《数控机床调试与维修》项目三：主轴传动系统的故障维修与保养7666.pptx

数控机床调试与维修主编：张洪强项目三：主轴传动系统的故障维护与保养【学习目标】（一）专业能力目标1、清楚变频主轴的组成；2、清楚主轴的机械结构及变频器的接线、主要参数意义及设置方法；3、能进行变频主轴常见故障维修；（二）社会能力目标1.具有良好的职业道德和敬业精神；2.具有较强的责任感；3具有团结协作精神；4具有良好的心理素质和身体素质；（三）方法能力目标1.具有通过电教片、网络等现代途径学习和图书查询等自学能力；2.具有综合运用知识与技术从事程度较复杂的技术工作的能力。【相关知识】任务1：变频主轴常见故障维修及保养一、主轴常识数控机床主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，主轴部件是影响机床加工精度的主要部件,回转精度影响工件的加工精度,功率与回转速度影响加工效率,自动变速、准停和换刀等影响机床的自动化程序。主轴的功能是接受数控系统(CNC)的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。对主轴驱动的要求：足够的转速范围；足够的功率和扭矩；各零部件应具有足够的精度、强度、刚度和抗振性；噪声低、运行平稳；与进给同步功能：为了使数控车床具有螺纹切削功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制；准停功能：在加工中心上，为了自动换刀，还要求主轴具有高精度的准停功能。主轴驱动系统包括主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。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；主轴驱动切削刀具旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。数控机床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统根据控制方式的不同主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮(以获得更大的转矩)带动主轴旋转。新兴的电主轴（一体化主轴）最高转速可达150000转/分钟，额定功率可达100千瓦，可实现恒转矩调速和恒功率调速。图3-1 主轴驱动装置根据主轴速度控制信号的不同可分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类。模拟量控制的的主轴驱动装置采用变频器实现主轴电动机控制，有通用变频器控制通用电机和专用变频器控制专用电机两种形式。目前大部分的经济型机床均采用数控系统模拟量输出+变频器+感应（异步）电机的形式，性价比很高，这时也可以将模拟主轴称为变频主轴。串行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，日本发那克公司的系列等，如图3-1。控制关系：电机驱动主轴，变频器控制电机正反转和转速，变频器受数控系统控制，包括用模拟直流电压（010V）控制变频器的频率，用I/O口输出的开关信号控制变频器输出三相交流电的相序，数控系统根据操作者或程序s或m要求，以及由主轴速度传感器反馈信号确定主轴的控制输出。二、CK6136 主轴传动系统CK6136数控车床主轴驱动系统采用通用变频器控制普通三相交流异步电动机，实现主轴的变频无级调速，利用编码器实现主轴位置（速度）检测。图3-2 单轴无级调速主轴箱结构图1、主轴带轮 2、同步带轮 3、主轴 4、同步带 5、编码器支架 6、编码器 CK6136数控车床主轴驱动系统采用通用变频器控制普通三相交流异步电动机，实现主轴的变频无级调速，利用编码器实现主轴位置（速度）检测。图3-2是单轴无级调速主轴箱结构图。图3-3是手动两档变频调速主轴箱传动示意图。