数控机床主轴故障维修Word格式文档下载.docx

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比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。

这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都不要求的场合，例如数控钻铣床。

国内生产的简易型变频器较多。

3、通笼型异步电动机配通用变频器

目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制

功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100—200转/分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。

这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。

4、专用变频电动机配通用变频器

一般采用有反馈矢量控制，低速甚至零速时都可以有较大的力矩输出，有些还具有定向甚至分度进给的功能，是非常有竞争力的产品。

以先马YPNC系列变频电动机为例，电压：

三相200V、220V、380V、400V可选；

输出功率：

1.5-18.5KW；

变频范围2-200HZ;

（最高转速r/min）；

30min150%过载能力；

支持V/f控制、

V/f+PG（编码器）控制、无PG矢量控制、有PG矢量控制。

提供通用变频器的厂家以国外公司为主，如：

西门子、安川、富士、三菱、日立等。

中档数控机床主要采用这种方案，主轴传动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在100—200r/min左右时车、铣的重力切削。

一些有定向功能的还可以应用与要求精镗加工的数控镗铣床，若应用在加工中心上，还不很理想，必须采用其他辅助机构完成定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求。

5、伺服主轴驱动系统

伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的特点，还可以实现定向和进给功能，当然价格也是最高的，通常是同功率变频器主轴驱动系统的2--3倍以

上。

伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工。

6、电主轴

电主轴是主轴电动机的一种结构形式，驱动器可以是变频器或主轴伺服，也可以不要驱动器。

电主轴由于电机和主轴合二为一，没有传动机构，因此，大大简化了主轴的结构，并且提高了主轴的精度，但是抗冲击能力较弱，而且功率还不能做得太大，一般在10KW以下。

由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展,般在10000r/min以上。

安装电主轴的机床主要用于精加工和高速加工，例如高速精密加工中心。

另外,在雕刻机和有色金属以及非金属材料加工机床上应用较多，这些机床由于只对主轴高转速有要求，因此，往往不用主轴驱动器。

就电气控制而言，机床主轴的控制是有别于机床伺服轴的。

一般情况下，机床主轴的控制系统为速度控制系统，而机床伺服轴的控制系统为位置控制系统。

换句话说，主轴编码器一般情况下不是用于位置反馈的（也不是用于速度反馈的），而仅作为速度测量元件使用，从主轴编码器上所获取的数据，一般有两个用途，其一是用于主轴转速显示；

其二是用于主轴与伺服轴配合运行的场合（如螺纹切削加工,恒线速加工，G95转进给等）。

注：

当机床主轴驱动单元使用了带速度反馈的驱动装置以及标准主轴电机时，主轴可以根据需要工作在伺服状态。

此时，主轴编码器作为位置反馈元件使用。

4.1.2通用变频主轴驱动装置

、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。

下面以西门子（MM420）为例，讲解模拟量控制主轴运动装置

的工作原理、端部接线、功能参数的设定等。

PI控制器。

输入：

3个数字输入，1个模拟输入。

输出：

1个模拟输出，1个继电器

输出。

与自动化系统的接口：

是SIMATICS7-200,SIMATICS7-300/400（TIA）或SIMOTION自动化系统的理想配套设备。

MM420变频器接线方框图如下:

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图4-1MM420变频器接线方框图

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。

MM420

变频器主电路输入端子有三相或单相可选，为L、N或L1、L2、L3，输出端子为U、

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，西门子变频器的控制端子有开关量输入控制端子（5、67、8）,主要用于控制电机的正反向运行等

功能；

模拟量输入端子（3、4），主要用于控制接受0-10V的模拟量信号；

报警信号输出（10、11）。

其中多功能端子5、67的具体功能是分别由变频器参数P0701、

P0702、P0703等设定，以数控系统802C为例，根据西门子802CPLC程序的主轴

控制输出特点，其相应的端子功能设定如下表:

表4.1变频器控制端子功能设定参数

瑚子

養故

散子输人1

5

PO'

/Ol=T

ON＞止向运厅

数丫输人2

6

P0'

7O2-'

