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摘要： 本文通过对数控机床主轴伺服系统的介绍，阐述了主轴伺服系统的故障所产生的形式、不同的故障点主要产生的原因，以及根据不同故障所表现形式去分析、解决问题。通过对主轴伺服系统维修实例的讲解，为我们今后在生产一线提供一些解决问题的思路。
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关键词：主轴伺服系统故障诊断主轴编码器CNC
Abstract: Based on the numerical control machine tool spindle of servo system, the author introduces the main shaft servo system fault produced form, different failure causes of the main point, and the form according to different fault to analysis, solve the problem. Through an example of spindle servo system maintenance its interpretation, for our future in production line to provide some methods to resolve problems.
Keywords: spindle servo system, fault diagnosis, main shaft encoder, CNC
中图分类号：U226.8+1 文献标识码：A文章编号：
主轴驱动系统就是在系统中完成主运动的动力装置部分。它带动工件或刀具作相应的旋转运动，从而能配合进给运动，加工出理想的零件。主轴驱动变速目前主要有两种形式：一是主轴电动机齿轮换档，目的在于降低主轴转速，增大传动比，放大主轴功率以适应切削的需要；二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。由于无需机械变速，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴箱实际上成了主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传动链的可靠性。
1 主轴伺服系统故障诊断
数控机床对主轴要求在很宽范围内转速可调，恒功率范围宽。当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒功率加工等功能时，就要对主轴提出相应的进给控制和位置控制要求。此时，主轴驱动系统也可称为主轴伺服系统，相应的主轴电动机装配有编码器作为主轴位置检测；另一种方法就是在主轴上直接安装外置式的编码器，这在机床改造和经济型数控车床中用得较多。当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障；三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障有：
1.1过载
原因：切削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载报警。 具体表现为：主轴电动机过热主轴驱动装置显示过电流报警等。
1.2主轴不能转动
电气系统原因：
1）检查CNC系统是否有速度控制信号输出。
2）检查使能信号是否接通。通过CNC显示器观察I/O状态，分析机床PLC梯形图（或流程图），以确定主轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满足。
3）主轴电动机动力线断裂或主轴控制单元连接不良。
4）机床负载过大。
5）主轴驱动装置故障。
6）主轴电机故障。
机械故障原因，在机械方面，主轴不转常发生在强力切削下，可能原因有：
1）主轴与电机连接皮带过松或皮带表面有油，造成打滑。
2）主轴中的拉杆未拉紧夹持刀具的拉钉（在车床上就是卡盘未夹紧工件）。
1.3 主轴转速异常或转速不稳定
当主轴转速超过技术要求所规定的范围时，要考虑：
1）CNC系统输出的主轴转速模拟量(通常为0～±10v)没有达到与转速指令对应的值，或速度指令错误。
2）CNC系统中D/A变换器故障。
3）主轴转速模拟量中有干扰噪声。
4）测速装置有故障或速度反馈信号断线。
5）电动机过载。
6）电动机不良（包括励磁丧失）。
7）主轴驱动装置故障。
1.4 主轴转动时振动或噪声太大
首先要区别噪声及振动发生在主轴机械部分还是电器部分。检查方法有：
1）在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障。
2）在恒转速时，可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别，如存在，则主轴机械部分有问题。
3）检查振动的周期是否与转速有关，如无关，一般是主轴驱动装置未调整好；如有关，应检查主轴机械部分是否 良好，测速装置是否不良。
电器方面可能的原因：
1） 电源缺相或电源电压不正常。
