数控机床主轴与驱动故障与维修

目 录目 录1绪 论2摘要31 数控机床故障诊断与检查方法51.1 数控机床故障的排除思路51.2 分析故障时原因应注意51.3 故障的排除应遵循的原则51.4 常用的故障检查方法72 数控机床主轴机械控制系统92.1 数控机床主轴的结构92.2 数控主轴特点及其性能要求112.3 主轴调速方法123 数控车床主轴驱动控制系统133.1 主轴驱动控制系统的概述133.2 数控机床对主轴驱动系统的要求133.3 主轴电机工作特性143.4 直流主轴控制系统143.4.1 直流主轴驱动系统使用注意点153.4.2直流主轴控制系统常见的故障153.4.2 维修实例173.5 交流主轴驱动系统183.5.1 交流主轴驱动的组成183.5.2 交流主轴驱动系统常见故障183.6. 华中世纪星HNC-21TF系统主轴的连接203.7 主轴通用变频器223.7.1 主轴通用变频器常见报警及故障处理223.7.2 通用变频器故障维修实例264 典型维修案例27结 论28 词29参考文献30绪 论1946年诞生了世界上第一台电子计算机,它为人类信息社会奠定了基础。六年后,即1952年,第一台数控铣床在美国诞生以来,随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的发展,数控机床得到迅速的发展和更新换代。数控技术的发展先后经历了起步阶段1952年1979年、发展阶段1980年1989年、成熟阶段19901999年、向更高水平发展2000年四个阶段。1952年世界上第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控升降台铣床,开创了数控机床产业发展的历史。1959年,晶体管元件印制电路板的问世,使数控装置进人了第二代,体积缩小,成本有所下降。1965年,出现了第三代的集成电路数控装置。20世纪60年代末,先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统简称DNC,又称群控系统,以及采用小型计算机控制的计算机数控系统简称CNC。数控装置进人了以小型计算机化为特征的第四代。1974年,使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置简称MNC的五代数控系统。20世纪80年代以来,微处理器运算速度快速提高,功能不断完善可靠性进一步提高。90年代,数控机床技术进一步发展柔性单元柔性系统。进人21世纪,军事技术和民用工业的发展对数控机床的要求愈来愈高,应用现代设计技术测量技术工序集约化新一代功能部件以及软件技术的发展,使数控机床的加工围动态性能加工精度和可靠性有了极大的提高。科学技术,特别是信息技术的迅速发展,高速高精度控制技术多通道开放式体系结构多轴控制技术智能控制技术网络化技术CAD/CAM与CNC的综合集成,使数控机床技术进人了智能化网络化敏捷制造虚拟制造的更高阶段。新一代数控机床为提高生产效率不断向高速方向发展,主轴转速15000100000rmin;进给运动部件快速移动速度达60120m/min,切削进给速度达60m/min,最高加速度达到10g。为了更具体的了解数控车床主轴及驱动故障与维修,我们以华中数控星世纪车床为例进行说明。摘要摘要数控车床是将电子技术、测温技术、自动化技术、电子半导体技术、计算机技术及机电一体化等集与一体的自动化设备,具有高精度、高效率和高柔性的特点。自从1952年第一台数控铣床在美国诞生以来,随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的发展,数控机床得到迅速的发展和更新换代。在很多行业中数控车床设备处于关键的工作岗位,若出现故障后不能及时维修及排除故障,就会造成较大的经济损失。因此,对于数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修很有必要。特别是在数控车床主轴及驱动故障与维修这方面很重要。加强数控车床主轴及驱动故障与维修的力量,就可以提高数控车床的可靠性,有利于数控车床的推广和使用。此毕业设计的容包括根据故障状态进行系统分析,将故障进行分类；对数控机床主轴控制系统的机械装置进行分析,列出可能出现的原因,并拟定解决方案和实施过程；对数控机床主轴控制系统的电气装置进行分析,列出可能出现的原因,并拟定解决方案和实施过程；全面了解数控维修的方法和相关变频器参数设置过程及优化,查阅与数控机相关资料,如数控机床,数控故障诊断,数控维修等。