主轴驱动系统故障诊断与维修

项目2 主轴驱动系统故障诊断与维修

一、实训要求

1.了解主轴驱动系统的工作原理。

2.掌握交流变频器的操作方法。

3.能对变频器进行参数设置及故障排除。

4.能分析和排除主轴常见故障。

二、实训设备

4台FANUC 0i Mate-md数控维修铣床，2台GSK980TD数控维修车床，7台数控电气维修实验台。

三、实训必备知识

1. 主轴驱动系统的工作原理及接线

图2-1 GSK980TDA数控车主轴驱动变频器接线图图2-2 FANUC 0I MATEMD数控铣主轴驱动变频器接线图 变频器的原理

根据公式：n=60f/p 可知交流异步电机的转速与电源频率 f 成正比与电机的极对数成反比，因此，改变电机的频率可调节电机的转速。通常我们为了保证在一定的调速范围内保持电动机的转矩不变，在调节电源频率 f 时，必须保持磁通Φ不变，由公式 U≈E=4.44fWKΦ可知，Φ∝U/f 所以改变频率 f 时，同时改变电源电压 U，可以保持磁通Φ不变。目前大部分变频器都采用了上述原理。用同时改变f和U 的方法来实现电机转速 n的调速控制，并使得输出扭矩在一定范围内保持不变。

注：电机的极对数与转速

V，U，W代表三相电机的每一相，电机内部共有3组线圈，每一组就是一相，出来两个线头，3相共出6个线头，分别按照一定的接法接到三相电源上。一组线圈或一相包含多个线圈，但不会是单数的，因为它要组成南北两个极，而且在电机内部是对称的，例如图1，其中一相V,有两个线圈一个在上部一个在下部，两个线圈是串联的，通电时就产生两个磁极，图2的V相有4个线圈，也串联在一起，也是对称的，但它有4个极，这个图只是告诉大家线圈在电机内部的方位，和所谓的磁极对数。第一个图每一相有南北两个极，就是一对磁极，磁极对数是1，通常叫它2极电机，转速最快。

极数越少，转速越快，对啊。因为交流电的频率是50Hz,是指每一相1秒钟方向往返50次，三相不是同时往返，有一个次序的问题，但时间间隔是相同的，书本上说的是空间角度相差120度。当这个三相交流电通入电机的时候，就造成电机3组线圈通电的顺序不同，可能U相线圈先通电，V第二，W第三然后又重复这样的排列，这就造成了旋转磁场。那么快慢

是怎样形成的呢，看图1，当三相通电一次时，磁场已经走过1圈了（正半周期走半圈，负半周期再走半圈），就是经过50分之1秒磁场已经走过一圈，经过1秒钟就走过50圈，经过1分钟就走过3000圈了。再看图2，它的磁极跨度只有图1的一半，那么通一次电的时候磁场所走过的路程只有图1的一半。所以旋转磁场的速度就慢，转子的转速就慢。多极数的电机因工艺复杂，价格也高。

（是不是极数越少，转速越快；极数越多，转速越慢。为什么会这样呢？）改变电机的极对数就能改变电机转速是因为极对数越少电机里的旋转磁场的转速越高所以改变电机的极对数就能改变电机转速 4P就是电机里有四对磁极。2对的额定转速3000转，实际转速2800转左右。4对的额定转速1500转，实际转速1400转左右。

数控机床主轴驱动系统由主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴等组成。

（参照数控系统接线说明书及电气原理图）

变频器常识

什么是变频器呢？我们在日常生活中经常听到，它一般是利用半导体器件的开关作用将工频电源变换为另一频率的电能的设备。

变频器原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。可分为交——交变频器，交——直——交变频器。交——交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交——直——交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。

通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。

为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。

把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。

一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。

变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。

对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的15－－20倍。

由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器。

变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中，不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。

用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。

PAM是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。想要了解变频器原理就必须先了解

这两个东西。

什么是变频器类型：分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

变频器的工作原理：把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

1. 整流器，它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。

2. 中间电路，有以下三种作用：

a. 使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。

b. 通过开关电源为各个控制线路供电。

c. 可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。

3. 逆变器，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。

4. 控制电路，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是：

a. 利用信号来开关逆变器的半导体器件。

b. 提供操作变频器的各种控制信号。

c. 监视变频器的工作状态，提供保护功能。

三菱FR-D700 系列变频器（参照使用手册）

1）安装与接线