4极，用不到这么多代码，所以可以任意决定代码结构。

这部分如果出问题也会产生故障，其检测和维修方法与光电脉冲编码器故障的检修完全一样。

5.光电脉冲编码器的光栅玻璃板破裂故障

光栅玻璃板破裂故障常常是由于碰撞引起的，如焊接机器人的电焊钳的电极帽需更换时，工人用敲击的办法，引起电动机振动，常会造成光电脉冲编码器玻璃光栅破碎。

这种故障最初出现报警，有时可清除，但过一段时间又出现，且报警逐渐频繁，最后再用清除方法已不能恢复。

这种问题大都出现在内孔。内孔小，加工玻璃片时，造成应力集中，但无裂纹。当受到外界冲击时，其应力达到一定程度，开始产生一些用肉眼看不到的裂纹，在运转过程中小裂纹逐渐发展，由内向外开裂；在开始时还没有涉及光栅，或者说涉及的区域还很小，这时瞬间过去就没问题了，所以，清除报警就可恢复正常；但是随着时间的推移，裂纹逐渐向外扩大，直到影响了光栅的主要部分，就不能再正常工作了，如果这时拆下来观察，会有一条明显的裂纹。在这种情况下，就不可能修复了，因为即使粘上，在裂纹处也有反光现象。

此时，更换光电脉冲编码器是唯一简便的途径，但更换时要注意以下几个问题：

1）供电电压。

2）每转发多少个脉冲。

3）脉冲幅度是否够。

4）各相脉冲与转子磁通检测是否合适。

5）连接方式。这个问题相对是最难解决的，因为要在一个很狭小的空间内把它与轴连接上。当然，现在有各种各样的光电脉冲编码器产品，它们的连接方法都可以参照选用，特别是备有柔性轴连接，经过认真分析，总会找到连接办法。

6.几种光电脉冲编码器的玻璃光栅重粘

有几种光电脉冲编码器的玻璃光栅是靠胶粘在一个法兰上，有的就掉下来了，这时需要重新粘，但粘过之后，还不好用，光电脉冲编码器就报废了。

光栅会掉下来的原因很多：第一是在粘前表面处理不干净造成脱落；第二是胶有一个粘合期；第三是粘接的两种材料热膨胀系数不同，造成温度的热应力而拉断。

从一些大公司的产品看，第三种的可能性相对大一些。因为玻璃的热膨胀系数比金属小得多。如果把玻璃粘在金属上，两者之间热膨胀系数相差悬殊，随着温度变化，特别是环境温度变化很激烈时，就容易出现这种现象。因此在选取胶的材料时，必须考虑这种胶中增塑剂应当多一些，这样就可以抗受温度的变化。

光栅盘是一块玻璃板，外圆大小不一，大约在30～40mm左右，内孔大约为Φ20mm或更小一些。光栅盘需要与转子轴固定在一起，一起旋转，因此，在这块盘上，或者在它的法兰盘上均应考虑动平衡，不可有任何不平衡质量，从而引起振动，损坏整个器件。

玻璃板的内圆与外圆都曾经过加工，但并不是非常光滑。在盘上刻有光栅，这些光栅是径向的，也就是指向共同的旋转中心。光电池上的狭缝也是指向旋转中心的。所谓旋转中心就是轴心。

不可以用玻璃板的内圆或外圆来确定轴心，因为这两个圆不可能做到精细加工，只能是粗糙加工。那么怎么来找真正的旋转中心呢？只能把光栅线延长汇集到一点，这一点就是旋转中心，但这是几乎不可能办到的。

