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第七章 主轴驱动系统的故障诊断与维修. 7.1 概述 7.2 直流主轴驱动系统及故障分析 7.3 主轴通用变频器及故障分析 7.4 交流伺服主轴驱动系统. 7.1 概述. 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。
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第七章 主轴驱动系统的故障诊断与维修 7.1 概述 7.2 直流主轴驱动系统及故障分析 7.3 主轴通用变频器及故障分析 7.4 交流伺服主轴驱动系统
7.1 概述 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，具有恒功率宽调速的特点。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。 主轴驱动系统分类： 一）直流主轴驱动系统 二）主轴通用变频器控制系统 三）交流主轴驱动系统
机床主轴，一般用于给机床加工提供动力，通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削工件旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。 主轴电机通常有普通电机与标准主轴电机两种（与之对应的驱动装置也分为开环与闭环两种）。 主轴驱动装置，有普通变频器和闭环主轴驱动装置等，普通变频器的生产厂家很多，目前市场上流行的有德国西门子公司、日本三肯、安川等。闭环主轴驱动装置一般由各数控公司自行研制并生产，如西门子公司的611系列，日本发那克公司的α系列等。 就电气控制而言，机床主轴的控制是有别于机床伺服轴的。一般情况下，机床主轴的控制系统为速度控制系统，而机床伺服轴的控制系统为位置控制系统。换句话说，主轴编码器一般情况下不是用于位置反馈的（也不是用于速度反馈的），而仅作为速度测量元件使用，从主轴编码器上所获取的数据，一般有两个用途，其一是用于主轴转速显示；其二是用于主轴与伺服轴配合运行的场合（如螺纹切削加工，恒线速加工，G95转进给等）。 注：当机床主轴驱动单元使用了带速度反馈的驱动装置以及标准主轴电机时，主轴可以根据需要工作在伺服状态。此时，主轴编码器作为位置反馈元件使用。
SIMODRIVE 611 变频器系统 SIMODRIVE611 模拟式变频器系统
Siemens 1PH7 主轴电机 1PH7 电机(AH 100 至AH 160 和AH 180/AH225)
使用说明 • 1PH7 空气冷却主轴电机具有以下特点： • 电机的总长度缩短。 • 集成的终端外壳设计(AH 100 至AH160)将噪音曲线降至最低。 • 速度高达9 000 转/分(可选用12 000 转/分)。 • 持续提供各种额定转矩即使停止时。 • 对SIMODRIVE 611 的各种功率级别进行最优配置。 • 1PH7 空气冷却型交流主轴电机是一种转动平稳无须维护的四极鼠笼式异步电机。专门设计用于与 • SIMODRIVE 611 变频器系统相连接。 • 一台提供单独供风的风机沿轴向安装在电动机的尾部。气流的正常流向是从驱动端到非驱动端，以便让机床中的废气更好的排走。 • 电机配置了一个内置的编码系统，用来感应电机的转速和间接的位置。这个编码器能够使C 轴做为标准操作。也就是说，不再需要额外的编码器来控制C轴。 • 应用 • 小型而且结构紧凑的机床(AH 100 至AH 160) • 复杂的加工中心和车床 • 专用机床
对主轴传动系统的要求: 一）调速范围宽 为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量，特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围提出了更高的要求，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节。目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1：100，恒功率调速范围也可达1：30，过载1.5倍时仍可持续工作达30min。 二）恒功率范围要宽 要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率，并尽可能在调速范围内提供主轴电机的最大功率。由于主轴电机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。 三）具有四象限驱动能力 要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1S内从静止加速到6000r/min。 四）具有位置控制能力 即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。