关键词 数控车床 驱动故障 维护与维修30 / 30Numerical control lathe main axle and actuation breakdown and serviceAbstractCNC lathe is an electronic technology,temperature measurement technology,automation technology,electronic semiconductor technology,computer technology and electromechanical integration collection and integration of automation equipment,with high precision,high efficiency and high flexible characteristic. Since 1952 first CNC milling machine was born in the United States since,as the electronic technology,computer technology,automatic control and precision measuring technology development,nc machine tools of rapid development and renewal. In many industries in CNC lathe equipment in key jobs,if be ingasmalfunction can not timely maintenance and troubleshooting process,can cause great economic losses. So, the numerical control system so complex, the precise structure principle of equipment maintenance is necessary. Especially in CNC lathe spindle and its drive fault and maintenance of this respect is very important. Strengthen the CNC lathe spindle and its drive fault and maintenance of power,can improve the reliability of numerical control lathebe helpful for CNC lathe popularizing and use.Key wordsCNC lathedrive faultmaintenance and repair1 数控机床故障诊断与检查方法1.1 数控机床故障的排除思路1.确认故障现象,调查故障现场,充分掌握故障信息。当数控机床发生故障时,维护维修人员进行故障的确认是很有必要的,特别是操作使用人员不熟悉机床的情况下,尤其重要。不该也不能让非专业人士随意开动机床,特别是出现故障后的机床,以免故障的进一步扩大。2.根据所掌握故障信息,明确故障的复杂程度并列出故障部位的全部疑点。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。3.分析故障原因,制定排除故障的方案。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。1.2 分析故障时原因应注意1.思路一定要开阔,无论是数控系统、强电部分、还是机、液、气等,只要将有可能引起故障的原因以及每一种可能解决的方法全部列出来,进行综合、判断和筛选。2.在对故障进行深入分析的基础上,预测故障原因并拟定检查的容、步骤和方法,制定故障排除方案。3.检测故障,逐级定位故障部位。根据预测的故障原因和预先确定的排除方案,用试验的方法验证,逐级定位故障部位。最终找出故障的真正发生源。4.故障的排除。根据故障部位及准确的原因,采用合理的故障排除方法,高效高质量的恢复故障现场,尽快让机床投入生产。 5.解决故障后的资料的整理。故障排除后,应迅速恢复机场现场,并做好相关资料的整理,以便提高自己的业务水平和机床的后续维护和维修。 1.3 故障的排除应遵循的原则在检测故障过程中,应充分利用数控系统的自诊断功能,如系统的开机诊断、运行诊断、PLC的监控功能。根据需要随时检测有关部分的工作状态和接口信息。同时还应灵活应用数控系统故障检查的一些行之有效的方法,如交换法、隔离法等。1.先方案后操作或先静后动 维护维修人员碰到机床故障后,先静下心来,考虑出分析方案再动手。维修人员本身要做到先静后动,不可盲目动手,应先询问机床操作人员故障发生的过程及状态,阅读机床说明书、图样资料后,方可动手查找和处理故障。如果上来就碰这敲那连此断彼,徒劳的结果也许尚可容忍,但造成现场破坏导致误判或者引入新的故障导致更大的后果则后患无穷。 2.先安检后通电确定方案后,对有故障的机床仍要秉着先静后动的原则,先在机床断电的静止状态,通过观察测试、分析,确认为非恶性循环性故障,或非破坏性故障后,方可给机床通电,在运行正常下,进行动态的观察、检验和测试,查找故障。对恶性的破坏性故障,必须先排除危险后,方可通电,在运行正常下进行动态诊断。 3.先软件后硬件 当发生故障的机床通电后,应先检查软件的工作是否仍正常。有些可能是软件的参数丢失或者是操作人员使用方式、操作方法不对而造成的报警或故障。