现在已加工好一个法兰，预备与玻璃光栅粘在一起，这个法兰与轴连接的部分也做好，一般是一个锥状销，其中心由一个M3的螺钉固定，其结果见图8-13。

这个法兰如何与光栅找正后粘在一起呢？这个问题十分复杂，如果自己粘，很容易粘不好，造成报废。最好到大的制造厂请专业人员粘。

自己粘不好的原因可通过计算得出：光栅盘的直径约30～40mm，刻光栅处的平均圆周长为100mm，如在其上刻2000条，那么平均透光与不透光条纹宽为0.05mm。如果透光与不透光条纹宽相等，那么透光条纹宽度为0.025mm，光电池上的狭缝宽也大约为0.025mm；如果透光条纹歪斜一点儿，不能同时到达狭缝上，那么就会变成无效光脉冲。从这个计算可以看出，千万不能粘歪。歪了0.025mm的一半，肯定就报废了。

7.故障诊断维修实例分析

图8-13 粘玻璃光栅盘示意图

1—轴头圆盘法兰 2—有机玻璃板圆盘

【例8-2】某厂五坐标加工中心配有西门子8MC数控系统及HANDENHAIN公司LS107型直线光栅脉冲编码器。出现故障现象为：Y轴快速进给速度在3m/min以下时工作正常，大于5m/min时出现114号报警。报警内容是Y轴测量环节电缆损坏、短路，没有接到信号，不正确的门槛信号或不正确的频率。

经检查判断，故障可能出在光栅脉冲编码器、外置式前置整形倍频放大器EXE、测量板这三个直线坐标测量系统的某一测量系统。由于两个测量系统完全一样，故可以采用交换插件和部件的方法确定故障究竟出在哪一部分。为了验证这一点，做如下测试：将光栅脉冲编码器插座从外置式前置整形倍频放大器EXE上拆下，另将5V电源接到光源回路上，将双线示波器接到编码器正弦、余弦端，移动测量头，在双线示波器上可以看到正弦、余弦信号，其幅值固定，波形宽度随移动速度变化，移动速度越快其宽度越窄，所检测的两列信号应互差90°，这是正常的。实测时，速度较快时幅值明显减小，因此故障是由光栅脉冲编码器信号弱所造成的。

Y轴位置测量LS107型光栅脉冲编码器使用时通入过滤的压缩空气，使内部始终保持正压，灰尘、水汽、杂质不易进入，保持光栅不受污染。说明书给出的参数是：最大速度为30m/min；光源和接通回路用长寿命微型灯5V/0.6W；运行电压（5±5％）V/120mA；推挽式放置排列光电池，输出值I_e＝10_μA（负载1kΩ时）；波形为正弦波，扫描频率为0～25kHz。

LS107型光栅脉冲编码器的结构，主要由两部分组成：固定在铝合金壳上的光栅定尺和移动的测量头。测量头的机械部分包括：滑轮，用以保证测量头沿轨道平稳行走；支架，用以装发光源和光电池及附属电路。测量头的光学部分，包括光栅动尺和光路调整的遮光螺钉。测量头的电路包括光源的电源回路和信号输出电路。

对LS107型光栅脉冲编码器来说，造成信号弱的可能原因是光电池接收的光线弱。而造成光线弱的主要原因有：遮光螺钉松脱；微型灯定位位置变化；硅光电池表面脏；控制光源的集成电路故障。

在维修光栅脉冲编码器时，应先从光栅脉冲编码器一端轻轻抽出测量头，然后按下述步骤进行操作维修：

①检查玻璃表面和光电池表面是否洁净，如果有污物可用无水酒精擦净。

②测量微型灯两端电压，应符合额定值。

③接通5V电源，用示波器测量正弦、余弦信号幅值，调节至高电位，遮断光路用示波器测量幅值应为低电位。

④调整遮光螺钉，先退后进，调整时应随时观察波形幅值变化，最大时为最佳。

⑤调整微型灯定位位置，先左右，后前后。值得注意的是，微型灯定位位置的调整和遮光螺钉的调整互相影响，必须反复调整，才能达到最佳状态。

经过以上调整，绝大多数故障都能排除，达到使用要求。

注意：

拆修或移动了光栅脉冲编码器后，必须按重新安装的要求来调整它与移动轴的平行度，并修改机床参数参考点的设定，否则会影响轴的位置和零点坐标误差。

【例8-3】例8-2机床，其第4坐标（A轴）运行时，有时正常，有时出现134号报警。

通过更换测量板MS140和外置式前置整形倍频放大器EXE就可确定故障位置。对发生在光栅脉冲编码器RON705上的故障，检修如下。

A轴位置测量使用HADENHAIN公司的RON705型的圆光栅脉冲编码器。该型号有两种，两者外形相同，机械结构相同，原理相同。不同之处是输出的正弦、余弦信号。一种为光电池直接输出，另一种为经放大后输出。下面以光电池直接输出为例，简要介绍检修过程。(www.xing528.com)

