企业诊断-主轴驱动系统的故障诊断与维修 精品

1,2,3,4,5,6, 独立的逻辑输入
24V直流，最大电流30mA （禁止与端子L短接） 使用p24或相当于L的外部输入
L（上端） 11,12 CM2 FM L(下端)
OI
逻辑输入地 分离逻辑输出
逻辑输出地
输入1-6的电流和（流入） 闭合状态下最大电流为50mA
100mA：11、12的电流和（流入）
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。
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）。
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。
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(AH 100 至AH160)将噪音曲 线降至最低
速度高达9 000 转/分(可选用12 000 转/分) 持续提供各种额定转矩即使停止时 对SIMODRIVE 611 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 SIMODRIVE 611 变频器系统相连接。
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
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：
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
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。
F0004 F0005
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
F0030 F0041
功率模块故 障
冷却风机故 障
电动机参数 自动检测失 败
1）IGBT短路； 2）接地故障。 风机不在工作。
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。
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+24V
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
SIMODRIVE 611 变频器系统
SIMODRIVE611 模拟式变频器系统
SIMODRIVE611 数字式变频器系统带SINUMERIK 840D
Siemens 1PH7 主轴电机
1PH7 电机(AH 100 至AH 160 和AH 180/AH225)
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。
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。
变频器（440系列）的主要报警及故障诊断如下表：
故障现象 报警号 内 容 F0001 过电流
F0002 F0003
过电压 欠电压
故障原因
引起故障可能的原因
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。
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。
PWM（模拟/数字）输出 0 – 10VDC，1mA，PWM和占空比为50％的数字量
模拟输入地 模拟电流输入
OI、O、H的电流和（流入） 范围为4 – 19.6mA，标称值为20mA
O
模拟电压流入
范围为0 – 9.6VDC，标称值为10VDC，输入阻抗为 10K
H
+10V模拟基准源
标称值为10V，最大电流为10mA
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。
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。
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。
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。
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Fra Baidu bibliotek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。
5VDC，最小电流100mA
配件（提供动态制动，抑制干扰等）
主电路强电部分
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。
脚号
AL0 AL1 AL2
+1,RB + ,L1,L2,L3 T1,T2,T3
描述
通用继电器 继电器，运行中为
常闭 继电器，运行中为
常开
直流母线抑制器
制动电阻 主电源供电输入 电机供电输出
说明
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10mA 30VDC，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）
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。
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。
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）
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。
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。