切忌一上来就大拆大卸,以免造成更大的后果。4.先外部后部 数控机床是机械、液压、电气一体化的机床,故其故障的现象必然要从机械、液压、电气这三者综合反映出来。数控机床的检修要求维修人员掌握先外部后部的原则。即当数控机床发生故障后,维修人员应先采用望、闻、听、问等方法,由外向逐一进行检查。 比如：数控机床中,外部的行程开关、按钮开关、液压气动元件以及印制电路板插头座、边缘接插件与外部或相互之间的连接部位、电控柜插座或端子排这些机电设备之间的连接部位,因其接触不良造成信号传递失灵,是产生数控机床故障的重要因素。此外,由于工业环境中,温度、湿度变化较大,油污或粉尘对元件及线路板的污染,机械的振动等,对于信号传送通道的接插件都将产生严重影响。在检修中重视这些因素,首先检查这些部位就可以迅速排除较多的故障。另外,尽量避免随意地启封、拆卸,不适当的大拆大卸,往往会扩大故障,使机床大伤元气,丧失精度,降低性能。5.先机械后电气 由于数控机床是一种自动化程度高、技术较复杂的先进机械加工设备。一般来讲,机械故障较易察觉,而数控系统故障的诊断则难度要大些。先机械后电气就是在数控机床的检修中,首先检查机械部分是否正常,行程开关是否灵活,气动、液压部分是否正常等。从经验看来,数控机床的故障中有很大部分是由机械动作失灵引起的。所以,在故障检修之前,首先逐一排除机械性的故障,往往可以达到事半功倍的效果。6.先公用后专用 公用性的问题往往影响全局,而专用性的问题只影响局部。如机床的几个进给轴都不能运动,这时应先检查和排除各轴公用的CNC、PLC、电源、液压等公用部分的故障,然后再设法排除某轴的局部问题。又如电网或主电源故障是全局性的,因此一般应首先检查电源部分,看看保险丝时候正常,直流电压输出是否正常。总之,只有先解决影响一大片的主要矛盾,局部的,次要的矛盾才有可能迎刃而解。7.先简单后复杂 当出现多种故障相互交织掩盖、一时无从下手时,应先解决容易的问题,后解决难度较大的问题。常常在解决简单故障的过程中,难度大的问题也可能变得容易,或者在排除简易故障时受到启发,对复杂故障的认识更为清晰,从而也有了解决办法。8.先一般后特殊 在排除某一故障时,要先考虑最常见的可能原因,然后再分析很少发生的特殊原因。例如：当数控车床Z轴回零不准时,常常是由于降速挡块位置走动所造成。一旦出现这一故障,应先检查该挡块位置,在排除这一常见的可能性之后,再检查脉冲编码器、位置控制等环节。1.4 常用的故障检查方法由于数控系统所产生的故障千变万化,其原因往往比较复杂。而且,目前国所使用的数控系统,极大多数故障自诊断能力还比较弱,智能化程度较低,不能对系统的所有部件进行测试,也不能将故障原因定位到具体的元器件上,往往是一个报警号指示出众多的故障起因。而使人难以下手。因此,要迅速诊断故障原因,及时排除故障,很有必要总结出一些行之有效的故障检查方法：1. 直观法常规检查法就是利用人的手、眼、耳、鼻等感觉器官来寻找故障原因。这种方法在维修中是常用的,也是首先使用的。先外后的维修原则要求维修人员在遇到故障时应先采用看、闻、嗅、摸等方法,由外向逐一进行检查。有些故障采用这种直观法可迅速找到故障原因,而采用其它方法要花费不少时间,甚至一时解决不了。1问 机床开机时的异常？比较故障前后工件的精度和传动系统、走刀系统是否正常？出力均匀？切深和走刀量减小？润滑油牌号、用量？机床何时进行过保养检修？2看 就是用肉眼看,仔细检查有无保险丝烧断、元器件烧焦、烟熏、开裂现象,有无异物断路现象,以此判断板有无过流、过压、短路等问题。看转速？观察主传动速度快慢的变化。主传动齿轮、飞轮是否跳、摆？传动轴是否弯曲、晃动？3听 利用人体的听觉功能可查询到数控机床因故障而产生各种异常声响的声源。4触 当CNC系统出现时有时无的故障时,宜采用此方法。CNC系统是由多块线路板组成的,板上有许多焊点,板与板之间或模块与模块之间又通过插件或电缆相连。所以,任何一处的虚焊或接触不良,就会成为产生故障的主要原因。检查时,用绝缘物轻轻敲打可疑部位即虚焊、接触不良、碰线、多余物短路、多余物卡触点等。如果确实是因虚焊或接触不良而引起的故障,则该故障会重复出现。5 嗅 在电气设备诊断或各种易挥发物体的器件采用此方法效果较好。如一些烧烤的烟气、焦糊味等异味。因剧烈摩擦,电气元件绝缘处破损短路,使附着的油脂或其他可燃物质发生氧化。2. 系统自诊断法充分利用数控系统的自诊断功能,根据CRT上显示的报警信息及各模块上的发光二极管等器件的指示,可判断出故障的大致原因。进一步利用系统的自诊断功能,还能显示系统与各部分之间的接口信号状态,找出故障的大致部位,它是故障诊断过程中最常用、有效的方法之一。3. 功能程序测试法 功能程序测试法是将所修数控系统的G、M、S、T、F功能的全部使用指令编成一个试验程序,并穿成纸带或存储在硬盘、电子盘、软盘上。在故障诊断时运行这个程序,可快速判定哪个功能不良或丧失。功能程序测试法常应用于以下场合：1机床加工造成废品而一时无法确定是编程问题、操作不当、还是数控系统故障时；2数控系统出现随机性故障,一时难以区别是外来干扰,还是系统稳定性不好。如不能可靠地执行各加工指令,可连续循环执行功能测试程序来诊断系统的稳定性。