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数控机床故障诊断与维修项目三项目三 主轴驱动系统的主轴驱动系统的故障诊断与维修故障诊断与维修【技能目标】能够分析主轴驱动系统典型故障的原因并能排除故障。【知识目标】熟悉通用变频器常见故障的原因及排除方法。熟悉串行主轴系统的报警号及故障处理。熟悉主轴准停控制功能的常见故障诊断。掌握主轴驱动系统典型故障的原因及诊断方法【项目导入】【项目导入】主轴驱动系统也称为主传动系统，是数控系统中完成主运动的动力装置。主轴驱动系统的性能直接决定加工工件的表面质量。主轴驱动系统一旦出现故障，可能会造成工件报废，甚至会造成撞车事件，因此，其可靠性直接影响数控机床的安全和生产效率。主轴驱动系统故障在数控机床故障中占的比例较大，因此，应掌握主轴驱动系统的典型故障现象，合理运用所学的故障诊断方法对主轴驱动系统故障进行处理。任务：请根据数控机床主轴驱动系统的故障现象分析故障的可能原因，确定诊断方案并排除故障。【项目实施及相关知识】【项目实施及相关知识】主轴驱动系统包括主轴驱动器和主轴电动机。主轴驱动系统可分为直流主轴驱动系统和交流主轴驱动系统。目前数控机床的主轴驱动系统多采用交流主轴驱动系统，其控制方式有模拟量控制（即变频主轴）和串行数字控制（即伺服主轴）两种。一、通用变频器及其故障诊断一、通用变频器及其故障诊断 数控机床常用变频主轴的配置有普通鼠笼异步电动机配变频器（参见图3-1）和三相异步电动机配齿轮箱及变频器（参见图3-2）。图3-1 鼠笼异步电动机配变频器图3-2 三相异步电动机配齿轮箱及变频器（一）通用变频器的组成及端子功能（一）通用变频器的组成及端子功能 目前作为主轴驱动装置的通用变频器主要有安川变频器、日立变频器、三菱变频器、富士变频器、西门子变频器、台达变频器和艾默生变频器等。下面以多功能型安川变频器为例进行介绍。变频器主要由主电路和控制电路组成。1 1变频器的主电路变频器的主电路 安川变频器的主电路主要包括交-直变换电路、制动单元电路及直-交变换电路，如图3-3所示。（1）交-直变换电路 （2）直-交变换电路 （3）制动单元电路图3-3 安川变频器的主电路及其端子排列图 2 2变频器的控制电路变频器的控制电路 变频器的控制电路与主电路相对应，为主电路提供所需的驱动信号。安川变频器的控制电路端子有开关量输入控制端子（1、2、3、4、5、6、7、8、11）、模拟量输入控制端子（13、14、16、17）、继电器输出控制端子（18、19、20、9、10）、开路集电极输出控制端子（25、26、27）及模拟量输出控制端子（21、23、22），如图3-4所示。（二）数控机床（二）数控机床CNCCNC系统与变频器的连接系统与变频器的连接 下面以CKA6150数控车床配FANUC 0TC数控系统为例，来说明数控系统、数控机床与变频器的连接及信号流程和功能。如图3-5所示为CKA6150数控车床主轴驱动装置（安川变频器）的接线图。图3-4 安川变频器控制回路端子的功能连接图图3-5 CKA6150数控车床主轴驱动装置的接线图 1 1CNCCNC到变频器的信号到变频器的信号 （1）主轴正转信号（1-11）、主轴反转信号（2-11）（2）系统故障输入（3-11）（3）系统复位信号（4-11）（4）主轴电动机速度模拟量信号（13-17）（5）主轴点动信号（7-11）2 2变频器到变频器到CNCCNC的信号（通过系统的的信号（通过系统的PMCPMC）（1）变频器故障输入信号（19-20）（2）主轴达到信号（26-27）（3）主轴零速信号（25-27）3 3变频器到机床侧的信号变频器到机床侧的信号 （1）主轴速度表的信号 （2）主轴负载表的信号（三）变频器报警代码及故障原因（三）变频器报警代码及故障原因 当变频器检测出故障时，会在数字操作器上显示该报警内容，并停止变频器的输出。