7.2直流主轴驱动系统 7.2.1 概述 从原理上说，直流主轴驱动系统与通常的直流调速系统无本质的区别，但因为数控机床高速、高效、高精度的要求，决定了直流主轴驱动系统具有以下特点： 1）调速范围宽。采用直流主轴驱动系统的数控机床通常只设置高、低两级速度的机械变速机构，电动机的转速由主轴驱动器控制，实现无级变速，因此，它必须具有较宽的调速范围。 2）直流主轴电动机通常采用全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。 3）主轴电控机通常采用特殊的热管冷却系统，能将转子产生的热量迅速向外界发散。此外，为了使电动机发热最小，定子往往采用独特附加磁极，以减小损耗，提高效率。 4）直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流，以实现四象限的运行。
5）主轴控制性能好。为了便于与数控系统的配合，主轴伺服器一般都带有D/A转换器、“使能”信号输入、“准备好”输出、转速/转矩显示输出等信号接口。 6）纯电气主轴定向准停控制功能。由于换刀、精密镗孔、螺纹加工等需要，数控机床的主轴应具有定向准停控制功能，而且应有电气控制系统自动实现，以进一步缩短定位时间，提高机床效率。 主轴定向准停控制，当采用位置编码器作为位置检测器件时，为了控制主轴位置，主轴与编码器之间必须是1：1传动或将编码器直接安装在主轴轴端。当采用磁性传感器作为位置检测器件时，磁性器件应直接安装在主轴上，而磁性传感头则应固定在主轴箱体上。 采用编码器与使用磁性传感器的方式相比，具有定位点在0～360°范围内灵活可调，定位精度高，定位速度快等优点，而且还可以作为主轴同步进给的位置检测器件，因此其使用较广。
7.2.2直流主轴控制系统常见的故障 1.主轴电动机不转 造成这类故障的原因有： 1）印制线路板表面太脏或内部电路接触不良。 2）触发脉冲电路故障，晶闸管无触发脉冲产生。 3）机床未给出主轴旋转信号、电动机动力线电线或主轴控制单元与电动机连线不良。 4）机械连接脱落，如高/低档齿轮切换用的力和齿啮合不良。 5）机床负载太大。 6）控制信号为满足主轴旋转的条件，如转向信号、速度给定电压为输入。
2.主轴速度不正常或不稳定 造成这类故障的原因有： 1）装在主轴尾部的测速发电机故障（断线或不良）。 2）速度指令电压不良或错误。 3）D/A变换器故障。 4）电动机不良，如：励磁丧失等。 5）电动机负载过重。 6）驱动器不良。 7) 印刷线路板太脏或其误差放大器故障。 8）速度指令错误。 3.主轴电动机振动或噪声过大 造成这类故障的原因有： 1）系统电源或相序不对（缺相、相序不正确或电压不正常）。 2）电流反馈回路调整不当。 3）驱动器上的增益调整电路或颤动调整电路的调整不当。 4）驱动器上的电源开关设定错误（如50/60HZ切换开关设定错误等）。 5）电动机轴承故障、主轴电动机和主轴之间离合器故障。 6）主轴负荷过大等；
4.发生过流报警 造成这类故障的原因有： 1）驱动器电流极限设定错误。 2）触发电路的同步触发脉冲不正确。 3）主轴电动机的线圈内部存在局部短路 。 4）驱动器的控制电源（+/-15v或0～15v电压）存在故障。 5.速度偏差过大， 引起速度偏差的原因有： 1）机床切削负荷太重。 2）速度调节器或测速反馈回路的设定调节不当。 3）主轴负载过大、机械传动系统不良或制动器为松开。 4）电流调节器或电流反馈回路的设定调节不当。
6. 熔断器熔丝熔断 产生此故障的原因可能有： 1）驱动器控制印刷电路板不良 2）电动机不良，如：电枢线短路、电枢绕组短路或局部短路，电枢线对 地短路等等。 3）测速发电机不良 4）输入电源相序不正确 5）输入电源存在缺相。 7.热继电器保护 8.电动机过热 9.过电压吸收器烧坏 通常情况下，它是由于外加电压过高或瞬间电网电压干扰引起的。 10.运转停止
11.速度达不到最高转速 引起这类故障的原因主要有： 1）电动机励磁电流调整过大。 2）励磁控制回路存在不良。 3）晶闸管整流部分太脏，造成直流母线电压过低或绝缘性能降低。 12.主轴在加/减速时工作不正常 引起此故障的原因可能有： 1）电动机加/减速电流计先设定、调整不当。 2）电流反馈回路设定、调整不当。 3）加/减速回路时间常数设定不当或电动机/负载间的惯量不匹配。 4）机械传动系统不良。
13.电动机电刷磨损严重或电刷面上有划痕 其原因可能有： 1）主轴电动机连续长时间过载工作。 2）主轴电动机换向器表面太脏或有伤痕。 3）电刷上有切削液进入。 4）驱动器控制回路的设定、调整不当。
