主轴驱动系统的故障诊断与维修

第四章主轴驱动系统的故障诊断与维修4.1概述主轴驱动系统就是在系统中完成主运动的动力装置部分。它带动工件或刀具作相应的旋转运动，从而能配合进给运动，加工出理想的零件。主轴驱动变速目前主要有两种形式:一是主轴电动机齿轮换档，目的在于降低主轴转速，增大传动比，放大主轴功率以适应切削的需要；二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。由于无需机械变速，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴箱实际上成了主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传动链的可靠性。主轴驱动系统分类：一）直流主轴驱动系统二）主轴通用变频器控制系统三）交流主轴驱动系统SIMODRIVE611变频器系统SIMODRIVE611模拟式变频器系统SIMODRIVE611数字式变频器系统带SINUMERIK840DSiemens1PH7主轴电机1PH7电机(AH100至AH160和AH180/AH225)使用说明1PH7空气冷却主轴电机具有以下特点电机的总长度缩短集成的终端外壳设计(AH100至AH160)将噪音曲线降至最低速度高达9000转/分(可选用12000转/分)持续提供各种额定转矩即使停止时对SIMODRIVE611的各种功率级别进行最优配置1PH7空气冷却型交流主轴电机是一种转动平稳无须维护的四极鼠笼式异步电机。专门设计用于与SIMODRIVE611变频器系统相连接。一台提供单独供风的风机沿轴向安装在电动机的尾部。气流的正常流向是从驱动端到非驱动端，以便让机床中的废气更好的排走。电机配置了一个内置的编码系统，用来感应电机的转速和间接的位置。这个编码器能够使C轴做为标准操作。也就是说，不再需要额外的编码器来控制C轴。对主轴传动系统的要求:一）调速范围宽为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，特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围提出了更高的要求，要求主轴能在较宽的转速范围内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。目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1：100，恒功率调速范围也可达1：30，过载1.5倍时仍可持续工作达30min。二）恒功率范围要宽要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率，并尽可能在调速范围内提供主轴电机的最大功率。由于主轴电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。三）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内从静止加速到6000r/min。四）具有位置控制能力即进给功能（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。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，而且应有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。主轴定向准停控制，当采用位置编码器作为位置检测器件时，为了控制主轴位置，主轴与编码器之间必须是1：1传动或将编码器直接安装在主轴轴端。当采用磁性传感器作为位置检测器件时，磁性器件应直接安装在主轴上，而磁性传感头则应固定在主轴箱体上。采用编码器与使用磁性传感器的方式相比，具有定位点在0～360°范围内灵活可调，定位精度高，定位速度快等优点，而且还可以作为主轴同步进给的位置检测器件，因此其使用较广。4.3主轴通用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。变频器的控制方式从最初的电压空间矢量控制（磁通转迹法）到矢量控制（磁通定向控制），发展至今天直接转矩控制，从而能方便地实现无速度传感器化；脉宽调制（PWM）技术从正弦PWM发展至优化PWM技术和随机PWM技术，以实现电流谐波畸变小，电压利用率最高、效率最优、转矩脉冲最小及噪声强度大幅度削弱的目标；功率器件由GTO、GTR、IGBT发展到智能模块IPM，是开关速度快、驱动电流小、控制驱动简单、故障率降低、干扰得到有效控制及保护功能进一步完善。随着数控控制的SPWM变频调速系统的发展，数控机床主轴驱动采用通用变频器控制也越来越多。所谓“通用”包含着两方面的含义：一是可以和通用的笼型异步电动机配套应用；二是具有多种可供选择的功能，可应用于各种不同性质的负载。如三菱FR-A500系列变频器既可以通过2、5端，用CNC系统输出的模拟信号来控制电动机的转速，也可通过拨码开关的编码输出或CNC系统的数字信号输出值RH、RM和RL端，通过变频器的参数设置，实现从最低速到最高速的变速。值得注意的是，变频器的冷却方式都采用风扇强迫冷却。如果通风不良，器件的温度将会升高，有时即使变频器并没有跳闸，但器件的使用寿命已经下降。所以，应注意冷却风扇的运行状况是否正常，经常清拭滤网和散热器的风道，以保证变频器的正常运转。