第五章 主轴驱动系统

• （1）CNC到变频器的信号 • ①主轴正转信号(1-11)、主轴反转信号(2-11) • 用于手动操作(JOG状态)和自动状态(自动加工M03 、M04、M05)中，实现主轴的正转、反转及停止控 制。系统在点动状态时，利用机床面板上的主轴 正转和反转按钮发出主轴正转或反转信号，通过 系统PMC控制KA8、KA9的通断，向变频器发出信号 ，实现主轴的正反转控制，此时主轴的速度是由 系统存储的S值与机床主轴的倍率开关决定的。系 统在自动加工时，通过对程序辅助功能代码M03、 M04、M05的译码，利用系统的PMC实现继电器KA8 和KA9的通断控制，从而达到主轴的正反转及停止 控制，此时的主轴速度是由系统程序中的S指令值 与机床的倍率开关决定的。
201围内均能提供切削所需功率， 并尽可能在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率， 即恒功率范围要宽。由于主轴电动机与驱动的限制， 其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，以提高输出转矩。 （5）要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加减速 控制，即要求具有四象限驱动能力，并且加减速时间 短。
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5.2 FANUC主轴驱动系统的故障诊断与维修
• 一、FANUC主轴驱动系统概述
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• 直流主轴驱动系统通常用于20世纪80年代以前的数控 机床上，多与FANUC 5、6、7系统配套使用。此类机 床由于其使用时间己较长，一般都到了故障多发期， 但由于当时数控机床的价格通常都比较昂贵，在用户 中属于大型、精密、关键设备，保养、维护通常都较 好，因此在企业中继续使用的情况比较普遍，维修过 程中遇到的也较多。 • 在交流主轴驱动系统方面，FANUC公司作为全世界最 早开发交流主轴驱动系统的厂家之一，自1980年成功 开发交流主轴系统以来，已经生产了多个系列的交流 主轴驱动系统产品，本书以FANUC α/αi系列交流主轴 驱动系统为讲述对象
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1）输出功率大。 2）在整个调速范围内速度稳定，且恒功率范围宽。 3）在断续负载下电动机转速波动小，过载能力强。 4）加速时间短。 5）电动机温升低。 6）振动、噪声小。 7）电动机可靠性高，寿命长，易维护。 8）体积小、质量轻。
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• 1．直流主轴驱动装置 • 直流主轴电动机的结构与永磁式伺服电动机不同 ，主轴电动机要能输出大的功率，所以一般是他 磁式。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机 过热，常采用轴向强迫风冷或采用热管冷却技术 。 • 直流驱动装置有晶闸管和脉宽调制PWM调速两种形 式。由于脉宽调制PWM调速具有很好的调速性能， 因而在数控机床特别是对精度、速度要求较高的 数控机床的进给驱动装置上广泛使用。而三相全 控晶闸管调速装置则在大功率应用方面具有优势 ，因而常用于直流主轴驱动装置。
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• 该系列产品的主要特点如下： • ① 通过绕组转换功能，进一步增加了高速输出范 围，缩短了加/减速时间，对于αPi系列，其恒功 率输出范围比α系列扩大了1.5倍。 • ② 采用了最新的定子直接冷却方式，进一步减小 了电动机外型尺寸，提高了输出功率和转矩。 • ③ 通过精密的铝合金转子和严格的动平衡，使电 动机在高速时振动级达到了V3级。 • ④ 可以选择不同的排风方向，尽可能减小机床热 变形，同时通过最优的冷却通道设计，进一步改 善了冷却性能。 • ⑤ 根据不同的使用要求，主电动机可以选用两种 不同类型的内装式位置/速度测量装置。即：具有 A/B两相输出的Mi型编码器与具有A/B两相出及零 脉冲输出的Mzi型编码器，以满足不同用户的使用 要求。
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• ① 交流异步伺服系统 • 交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产 生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋 转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产 生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电 流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子 力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转 速与转差之和，以实现矢量化控制。交流异步伺服通 常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字 式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定 位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴 驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主 要问题：一是转子发热，效率较低，转矩密度较小， 体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的 恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。
数控机床维修高级应用人才培养丛书 现代数控机床故障诊断与维修
第五章 主轴驱动系统的 故障诊断与维修
天津工程师范学院
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数控机床维修高级应用人才培养丛书 现代数控机床故障诊断与维修