3闲置时间较长的数控机床在投入使用时或对数控机床进行定期检修时。数控系统的参数是经过一系列试验、调整而获得的重要数据。参数通常是存放在由电池保持的RAM中,一旦电池电压不足或系统长期不通电或外部干扰会使参数丢失或混乱,从而使系统不能正常工作。当机床长期闲置或无缘无故出现不正常现象或有故障而无报警时,就应根据故障特征,检查和校对有关参数。4. 交换法备件替换法 现代数控系统大都采用模块化设计,按功能不同划分为不同的模块,随着现代数控技术的发展,电路的继承规模越来越大,技术也越来越复杂,按照常规的方法,很难把故障定位在一个很小的区域,而一旦系统发生故障利用此方法可缩短停机时间,快速找到故障板。将具有相同功能的两块板互相交换一块好的,一块被怀疑是坏的,观察故障现象是否随之转移,还是故障依旧,从而来判断被怀疑板块。这些板块是指印刷线路板、模块、集成电路芯片或元器件。若没有备用电路板或组件,可把故障区与无故障区的相同的电路板或组件互相交换,然后观察故障排除及转移情况,也可得到确诊。5. 隔离法 有些故障,如轴抖动、爬行,一时难以区分是数控部分,还是伺服系统或机械部分造成,常可采用隔离法将机电分离,数控与伺服分离,或将位置闭环分离作开环处理这样复杂的问题就化为简单,就能较快地找到故障原因。6. 升降温法 人为地将元器件温度升高应注意器件的温度参数或降低,加速一些温度特性较差的元器件产生病症或使病症消除来寻找故障原因。7. 对比法 本方法是以正确的电压、电平或波形与异常的相比较来寻找故障部位。有时还可以将正常部分试验性地造成故障或报警如断开连线,拔去组件,看其是否和相同部分产生的故障现象相似,以判断故障原因。 8.原理分析法 原理分析法是排除故障的最基本方法,当其它检查方法难以奏效时,可从电路基本原理出发,一步一步地进行检查,最终查出故障原因。运用这种方法必须对电路的原理有清楚的了解,掌握各个时刻各点的逻辑电平和特征参数如电压值、波形,然后用万用表、逻辑笔、示波器或逻辑分析仪对被测点进行测量,并与正常情况相比较,分析判断故障原因的可能性,再缩小故障围,直至找出故障。 9.拉偏电源法有些不定期出现的软故障与外界电网电压波动有关,当机床出现此类故障时,可把电源电压人为地调高或调低,模拟恶劣地条件让故障容易暴露。10.拔插法拔插法是通过监视插件板或组件拔出再插入的过程,确定拔出插入的连接界面是否为故障部位。值得注意的是,在插件板或组件拔出再插入的过程中,改变状态的部位可能不只是连接接口。因此,不能因为拔出插入后故障消失,就肯定是接口的接触不良,还有部的焊点虚焊恢复接触状态、部的短路点恢复正常等可能性。2 数控机床主轴机械控制系统2.1 数控机床主轴的结构在数控机床中,主轴部件是影响机床加工精度的主要部件,它的回转精度影响工件的加工精度,它的功率大小与回转速度影响加工效率,它的自动变速准停和换刀等功能影响机床的自动化程度。因此,主轴部件应满足以下几个方面的要求：高回转精度刚度抗振性耐磨性和热稳定性等。而且在结构上必须很好地解决刀具和工具的装夹轴承的配置轴承间间隙调整和润滑密封等问题。主轴的结构根据数控机床的规格精度采用不同的主轴承。一般小规格数控机床的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承,重型数控机床则采用静压导轨,高速主轴常采用氮化硅材料的瓷滚动轴承。数控机床的主轴部件一般包括主轴主轴轴承和传动件等。对于加工中心,主轴部件还包括刀具自动夹紧装置主轴准停装置和主轴孔的切削消除装置。1.主轴端部件结构形式 主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具,在设计上应能保证定位准确安装可靠联接牢固装卸方便,并能传递足够的力矩。主轴部件的结构形状都已标准化,如图2-1所示为几种机床上通用的结构形式。如图2-1a所示为数控车床主轴端部,卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位,用拔销传递力矩,卡盘装有固定螺栓,卡盘装于主轴端部时,螺栓从凸缘上的孔穿过,转动快卸卡板将数个螺栓同时卡主,再拧紧螺母将卡盘固定在主轴端部。主轴为空心,前端有莫氏锥度孔,用以安装顶尖或心轴。如图2-1b所示为数控铣镗床的的主轴端部,主轴前端有724的锥孔,用于装夹铣刀柄或刀杆。主轴端面有一端面键,既可通过它传递刀具的扭矩,又可用于刀具的轴向定位,并用于拉杆主轴后端拉紧。如图2-1c所示为外圆磨床砂轮主轴的端部,如图2-17d所示为圆磨床砂轮主轴端部,如图2-17e所示为钻床与普通镗床锤杆端部,刀杆或刀具由莫氏锥孔定位,用锥孔后端第一扁孔传递扭矩,第二个扁孔用于拆卸刀具。但在数控镗床上使用如图2-17b所示的形式,图中724的锥孔没有自锁作用,便于自动换刀时拔出刀具。如图2-1主轴的结构形式2.主轴轴承的配置形式 数控机床主轴轴承的主要配置形式如图2-2所示前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承,后支承采用向心推力球轴承,如图2-2a所示。