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編碼器損壞主要原因

供稿:庸博(廈門)電氣技術有限公司 2021/1/8 9:51:18

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  • 關鍵詞: 編碼器
  • 摘要:在伺服電機的應用中,最常見的問題就要算是反饋編碼器的故障 ,損壞了。不僅是在很多設備系統的診斷信息中,經常會有關於伺服電機“反饋錯誤”的提示,而且在那些返廠維修的伺服電機的檢測報告中,也往往會有很大一部分將問題原因指向反饋編碼器,很多時候甚至會出現所謂“應用問題”的表述,意思是説,“非產品質量問題,用户須為此負責”。

在伺服電機的應用中,最常見的問題就要算是反饋編碼器的故障 ,損壞了。不僅是在很多設備系統的診斷信息中,經常會有關於伺服電機“反饋錯誤”的提示,而且在那些返廠維修的伺服電機的檢測報告中,也往往會有很大一部分將問題原因指向反饋編碼器,很多時候甚至會出現所謂“應用問題”的表述,意思是説,“非產品質量問題,用户須為此負責”。

作為伺服電機內部幾乎唯一的電子元器件,反饋編碼器真的可以算的上是易損部件了,其損壞原因大致可以分為機械損傷、電氣損壞和環境影響等幾個方面。

1 機械損傷

伺服反饋編碼器故障中最常見的就是各種機械損傷,包括由於機械振動、碰撞、衝擊、磨損等因素造成的編碼器內部元件結構(碼盤、軸和軸承等)的硬件損壞。

1)振動

過大的機械振動極有可能造成編碼器碼盤、軸和軸承的損傷。對於伺服反饋來説,有些振動是由電機本體的振動引起的,例如:電機所處的機械結構的振動、電機需要隨負載連續運動等等,這種情況是比較容易預防和避免的,因為這種振動看上去就比較直觀,也容易測量和採取糾正措施,只要能夠將電機本體的振動強度控制在其標稱的振動等級(加速度和頻率)範圍內,就基本上可以避免這種振動對伺服電機和反饋帶來的危害了。還有一些情況,振動是在電機運行過程中伴隨機械軸旋轉而引起的,例如:伺服電機軸輸出側受到過大的軸向力作用,在運轉時發生前後竄動造成編碼器機械軸的軸向振動;或者,伺服電機在運轉時,其輸出軸長期受到過大的徑向力作用,造成電機軸和軸承的磨損,進而使得電機軸在高速旋轉時因偏心而產生強烈振動等。

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這些振動基本上與電機本體和設備機械結構的振動沒有太大關係,而是和電機運行時其輸出軸的受力情況以及軸 / 軸承的磨損情況密切相關的,即使從電機本身看不出任何振動,反饋編碼器也很有可能因為這些異常的軸向或徑向振動而受損;同時由於此類振動主要發生在電機內部高速旋轉的機械軸上,具有很強的隱蔽性,其危害往往會被人們忽視。

2)衝擊

和所有機電類產品一樣,伺服電機和反饋編碼器產品也會有額定的抗衝擊加速度限值標稱。過大的衝擊力將可能導致伺服編碼器碼盤、軸、軸承、集成線路板和芯片的損壞、甚至整個反饋編碼器的損毀和報廢。因此,在使用伺服電機過程中,須儘量避免其本體受到任何外力的撞擊,尤其要防止對電機輸出軸的衝撞和敲擊,無論是來自軸向或徑向的,例如:在往電機輸出軸上安裝各種傳動軸套(同步帶輪、聯軸器、減速機軸套等)時,或者在將電機安裝到傳動機構的過程中,切勿用力敲擊電機軸和外殼本體。

3)磨損

另一種機械損傷,就是伺服反饋編碼器軸和軸承的磨損。雖然並不是很常見,但也需要引起一定的重視。它有可能是因為電機軸長期振動(軸向或徑向)造成的;也有可能是由於電機軸超速運轉而引起的,儘管一般伺服電機很少出現超速運轉的狀況,並且反饋編碼器的最大允許轉速要比伺服電機的峯值轉速高出許多,但是在某些異常情況下,例如:反饋信號受到干擾、伺服電機整定錯誤、垂直負載失控墜落等等,反饋編碼器因為電機“被”超速運轉而受損的風險還是依然存在的。

