編碼器損壞主要原因

在伺服電機(jī)的應(yīng)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(shè)備系統(tǒng)的診斷信息中，經(jīng)常會(huì)有關(guān)于伺服電機(jī)“反饋錯(cuò)誤”的提示，而且在那些返廠維修的伺服電機(jī)的檢測報(bào)告中，也往往會(huì)有很大一部分將問題原因指向反饋編碼器，很多時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)所謂“應(yīng)用問題”的表述，意思是說，“非產(chǎn)品質(zhì)量問題，用戶須為此負(fù)責(zé)”。

作為伺服電機(jī)內(nèi)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(jī)械損傷、電氣損壞和環(huán)境影響等幾個(gè)方面。

1 機(jī)械損傷

伺服反饋編碼器故障中最常見的就是各種機(jī)械損傷，包括由于機(jī)械振動(dòng)、碰撞、沖擊、磨損等因素造成的編碼器內(nèi)部元件結(jié)構(gòu)（碼盤、軸和軸承等）的硬件損壞。

1)振動(dòng)

過大的機(jī)械振動(dòng)極有可能造成編碼器碼盤、軸和軸承的損傷。對于伺服反饋來說，有些振動(dòng)是由電機(jī)本體的振動(dòng)引起的，例如：電機(jī)所處的機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、電機(jī)需要隨負(fù)載連續(xù)運(yùn)動(dòng)等等，這種情況是比較容易預(yù)防和避免的，因?yàn)檫@種振動(dòng)看上去就比較直觀，也容易測量和采取糾正措施，只要能夠?qū)㈦姍C(jī)本體的振動(dòng)強(qiáng)度控制在其標(biāo)稱的振動(dòng)等級（加速度和頻率）范圍內(nèi)，就基本上可以避免這種振動(dòng)對伺服電機(jī)和反饋帶來的危害了。還有一些情況，振動(dòng)是在電機(jī)運(yùn)行過程中伴隨機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)而引起的，例如：伺服電機(jī)軸輸出側(cè)受到過大的軸向力作用，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生前后竄動(dòng)造成編碼器機(jī)械軸的軸向振動(dòng)；或者，伺服電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出軸長期受到過大的徑向力作用，造成電機(jī)軸和軸承的磨損，進(jìn)而使得電機(jī)軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)因偏心而產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)等。

這些振動(dòng)基本上與電機(jī)本體和設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)沒有太大關(guān)系，而是和電機(jī)運(yùn)行時(shí)其輸出軸的受力情況以及軸 / 軸承的磨損情況密切相關(guān)的，即使從電機(jī)本身看不出任何振動(dòng)，反饋編碼器也很有可能因?yàn)檫@些異常的軸向或徑向振動(dòng)而受損；同時(shí)由于此類振動(dòng)主要發(fā)生在電機(jī)內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械軸上，具有很強(qiáng)的隱蔽性，其危害往往會(huì)被人們忽視。

2)沖擊

和所有機(jī)電類產(chǎn)品一樣，伺服電機(jī)和反饋編碼器產(chǎn)品也會(huì)有額定的抗沖擊加速度限值標(biāo)稱。過大的沖擊力將可能導(dǎo)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(gè)反饋編碼器的損毀和報(bào)廢。因此，在使用伺服電機(jī)過程中，須盡量避免其本體受到任何外力的撞擊，尤其要防止對電機(jī)輸出軸的沖撞和敲擊，無論是來自軸向或徑向的，例如：在往電機(jī)輸出軸上安裝各種傳動(dòng)軸套（同步帶輪、聯(lián)軸器、減速機(jī)軸套等）時(shí)，或者在將電機(jī)安裝到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的過程中，切勿用力敲擊電機(jī)軸和外殼本體。

3)磨損

另一種機(jī)械損傷，就是伺服反饋編碼器軸和軸承的磨損。雖然并不是很常見，但也需要引起一定的重視。它有可能是因?yàn)殡姍C(jī)軸長期振動(dòng)（軸向或徑向）造成的；也有可能是由于電機(jī)軸超速運(yùn)轉(zhuǎn)而引起的，盡管一般伺服電機(jī)很少出現(xiàn)超速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀況，并且反饋編碼器的最大允許轉(zhuǎn)速要比伺服電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速高出許多，但是在某些異常情況下，例如：反饋信號(hào)受到干擾、伺服電機(jī)整定錯(cuò)誤、垂直負(fù)載失控墜落等等，反饋編碼器因?yàn)殡姍C(jī)“被”超速運(yùn)轉(zhuǎn)而受損的風(fēng)險(xiǎn)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(jīng)常發(fā)生的。一方面，當(dāng)伺服電機(jī)和編碼器反饋線路處在電磁兼容性能較差的機(jī)電系統(tǒng)環(huán)境中時(shí)，在其信號(hào)回路上可能會(huì)因?yàn)槭艿捷^強(qiáng)電磁噪聲干擾而瞬間產(chǎn)生極高（幾千甚至上萬伏特）的高頻沖擊電壓，導(dǎo)致編碼器信號(hào)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(cuò)線、極性接反、電源異常（如波動(dòng)）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(yīng)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，是由于電機(jī)的機(jī)械損傷而引起的。如果伺服電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(huì)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生大量金屬屑和粉塵，當(dāng)這些金屬粉塵附著在反饋編碼器的線路板上時(shí)，極有可能因短路而造成其內(nèi)部電路的故障或損壞。