前支承采用高精度双列和单列向心推力球轴承,后支承采用单列向心推力球轴承,如图2-2b所示。前支承采用双列圆锥子滚动轴承。后支承采用单列圆锥滚子轴承,如图2-2c所示。如图2-2数控机床主轴轴承主要配置形式a前支承采用60角接触双列向心推力球轴承 b前支承采用高精度双列和单列向心推力球轴承 c前支承采用双列圆锥滚子轴承3.主轴自动夹紧和切屑消除装置,在加工中心上,为了实现刀具在主轴上的自动装卸,其主轴必须设计有自动夹紧机构,例如自动换刀数控立式镗铣床的主轴部件,如图2-3所示。如图23 自动换刀数控立式镗床JCS-018的主轴部件1-刀柄 2-拉钉 3-主轴 4-拉杆5-碟形弹簧 6-活塞 7-液压缸 8,10-行程开关 9-压缩空气管接头11-弹簧 12-钢球 13-端面键 2.2 数控主轴特点及其性能要求本机床采用传统的卧式车床布局,整体设计。采用微电脑控制和伺服电机驱动的数控车床。具有操作方便、结构紧凑、外型美观、性能稳定、精度高、噪音低等特点。本机床采用高性能的HNC21T数控系统,通过发出和接收信号控制伺服电机、车床的主轴、刹车和转位刀架。独立主轴通过变频器控制变频电机转速达到无级变速,进给速度可任意设定,从而实现由微电脑控制的自动化加工。该机床可在自动、手动方式下进行操作,具有半自动对刀、刀具补偿和间隙补偿功能,配有硬件、软件限位等功能。本机床可加工外圆柱面、圆锥面、圆弧面、切槽、切断,还可加工英制直螺纹、锥螺纹等。本车床可按用户要求增加液压卡盘、液压尾架等,也可按用户要求选配其它数控系统。主轴直接承受切削力,转速围比较大。所以对主轴主件的主要性能提出如下要求：1.回转精度：是指主轴在无负荷的转动条件下,主轴前端工作部位的径向和轴向跳动值,回转精度的测量一般分为静态测量、动态测量、间接测量。目前我国在生产都还是运用传统的静态测量。2.运动精度：是指工作状态下的旋转精度。这个精度通常与低速回转精度有较大差别,运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能以及主轴本身的平衡性能。3.刚度：是指在受外力时,主轴抵抗变形的能力。刚性不足在切削力的作用下,主轴将产生较大的弹性变形。不仅影响加工质量,还会破坏轴承的正常工作条件、加快磨损。4.抗振性：是指切削加工时,主轴保持平稳运转而又不发生振动的能力。 5.主轴温升：主轴运转时,温升过高会引起两方面的不良结果。一是主轴及箱体受热变形直接影响加工精度；二是轴承的正常润滑条件遭到破坏,影响轴承的正常工作,甚至出现抱轴。6. 耐磨性：只有具备足够的耐磨性,才能长期保持精度。因此主轴的关键部位如主轴锥孔要经良好的表面热处理。数控机床的主轴驱动是指产生主切削运动的传动,它是数控机床的重要组成部分之一。随着数控技术的不断发展,传统的主轴驱动已不能满足要求,现代数控机床对主轴驱动提出了更高的要求。1数控机床主传动要有宽的调速围及尽可能实现无级变速；2功率大；3动态响应性要好；4精度高；5旋转轴联动功能；6恒线速切削功能；7加工中心上,要求主轴具有高精度的准停控制。此外,有的数控机床还要求具有角度分度控制功能。为了达到上述有关要求,对主轴调速系统还需加位置控制,比较多的采用光电编码器作为主轴的转角检测。2.3 主轴调速方法数控机床的主轴调速是按照控制指令自动执行的,为了能同时满足对主传动的调速和输出扭矩的要求,数控机床常用机电结合的方法,即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方法。其中齿轮减速以增大输出扭矩,并利用齿轮换挡来扩大调速围。1.电动机调速用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类：1直流电动机主轴调速 ；2交流电动机主轴调速 。2.机械齿轮变速数控机床常采用14挡齿轮变速与无级调速相结合的方式,即所谓分段无级变速。采用机械齿轮减速,增大了输出扭矩,并利用齿轮换挡扩大了调速围。数控机床在加工时,主轴是按零件加工程序中主轴速度指令所指定的转速来自动运行。数控系统通过两类主轴速度指令信号来进行控制,即用模拟量或数字量信号程序中的S代码来控制主轴电动机的驱动调速电路,同时采用开关量信号程序上用M41M44代码来控制机械齿轮变速自动换挡的执行机构。自动换挡执行机构是一种电机转换装置,常用的有液压拨叉和电磁离合器。1液压拨叉换挡液压拨叉是一种用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构。最简单的二位液压缸实现双联齿轮变速。对于三联或三联以上的齿轮换挡则必须使用差动液压缸。2电磁离合器换挡在数控机床中常使用无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。3 数控车床主轴驱动控制系统3.1 主轴驱动控制系统的概述主轴驱动系统也叫主传动系统,它的性能直接决定了加工工件的表面质量,因此,在数控机床中,主轴驱动系统的维修与诊断也就显得十分重要。主轴驱动系统是在数控系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度,配合进给运动,加工出理想的零件。