主轴电机通过皮带传动使轴获得旋转运动，经过轴上的齿轮z1与轴的齿轮z2的齿轮传动，轴转动，同时轴上的齿轮双联滑移齿轮z3和z4开始旋转，滑移齿轮在左边位置时，轴的运动经z3/z54齿轮副传到主轴，获得高档区转速215-2500r/min；滑移齿轮在右边位置时，轴的运动经z4/z6齿轮副传到主轴，获得低档区转速34-400r/min。同时主轴尾部的同步带轮转动，通过同步带，把主轴的转动传递给编码器，检测主轴的转速。主轴箱变速手柄用来控制轴滑移齿轮位置，位于机床前侧防护门内。按住门上的按钮并旋转90可打开防护门。操作变速手柄，当手柄手把指向“L”时，主轴在低档转速区，指向“H”时，主轴在高档转速区。图3-3 手动两档变频调速主轴箱三、三相交流感应异步电动机三相交流异步电动机主要有定子和转子组成，见图3-4。定子绕组是三个匝数相同、节距相同、空间互差120电角度的对称绕组。转子绕组（鼠笼）闭合。图3-4 三相交流异步电动机的结构在三相对称绕组中通入三相对称交流电，就产生沿定子轴线旋转的旋转磁场，转子中的导体（导条）切割磁力线产生感应电动势，感应电动势在闭合的转子回路产生感应电流，感应电流和旋转磁场作用，产生电磁力，产生电磁转矩，该转矩如大于负载转矩，转子就转起来。转子的转向和旋转磁场的转向相同，可通过改变相序改变。转子的转速n=（1-s）ns=（1-s）60f/p 式中:ns=60f/p 为旋转磁场的转速，也称为同步转速；f:交流电的频率；p：电动机的磁极对数，只和电机结构有关；s：转差率。正常运转时，s很小，约为0.020.05结论：1、主轴有正反转，可通过改变驱动交流电机的相序（调换三项电源接线中的任意两根线）实现。2、实现主轴调速：三项交流电机调速比较困难调速性能不好。通常有两个实用调速方法：变极调速和变频调速。变极调速改变电机的磁极对数P,该方法只能实现有级调速，数控机床一般不采用；变频调速改变供电电源的频率f,能实现无级调速，变频主轴采用的就是这种方法。代价是必须在电机之外再增加一个价格不菲的变频器。四、变频器（一）变频器常识变频器是将输入的50赫兹交流电源（三相或单相），变换成可调频率的三相交流电的大功率电源。驱动电动机时，在实现变频调速的同时，能根据负载要求得到理想的机械特性（转速和转矩的关系）；变频器本身具有过压、过流、过载、短路、过热保护及报警；频率改变时，输出电压同时调节，频率越低，输出电压越低，配合变频调速时供给电机电压的调节，能克服普通交流电机转速低时转矩太小的缺点；提供理想的启动性能、调速性能，可实现制动、反转、点动控制功能；能实现操作模式、参数设置、显示设置。启动性能好：指启动时电流不大而转矩较大。调速性能好：无级调速、调速范围宽、能实现恒速、低速大转矩，驱动车床时实现恒线速度切削。变频器可实现电机的分段速度控制和无级变速控制。实现方法：模拟电压实现 在模拟控制输入端改变010V（或05V）直流电压，线性改变输出电源的频率。开关选段速，段速频率由参数设置。通讯实现 大多数变频器都提供与其他设备（计算机、PLC等）通讯功能，通讯可实现对变频器的多种操作，调速是其中的一种。（二）变频器主电路 图3-5变频器主电路变频器由主电路和控制电路组成。最易出现的故障部位在主电路。主电路由整流电路、直流回路、逆变电路组成，如图3-5所示。整流电路一般用整流桥将输入的交流电源变换成脉动直流电源，直流回路主要由电阻和滤波电容组成，把脉动直流变换成稳恒直流。逆变电路由大功率开关管组成，把直流电变换成交流电，改变开关管的开关频率，即可改变输出交流电的频率。图3-6 三菱变频器接线图（三）逆变器的接线变频器维修中主要是对其正确接线和设置参数。CK6136数控车床使用富仕变频器驱动主轴电机。变频器接线如图3-6。接线端如图3-7：图3-7 变频器的接线端机床实际接线图如图3-8。图3-8 三菱变频器接线图（四）、逆变器的参数设定 各型号的逆变器都必须进行参数设置，需仔细阅读说明书，按说明书正确设置。下面以三菱变频器为例说明参数设置方法。任务小节本节阐述了变频主轴系统的常见故障维修及保养知识，主轴的功能是接受数控系统(CNC)的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。