2 電氣損壞

在各種伺服反饋編碼器故障中,電氣損壞也是經常發生的。一方面,當伺服電機和編碼器反饋線路處在電磁兼容性能較差的機電系統環境中時,在其信號迴路上可能會因為受到較強電磁噪聲干擾而瞬間產生極高(幾千甚至上萬伏特)的高頻衝擊電壓,導致編碼器信號電路的損壞。另一方面,編碼器外部線路的異常,例如:短路、斷路、接錯線、極性接反、電源異常(如波動)等,也都有可能造成伺服反饋的電氣故障或損壞。

前面兩種故障應該算是比較純粹的電氣故障,和通用編碼器的電氣故障是一樣的。還有一種電氣損壞是伺服反饋所特有的,是由於電機的機械損傷而引起的。如果伺服電機在運轉時,因其輸出軸長期受到過大的軸向或徑向力作用,造成軸和軸承的磨損,就會在電機內部產生大量金屬屑和粉塵,當這些金屬粉塵附着在反饋編碼器的線路板上時,極有可能因短路而造成其內部電路的故障或損壞。

3 環境影響

這裏所説的環境,首先當然還是指伺服電機所處的物理環境,包括:濕度、温度、滴液、油污、粉塵、腐蝕...等等。很多故障伺服電機返廠後的維修報告裏,都會提到反饋編碼器因受到污染物的侵蝕而損壞,如浸液、粉塵等。污染物進入電機內部原因很多,可能是電機自身防護等級不足以抵禦惡劣的應用環境,例如:將IP54 的伺服電機置於需要用水沖洗的食品衞生設備;也可能是不當的安裝使用方法造成的,例如:將沒有安裝軸封的電機軸向上安裝在有液體飛濺的環境中,或者因電機插頭、插座選用不當使得液體沿其電纜接口滲入電機內部等。因此,伺服電機本身的IP 防護等級,以及產品應用集成和運行維護時所採取的環境防護措施就顯得非常重要了。不過,僅僅做好對伺服電機的應用防護還是遠遠不夠的,因為對於伺服反饋來説,它還會受到電機內部環境的影響。從污染物方面看,正像前文所説,伺服反饋編碼器的防護等級大都在 IP20~ IP40,如果伺服電機在運轉時,其輸出軸長期受到過大的軸向或徑向力作用,會造成電機軸和軸承的磨損,從而在電機內部產生大量粉塵和碎屑,它們不僅可能會因為附着在反饋編碼器的線路板上導致其內部電路的損壞,也有可能因為大量堆積而影響電氣元件的散熱和機械軸承的潤滑。而這其實和伺服電機自身所具備的防護等級並沒有太大關係。而如果再看温度方面對伺服反饋編碼器的影響,則主要就是來自於伺服電機內部了,因為其繞組線圈在連續運行時的實際温度往往遠高於周圍環境温度,這對於緊貼在電機軸末端安裝着的伺服反饋編碼器來説,是一個極大的挑戰和威脅。通常伺服反饋的工作温度範圍極限可達 +110°C ~ +120°C,過高的電機運行温度,將可能導致反饋編碼器內部電路工作不穩定甚至發熱損壞。因此,合理規劃伺服電機的動作週期和運行負荷,防止出現過高的繞組温度,對於保護其內部集成的反饋編碼器,也是十分重要的。

4 總結

針對上面這些可能造成伺服反饋編碼器損壞的故障原因,為了提升伺服電機用户的應用體驗,這些年不少編碼器廠家都對旗下伺服反饋產品作出了一些技術上的改進,例如:

1)為了提升伺服反饋元件抗機械振動和衝擊的能力,使用金屬(如鎳合金)作為製作碼盤的材料,或使用小尺寸(如半徑僅為 2mm)的碼盤;

2)採用數字通訊接口作為伺服反饋信號輸出,以提升系統抗 EMI 電磁噪聲干擾的能力;

3)增加短路保護、反極性保護、電源寬電壓...等設計,以減少用户因為操作(如接線)錯誤而引起元件損壞的機率;

4)採用金屬外殼、增加油封,以提升伺服反饋的防護等級;

轉載《伺服與運控控制》

審核編輯(王靜)
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