数控机床主轴控制系统及故障诊断

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5.1概述
• 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30，过载1. 5倍时仍可持续工作达30 min。
• 2.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
围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动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(即常在低速段采用机械减速装置)， 以扩大输出转矩。 • 3.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6 000 r/min。
方面找原因。
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5. 2变频调速驱动装置
• (l)电源电压超限或缺相。 • (2)负载过重或负载侧短路。 • (3)变频器设定值不适当。一是电压频率特性曲线中电压提升大于频
率提升，破坏了V/f的比例关系，造成低频高压而过流。二是加速时 间设定过短，需要转矩过大而造成过流。三是减速制动时间设定过短， 机组迅速再生发电回馈给中间回路，造成中间回路电压过高和制动回 路过流。 • (4)振荡过流。一般只在某转速(频率)下运行时发生。其主要发生原因 • 有两个:一是电气频率与机械频率发生共振;二是纯电气回路所引起。 找出发生振荡的频率范围后，可利用跳跃频率功能跳过(回避)该共振 频率。
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5. 2变频调速驱动装置Biblioteka Baidu
• 3.转速不稳或不能平滑调节 • 转速不稳或不能平滑调节故障一般受外界条件变化的影响，故障出现
无规律且多为短暂性故障，主要影响源为: • (1)电源电压不稳定。 • (2)负载有较大的波动。 • (3)外界噪声干扰使设定频率起变化。 • 可通过检测找到故障点和采取相应的解决措施。 • 4.过电流故障 • 过电流故障为较常见的故障，可从电源、负载、变频器、振荡干扰等
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5.1概述
• 有的数控机床为了提高低速转矩、扩大速度输出范围，还配置了齿轮 变速箱。这种配置主要应用在中/高档数控车床、数控铣床和加工中 心上。
• 5.高速电主轴 • 高速电主轴是将电动机、传感器和高精密主轴结合在一起，它的应用
简化了数控机床主传动结构，提高了传动精度，消除了由于机械传动 而产生的噪声，电主轴的最高转速可以达到50 000~60 000 r/min， 真正实现了主轴的高速运行，主要适合于高速精加工场合。这种配置 主要应用在高速精密加工中心及五轴联动数控机床上。
• 相对于进给驱动装置，主轴驱动装置上的接口具有如下特点: • (1)输入电源。变频器通常电源电压范围比较宽，如交流230 ~400 V，
进给驱动装置电源电压一般要求是固定的。 • (2)电动机运行指令。
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5. 2变频调速驱动装置
• (3)驱动装置及电动机运行状态控制。主轴驱动装置都提供控制电动 机正/反转的开关量接口，而进给驱动装置一般不提供。采用脉冲信 号作为指令的进给驱动装置，当脉冲指令类型为“脉冲+方向”时， 可以把方向信号理解为改变电动机方向的控制接口，而且主轴驱动装 置的方向控制接口是和速度模拟指令接口一起出现，多是DC24 V开 关量接口;进给驱动装置的“方向”控制接口常和“脉冲”信号一起 出现，多是DCS V数字信号。
• 3.三相电动机配变频器与齿轮变速箱 • 三相电动机配变频器与齿轮变速箱的配置方式的电动机可以是普通
三相异步电动机，也可以是变频器专用的变频电动机，主轴箱内齿轮 啮合的变换是通过M换挡指令来实现(M40~M43)的，电动机的速度变 化是通过加工程序中的S指令，让系统输出轴控制模拟量作为变频器 的速度调速电压，来实现电动机的速度调控。
• 5.2.2主轴驱动装置的接口
• 图5 -2所示为西门子变频器MM75 2基本接口电路图，采用二相交流 220 V电源供电;速度指令由3, 4脚输入(图中通过电位器获得，在数控 机床上一般由数控装置或PLC的模拟量输出接口输入)，指令电压范 围是直流0~10V;