主轴驱动系统包括主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。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；主轴驱动切削刀具旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。目前大部分的经济型机床均采用数控系统模拟量输出+变频器+感应（异步）电机的形式，性价比很高，这时也可以将模拟主轴称为变频主轴。变频器是将输入的50赫兹交流电源（三相或单相），变换成可调频率的三相交流电的大功率电源，驱动电动机时，在实现变频调速的同时，能根据负载要求得到理想的机械特性。变频器由主电路和控制电路组成，主电路由整流电路、直流回路、逆变电路组成。整流电路一般用整流桥将输入的交流电源变换成脉动直流电源，直流回路主要由电阻和滤波电容组成，把脉动直流变换成稳恒直流。课后自测1、变频主轴主要用变频器的那几个接线端？2、查找其他型号的变频器及说明书进行练习。3、判断正误（1）变频器主轴比伺服主轴性能更好。（）（2）变频器的输入电源都是单项交流电。（）（3）变频器产生的干扰较大。（）（4）断电后可立即打开变频器维修。（）（5）变频器的电源输入端标记为U、V、W.()（6）变频器内部主电路由整流、直流、逆变组成。（）（7）逆变器只变频，输出电压保持不变。（）（8）变频器和电机成对使用。（）（9）变频器主电路接线端子和控制电路接线端子尺寸不一，容易区别。（）（10）数控机床变频主轴是一个开环控制系统。（）（11）变频器完成输出所有控制，与数控系统无关。（）（12）一般数控系统输出到变频器的控制信号有方向控制和转速控制。（）（13）变频器模拟控制电压为024V。（）（14）模拟控制电压和方向控制电压都是模拟直流电压。（）（15）主轴速度/位置传感器和主轴电机同轴作成一体。（）（16）变频器驱动的电机是交流伺服电机。（）（17）变频器正确接线后，通电即可正常工作。（）（18）变频器包含负载电机的参数。（）（19）数控机床转速控制模拟电压的改变，是通过电位器分压实现的。（）（20）变频主轴电机的速度/位置传感器的输出应接至变频器。（）任务2：伺服主轴常见故障维修及保养一、系统组成宝鸡机床厂生产VMC650数控铣床，配置FANUC 0i-Mate-Mc数控系统，主轴驱动系统配置8/8000i交流伺服电动机。主轴放大器采用SVPM3-15i，主轴驱动、进给伺服驱动做成一体。主轴系统组成包括NC、PMC、串行主轴放大器、伺服电机、位置编码器、机械部分等。如图3-9，图中：NC：数控系统；PMC：FANUC开发的数控机床专用可编程控制器；PC：位置编码器。*ESP 紧急停止信号；MRDY 机床准备结束信号；SFR 主轴正转信号；SRV主轴反转信号；ORCM 主轴定向信号；SST 速度0信号；SDT 速度检测信号；SAR 速度到达信号；LDT1 负载检测信号1；LDT2负载检测信号2；ORAR 定向结束信号；ALM 串行主轴报警信号；SSIN 主轴电机指令极性选择信号；SGN主轴电机指令极性选择信号；SIND 主轴电机速度选择信号；FIN 完成信号；SF 主轴速度选通信号；GR10 GR20 GR30 齿轮选择输出信号；R01IR12I 主轴电机速度指令信号；R010R120 S12位代码信号。NC到串行主轴放大器采用FSSB(FANUC Serial Servo Bus)即FANUC高速串行总线。图3-9 FANUC 交流伺服主轴系统二、硬件连接 图3-10硬件总体连接1、总体连接如图3-10，FANUC 伺服控制系统的连接，在外围连接电路具有很多类似的地方，大致分为FSSB连接、控制电源连接、主电源连接、急停信号连接、MCC 连接、主轴指令连接（指串行主轴，模拟主轴接在变频器中）、伺服电机主电源连接、伺服电机编码器连接。2、数控单元接线插座/接口，如图3-11。（1）FSSB 光缆一般接左边插口。（2）风扇，电池，软键，MDI等一般都已经连接好，不要改动。