模块七主轴系统的故障诊断与维修

“十二五”职业教育国家规划教材经全国职业教育教材审定委员会审定主编杨中力、温丹丽数控机床故障诊断与维修(第三版)模块七主轴系统的故障诊断与维修工作任务数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统，它的性能直接决定了加工工件的表面质量，它结构复杂，机、电、气联动，故障率较高，它的可靠性将直接影响数控机床的安全和生产率。因此在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得很重要。工作任务图7-1是CK7815型数控车床主轴部件结构图,该主轴工作转速范围为15~5000r/min。主轴9前端采用三个角接触球轴承12,通过前支承套14支承,由螺母11预紧。后端采用圆柱滚子轴承15支承,径向间隙由螺母3和螺母7调整。螺母8和螺母10分别用来锁紧螺母7和螺母11,防止螺母7和11的回松。带轮2直接安装在主轴9上(不卸荷)。同步带轮1安装在主轴9后端支承与带轮之间,通过同步带和安装在主轴脉冲发生器4轴上的另一同步带轮,带动主轴脉冲发生器4和主轴同步运动。在主轴前端,安装有液压卡盘或其他夹具。本任务通过对CK7815数控车床主轴部件的分析，掌握该主轴的拆装步骤，熟悉该主轴模块的结构和性能，了解主轴电动机的分类、原理和应用。能够排除主轴不转、主轴不准停或准停位置不准、主轴转动噪声大、振动大、主轴转速与实际指令值不匹配等故障。工作任务 1-同步带轮2-带轮3、7、8、10、11-螺母4-主轴脉冲发生器5-螺钉6-支架9-主轴12-角接触球轴承13-前端盖14-前支承套15-圆柱滚子轴承图7-1CK7815数控车床主轴部件结构图任务目标1.知识目标（1）学习数控机床主轴系统典型故障的诊断与维修方法。（2）掌握FANUC0i数控系统的故障报警及其分类。（3）通过对数控机床常见故障的训练，掌握故障排除的常用方法。2.能力目标（1）能使用所配置的主轴变频器及参数设置方法，会检测判断并修理变频器简单故障，会用调试变频器并进行主轴功能的调试（2）会对主轴的各类故障进行分析诊断与排除（3）查阅相关资料能够读懂主轴控制PLC程序及相关电路。（4）能撰写维修工作报告，总结、反思、改进工作过程。3.素质目标（1）在故障诊断、检测及更换中能严格执行相关技术标准规范和安全操作规程，有纪律观念和团队意识，以合作方式拟定诊断与修理计划。（2）具有自主分析问题和解决问题的能力。（3）具备环境保护和文明生产的基本素质。相关知识数控机床主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其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。它包括主轴驱动装置、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。工作任务一、主轴系统分类及特点全功能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，一般采用直流或交流主轴电机，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。另外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α系列等。工作任务二、主轴部件的拆卸与调整1.主轴部件的拆卸主轴部件在维修时需要进行拆卸。拆卸前应做好工作场地清理、清洁工作和拆卸工具及资料的准备工作,然后进行拆卸操作。2.主轴部件装配及调整装配前各零件、部件应严格清洗,需要预先加涂油的部位应加涂油。装配设备、装配工具以及装配方法,应根据装配要求及配合部位的性质选取。操作者必须注意,不正确或不规范的装配方法,将影响装配精度和装配质量,甚至损坏被装配件。工作任务三、通用变频主轴驱动装置1.主轴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。目前作为主轴驱动装置市场上流行的变频器有德国西门子公司、日本三肯、安川等。工作任务（1）变频器主电路主电路的功能是将固定频率（50-60HZ）的交流电转换成频率连续可调（0-400HZ）的三相交流电，包括交-直电路、制动单元电路及直交电路。（2）变频器控制回路功能及端子接线掌握变频器控制回路接线端子功能在维修中是非常重要的工作任务（3）变频器输入接线实际使用注意事项①根据变频器输入规格选择正确的输入电源。②变频器输入侧采用断路器(不宜采用熔断器)实现保护,其断路器的整定值应按变频器的额定电流选择而不应按电动机的额定电流来选择。③变频器三相电源实际接线无需考虑电源的相序。④面板上的SDP有两个LED，用于显示变频器当前的运行状态（4）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。（5）变频器常见故障在变频器日常维护过程中,经常遇到各种各样的问题,如外围线路问题,参数设定不良或机械故障。工作任务2.数控系统与主轴装置的电路连接（1）西门子802C数控系统和MM420变频器的连接。如图7-3所示，802C系统通过X7轴接口中的A04/GND4模拟量输出端口可控制主轴转速，当系统接受主轴旋转指令后，在输出口输出0-10V的模拟量电压，同时PLC输出Q0.0、Q0.1控制主轴装置的正反转及停止，一般定义高电平有效，这样当Q0.0输出高电平时可控制主轴装置正转,Q0.0、Q0.1同时为高电平时,主轴装置反转,二者都为低电平时,主轴装置停止停转。数控系统X6口接受主轴编码器反馈回来的信号，主要用来速度检测和螺纹切削加工，对于普通主轴变频器和系统的连接除了硬件上接线外，系统和变频器的参数设置也非常重要。工作任务 图7-3西门子802C数控系统和MM420变频器的连接工作任务（2）FANUC0iMate数控系统主轴驱动的连接FANUC0iMate系统主轴控制可分为主轴串行输出/主轴模拟输出（Spindleserialoutput/Spindleanalogoutput）。