12'

反向适h

P0703=9

故隔旦陸

谕也舉电器

10/11

P0I731I='

523'

故障识別

12/13

P0771=21

输出顒率

啜拟输人

3/4

PMOD=C

1/2

模拟输人电源

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

变频器输出接线实际使用注意事项:

（1）输出侧接线须考虑输出电源的相序。

若相序错误，将会造成主轴电机反

转，机床不能正常加工而报警。

（2）实际接线时，决不允许把变频器的电源线接到变频器的输出端。

若接反了,

会烧毁变频器。

（3）—般情况下,变频器输出端直接与电动机相连，无需加接触器和热继电器。

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，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。

•接地保护

在伺服驱动器的输出线路以及主轴内部等出现对地短路时，可以通过快速熔断器间切断电源，对驱动器进行保护。

•过载保护

当驱动器、负载超过额定值时，安装在内部的热开关或主回路的热继电器将动作，对进行过载保护。

•速度偏差过大报警

当主轴的速度由于某种原因，偏离了指令速度且达到一定的误差后，将产生报警，并进行保护。

・瞬时过电流报警

当驱动器中由于内部短路、输出短路等原因产生异常的大电流时，驱动器将发出报警并进行保护。

•速度检测回路断线或短路报警

当测速发电动机出现信号断线或短路时，驱动器将产生报警并进行保护。

•速度超过报警

当检测出的主轴转速超过额定值的115%是，驱动器将发出报警并进行保护。

•励磁监控

如果主轴励磁电流过低或无励磁电流，为防止飞车，驱动器将发出故障并进行保护。

•短路保护

当主回路发生短路时，驱动器可以通过相应的快速熔断器进行短路保护。

•相序报警

当三相输入电源相序不正确或缺相状态时，驱动器将发出报警。

变频器出现保护性的故障时（也叫报警），首先通过变频器自身的指示灯以报

警的形式反映出内容，具体说明见表4.2。

表4.2变频器常见报警

报警名称

报警时的

LED显示

动作内容

对地短路

对地短路故障

检测到变频器输出电路对地短路时动作（一般为》30kW）。

而对w22kW变频器发生对地短路时，作为过电流保护动作。

此功能只是保护变频器。

为保护人身和防止火警事故等应采用另外的漏电保护继电器或漏电短路器等进行保护。

过电压

加速时过电压

由于再生电流增加，使主电路直流电压达到过电压检出值（有些变频器为800VDC）时，保护动作。

（但是：

如果由变频器输入侧错误地输入控制电路电压值时，将不能显示此报警）

减速时过电流

恒速时过电流

欠电压

电源电压降低等使主电路直流电压低至欠电压检出

值（有点变频器为400VDC）以下时，保护功能动作。

注意：

当电压低至不能维持变频器控制电路电压值

时，将不显示报警。

电源缺相

连接的3相输入电源L1/R、L2/S、L3/T中任何1相

缺时，有点变频器能在3相电压不平衡状态下运行，但可能造成某些器件（如：

主电路整流二极管和主滤波电容器损坏），这种情况下，变频器会报警和停止运行。

过热

散热片过热

如内部的冷却风扇发生故障，散热片温度上升，则产

生的保护动作

变频器内部过

热

如变频器内通风散热不良等，则其内部温度上升，保

护动作

制动电阻过热

当米用制动电阻且使用频度过咼时，会使其温度上

升，为防止制动电阻烧损（有点会有“叭”的很大的爆

炸声），保护动作

外部报警

当控制电路端子连接控制单元、制动电阻、外部热继电器等外部设备的报警常闭接点时，按这些节点的信号动作。

过载

电动机过负载

当电动机所拖动的负载过大使超过电子热继电器的

电流超过设定值时，按反时限性保护动作。

变频器过负载

此报警一般为变频器主电路半导体元件的温度保护，按变频器输出电流超过过载额定值时保护动作。

通讯错误

RS通信错误

当通信时出错，则保护动作。

、主轴电机

二、主轴编码器

四、主轴箱

4.1.3数控系统与主轴装置的电路连接

、、西门子802C数控系统和MM420变频器的连接

H2

图4-2西门子802C数控系统和MM420变频器的连接

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X5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。