• 教学提示：要进行主轴驱动系统的故障诊断与维修， 必须了解主轴驱动系统的结构。数控系统的种类很多， 在结构上有一定的区别，但原理上基本相同。了解不 同类型的主轴驱动系统对后续课程的学习和系统设计 很有必要。 • 教学要求：本章让学生了解主轴驱动系统的特点及对 主轴控制的要求；熟悉Fanuc、华中世纪星和Siemens 611A主轴驱动系统的组成及常见故障的诊断与维修技 术。
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• 2．交流主轴驱动装置 • 主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因 此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求 机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时， 对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要 求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有 准停控制，主轴与进给联动。与进给伺服一样， 主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直 流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管 技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的 时代。
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• αi系列产品与α系列相比，其主要性能在以下两 个方面作了改进： • ①通过使用高速绕组，提高了高速区的输出功率 ，解决了α系列在高速区域(8000-12000r/min)输 出功率下降的问题。 • ②广域恒功率输出型(αPi系列)的电动机额定转 速由750r/min降至为500r/min，使恒功率调速范 围扩大了1.5倍(从1:10.6提高到1:16)。 • FANUC α/αi系列数字式主轴驱动系统(驱动器型 号为A06-6078/6072系列)一般与FANUC 0C、FANUC l5、FANUC l6/18/20等系列数控系统配套使用。
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• FANUC α/αi系列主轴驱动系统，是FANUC公司的最新 产品，其中αi系列主轴驱动系统为本世纪初开发的最 新数控机床主轴驱动系统系列产品，是α系列的改进型 。 • α/αi系列产品共有标准型α/αi系列、广域恒功率输出型 αP/αPi系列、经济型αC/αCi系列、中空型(αT/αTi系列 、强制冷却型αL/αLi系列、高电压输入型α(HV)/α(HV)i 系列、高电压输入广域恒功率输出型αP(HV)/αP(HV)i 系列、高电压输入中空型αT(HV)/αT(HV)i系列、高电 压输入强制冷却型αL(HV)/αL(HV)i系列等产品。其中 αLi系列最高输出转速为20000r/min、α(HV)i系列最大 额定输出功率可达l00kW，可满足绝大多数数控机床的 主轴要求。
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• （2）变频器控制回路端部接线 • 图5-3 控制回路接线端子图
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图5-3 控制回路接线端子图
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• 2．CNC系统与安川变频器的信号流程 • 图5-4为某数控车床主轴驱动装置的接线图，以该 图为例具体说明CNC系统，数控机床与变频器的信 号流程与功能。
图5-4 某数控车床主轴驱动装置的接线图 2012-3-8 24
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• （6）为满足加工中心自动换刀以及某些加工工艺 的需要，要求主轴具有高精度的准停控制。 • （7）在车削中心上，还要求主轴具有旋转进给轴 （C轴）的控制功能。为满足上述要求，数控机床 常采用直流主轴驱动系统。但由于直流电动机受 机械换向的影响，其使用和维护都比较麻烦，并 且其恒功率调速范围小。
图5-2 安川变频器主电路端子排列 2012-3-8 20
• 根据变频器输入规格选择正确的输入电源。 • ① 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。 • ② 变频器三相电源实际接线无需考虑电源的相序 。 • ③ 1和2用来接直流电抗器(为选件)，如果不接时 ，必须把1和2短接(出厂时,1和2用短接片短接)。
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• 二、FANUC系统模拟量主轴驱动装置与维护 • 模拟量控制的主轴驱动装置常采用变频器实现控 制。数控车床主轴驱动以及普通机床的改造中多 采用变频器控制。作为主轴驱动装置用的变频器 种类很多，下面以安川变频器为例进行介绍。图 5-1为安川变频器的实物图。
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• 1．安川变频器端子接线 • （1）变频器主电路端部接线 • 主电路的功能是把固定频率（50/60Hz）的交流电 转换成频率连续可调（0~400Hz）的三相交流电。 主电路主要包括交-直电路、制动单元电路、直交电路。图5-2所示为安川变频器主电路端子排列 图。 • R、S、T三个端子为变频器的三相交流电输入端子 。变频器输入接线实际使用注意事项如下：
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• 图5-2 安川变频器主电路端子排列 • U、V、W三个端子为变频器的输出端子，这些端子 直接与电动机相连接。变频器输出接线实际使用 注意事项如下： • ① 输出侧接线须考虑输出电源的相序。 • 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。 • ③ 一般情况下，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。 • B1和B2端子用于外接制动电阻，外接制动电阻的 功率与阻值应根据电动机的额定电流来选择。