主轴的运动是零件加工的成型运动之一,它的精度对零件的加工精度有较大的影响。数控车床主轴驱动控制系统一般分为直流主轴驱动系统和交流主轴驱动系统。3.2 数控机床对主轴驱动系统的要求数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统有较大的差别。数控机床主轴的工作运动通常是旋转运动,不像进给驱动系统需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在20世纪60-70年代,数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了以下更高的要求：1.调速围宽并实现无极调速这是为了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,特别是具有自动换刀功能的数控加工中心,为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求,对主轴的调速围要求更高,要求主轴能在较宽的转速围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简化主轴箱。目前主轴驱动装置的恒转矩调速围已可达1100恒功率调速围也可达130,一般过载1.5倍时可持续工作达到30min。主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式,其中有级变速仅用于经济型数控机床,大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中,变频调速主轴一般用于普及型数控机床,交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。2.恒功率围要宽主轴在全速围均能提供切削所需功率,并尽可能在全速围提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动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。3.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从静止加速到6000r/min。4.具有位置控制能力即具有进给功能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。5.具有较高的精度与刚度、传动平稳、噪音低。数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传动件的制造精度与刚度,采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。最后一级一般用斜齿轮传动,使传动平稳。采用带传动时应采用齿型带。为提高主轴的组件的刚性,应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距。在结构允许的条件下,应适当增加齿轮宽度,提高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动,采用径定心。侧面定心的花键对降低噪声更为有利,因为这种定心方式传动间隙小,接触面大,但需要采用专门的刀具和花键磨床加工。6.良好的抗振性和热稳定性数控机床加工时,可能由持续切削加工余量不均匀运动部件不平衡以及切削过程中的自振等引起冲击力和交变力,使主轴产生振动,影响加工精度和表面粗糙度,严重时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件,使其无法工作。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形,降低传动效率,影响零部件之间的相对位置精度和运动精度,从而造成加工误差。因此,主轴组件要有较高效率的固有频率较好的动平衡,且要保持合适的配合间隙,并要进行循环润滑。3.3 主轴电机工作特性交流主轴电机的特性曲线与直流主轴电机类似：在基速以下为恒转矩区域1,而在基速以上为恒功率区域2。3.4 直流主轴控制系统从原理上说,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、主轴电动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、速度/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,而且应由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。3.4.1 直流主轴驱动系统使用注意点1.安装注意事项主轴伺服系统对安装有较高的要求,这些要保证驱动器正常工作的前提条件,在维修时必须引起注意。安装驱动器的电柜必须密封。