（3）伺服检测CA69不需要连接。（4）电源线可能有两个插头，一个为24V输入(左)，另一个为+24V输出(右)。具体接线为（1-24V,2-0V,3-地线）。（5）RS232接口是和电脑接口的连接线。一般接左边（如果不和电脑连接，不接此线）。（6）串行主轴编码器的连接，如果使用FANUC的主轴放大器，这个接口 是连接放大器的指令线，如果主轴使用的是变频器（指令线由JA40模拟主轴接 图3-11数控单元接线插座/接口口连接），则这里连接主轴位置编码器（车床一般都要接编码器，如果是FANUC的主轴放大器，则编码器连接到主轴放大器的JYA3）。（7）对于I/O LinkJD1A是连接到I/O模块或机床操作面板的，必须连接。（8）存储卡插槽（在系统的正面），用于连接存储卡，可对参数，程序，梯形图等数据进行输入输出操作，也可以进行DNC加工。3、伺服/主轴放大器的连接图3-12 SVPM一体型放大器每种伺服电动机要用配套的伺服驱动器驱动，以实现电机的速度控制或位置控制、正反转、制动、加减速、准停及要求的机械特性。FANUC主轴电机主要有、两大系列。FANAUC 电机放大器有SVM（伺服放大器），SPM（主轴放大器），PSM（带再生放电电阻型）三种型号。FANUC 电机放大器有SVM（伺服放大器），SVPM（伺服主轴一体型放大器）两种。本机采用SVPM315i一体型放大器，外形图如图3-12所示。4、FANUC 数控系统的I/O LINK连接 发那科系统的PMC 是是通过专用的I/O LINK 与系统进行通讯的，PMC 在进行着I/O信号控制的同时，还可以实现手轮与I/O LINK轴的控制，但外围的连接却很简单，且很有规律，同样是从A 到B，系统侧的JD51A(0i C 系统为JD1A)接到I/O模块的JD1B,JA3 或者JA58 可以连接手轮。图3-12 SVPM一体型放大器 FANUC 的PMC 地址分配大致如下：X-MT 输入到PMC 得信号，如接近开关、急停信号等。Y-PMC 输出到MT 的信号，F-CNC输入到PMC 的信号，是固定的地址。G-PMC 输出到CNC 的信号，也是固定的地址。0i 用I/O 模块是配置FANUC 系统的数控机床使用最为广泛的I/O 模块，采用4 个50 芯插座连接的方式，分别是CB104CB105CB106CB107。输入点有96 位，每个50 芯插座中包含24 位的输入点，这些输入点被分为3 个字节；输出点有64 位，每个50 芯插座中包含16 位的输出点，这些输出点被分为2个字节。三、常用参数及说明参数含义FS-OI MA/MBFS-OI-Mate-MBFS-16/18/21MFS-16I/18I/21IMFS-OI TA/TBFS-OI-Mate-TBFS-16/18/21TFS-16I/18I/21ITPM-O备注（一般设定值）程序输出格式为ISO代码 0000#1 0000#1 1 1数据传输波特率 103,113 103,113 10I/O通道 20 20 0为232口,4为存储卡用存储卡 DNC138#7 138 1可选DNC文件未回零执行自动运行1005#0 1005#0 调试时为 1 直线轴/旋转轴1006#0 1006#0 旋转轴1半径编程/直径编程1006#3 车床的 X轴参考点返回方向1006#5 1006#5 0：+，1：-轴名称 1020 1020 88(X)89(Y)90(Z)65(A)66(B)67(C)轴属性 1022 1022 1,2,3轴连接顺序 1023 1023 1,2,3存储行程限位正极限1320 1320 调试为99999999存储行程限位负极限 1321 1321 调试为-99999999未回零执行手动快速1401#0 1401#0 调试为1空运行速度 1410 1410 1000左右各轴快移速度1420 1420 8000左右最大切削进给速度1422 1422 8000左右各轴手动速度1423 1423 4000左右各轴手动快移速度1424 1424 可为0，同1420各轴返回参考点FL速度1425 1425 300-400快移时间常数 1620 1620 