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5. 2变频调速驱动装置
• 变频器按其工作原理可以分为:v/f控制的变频器，转差频率控制变频 器，矢量控制变频器和直接转矩控制的变频器。
• 变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的 变换器。与外界的联系基本上分为三部分:
• 一是主电路接线端，包括工频电网的输入端(一般R、S、T)，接电动 机的输出端(一般U、 V、 W) 。
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5. 2变频调速驱动装置
• 4.保护及报警单元 • 变频器通常都有故障自诊断功能和自保护功能。当变频器出现故障输
入、输出信号异常时，由CPU控制LSI，改变驱动信号，使变频器停 止工作，实现自我保护功能。 • 5.参数设定和监视单元 • 参数设定和监视单元主要由操作面板组成，用于对变频器的参数设 定和监视变频器当前的运行状态。 • 6.制动电阻 • 三相变频器直流母线电压正常时一般为530 V左右，最高不能超过 760 V(不同品牌可能稍有不同)，超过这个值变频器可能会损坏，因 此到760 V变频器会进行保护(显示OU)。
作用是产生符合系统控制要求的驱动信号，LSI受中央处理单元(CPU) 的控制。 • 3.中央处理单元(CPU) • 中央处理单元包括控制程序、控制方式等部分，是变频器控制核心。 外部控制信号(如频率设定、正转信号、反转信号等)、内部检测信号 (如整流器输出的直流电压、逆变器输出的交流电压等)、用户对变频 器的参数设定信号等送到CPU，经CPU处理后，对变频器进行相关 控制。
• 变频器无输出电压的原因为: • (1)主回路不通。重点检查主回路通道中所有开关、熔断器、接触器
及电力电子器件是否完好，导线接头有无接触不良或松脱。 • (2)控制回路接线错误，变频器未正常启动。 • 2.电动机不能升速 • 电动机不能升速的主要原因为: • (1)交流电源或变频器输出缺相。 • (2)频率或电流设定值偏小。 • (3)调速电位器接触不良或相关元件损坏，使频率给定值不能升高。
• 主轴驱动装置一般都提供单极性模拟电压信号，进给驱动装置提供的 模拟控制接口多是双极性的。
• (4)反馈接口。
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5. 2变频调速驱动装置
• 主轴驱动装置一般不具备绝对式编码器接口和第二编码器接口。 • 图5-3所示为主轴变频器的外形。 • 采用有反馈矢量控制的变频器与主轴伺服驱动器接口基本相同，图5
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5. 2变频调速驱动装置
• 如果在运行时由于某种原因，电机的运行频率高于变频器的指令频率， 这时电机就处于再生(即发电)状态，比如起重机的重物下放、大惯性 负载的减速、外力的拖动，等等，由于通用变频器的交流部一般均为 不可控整流，其产生的能量不能回馈给电网，只能对变频器的直流部 电容器充电，制动电阻的作用就是将这部分能量消耗在制动电阻上， 使直流母线电压保持在正常值。
5. 2变频调速驱动装置
• 其中变频调速发展迅速，其调速优点是机械特性硬，转速稳定性好， 调速范围广，可实现双向平滑调速。从基频以下调速时磁通恒定，所 以转矩恒定，其调速属于恒转矩调速;从基频以上调速时，同步转速 随频率升高，气隙磁动势减弱，最大转矩减小，输出功率基本不变， 其调速属于恒功率调速。
• 5.1.1数控机床对主传动系统的要求
• 1.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。
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5. 2变频调速驱动装置
• 二是控制端子，包括外部信号控制变频器的端子，变频器工作状态指 示端子，变频器与外界的通信接口。
• 三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘。 • 变频器的工作原理如图5-1所示。 • 1.整流、逆变单元 • 整流器和逆变器是变频器的两个主要功率变换单元。电网电压由输入
-4所示为有反馈矢量控制的变频器的典型接口。 • 进给驱动装置和主轴驱动装置有相互融合的趋势，即主轴驱动装置的
位置控制功能和精度开始接近进给驱动装置，另一方面进给驱动装置 的动态特性、高速特性开始接近主轴驱动装置。
• 5.2.3变频器常见故障及诊断
• 1.变频器无输出电压