变频器故障信号发出时，可以根据变频器的报警信息判定故障的产生原因。1 1电压故障电压故障 （1）主回路低电压故障UV1（DC Bus Under Volt）（2）控制电路低电压故障UV2（CTL Ps Under Volt）（3）浪涌电压保护回路故障UV3（MC Answerback）（4）过电压故障OV（Over Voltage）（5）瞬时停电检查中UV（Under Voltage）2 2电流故障电流故障 （1）过电流故障OC（Over Current）（2）输出侧对地短路故障GF（Ground Fault）（3）输出侧短路故障SC（Short Circuit）（4）主回路熔断器故障PUF（DC Bus Flues Open）3 3散热片过热故障散热片过热故障OHOH（Heat Sink Over TmpHeat Sink Over Tmp）4 4电动机过载故障电动机过载故障OL1OL1（Motor Over LoadedMotor Over Loaded）5 5功能参数设定错误报警功能参数设定错误报警 6 6外部端子外部端子3 38 8异常信号输入故障异常信号输入故障EF3EF3EF8EF8（External Fault 3External Fault 38 8）7 7变频器本身硬件或软件故障变频器本身硬件或软件故障二、交流伺服主轴驱动系统及其故障诊断二、交流伺服主轴驱动系统及其故障诊断 下面以FANUC的系列伺服主轴驱动系统为例，说明串行数字控制主轴驱动装置的组成及故障诊断与维修。（一）串行数字控制的主轴驱动装置及其连接（一）串行数字控制的主轴驱动装置及其连接 FANUC 系列伺服主轴驱动系统采用的是模块化结构，伺服驱动模块与主轴驱动模块共用电源模块，模块与模块、驱动器与CNC之间通过I/O Link总线连接。1 1主轴模块主轴模块 FANUC 系列主轴模块（SPM）的结构如图3-6所示。2 2主轴模块的连接主轴模块的连接 如图3-7所示为FANUC 系列电源模块和主轴模块的连接图。图3-6 FANUC 系列主轴模块（SPM）图3-7 FANUC 系列电源模块和主轴模块的连接（二）串行数字控制主轴驱动装置的报警代码及故障（二）串行数字控制主轴驱动装置的报警代码及故障处理处理 在FANUC 系列主轴模块SPM上，安装有两只7段数码管，用于显示主轴驱动器的报警。当主轴驱动系统出现报警时，红色报警灯ALM亮，同时LED数码管显示报警号。（三）串行主轴系统的报警号及故障处理（三）串行主轴系统的报警号及故障处理 当主轴驱动系统出现故障时，CNC系统就会显示相应的报警号及诊断信息，据此可以确定故障原因及故障部位。1 1串行主轴通信错误报警串行主轴通信错误报警 2 2串行主轴回路启动不良报警串行主轴回路启动不良报警 3 3主轴故障报警主轴故障报警 4 4串行主轴的系统诊断号串行主轴的系统诊断号（四）数控机床主轴的速度和位置控制装置及故障处（四）数控机床主轴的速度和位置控制装置及故障处理理 1 1串行数字控制主轴电动机的速度检测装置串行数字控制主轴电动机的速度检测装置 如图3-8所示为FANUC 系列主轴电动机和主轴放大器的速度反馈信号连接。2 2数控机床主轴位置编码器的作用及信号连接数控机床主轴位置编码器的作用及信号连接 （1）主轴位置编码器的作用 （2）主轴位置编码器的信号及连接 主轴位置编码器的信号及接线如图3-9所示。3 3数控机床主轴位置检测装置的常见故障及维修数控机床主轴位置检测装置的常见故障及维修 （1）不执行螺纹加工 （2）螺纹加工出现“乱扣”现象 （3）螺纹加工出现螺距不稳现象 （4）主轴定向准停不能完成 （5）加工中心换刀过程掉刀图3-8 FANUC 系列主轴电动机和主轴放大器的速度反馈信号连接图3-9 主轴位置编码器的信号及接线图（五）数控机床的主轴准停控制功能及常见故障处理五）数控机床的主轴准停控制功能及常见故障处理 数控机床的主轴准停控制功能非常重要，现单独对其进行详细介绍。