50-200切削时间常数1622 1622 50-200JOG时间常数1624 1624 50-200分离型位置检测器 1815#1 1815#1 全闭环1电机绝对编码器 1815#5 1815#5 伺服带电池1各轴位置环增益 1825 1825 3000各轴到位宽度 1826 1826 20-100各轴移动位置偏差极限 1828 1828 调试10000各轴停止位置偏差极限1829 1829 200各轴反向间隙 1851 1851 测量P-I控制方式 2003#3 2003#3 1单脉冲消除功能 2003#4 2003#4 停止时微小震动设1虚拟串行反馈功能 2009#0 2009#0 如果不带电机1电机代码 2020 2020 查表负载惯量比 2021 2021 200左右电机旋转方向 2022 2022 111或-111 速度反馈脉冲数2023 2023 8192位置反馈脉冲数 2024 2024 半12500，全（电机一转时走的微米数）柔性进给传动比(分子)N2084，2085 2084,2085 转动比，计算互锁信号无效3003#0 3003#0*IT(G8.0)各轴互锁信号无效3003#2 3003#2*ITX-*IT4(G130)各轴方向互锁信号无效 3003#3 3003#2*ITX-*IT4(G132,G134)减速信号极性 3003#5 3003#5 行程（常闭）开关0 接近（常开）开关1超程信号无效 3004#5 3004#5 出现506，507报警时设定 1 显示器类型 3100#7 3100#7 0单色，1彩色中文显示 3102#3 3102#(3190#6 1实际进给速度显示 3105#0 3105#0 1主轴速度和T代码显示 3105#2 3105#2 1主轴倍率显示3106#5 3106#5 1实际手动速度显示指令 3108#7 3108#7 1伺服调整画面显示3111#0 3111#0 1主轴监控画面显示 3111#1 3111#1 1操作监控画面显示 3111#5 3111#5 1伺服波形画面显示 3112#0 3112#0 需要时1，最后要为0指令数值单位 3401#0 3401#0 0：微米，1：毫米各轴参考点螺补号 3620 3620 实测各轴正极限螺补号 3621 3621各轴负极限螺补号 3622 3622螺补数据放大倍数 3623 3623螺补间隔 3624 3624是否使用串行主轴 3701#1 3701#1 0带，1不带检测主轴速度到达信号3708#0 3708#0 1 检测主轴电机最高钳制速度 3736 限制值/最大值*4095主轴各档最高转速 3741/2/3 3741/2/3/4 电机最大值/减速比是否使用位置编码器 4002#1 4002#1 使用 1主轴电机参数初始化位 4019#7 4019#7主轴电机代码 4133 4133CNC控制轴数 8130(OI)8130(OI)CNC控制轴数 1010 1010 8130-PMC轴数手轮是否有效 8131#0(OI)8131#0(OI)设0为步进方式串行主轴有效 3701#1 3701#1直径编程 1006#3 同时CMR=1四、交流伺服电动机主轴传动经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。交流主轴电动机在基本速度以下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率区域。FANUC数控系统配套的控制电机，包括伺服电机、主轴电机、放大器和编码器。由于这些电机是作为运动控制、特别是轮廓控制的执行对象，因此，具有以下特点:高速度；高精度；高效率；体积小；工作可靠等。非常适合高精、高速和紧湊型的数控机床。FANUC 伺服电机型号的意义：8/8000，其意义为:系列名称额定堵转转矩/最高转速。（一）交流主轴伺服电动机的结构交流主轴伺服电动机一般为同步电机，电机主要由定子，转子构成，其中定子与普通的交流感应电机基本相同，主要有定子冲片，三相绕组线圈，另外还有支撑转子前后端盖和轴承等组成，一般交流主轴电动机是专门设计的，为了增加输出功率，缩小电动机的体积，都采用定子铁心在空气中直接冷却的方法，没有机壳，而且在定子铁心上作有轴向孔以利通风等。