2）控制单元上的电源开关设定（50/60Hz切换）错误。
3）伺服单元上的增益电路和颤抖电路调整不好（或设置不当）。
4）电流反馈回路未调整好。
5）三相输入的相序不对。
机械方面的原因
1）主轴箱与床身的连接螺钉松动。
2）轴承预紧力不够或预紧螺钉松动，游隙过大，使之产生轴向窜动，应重新调查。
3）轴承损坏，应更换轴承。
4）主轴部件上动平衡不好，应重新调整动平衡。
5）此轮有严重损伤，或此轮啮合间隙过大，应更换此轮或调整啮合间隙。
6）润滑不良，因油不足，应改善润滑条件，使润滑油充足。
7）主轴与主轴电机的连接皮带过紧，应移动电机座调整皮带使松紧度合适。
8）连接主轴与电机的连轴器故障。
9）主轴负荷太大。
1.5主轴加/减速时工作不正常
造成此故障的原因有下述几种：
1）减速极限电路调整不良。
2）电流反馈回路不良。
3）加/减速回路时间常数设定和负载贯量不匹配。
4）驱动器再生制动电路故障。
5）传动带连接不良。
1.6 外界干扰
主轴转速出现随机和无规律性的波动。由于受电磁干扰，屏蔽或接地措施不良，主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判别有无干扰的方法是：当主轴转速指令为零时，主轴仍往复摆动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。
1.7 主轴速度指令无效，转速仅有1 ～2r/min
原因：1）CNC模拟量输出（D/A）转换电路故障。
2）CNC速度输出模拟量与驱动器连接不良或断线。
3）主轴转向控制信号极性与主轴转向输入信号不一致。
4）主轴驱动器参数设定不当。
1.8 主轴不能进行变速
造成主轴不能转速主要有以下原因：
1）CNC参数设置不当或编程错误造成主轴转速控制信号输出为某一固定值。
2）D/A转换电路故障。
3）主轴驱动器速度模拟量输入电路故障。
1.9 螺纹加工出现“乱牙”故障
数控车床加工螺纹，其实质是主轴的角位移与Z轴进给之间进行插补，主轴的角位移是通过主轴编码器进行测量的，一般螺纹加工时，系统进行的是主轴每转进给动作，要执行每转进给的指令，主轴必须有每转一个脉冲的反馈信号，“乱牙”往往是由于主轴与Z轴进给不能实现同步引起的，此外，还有以下原因：
1）主轴编码器或Z轴“零位脉冲”不良或受到干扰。
2）主轴编码器或连轴器松动（断裂）。
3）主轴编码器信号线接地或屏蔽不良，被干扰。
4）主轴转速不稳，有抖动。
5）主轴转速尚未稳定，就执行了螺纹加工指令（G32），导致了主轴与Z轴进给不能实现同步，造成“乱牙”。 采用“G32”前加G04延时指令或更改螺纹加工程序的起始点，使其离开工件一段距离，保证在主轴速度平稳后，再开始螺纹加工，即可实现正常的螺纹加工
除了以上描述外，还有一些常见的主轴系统故障，比如：主轴定位点不稳定、主轴定位时出现振荡、主轴不能定位、主轴定位不准等在这里不再一一赘述。
2维修实例
例1某立式加工中心，在加工时主轴运行突然停止，驱动器显示过电流报警。
分析:经查交流主轴驱动器主回路，发现再生制动回路、主回路的熔断器均熔断，经更换后机床恢复正常。但机床正常运行数天后，再次出现同样故障。
分析可能存在的主要原因有：
1）主轴驱动器控制板不良。
2）电动机连续过载。
3）电动机绕组存在局部短路。
在以上几点中，根据现场实际加工情况，电机过载的原因可以 排除。考虑到换上元器件后，驱动器可以正常工作数天，故主轴驱动器控制板不良的可能性很小。因此可能性最大的是电动机绕组存在局部短路。维修时仔细测量电动机绕组的各相电阻，发现U相对地绝缘电阻较小，证明该相存在局部对地短路。拆开电动机检查发现，电动机内部绕组与引出线的连接处绝缘套已经老化；经重新连接后，对地电阻恢复正常。更换元器件后，机床恢复正常，故障不再出现。
例2DM4600加工中心，在更换了主轴编码器后，出现主轴定位时不断振荡，无法完成定位的故障。
分析：由于该机床更换了主轴位置编码器，机床在执行主轴定位时减速动作正确，分析故障原因应与主轴位置反馈极性有关，当位置反馈极性设定错误时，必然引起以上现象。 更换主轴编码器极性可以通过交换编码器的输出信号Ua1/Ua2， Ua1’/Ua2’进行，当编码器定位由CNC控制时，也可以通过修改CNC机床参数进行，在本机床上通过修改主轴位置反馈极性参数（硬件配置参数中主轴编码器的部件号），主轴定位恢复正常。
3结束语
我们日常进行数控机床的维护维修时，应该在充分调查现场掌握第一手材料的基础上，把故障问题正确地列出来。俗话说，能够把问题说清楚，就已经解决了问题的一半。分析故障时，维修人员不应局限于CNC部分，而是要对机床强电、机械、液压、气动等方面都作详细的检查，并进行综合判断，制定出故障排除的方案，达到快速确诊和高效率排除故障的目的。
参考文献：[1] 杨克冲 数控机床电气控制 华中科技大学出版社 武汉 2007.2
[2] 华中数控股份有限公司 HNC-21M参数说明书 武汉 2005.1
[3] 廖兆荣 机床电气自动控制[M] 北京 化学工业出版社 2003.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。 |
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发表于 2018-7-16 17:05:09