3 環(huán)境影響

這里所說的環(huán)境，首先當(dāng)然還是指伺服電機(jī)所處的物理環(huán)境，包括：濕度、溫度、滴液、油污、粉塵、腐蝕...等等。很多故障伺服電機(jī)返廠后的維修報(bào)告里，都會(huì)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(jìn)入電機(jī)內(nèi)部原因很多，可能是電機(jī)自身防護(hù)等級不足以抵御惡劣的應(yīng)用環(huán)境，例如：將IP54 的伺服電機(jī)置于需要用水沖洗的食品衛(wèi)生設(shè)備；也可能是不當(dāng)?shù)陌惭b使用方法造成的，例如：將沒有安裝軸封的電機(jī)軸向上安裝在有液體飛濺的環(huán)境中，或者因電機(jī)插頭、插座選用不當(dāng)使得液體沿其電纜接口滲入電機(jī)內(nèi)部等。因此，伺服電機(jī)本身的IP 防護(hù)等級，以及產(chǎn)品應(yīng)用集成和運(yùn)行維護(hù)時(shí)所采取的環(huán)境防護(hù)措施就顯得非常重要了。不過，僅僅做好對伺服電機(jī)的應(yīng)用防護(hù)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)閷τ谒欧答亖碚f，它還會(huì)受到電機(jī)內(nèi)部環(huán)境的影響。從污染物方面看，正像前文所說，伺服反饋編碼器的防護(hù)等級大都在 IP20~ IP40，如果伺服電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出軸長期受到過大的軸向或徑向力作用，會(huì)造成電機(jī)軸和軸承的磨損，從而在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生大量粉塵和碎屑，它們不僅可能會(huì)因?yàn)楦街诜答伨幋a器的線路板上導(dǎo)致其內(nèi)部電路的損壞，也有可能因?yàn)榇罅慷逊e而影響電氣元件的散熱和機(jī)械軸承的潤滑。而這其實(shí)和伺服電機(jī)自身所具備的防護(hù)等級并沒有太大關(guān)系。而如果再看溫度方面對伺服反饋編碼器的影響，則主要就是來自于伺服電機(jī)內(nèi)部了，因?yàn)槠淅@組線圈在連續(xù)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際溫度往往遠(yuǎn)高于周圍環(huán)境溫度，這對于緊貼在電機(jī)軸末端安裝著的伺服反饋編碼器來說，是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)和威脅。通常伺服反饋的工作溫度范圍極限可達(dá) +110°C ~ +120°C，過高的電機(jī)運(yùn)行溫度，將可能導(dǎo)致反饋編碼器內(nèi)部電路工作不穩(wěn)定甚至發(fā)熱損壞。因此，合理規(guī)劃伺服電機(jī)的動(dòng)作周期和運(yùn)行負(fù)荷，防止出現(xiàn)過高的繞組溫度，對于保護(hù)其內(nèi)部集成的反饋編碼器，也是十分重要的。

4 總結(jié)

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(jī)用戶的應(yīng)用體驗(yàn)，這些年不少編碼器廠家都對旗下伺服反饋產(chǎn)品作出了一些技術(shù)上的改進(jìn)，例如：

1)為了提升伺服反饋元件抗機(jī)械振動(dòng)和沖擊的能力，使用金屬（如鎳合金）作為制作碼盤的材料，或使用小尺寸（如半徑僅為 2mm）的碼盤；

2)采用數(shù)字通訊接口作為伺服反饋信號(hào)輸出，以提升系統(tǒng)抗 EMI 電磁噪聲干擾的能力；

3)增加短路保護(hù)、反極性保護(hù)、電源寬電壓...等設(shè)計(jì)，以減少用戶因?yàn)椴僮鳎ㄈ缃泳€）錯(cuò)誤而引起元件損壞的機(jī)率；

4)采用金屬外殼、增加油封，以提升伺服反饋的防護(hù)等級；

轉(zhuǎn)載《伺服與運(yùn)控控制》