用模拟量控制的主轴驱动单元（如变频器）和电动机称为模拟主轴，主轴模拟输出接口只能控制一个模拟主轴。按串行方式传送数据（CNC给主轴电动机的指令）的接口称为串行输出接口；主轴串行输出接口能够控制两个串行主轴，必须使用FANUC的主轴驱动单元和电动机。FANUC0iMateTC数控系统模拟主轴的连接如图7-4。工作任务 图7-4FANUC0iMate-TC数控系统与变频器的连接工作任务四、FANUC串行数字控制的主轴驱动装置的连接不同数控系统的串行数字控制的主轴驱动装置是不同的，下面以FANUC公司产品系列为例，说明主轴驱动装置的功能连接及设定、调整，参考图7-5。工作任务 图7-5Fanuc0i主轴连接示意图工作任务1.FANUC串行数字控制的主轴模块端口及连接2.FANUC系统α系列主轴模块的连接电路3.FANUCOiMate主轴相关参数（1）FANUC0i的模拟主轴设置分为单极性主轴和双极性主轴。单/双极性主轴的设置通过CNC主轴参数3706#6、#7设置极性。（2）参数NO.3735设定主轴电机最低箝制速度，参数NO.3736设定主轴电机最高箝制速度，设定数据的范围为：0～4095。（3）数控机床一般采用手动换档和自动换档两种方式，前一种方式是在主轴停止后，根据所需要的主轴速度人工拨动机械档位至相应的速度范围；后者首先执行S功能，检查所设定的主轴转速，然后根据所在的速度范围发出信号，一般采用液压方式换到相应的档位。（4）主轴速度到达信号SAR是CNC启动切削进给的输入信号。工作任务五、主轴伺服系统故障诊断与维修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信息或报警内容；二是在主轴驱动装置上用警报灯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。1.主轴伺服系统常见的故障（1）外界干扰，主轴转速会出现随机和无规律性的波动（2）过载（3）主轴定位抖动工作任务（4）主轴转速与进给不匹配（5）转速偏离指令值当主轴转速超过技术要求所规定的范围时，要考虑：①电动机过载。②CNC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。③测速装置有故障或速度反馈信号断线。④主轴驱动装置故障。（6）速度偏差过大指的是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。工作任务（7）主轴异常噪声及振动首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气驱动部分。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在恒转速时产生，可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪音和振动的来区别，如存在，则主轴机械部分有问题。③检查振动周期是否与转速有关。如无关，一般是主轴驱动装置参数未调整好；如有关，应检查主轴机械部分是否良好，测速装置是否不良。工作任务（8）主轴电动机不转CNC系统至主轴驱动装置除了转速模拟量控制信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24V继电器线圈电压。主轴电动机不转要重点围绕这两个信号检查。①检查CNC系统是否有速度控制信号输出。②检查能使信号是否接通。通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC图形（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主轴驱动装置故障。④主轴电动机故障。（9）主轴在加/减速时工作不正常（10）主轴不能进行变速工作任务2.诊断流程根据主轴结构、相关电路原理图（如图7-9）及参数，维修流程如下：工作任务 图7-9主轴故障诊断流程图任务实施一、CJK6032数控车床主轴不转故障维修1.维修前调查2.故障原因分析3.故障测试与排除首先观测主轴电机旋转情况，电机不转。观察变频器上电正常，查看系统PLC输出状态正常，查看变频器正反转控制信号，发现正转信号线断落。接回后，主轴正常旋转。任务实施二、主轴转速慢故障维修。三、伺服主轴驱动系统维护为了使主轴伺服驱动系统长期可靠连续运行，防患于未然，应进行日常检查和定期检查。注意以下的作业项目。1.日常检查通电和运行时不取去外盖，从外部目检变频器的运行，确认没有异常情况。通常检查以下各点。（1）运行性能符合标准规范。（2）周围环境符合标准规范。（3）键盘面板显示正常。（4）没有异常的噪声、振动和气味。（5）没有过热或变色等异常情况。任务实施2.定期检查定期检查时，应注意以下事项：（1）维护检查时，务必先切断输入变频器（R、S、T）的电源。（2）确定变频器电源切断，显示消失后，等到内部高压指示灯熄灭后，方可实施维护、检查。（3）在检查过程中，绝对不可以将内部电源及线材，排线拔起及误配，否则会造成变频器不工作或损坏。（4）安装时螺丝等配件不可置留在变频器内部，以免电路板造成短路现象。（5）安装后保持变频器的干净，避免尘埃，油雾，湿气侵入。技能拓展一、FANUC伺服主轴与变频主轴目前FANUC系统的主轴电动机主要有两种控制接口：模拟（0～10V）输出和数字（串行传送）输出。模拟接口靠变频器和三相异步电动机来控制驱动；数字串行口靠全数字伺服电动机来控制。通常说用变频器驱动的主轴就是模拟主轴，用伺服电动机来驱动的主轴就是伺服主轴。两者都能满足数控机床主轴的控制要求。技能拓展1.硬件控制系统不同锁着自动控制技术的不断发展，特别是微电子和电力技术的不断更新，伺服控制系统从早期的模拟控制逐步发展到全数字控制系统。并随着伺服系统硬件的软件化,使其控制性能有了更大的提高。驱动元件从早期的可控硅（晶闸管）SCR、大功率晶体管GTR,绝缘栅双极型晶体管IGBT，发展到目前的智能型功率器件IPM。2.原理和应用不同3.应用上的区别技能拓展二、不执行螺纹加