说明书给出的参数是：最大回转速度为300r/min；光源和接通回路为LEDs；输入电源电压为（4.5～5.25V）/140mA；推挽式放置排列光电池，输出值I_e＝11μA（负载1 kΩ时）；波形为正弦波。

拆开圆光栅外壳，可以看到圆环形印制电路板，上面除了推挽式放置两组光电池外，还有一组设定开关，用以设定用一组光电池，还是两组都用。光源由一个恒流源单元提供。电路板下面是动光栅码盘，固定在轴上。光栅码盘的下面是光源座和定光栅片，光源座上有螺钉可以调整光源，使光线能很好地透过定光栅片和动光栅码盘到达光电池，以产生电信号。维修时，拆下光栅脉冲编码器插头，另将5V电源接到光源回路上，转动光栅码盘，用双线示波器看它的正弦、余弦信号。如果看不到波形或者看到的是非对称波形，则认定是光栅脉冲编码器故障，必须调整。大多数情况可以看到非对称波形。产生这种不正常的波形，可以从以下几个原因考虑：光路不正常；恒流源输出减小；发光管变化，性能变差。

调整光路主要是调整印制电路板的位置。印制电路板的位置对波形影响很大，微小的位置变化都会使波形发生较大的变化，应当把印制电路板调整到波形最稳定、幅值最大的位置。在特殊情况下，也需调整发光源的调整螺钉。

恒流源的调整，除了更换性能变差的晶体管，在检查发光管电流没有达到说明书允许电流的情况下，可以重新配置恒流源的偏置电阻，增加恒流源的电流输出。注意：RON705型光栅脉冲编码器的最大允许电流不要超过140mA。

经过以上调整，大多数情况可以达到满意的使用要求。

【例8-4】某加工中心主轴换刀时，主轴定位不准，重新设定后，试验位置又有偏差。该机床主轴的位置检测用一个脉冲编码器，通过传动带，主轴和编码器1∶1传动。由于系统有C轴位置显示功能，手动将主轴旋转一圈，发现位置变化小于360°，怀疑是编码器的问题。卸下编码器检查发现圆光栅部分区域磨损。经分析认为主轴和编码器的传动带调整过紧，长时间运行后，编码器轴承损坏，使圆光栅与读数头部分摩擦。更换新的编码器，将传动带松紧调整适当后，未出现类似故障。

【例8-5】济南第二机床厂生产的XK2418型数控龙门铣主轴故障的处理。

故障现象：该数控龙门铣由SINUMERIK 840D系统控制，采用611D驱动装置和1PH7163-2NF33-0BC0主轴电动机。当起动机床主轴时出现以下报警：

25000主轴编码器硬件故障。当前有效实际值编码器信号消失，没有相同相位或显示接地/短路。

300504主轴电动机变换器故障发生信号错误或电动机编码器的信号级太少。

700010电源模块未准备好。

同时主轴控制模块上的红灯亮，电源模块上V3绿灯和V4黄灯同时亮。

故障分析和检查：上述25000号和300504号两个报警指示可能的故障点均为电动机编码器、电动机编码器反馈电缆及轴控制模块。700010号是由上述两报警引起的电源模块未能使PLC伴随报警。由于西门子1PH7系列的主轴电动机编码器是安装在主轴电动机的后端盖内，如要检查编码器，必须拆下主轴电动机，再拆去散热风扇，打开后盖，才能直接见到编码器，费时费力。为了确定故障原因，应遵循“先易后难”的原则，首先排除上述后两个可能的故障原因。

