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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。模拟量主轴驱动装置（变频器）串行数字主轴驱动装置图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α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（0—10V）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Ⅰ获得旋转运动，经过轴Ⅰ上的齿轮z1与轴Ⅱ的齿轮z2的齿轮传动，轴Ⅱ转动，同时Ⅱ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Ⅱ的运动经z3/z54齿轮副传到主轴Ⅲ，获得高档区转速215-2500r/min；滑移齿轮在右边位置时，轴Ⅱ的运动经z4/z6齿轮副传到主轴Ⅲ，获得低档区转速34-400r/min。同时主轴尾部的同步带轮Ⅳ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Ⅱ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0.02——0.05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0—10V（或0—5V）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0—24V。（）（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FANUC0i-Mate-Mc数控系统，主轴驱动系统配置β8/8000i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；GR10GR20GR30齿轮选择输出信号；R01I—R12I主轴电机速度指令信号；R010—R120S12位代码信号。NC到串行主轴放大器采用FSSB(FANUCSerialServoBus)即FANUC高速串行总线。图3-9FANUC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