为了防止电柜温度过高,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。3.4.2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。3D/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主轴电动机的点数线圈部存在局部短路。4驱动器的控制电源+/-15v或015v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。3.4.2 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。3.5 交流主轴驱动系统3.5.1 交流主轴驱动的组成交流伺服主轴驱动系统由主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴速度与位置的旋转编码器3部分组成,主要完成闭环速度控制,但当主轴准停时则完成闭环位置控制。由于数控机床的主轴驱动功率较大,所以主轴电动机采用鼠笼式感应电动机结构形式,旋转编码器可以在主轴外安装,也可以与主轴电动机做成一个整体,主轴驱动单元的闭环控制、矢量运算均由部的高速信号处理器及控制系统实现。3.5.2 交流主轴驱动系统常见故障1.电机过热报警1电机过载,电机太热。等电机温度降低后再开机,看是否有报警,如果报警消失,则可能界些负载太大,检查主轴机械负载或切削量是否过大。2电机电流太高,例如由于错误的电机数据。3电机热保护开关开路,检查主轴电机热开关信号线是否断线或插头连接不良,用万用表检查电机过热保护开关之间的电阻,应为短路。如果开路,更换热保护开关。4电机风扇故障。5速度测量电路故障,更换控制板或电机编码器。6电机绕组短路。7主轴温升超标a.轴承损伤。b.锁紧螺母过紧。c.缺少润滑油。d.恒油装置失效。e.润滑脂加得过多。2.速度误差过大报警主轴电机的实际速度与指令速度的误差值超过允许值,一般是启动时电机没有转动或速度上不去。1不启动主轴,用手盘主轴使主轴电机快速转动起来,估计电机的实际速度使多少,让另外一个人观察系统的主轴控制板LED显示值或监视画面上的电机速度显示值,看是否基本一致,一般情况有100200转/分,如果只有12转或10转以下,则是电机速度传感器或速度反馈回路故障。用示波器测量控制板上的PA,PB端子的波形。若波形正常,则控制板有故障,修理或更换,若波形不正常,更换编码器。 2如果速度显示正常,则查电机或动力线是否正常,动力线可用万用表或兆欧表测量出,电机如果有问题,一般会出现过流报警而不会出此报警。3电机动力线相序是否接错,如果不对,在启动时主轴来回转几下后出此报警,可将U、V对调。4检查主回路接触器是否吸合,如果没有吸合,则测量接触器的线圈有无交流电压；如果无,则控制板有问题。如果有电压,则更换接触器；如果正常吸合,可测量直流母线电压是否正常；若无电压,则可能是接触器或整流桥有故障。5检查控制板上的电源电压是否正常。6如果有条件即车间里有相同的交流主轴单元,可互换控制板或整套单元,但必须测量晶体管模块没有短路,否则会将另一控制板烧坏。这样会很快判断出是单元或控制板或电机故障。 3.直流侧保险烧断报警三相200V交流电经整流桥整流到直流300V,经过一个保险后给晶体管模块,控制板检测此保险两端电压,如果太大,则产生此报警。1用万用表检查主轴伺服单元的直流保险是否断开,如果是断路,更换后再查看后面的大电容和IGBT或IPM模块,如果有短路的,必须解决后才能通电。2检查主控制板与单元的连接插座是否紧。3可能是报警检测电路出故障,须检查相应的电路或送修。4.缺相报警主轴三相输入交流L1、L2、L3如果有一路没有,控制板就可检测出并报此警。1用万用表检查电源输入三相交流是否有缺相。2用万用表检查三个输入保险是否有烧断,如果断开,更换,但必须检查有短路引起烧保险,一般是后面的IGBT或IPM模块有短路引起烧保险。同时检查控制板的驱动回路波形。3如果三相保险及电压都正常,检查控制板与单元的连接插座是否接触好。4更换主控制板或送修。 5.过速度主轴超速控制板检测到来自模拟量的过速度或来自数字量的过速度。1如果一开机就有报警,则控制板的检测回路有故障,更换控制板。2如果是给速度指令后,有飞车现象才发生的报警,要线检查飞车故障。3如果再运行过程中出现该报警,关机重新开机,如果还是同样故障,更换主轴单元。4如果重新开机后出别的故障,按别的报警解决方法解决。 6.单元过载报警 控制板检测到IGBT或IPM散热器的温度过高,或检测回路故障。1观察是否和时间有关,如果是长时间开机后出现,而停机一段时间后再开无报警,则是电机负载太大,应检查机械负载或电机以及观察是否切削量太大。2用万用表测量控制底板的0H1,0H2之间应该是短路的。如果开路,检查单元上的热控开关是否坏了；如果是短路的,则控制底板断线或控制侧板与底板连接器接触不好,重新插好,或更换控制板。3环境温度太高。4风扇故障。 7.主轴振动或燥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气部分。