第四章 数控机床主传动系统的故障诊断与维修

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。
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。
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
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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（4）要求主轴在整个范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。
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。
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。
图5-2 安川变频器主电路端子排列
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)。
第四章 主轴驱动系统的 故障诊断与维修
2013-7-28
4.1概 述
一、数控机床对主轴控制的要求 随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已 不能满足要求。现代数控机床对主传动提出了更高 的要求： （1）调速范围 各种不同的机床对调速范围的要求不同。
（2）主轴的旋转精度和运动精度 主轴的旋转精度是指 装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和 距离前端300mm处的径向圆跳动和端面圆跳动值。 （3）数控机床主轴的变速是依指令自动进行的，要求 能在较宽的转速范围内进行无级调速，并减少中间传 递环节，简化主轴箱。目前主轴驱动装置的调速范围 已达1:100，这对中小型数控机床已经够用了。对于 中型以上的数控机床，如要求调速范围超过1:100， 则需通过齿轮换挡的方法解决。
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。
（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。
二、主轴驱动装置的特点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。它接受来自CNC的驱动指令， 经速度与转矩(功率)调节输出驱动信号驱动主电 动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。 它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC 用以完成对主轴的各项功能控制。为满足数控机 床对主轴驱动的要求，主轴电动机必须具备下述 功能：
（2）变频器控制回路端部接线 图5-3 控制回路接线端子图
图5-3 控制回接线端子图
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
（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。
② 交流同步伺服系统 近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提 高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系 统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题 带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁 同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求 的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达 到极小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒转 矩运行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高， 转动惯量小，动态响应特性好，特别适合高生产率运 行。较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具 有多种加工能力，既可以加工铝等低硬度材料，也可 以加工很硬很脆的合金，为机床进行最优切削创造了 条件。
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α Pi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。
α i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(α Pi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 /α i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。
• 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。
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：
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。
②系统故障输入(3-11) 当数控机床系统出现故障时，通过系统PMC发出信 号控制KAl3获电动作，使变频器停止输出，实现 主轴自动停止控制，并发出相应的报警信息。如 机床自动加工时，进给驱动系统突然出现故障， 主轴也能自动停止旋转，从而防止打刀事故的发 生。 ③系统复位信号(4-11) 当系统复位时，通过系统PMC控制KA14获电动作， 进行变频器的复位控制。如变频器受到干扰出现 报警时，可以通过系统MDI键盘的复位键(RESET) 进行复位，而不用切断系统电源再重新上电进行 复位。
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。