1 1主轴准停功能的主要用途主轴准停功能的主要用途 在自动换刀的数控铣镗类机床中，为保证自动换刀，主轴必须停止在某一固定的位置上（刀柄上的键槽必须与主轴的凸键对准相配），如图3-10所示。2 2主轴准停控制形式主轴准停控制形式 主轴准停的常见控制形式有以下几种。通过主轴位置编码器实现主轴准停控制，适用于主轴电动机与主轴传动比为任意传动比（如带齿轮变挡控制主轴传动）及要求主轴具有刚性攻丝功能时，如图3-11所示 通过主轴电机内装编码器实现主轴准停控制，适用于主轴电动机与主轴直连或11连接时，如图3-12所示。通过主轴外装主轴一转信号（接近开关）和电动机内装传感器实现主轴准停控制，适用于主轴电动机与主轴传动比为任意传动比时，如图3-13所示。数控机床主轴准停控制常用的检测装置如图3-14所示。图3-10 主轴准停图3-11 使用位置编码器方式准停 图3-12 使用有MZ/MZi Sensor的主轴电动机准停图3-13 使用安装在主轴上的外部一转信号准停图3-14 常用的准停控制装置 3 3主轴准停的常见故障诊断主轴准停的常见故障诊断 主轴定向准停控制的常见故障有以下几种。（1）主轴不能定向准停 1）主轴手动控制准停有效而自动（M19）无效 通过系统梯形图查看主轴准停信号G70.6/G229.6是否为1及M19执行条件是否正确。2）手动和自动均不能实现主轴准停控制 （2）主轴慢转、“定向准停”不能完成 （3）主轴准停角度出现偏差（固定偏差或随机偏差）【知识扩展】【知识扩展】一、主轴准停故障的诊断与维修实例一、主轴准停故障的诊断与维修实例 故障现象（一）：某配套FS0的立式加工中心，在更换了主轴编码器后，出现主轴定位时不断震荡、无法完成定位的故障。1故障分析与诊断 2故障排除 故障现象（二）：某采用FS0的加工中心，配套系列主轴驱动器，在执行主轴定位指令时，发现主轴存在明显的位置超调，定位位置正确，系统无报警。1故障分析与诊断 2故障排除 故障现象（三）：一台配套FANUC 11A系统的卧式加工中心，当执行M06换刀指令时，在主轴定向过程中，主轴驱动器发生AL-02报警。1故障分析 2故障诊断 3故障排除 故障现象（四）：某采用SIEMENS 810M的立式加工中心，配套6SC6502主轴驱动器，在调试时，出现主轴定位点不稳定的故障。1故障分析 2故障诊断 3故障排除二、主轴驱动系统的常见故障与维修实例二、主轴驱动系统的常见故障与维修实例 故障现象（一）：一台配套FANUC 21系统的立式加工中心，在加工过程中，主轴运行突然停止，系统显示ALM 2001、ALM 409报警，交流主轴驱动器显示AL-01报警。1故障分析 2故障诊断 3故障排除 故障现象（二）：一台配套FS 0T的二手数控车床，采用S系列主轴驱动器，开机后，主轴驱动器无报警显示，但不论输入S*M03或S*M04指令，主轴仅仅出现低速旋转，转速无法达到指令值。1故障分析 2故障诊断 3故障排除 故障现象（三）：一台配套FS 0M的加工中心，采用S系列主轴驱动器，开机后，不论输入S*M03或S*M04指令，主轴仅仅出现低速旋转，实际转速无法达到指令值。1故障分析 2故障诊断 3故障排除 故障现象（四）：某配套FS 0TD系统的数控车床，在自动加工时，发现机床不执行螺纹加工程序。1故障分析 2故障诊断 3故障排除 故障现象（五）：某配套FANUC 0TD系统的数控车床，使用安川变频器作为主轴驱动装置，输入指令SXX M03后，主轴旋转，但转速不能改变。1故障分析 2故障诊断 3故障排除