、802D数控系统中变频器与611U伺服驱动的连接

802D数控系统配置变频主轴时，变频器0-10V的指令电压是通过611UE的X411

端口上的75.A和15给出的，正反转指令是通过X453端口上的Q0.A和Q1.A给出的，具

体接线如下:

图4-3802D数控系统中变频器与611U伺服驱动的连接

三、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

4-4。

8:

CHBT：

GHB6：

AOUT15：

+5¥

地4：

+5V

3:

SI+

2:

SE+LSM

8=

a

o

s

1o

015

O

D

C

15：

GHD

14：

A0VT2

13：

地

12：

+5V11:

SZ-10:

SB-g:

SA-

图4-4HNC-21TF系统主轴接口

表4.4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

系统与变频器的连接如下:

HNC-21

9

2

10

3

11

4

12

J3

14

5B+IV

5E-}y

£

2-；

』

+5V

SA+.

—

姑t

计；

SB4

SB-:

SZ+1

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4-

52-

□

+5V.

5+5丫

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…匕

GND,

主轴编码器

15来

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理度拧制接门

10--10V或

0-I10V

IPrJ

主轴变频器

图4-5主轴变频器与CNC（华中世纪星）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的输出范围为-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的输出范围为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,

TTL方波或

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所示。

表4.5主轴启停PLC接口信号

信号说明

标号（X/Y地址）

所有借口

脚号

铣

车

输入开关量

主轴速度到达

X3.1

XS11

I25

23

主轴零速

X3.2

I26

输出开关量

主轴正转

Y1.0

XS20

008

主轴反转

Y1.1

009

21

利用Y1.0Y1.1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,

这样当丫1.0接通时可控制主轴装置正转，丫1.1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丫1.0Y1.1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A0UT1的输

出范围为-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的输出范围为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。

表4.6自动换档PLC接口信号

主轴一档到位

X2.0

XS10

I16

主轴二档到位

X2.1

I17

17

主轴三档到位

X2.2

I18

主轴四档到位

X2.3

I19

16

Y1.4

012

Y1.5

013

19

Y1.6

014

Y1.7

18

四、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（Spindie

serialoutput/Spindieanalogoutput）。

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。

1、FANUC0iMateC数控系统模拟主轴的连接如下图:

图4-6802C系统与变频器的连接

系统与主轴相关的系统接口有:

JA40:

模拟量主轴的速度信号接口（0~10V），CNC输出的速度信号（0-10V）与变频器的模拟量频率设定端连接，控制主轴电机的运行速度。

JA7A:

串行主轴/主轴位置编码器信号接口，当主轴为串行主轴时，与主轴变频器的JA7B连接，实现主轴模块与CNC系统的信息传递；

当主轴为模拟量主轴

时，该接口又是主轴位置编码的主轴位置反馈接口。

F面以FANUC公司

五、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,

产品系列为例，说明主轴驱动装置的功能连接及设定、调整。

图5-7Fanuc0i主轴连接示意图

1、电源模块原理及作用（FANUC系统a系列）

图5-8电源模块主电路

电源模块将L1、L2、L3输入的三相交流电（200V）整流、滤波成直流电（300V）,为主轴驱动模块和伺服模块提供直流电源；

200R、200S控制端输入的交流电转换成直流电（DC24V、DC5V），为电源模块本身提供控制回路电源；

通过电源模块的逆块把电动机的再生能量反馈到电网，实现回馈制动。

2、FANUC系统a系列电源模块的端子功能

I®

STATUS

IR

IS+24<

+51f

QV

图5-9FANUC的a系列的电源模块

①DCLink盒：

直流电源（DC300V）输出端，该接口与主轴模块、伺服模块的直流输入端连接。

2状态指示窗口（STATUS）:

PIL（绿色）表示电源模块控制电源工作

ALM（红色）表示电源模块故障

表示电源模块未启动

oo表示电源模块启动就绪

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