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。8.主轴电机不转1切削参数选择不当,负载过重电机堵转。2CNC系统指令未加到主轴速度单元上。3未给主轴正转与反转指令。4出现各类报警,主轴速度单元的使能失效或不能上使能。5输入了停止指令或紧停信号。6参数设定有错。9.主轴电机旋转方向与指令方向相反1参数设置错误。2主轴正反转控制电路连接有误。3电机相序接反 。10.主轴电机转速不上升1上限速度限定参数设定不当。2切削参数选择不当,引起负载过重下降或堵转。3主轴电流限定值设置过小,负载重时,速度下降。 3.6. 华中世纪星HNC-21TF系统主轴的连接华中世纪星HNC-21TF系统的XS9为主轴控制接口,包括主轴速度模拟电压指令输出和主轴编码器反馈输入,其信号定义如下表图。表1主轴接口引脚说明信号名说 明SA+、SA-主轴编码器A相位反馈信号SB+、SB-主轴编码器B相位反馈信号SZ+、SZ-主轴编码器Z脉冲反馈+5V、-5V地DC5V电源AOUT1主轴模拟量指令-10V+10V输出AOUT2主轴模拟量指令0+10V输出GND模拟量输出地图1 主轴变频器与CNC系统连接图系统通过XS9 主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速,其中AOUT1 的输出围为-10V +10V ,用于双极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器,这时采用使能信号控制主轴的启停；AOUT2 的输出围为0+10V,用于单极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器,这时采用主轴正转、主轴反转信号控制主轴的正反转,负载电流：最大10mA；主轴编码器连接通过主轴接口XS9,可外接主轴编码器用于螺纹切割攻丝等,本数控装置可接入两种输出类型的编码器,差分TTL方波或单极性TTL 方波,一般建议使用差分编码器从而确保长的传输距离的可靠性及提高抗干扰能力,主轴编码器接口电源输出： +5V 最大200mA 。1.主轴启停主轴启停控制由PLC承担,标准铣床PLC 程序和标准车床PLC 程序中关于主轴启停控制的信号如下表1所示。信号说明标号X/Y地址所有借口信号名脚号铣车输入开关量主轴速度到达X3.1X3.1XS11I2523主轴零速X3.2I2610输出开关量主轴正转Y1.0Y1.0XS200089主轴反转Y1.1Y1.100921表2 主轴启停PLC接口信号利用Y1.0 Y1.1 输出即可控制主轴装置的正、反转及停止,一般定义接通有效,这样当Y1.0 接通时可控制主轴装置正转,Y1.1 接通时,主轴装置反转,二者都不接通时,主轴装置停止旋转。在使用某些主轴变频器或主轴伺服单元时也用Y1.0 Y1.1 作为主轴单元的使能信号。2.主轴速度控制HNC-21通过XS9主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速,其中AOUT1的输出围为-10V +10V用于双极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器,这时采用使能信号控制主轴的启、停；AOUT2的输出围为0+10V,用于单极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器,这时采用主轴正转、主轴反转信号控制主轴的正、反转和停止。3.主轴换档控制主轴自动换档通过PLC 控制完成, 标准铣床PLC程序和标准车床PLC程序中关于主轴换档控制的信号如下表所示。信号说明标号X/Y地址所有借口信号名脚号铣车输入开关量主轴一档到位X2.0X2.0XS10I165主轴二档到位X2.1X2.1I1717主轴三档到位X2.2I184主轴四档到位X2.3I1916输出开关量主轴一档到位Y1.4Y1.4XS200127主轴二档到位Y1.5Y1.501319主轴三档到位Y1.60146主轴四档到位Y1.701518表3 自动换档PLC接口信号3.7 主轴通用变频器变频器Variable-frequency Drive,VFD是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流交流变直流、滤波、逆变直流变交流、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了非常广泛的应用。3.7.1 主轴通用变频器常见报警及故障处理1.通用变频器常用报警及保护为了摆正驱动器的安全,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。1接地保护。在伺服驱动器的输出线路以及主轴部等出现对地短路时,可以通过快速熔断器切断电源,对驱动器进行保护。2过载保护。当驱动器、负载超过额定值时,安装在部的热开关货主回路的热继电器将动作,对过载进行保护。3速度偏差过大报警。当主轴的速度由于某种原因,偏离了指定速度且达到一定的