维修实例 故障现象：配套某系统的数控车床，配套SIEMENS 6RA26**系列直流主轴驱动器，开机后显示主轴报警。 分析与处理过程：检查SIEMENS 6RA26**系列直流主轴驱动器，发现报警的含义与提示是“电源故障”，其可能的原因有： 1）电源相序接反。 2）电源缺相，相位不正确。 3）电源电压低于额定值的80%。 测量驱动器输入电压正常，相序正确，但主驱动仍有报警，因此可能的原因是电源板存在故障。 检查确认故障原因为印制电路板存在虚焊，导致了同步电源的电压降低，引起了电源报警。重新焊接后电压恢复正常，报警消失，机床恢复正常。
7.2.2 直流主轴驱动系统使用注意点： 安装注意事项主轴伺服系统对安装有较高的要求，这些要求是保证驱动器正常工作的前提条件，在维修时必须引起注意。 1. 安装驱动器的电柜必须密封。 为了防止电柜内温度过高，电柜设计时应将温升控制在15°以下。电柜的外部空气引入口，应设置过滤器，并防止从排气口浸入尘埃或烟雾；电缆出入口、柜门等部分应进行密封，冷却电扇不要直接吹响驱动器，以免粉尘附着。 维修过程中，必须保证以上部分的完好，确保机床长期可靠工作。 2. 电动机维修完成后，进行重新安装时，要遵循下列原因： 1）电动机安装面要平，且有足够的刚性。 2）电刷应定期维修及更换，安装位置应尽可能使其检修容易。 3）电动机冷却进风口的进风要充分，安装位置要尽可能使冷却部分的检修容易。 4）电动机应安装在灰尘少、湿度不高的场所，环境温度应在40℃以下。 5）电动机应安装在切削液和油不能直接溅到的位置上。
3. 使用检查 在对主轴驱动系统进行维修前，应进行如下驱动系统工作前的检查： 1）检查速度指令与电动机转速是否一致，负载指示是否正常。 2）电动机是否有异常声音和异常振动。 3）轴承温度是否急剧上升等不正常现象。 4）电刷上是否有显著的火花发生痕迹。 4. 对于工作正常的主轴驱动系统，应进行如下日常维护 1）电柜的空气过滤器每月应清扫一次。 2）电柜及驱动器的冷却风扇应定期检查。 3）建议操作人员每天都应注意主轴电动机的旋转速度、异常振动、异常声音、通风状态、轴承温度、外表温度和异常臭味。 4）建议使用单位维护人员，每月应对电刷、换向器进行检查。 建议使用单位维护人员，每半年应对测速发电机、轴承、热管冷却部分、绝缘电阻进行检测。
7.3 主轴通用变频器 随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴电动机配变频器控制的方式。变频器的控制方式从最初的电压空间矢量控制（磁通转迹法）到矢量控制（磁通定向控制），发展至今天直接转矩控制，从而能方便地实现无速度传感器化；脉宽调制（PWM）技术从正弦PWM发展至优化PWM技术和随机PWM技术，以实现电流谐波畸变小，电压利用率最高、效率最优、转矩脉冲最小及噪声强度大幅度削弱的目标；功率器件由GTO、GTR、IGBT发展到智能模块IPM，是开关速度快、驱动电流小、控制驱动简单、故障率降低、干扰得到有效控制及保护功能进一步完善。 随着数控控制的SPWM变频调速系统的发展，数控机床主轴驱动采用通用变频器控制也越来越多。所谓“通用”包含着两方面的含义：一是可以和通用的笼型异步电动机配套应用；二是具有多种可供选择的功能，可应用于各种不同性质的负载。 值得注意的是，变频器的冷却方式都采用风扇强迫冷却。如果通风不良，器件的温度将会升高，有时即使变频器并没有跳闸，但器件的使用寿命已经下降。所以，应注意冷却风扇的运行状况是否正常，经常清拭滤网和散热器的风道，以保证变频器的正常运转。
7.3.2 变频调速原理 1.变频调速原理：
2. 恒转矩调速 恒转矩变频调速系统中，如能保持Ux/f=定值，则f变化时，能保持过载能力不变（理论上）。
从上式中可知：当f1减小时，最大转矩Tm不变，启动转矩Tst增大，临界点转速降不变，因此，机械特性随频率的降低而向下平移，如图7-1中虚线所示。从上式中可知：当f1减小时，最大转矩Tm不变，启动转矩Tst增大，临界点转速降不变，因此，机械特性随频率的降低而向下平移，如图7-1中虚线所示。 实际上，由于定子电阻r1的存在，随着f1的降低（u1/f1 ＝常数），Tm将减小，当f1很低时，Tm减小很多，如图7-1中实线所示。
3.恒功率变频调速 在基频以上调速时，频率从 往上增高，但电压U1却不能增加得比额定电压 还大，最大只能保持U1＝ ，由上述公式可知，这迫使 与f成反比降低，Tm与Tst均随频率f1的增高而减小， 保持不变，机械如图3所示，这近似为恒功率调速，相当于直流电动机弱磁调速的情况。
7.3.3 西门子MM420变频器(详细资料参见MM420使用手册） 1、变频器的电气控制原理图
2、MM420 变频器电源及电机强电接线端子排列如下图所示：
3、变频器接线方框图 MM420变频器详细资料请参看《MICROMASTER 420 操作说明书》
4、变频器与611U伺服驱动的连接图 802D数控系统配置变频主轴时,变频器0-10V的指令电压是通过611UE的X411端口上的75.A和15给出的,正反转指令是通过X453端口上的Q0.A和Q1.A给出的
