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FANUC编码器是增量式还是绝对式的?

说到编码器,用户最关心的是其分辨率(ppr,脉冲/转)了,在数控机床上还要考虑满足运动轴的分辨率(如0.001mm/脉冲)。

 

对于增量式编码器,提高分辨率最直接的办法是增加码盘上的刻线数,但是在直径不足50mm的玻璃盘上刻数千条线,显然不是容易的事。于是数控系统内部采用倍频电路,通过参数设置(DMR)来满足要求。

 

而对于绝对式编码器,要提高分辨率,就要增加码道或采用多圈结构,也比较复杂,成本也高。但绝对式编码器的好处是显而易见的,无论机床厂家还是机床用户都十分喜欢。

 

这样结构简单、分辨率高、成本适中、又具备绝对式编码器优点的编码器在哪里?欸,此刻FANUC横空出世了!

 

FANUC编码器在数控机床上十分醒目—每台FANUC伺服电机都戴着的那个红帽子,如图1、2所示。

FANUC编码器是增量式还是绝对式的?

图1 配置FANUC数控系统的多功能机床

FANUC编码器是增量式还是绝对式的?

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FANUC编码器是增量式还是绝对式的?

图2 各种型号的FANUC编码器

表1列出了几种FANUC伺服电机内装编码器,型号中带字母“A”的表示绝对式编码器(Absolute),带字母“I”的表示增量式编码器(Incremental)。

表1  FANUC公司生产的编码器      

分辨率(ppr

绝对/增量

分辨率

ppr

绝对/增量

αA1000

10000004000r/min

绝对

βA32B

32768215

绝对

αA64

65536216

绝对

βI32B

32768215

增量

αI64

65536216

增量

βA64B

65536216

绝对

αA32B

32768215

绝对

βI64B

65536216

增量

αI8

8192213

增量

β64iA

65536216

绝对

β128iA

131072

217

绝对

FANUC的编码器技术有什么特点呢?

 

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 内部含SIN/COS信号细分电路

我们从表1注意到FANUC编码器分辨率出奇得高,且是2的幂次方。例如,中国大陆常用的β128iA,它竟然是分辨率为131072ppr(217)的绝对式编码器!也就是说,要在大约直径40mm的玻璃盘上刻划131072个逻辑线,这令人难以想象!

 

通过拆装,发现其码盘属于增量式(等距向心刻线),且原始物理线数是2048线(211,11位),分辨率并不很高。如图3所示,从左至右依次为码盘、印制电路板、出线端盖。

FANUC编码器是增量式还是绝对式的?

       图3 FANUC编码器内部器件和外形

FANUC编码器是增量式还是绝对式的?

▲ FANUC编码器拆装实验视频

 

实际上,FANUC增量式编码器的原始输出信号为SIN/COS类正余弦信号,而非常见的方波信号。通过16倍(24,4位)细分,得到15位的分辨率,再次4倍频(22,2位),得到17位的分辨率(仿佛做了17个码道),即131072ppr。这就是日系编码器所称17位高位编码器的由来。

FANUC编码器是增量式还是绝对式的?

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本质上是增量式编码器

实际上,FANUC的绝对式编码器的结构就是增量式编码器结构,内部先通过电子细分,在电路上增加多位二进制位置寄存器,再由电池记忆而成为“绝对式”(基准点也由电池记忆)。并非每个位置有刻出来的一一对应的代码表示,因而被称为“伪绝对式编码器”。

 

表2为FANUC编码器输出信号示例。

表2 FANUC编码器输出信号表
FANUC编码器是增量式还是绝对式的?

 

表2中,+5V、0V为编码器的工作电源线,FG、+6V即为备份电池线,备份电池单元安装在伺服放大器(如βi SVSP上CX5X接口)上,如图4所示。如果不连接电池单元,则该编码器仍作增量式编码器用。

FANUC编码器是增量式还是绝对式的?
图4 FANUC编码器的备份电池

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信号为串行输出

从表2可以看出,FANUC编码器并没有输出常见的并行六脉冲信号,而只有两根信号线RD、*RD或四根信号线SD、*SD、REQ、*REQ。这是串行输出,编码器和伺服放大器之间有通信协议,为串行编码器。

 

数据以串行方式先输出到伺服放大器上(如βi SVSP上JF1接口),再通过伺服放大器将数据输送到FSSB总线上,并最终输入至CNC系统中,如图5所示。

FANUC编码器是增量式还是绝对式的?

图5 FANUC编码器反馈信号的连接

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采用格雷码信号跟踪转子磁场位置

为了实现同步电机控制主回路中功率元件的自动换相,需要随着电动机的转动随时检测转子磁场的位置,这项工作也由内装编码器完成。

为此,码盘(如图3左一)上还刻有按二进制编码的4层条纹,经印刷电路板处理后输出波形如图6中的格雷码C1、C2、C4、C8,作为电机转子位置信息。

FANUC编码器是增量式还是绝对式的?

图6 格雷码信号

 

回到本文问题“FANUC编码器究竟是增量式的还是绝对式的?”,可以说,日本人聪明地采用增量式的结构实现了绝对式的优势,FANUC编码器既可以当增量式使用,也可以当绝对式使用。前者每次开机需回参考点,各轴需安装减速开关和挡块;后者参考点设置完毕后,以后开机不需回参考点,前提是位置备份电池有电。

 

(文/汤彩萍)

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