图8-14 1PH7型主轴电动机 编码器安装示意图

①将备用的电动机反馈电缆和主轴电动机编码器反馈电缆调换，故障依旧。

②再将主轴和X轴的闭环控制模块互换，故障还是依旧。

可见是电动机编码器ERN1381出了问题。该主轴电动机是倒装的，即出轴端朝上。拆下主轴电动机，发现有许多油脂。对主轴电动机单独通电驱动，发现当主轴电动机垂直于地面倒置时，主轴一起动就会出现上述故障；而当电动机水平于地面放置时，主轴可起动正常运转。根据这一现象，基本断定主轴电动机的编码器并未坏，而是被侵入的油脂污染了。

由于有大量的油脂进入电动机和编码器，因此必须打开电动机。图8-14是1PH7型主轴电动机编码器安装示意图。其编码器的安装方式以及拆装方法和西门子1F76II FK6型进给电动机是一样的。但1PH7型主轴电动机对编码器的安装没有相位要求。

拆下编码器，打开主轴电动机的前后盖，发现电动机内部有大量的润滑油，甚至在编码器内部也有不少润滑油。本例中的主轴电动机由于是垂直倒装的，机床滑枕顶部的润滑油很容易顺着主轴电动机的转轴渗到位于底部的编码器里。主电动机的防护等级是IP55，编码器的防护等级是IP40，都不能防止油脂渗入。电动机中的润滑油不断流到编码器玻璃光栅片上，造成光栅片污染，引起编码器数据丢失，发生报警。取出转子，对电动机内部进行清洗，用工业酒精清洗编码器内部和光栅玻璃盘，然后，全部按原样装好。

为了防止以后油脂再次进入电动机编码器，此次采用以下三个措施：

①对电动机连接表面采用密封措施，减少漏油渗入。

②检修主轴变速箱及其液压管系，查漏、堵漏。

③在编码器和电动机后盖最低点钻泄油孔，使油不再在编码器内积存。

重新安装好主轴电动机后，开机通电，转动主轴，原故障不再出现。但由于拆装了电动机及其编码器，主轴M19的位置已经变动，需要重新调整主轴参考点偏移/绝对位移编码偏移机床参数MD34090［0，AX4］的值。调整时先执行主轴定位M19动作，发现主轴定位停止时超过了零位若干度，这时用手将主轴转回到零位，注意屏幕上C轴的实际值变化了6.131，然后将MD34090的值减去此值，就是要设置的值。使新值生效后，重新进行主轴定位，再检查是否准确停止在零位上，如还有偏差，应进一步调整，直至定位正确。

【例8-6】某数控机床出现进给轴飞车失控的故障。该机床伺服系统为SIEMENS 6SC610驱动装置和IFT5交流伺服电动机及ROD320编码器，在排除数控系统、驱动装置及速度反馈等故障因素后，将故障定位于位置检测控制。

经检查，编码器输出电缆及连接器均正常，拆开ROD320编码器，发现一紧固螺钉脱落并置于5V与接地端之间，造成电源短路、编码器无信号输出，数控系统处于开环状态，引起飞车失控的故障。

【例8-7】配套某系统的数控车床，在加工端面时，表面出现周期性波纹。

故障分析与处理过程：数控车床端面加工时，表面出现波纹的原因很多，在机械方面，例如：刀具、丝杠、主轴等部件的安装不良，机床的精度不足等，都可能产生以上问题。

但该机床为周期性出现，且有一定规律，根据通常的情况，应与主轴的位置监测系统有关，但仔细检查机床主轴各部分，却未发现任何不良。

仔细观察振纹与X轴的丝杠螺距相对应，因此维修时再次针对X轴进行了检查。

检查该机床的机械传动装置，其结构是伺服与滚珠丝杠间通过齿形带进行连接，位置反馈编码器采用的是分离型布置。

检查发现X轴的分离式编码器安装位置与丝杠不同心，即编码器轴心线与丝杠中心不在同一直线上，从而造成了X轴移动过程中的编码器的旋转不均匀，反映到加工中，则出现周期性波纹。重新安装、调整编码器后，机床恢复正常。