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5. 2变频调速驱动装置
• 1.普通异步电动机配齿轮变速箱 • 与普通机床一样，数控机床采用普通异步电动机配齿轮变速箱来实现
主轴速度的变换，电动机可以选用单速电动机也可以选用双速电动机。
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5.1概述
• 通过变速箱上的变速手柄来改变齿轮箱内不同齿轮组的啮合来实现速 度粗调，通过系统特殊S代码来控制双速电动机的速度调换和齿轮箱 内电磁离合器来实现有级调速(通常有四种变速)。这种配置方式，电 动机转速工作在额定转速，主要应用于对主轴转速要求不高的普通型 数控机床上。
第5章数控机床主轴控制系统及故障诊 断
• 5. 1概述 • 5. 2变频调速驱动装置 • 5. 3数控机床的主轴换挡 • 5. 4主轴相关系统参数
5.1概述
• 机床的主轴驱动与进给驱动相比有着较大的差别。机床主轴的工作运 动通常是旋转运动，而进给驱动需要丝杠或其他直线运动装置转换成 往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给，实现刀具 与工件的快速相对切削运动。
端输入变频器，经整流器整流成直流电压，整流器通常是由二极管构 成的三相桥式整流，直流电压由逆变器变成交流电压，交流电压的频 率和电压大小受基极驱动信号控制，由输出端输出到交流电动机。
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5. 2变频调速驱动装置
• 2.驱动控制单元(LSI) • 驱动控制单元主要包括PWM信号分配电路，输出信号电路等。主要
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5.1概述
• 4.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。
• 5.1.2数控机床主传动系统的配置形式
• 机床主传动系统有时也称主轴系统。数控机床主传动系统是指主轴电 动机至主轴的运动传动系统，主轴电动机作为原动力通过该传动系统 变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度。
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5.1概述
• 这种配置方式不仅满足了低速大切削力的要求，而且也扩大了速度的 调整范围，实现了主轴调速范围要宽的特性要求。这种配置主要应用 于普及型数控机床上。
• 4.伺服主轴系统 • 伺服主轴系统配置是主轴驱动系统采用伺服驱动器和伺服电动机来实
现主轴速度的调整，伺服主轴驱动系统响应快，速度高且过载能力比 较强，但是价格高，通常是同功效变频器调速的2~3倍，主轴速度通 过加工程序的S代码实现无级调速。同时还可以方便地实现主轴定向、 主轴分度、刚性攻丝、主轴进给等功能。
• 主轴电动机的启动/停止以及旋转方向由外部开关DIN1和DIN2(智能端 子性能由参数设定)控制，当DIN1闭合时电动机正转，当DIN2闭合时 电动机反转，若DIN1和DIN2同时都断开或闭合则电动机停止，也可 以定义为DIN1控制电动机的启动和停止，DIN2控制电动机的旋转方 向。变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值 的交流电源，控制电动机旋转。
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5. 2变频调速驱动装置
• 5.2.1通用变频器的结构
• 交流主轴电动机多为三相感应电动机，其转速为:
• 由式中可以看出要调节电动机的转速可采用三种方法:变极调速(改变 极对数以改变同步转速来调速)、变频调速(改变电源频率以改变同步 转速来调速)、变转差率调速(改变转差率来调速)。
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• 2.三相异步电动机配变频器 • 三相异步电动机配变频器的配置方式通常采用带传动，经过带传动的
减速来提高主轴的输出转矩，系统的调速是通过加工指令S代码、控 制数控系统轴模拟量的输出作为变频器的速度控制指令，来实现主轴 速度的变化。
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5.1概述
• 主轴电动机速度是由变频实现调速，所以输出力矩在中高速时才比较 满意，这种配置方式主要应用于需要无级调速但对低、高速要求都不 太高的普通型经济数控机床上。