7.3.4 主轴通用变频器常见报警及故障处理 一、通用变频器常见报警及保护 为了保证驱动器的安全，可靠的运行，在主轴伺服系统出现故障和异常等情况时，设置了较多的保护功能，这些保护功能与主轴驱动器的故障检测与维修密切相关。当驱动器出现故障时，可以根据保护功能的情况，分析故障原因。
变频器（440系列）的主要报警及故障诊断如下表：变频器（440系列）的主要报警及故障诊断如下表：
二、主轴变频系统常见故障及处理： 1.主轴电机不转 主要有以下原因： 1）检查CNC系统是否有速度控制信号输出。 2）主轴驱动装置故障。 3）主轴电动机故障。 4）变频器输出端子U、V、W不能提供电源。造成此 种情况可能有以下原因： a)是否有报警错误代码显示，如有报警，对照相关说明书解决。（主要有过流、过热、过压、欠压以及功率块故障等）。 b)频率指定源和运行指定源的参数是否设置正确。 c)智能输入端子的输入信号是否正确。
2.电机反转 造成电机反转的原因主要有： 1）检查输出端子U/T1，V/T2和W/T3的连接是否正确 ？（使得电机的相序与端子连接相对应，通常来说：正转（FWD）＝U－V－W，和反转（REV）＝U－W－V ） 2）检查电机正反转的相序是否与U/T1，V/T2和W/T3相对应 ？ 3）检查控制端子（FW）和（RV）连线是否正确 ？（端子(FW）用于正转，（RV）用于反转 ） 3 .电机转速不能到达 主要原因可能有： 1）如果使用模拟输入，是否用电流或电压“O”或“OI” （1）检查连线 （2）检查电位器或信号发生器 2）负载太重 （1）减少负载 （2）重负载激活了过载限定（根据需要不让此过载信号输出）
4.电机过载 （连续超负载150％一分钟以上 ） 造成电机过载原因有： 1）机械负载是否有突变 2）电机配用太小 3）电机发热绝缘变差 4）电压是否波动较大 5）是否存在缺相 6）机械负载增大 7）供电电压过低 5. 变频器过载 造成变频器过载原因有： 1）检查变频器容量是否配小，否则加大容量。 2）检查机械负载是否有卡死现象。 3）V/F曲线设定不良，重新设定。
6.主轴转速不稳定 主要原因有： 1）负载波动是否太大。 2）电源是否不稳。 3）该现象是否出现在某一特定频率下。此现象可以稍微改变输出频率，使用跳频设定将此有问题的频率跳过。 4）外界干扰。 7.主轴转速与变频器输出频率不匹配 主要原因有： 1）最大频率设定是否正确。 2) 验证V/F设定值与主轴电机规格是否相匹配。 3）确保所有比例项参数设定正确。
8.主轴与进给不匹配（螺纹加工时） 主要原因有： 当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进给、主轴仍继续运转的故障。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，一般情况下为主轴编码器有问题。可以用以下方法来确定： 1）CRT画面有报警显示。 2）通过PLC状态显示观察编码器的信号状态。 3）用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，观察故障是否消失。
三、注意事项： 1）保持变频器的清洁，不要让灰尘等其它杂质进入。 2）特别注意避免断线或连接错误。 3）牢固连接接线端和连接器。 4）确保使用具有合适容量的熔断器，漏电断路器，交流接触器，电机连线。 5）切断电源后应等待至少5分钟，才能进行维护或检 查。 6）设备应远离潮湿和油雾，灰尘，金属丝等杂质。
四、维修实例 例1：驱动器出现过电流报警的故障维修 故障现象：某数控车床，在加工时主轴运行突然停止，出现打刀，驱动器显示过电流报警 。 分析与处理过程：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。 由于故障重复出现，证明该机床主轴系统存在问题，根据报警现象，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，电动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已较小。因此，故障原因可能性最大的是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，电动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已较小。因此，故障原因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项电阻，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。 再次更换元器件后，机床恢复正常，故障不再出现。