【例8-8】某数控立式铣床误差寄存器报警故障。

故障现象：数控立式铣床FANUC 3MA数控系统，在运行过程中，Z轴产生31号报警。

故障诊断：查数控机床维修手册得知，31号报警表示位置控制环节中误差寄存器内容大于参数规定值。根据31号报警提示，人为调整加大误差寄存器设定值，用手摇脉冲发生器驱动Z轴，31号报警消除，但又产生了32号报警；32号报警表示为Z轴误差寄存器的内容超过最大值，将设定参数再调小，32号报警消除，但31号报警又出现，反复修改机床参数，均不能排除故障；将位置控制诊断号DGNOS 800（X轴）、801（Y轴）和802（Z轴）调出，发现X轴的位置偏差800号在－1与－2间变化，Y轴的位置偏差801号在1与－1间变化，而Z轴的位置偏差802号为0，无任何变化，说明Z轴控制有故障；为进一步确定故障是在Z轴控制单元还是在编码器上，采用交换法，将Z轴和Y轴驱动输出到电动机电缆和编码器反馈信号同时互换，此时，诊断号801号数值变为0，802号数值有了变化，这说明Z轴位置控制单元没有问题，故障出在与Z轴伺服电动机同轴连接的编码器上。

故障处理：更换Z轴上同型号的编码器。

【例8-9】德国基根生产的PF-H-125KW数控龙门铣床横梁不能移动的故障处理。

故障现象：该机床在移动横梁（W轴）时出现以下故障报警号：

25201 W轴驱动4故障；

300504 W轴驱动4电动机变换器故障；

300508 W轴驱动4电动机测量系统零号监控等。

在NC复位后或机床断电重新起动后可消除，但W轴只能以极低的速度（100mm/min）运动，速度高一点就会再次出现此类故障。

故障检查与分析：该机床原采用SNUMERIK 8M系统控制，经改造后由SNUMERIK840D数控系统控制，配用611D数字伺服驱动装置。W轴由单个1FT6108-8SF71-1AG2型交流伺服电动机驱动，左右立柱上各装一根海德汉BI382C型光栅尺，进行全闭环控制。上述25201号报警表明驱动发出1级严重故障信号（ZK1），但它是伴随报警，主要看后两个报警。

300504号和300508号报警指示可能的故障原因有电动机编码器、电动机编码器反馈电缆或闭环控制模块出故障。为了确定故障原因，首先将备用的电动机反馈电缆和W轴电动机编码器反馈电缆调换，故障依旧；再将W轴和X轴闭环控制模块交换，故障还是依旧，可见是电动机编码器出了问题。因此，必须调换W轴电动机的编码器。

对于1FT6、1FK6型交流伺服电动机，电动机编码器的拆装比较特殊，而且编码器和电动机在安装上有相位要求，因此，拆前应做好标记。如果在拆下电动机编码器前忘做标志或安装时标志不清，那只好拆下电动机，按图8-15所示的方法，来校正编码器和电动机轴的相对位置。

校正的步骤如下：

①用三个10kΩ电阻，按图接好。

②用双线示波器，A线测电动机U相电阻两端波形；B线测编码器零位脉冲波形（事先应对编码器P-encoder和M-encoder两端提供5V电源）。

③一边顺时针（面对输出轴）转动电动机轴，一边观察波形。用手转动电动机难以观察到稳定的波形，可用另一个电动机带动。

④反复调整编码器和电动机轴之间的相对位置，直至获得图8-15所示的波形。

图8-15 校正编码器和电动机轴的相对位置

如果编码器的安装位置不正确，电动机装到机床上后开机将出25201号和300608号（速度控制器处于极限）等报警或轴不能高速移动（将出25050号轮廓监控等报警）。

调换W轴电动机编码器后，原故障被排除。