4.3.1变频器连接图脚号描述说明P24为逻辑输入提供+24V24V直流，最大电流30mA（禁止与端子L短接）1,2,3,4,5,6,独立的逻辑输入使用p24或相当于L的外部输入L（上端）逻辑输入地输入1-6的电流和（流入）11,12分离逻辑输出闭合状态下最大电流为50mACM2逻辑输出地100mA：11、12的电流和（流入）FMPWM（模拟/数字）输出0–10VDC，1mA，PWM和占空比为50％的数字量L(下端)模拟输入地OI、O、H的电流和（流入）OI模拟电流输入范围为4–19.6mA，标称值为20mAO模拟电压流入范围为0–9.6VDC，标称值为10VDC，输入阻抗为10KH+10V模拟基准源标称值为10V，最大电流为10mA脚号描述说明AL0通用继电器250VAC,，最大电流2.5A（电阻负载）250VAC,，最大电流0.2A（感性负载，功率因数为0.4）100VDC，最小电流10mA30VDC，最大电流3A（电阻负载）30VAC，最大电流0.7A（感性负载，功率因数为0.4）5VDC，最小电流100mAAL1继电器，运行中为常闭AL2继电器，运行中为常开+1,RB直流母线抑制器配件（提供动态制动，抑制干扰等）+,-制动电阻L1,L2,L3主电源供电输入主电路强电部分T1,T2,T3电机供电输出4.3.3主轴通用变频器常见报警及故障处理一）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，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。故障现象故障原因报警号内容引起故障可能的原因F0001过电流1)电动机的功率（P0307）与变频器的功率（P0206）不对应，电动机功率大于变频器功率；2)电动机的导线短路；3)有接地故障。F0002过电压1)供电电源电压过高；2)斜坡下降太快，再生制动引起过电压；3)负载惯量太大，制动时引起过电压。F0003欠电压1)供电电源电压太低；2)供电电源有短路时掉电或瞬时电压跌落。变频器（440系列）的主要报警及故障诊断如下表：F0004F0005变频器过热1）冷却风机运行不正常；2）环境温度过高；3）变频器过载。F0022功率模块故障1）IGBT短路；2）接地故障。F0030冷却风机故障风机不在工作。F0041电动机参数自动检测失败1）变频器与电动机连接不正确；2）电动机参数不正确，参数值太小或太大。二）主轴变频系统常见故障及处理：1.主轴电机不转主要有以下原因：1）检查CNC系统是否有速度控制信号输出。2）主轴驱动装置故障。3）主轴电动机故障。4）变频器输出端子U、V、W不能提供电源。造成此种情况可能有以下原因：a)是否有报警错误代码显示，如有报警，对照相关说明书解决（主要有过流、过热、过压、欠压以及功率块故障等）。b)频率指定源和运行指定源的参数是否设置正确。c)智能输入端子的输入信号是否正确。3.电机转速不能到达主要原因可能有：1）如果使用模拟输入，是否用电流或电压“O”或“OI”i.检查连线ii.检查电位器或信号发生器2）负载太重i.减少负载ii.重负载激活了过载限定（根据需要不让此过载信号输出）4.电机过载（连续超负载150％一分钟以上）造成电机过载原因有：1）机械负载是否有突变2）电机配用太小3）电机发热绝缘变差4）电压是否波动较大5）是否存在缺相6）机械负载增大7）供电电压过低5.变频器过载造成变频器过载原因有：1）检查变频器容量是否配小，否则加大容量。2）检查机械负载是否有卡死现象。3）V/F曲线设定不良，重新设定。6.主轴转速不稳定主要原因有：1）负载波动是否太大。2）电源是否不稳。3）该现象是否出现在某一特定频率下。此现象可以稍微改变输出频率，使用跳频设定将此有问题的频率跳过。4）外界干扰。7.主轴转速与变频器输出频率不匹配主要原因有：1）最大频率设定是否正确。2)验证V/F设定值与主轴电机规格是否相匹配。3）确保所有比例项参数设定正确。8.主轴与进给不匹配（螺纹加工时）主要原因有：当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进给、主轴仍继续运转的故障。要执行每转进给的指令，主轴必须有每转一个脉冲的反馈信号，一般情况下为主轴编码器有问题。可以用以下方法来确定：1）CRT画面有报警显示。2）通过PLC状态显示观察编码器的信号状态。3）用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，观察故障是否消失。三）注意事项：1）保持变频器的清洁，不要让灰尘等其它杂质进入。2）特别注意避免断线或连接错误。3）牢固连接接线端和连接器。4）确保使用具有合适容量的熔断器，漏电断路器，交流接触器，电机连线。5）切断电源后应等待至少5分钟，才能进行维护或检查。6）设备应远离潮湿和油雾，灰尘，金属丝等杂质。四）维修实例例1：驱动器出现过电流报警的故障维修故障现象：某数控车床，在加工时主轴运行突然停止，出现打刀，驱动器显示过电流报警。分析与处理过程：经查交流主轴驱动器主回路，发现再生制动回路、主回路的熔断器均熔断，经更换后机床恢复正常。但机床正常运行数天后，再次出现同样故障。由于故障重复出现，证明该机床主轴系统存在问题，根据报警现象，分析可能存在的主要原因有：1）主轴驱动器控制板不良。2）电动机连续过载。3）电动机绕组存在局部短路。在以上几点中，根据现场实际加工情况，电动机过载的原因可以排除。考虑到换上元器件后，驱动器可以正常工作数天，故主轴驱动器控制板不良的可能性已较小。因此，故障原因可能性最大的是电动机绕组存在局部短路。维修时仔细测量电动机绕组的各项电阻，发现U相对地绝缘电阻较小，证明该相存在局部对地短路。拆开电动机检查发现，电动机内部绕组与引出线的连接处绝缘套已经老化；经重新连接后，对地电阻恢复正常。再次更换元器件后，机床恢复正常，故障不再出现。例3：不执行螺纹加工的故障维修故障现象：配套某系统的数控车床，在自动加工时，发现机床不执行螺纹加工程序。分析与处理过程：数控车床加工螺纹，其实质是主轴的转角与Z轴进给之间进行的插补。主轴的角度位移是通过主轴编码器进行测量。在本机床上，由于主轴能正常旋转与变速，分析故障原因主要有以下几种：1）主轴编码器与主轴驱动器之间的连接不良。2）主轴编码器故障。3）主轴驱动器与数控装置之间的位置反馈信号电缆连接不良。4）主轴编码器方向设置错误。经查主轴编码器与主轴驱动器的连接正常，故可以排除第1项；且通过CRT的显示，可以正常显示主轴转速，因此说明主轴编码器的A、-A、B、-B信号正常；在利用示波器检查Z、-Z信号，可以确认编码器零脉冲输出信号正确。根据检查，可以确定主轴位置监测系统工作正常。根据数控系统的说明书，进一步分析螺纹加工功能与信号的要求，可以知道螺纹加工时，系统进行的是主轴每转进给动作，因此它与主轴的速度到达信号有关。在FANUC0-TD系统上，主轴的每转