伺服电机的转子主要由多对极的磁钢，转子冲片和电机轴构成。（二）交流伺服电机的工作原理交流伺服电机的工作原理实际上与电磁式的同步电机类似，只不过磁场不是由转子中的激磁绕组产生，而是由作为转子的永久磁铁产生，当定子三相绕组通上交流电源后，电机中就会产生一个旋转的磁场，该磁场将以同步转速Ns=60f/p旋转。根据磁场的特性，定子的旋转磁极总是要和转子的旋转磁极相互吸引，并带着转子一同地转动，使定子磁场的轴心线与转子磁场的轴心线保持一致，形成电机的旋转扭矩。一旦由于负载的扭矩发生变化，就会造成磁场的轴线和转子的轴线发生变化，但总是不超过一定的限度，所以电机的速度就会以同步转速旋转。作为同步电机由于电机的转子惯量、定子和转子之间的转速差等因素的影响，经常会造成电机启动时的失步，为了保证定子和转子之间总是处于一定的同步状态，在电机的后面的编码器都增加了确定转子位置的位置编码器。任务小节本节主要阐述了伺服主轴的常见故障维修及保养知识，硬件在外围连接电路中大致分为FSSB连接、控制电源连接、主电源连接、急停信号连接、MCC 连接、主轴指令连接、伺服电机主电源连接、伺服电机编码器连接。每种伺服电动机要用配套的伺服驱动器驱动，以实现电机的速度控制或位置控制、正反转、制动、加减速、准停及要求的机械特性。还列出了常用参数的意义及调试方法。FANUC数控系统配套的控制电机是作为运动控制、特别是轮廓控制的执行对象，因此，具有以下特点:高速度，高精度，高效率，体积小，工作可靠等特点，非常适合高精、高速和紧湊型的数控机床。课后自测选择FANUC系统数控机床，按照下面的要求调试主轴参数，观察调试后主轴的运行状况：1、参数的显示操作（1）按 MDI 面板上的功能键“SYSTEM”数次后，或者按功能键“SYSTEM”一次后再按软键PARAM选择参数画面，如图 3-13。图3-13 参数画面（2）参数画面由多页组成。通过下面（a）（b）两种方法选择需要显示的参数所在的页面。（a）用翻页键或光标移动键，显示需要的页面。（b）从键盘输入想显示的参数号，然后按软键NO.SRH。这样可显示包括指定参数所在的页面，光标同时处于指定参数位置（数据部分变成反转文字显示）。2、参数设定步骤：（1）将 NC 置于 MDI 方式或急停状态。（2）用以下步骤使参数处于可写状态。a)按功能键“OFS/SET”数次后，或按功能键“OFS/SET”一次后再按软键SETTING，可显示 SETTING 画面的第一页。b)将光标移至“PARAMETER WRITE”处。c)按（OPRT）软键显示操作选择软键。d)按软键ON：1或输入1，再按软键INPUT，使“PARAMETER WRITE”=1。这样参数处于可写入状态，同时 CNC 发生 P/S报警 100（允许参数写入）。（3）按功能键“SYSTEM”数次后，或者按功能键“SYSTEM”一次后再按软键PARAM，显示参数画面。（4）显示包含需要设定的参数的画面，将光标置于需要设定的参数位置上。（5）输入数据，然后按INPUT软键。输入的数据将被设定到光标指定的参数中。（6）若需要则重复步骤（4）和（5）。（7）参数设定完毕。需将设定画面的“PARAMETER WRITE=”设定为 0，禁止参数设定。（8）复位 CNC，解除 P/S 报警 100。但在设定参数时，有时会出现 P/S 报警000（需切断电源），此时请关掉电源再开机。3、主轴参数设定首先在4133#参数中输入电机代码，把4019#7设定为1，进行自动初始化。断电再上电后，系统会自动加载部分电机参数，初始化后根据主轴电机参数说明书的参数表对照一下，有不同的部分加以修改。修改后主轴初始化结束。设定相关的电机速度（3741，3742，3743等）参数，在MDI画面输入“M03 S100”检查电机的运行情况是否正常。4、根据机床特性需要进行调整的参数：谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH