1、数控机床故障诊断与维护 主编 徐衡33295-01第七章数控机床主轴驱动系统的维修33295-07学 习 目 标数控机床主轴驱动系统分直流主轴伺服系统和交流主轴伺服系统。直流主轴伺服系统已经被淘汰,现在的主流产品是数字式交流主轴伺服系统。本章从认识主轴伺服系统故障的形式开始,介绍交流主轴伺服系统的特点,数字式(串行)交流主轴伺服系统和模拟式交流主轴伺服系统的控制概况,交流数字式主轴伺服系统故障的诊断与排除,交流模拟式主轴伺服系统故障的诊断与排除,以及交流主轴伺服系统故障的诊断实例。33295-07第一节数控机床主轴驱动系统概述一、数控机床主轴驱动系统分类33295-07二、主轴伺服系统故障的形
2、式及诊断当主轴伺服系统发生故障时,通常有下述三种表现形式:1)在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息。2)在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障。3)主轴工作不正常,但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障如下:1.外界干扰33295-072.过载主轴伺服系统常见故障如下:1.外界干扰3.主轴定位抖动33295-07所谓主轴定向控制(即主轴准停定位),是指将回转运动中的主轴准确地停在某一固定位置(角度)上,以便在该位置进行刀具交换、精镗退刀及齿轮换挡等操作。有三种方式可以实现主轴的准停定位。(1)机械准停控制由带V形槽的定位盘和定位用的液压缸配合动作,控制主轴的准停定位,如图
3、7-1所示。(2)磁性传感器型电气准停控制(3)编码器型电气准停控制主轴定向控制实际上是在控制主轴速度的基础上增加一个位置控制环,其连接线路如图7-1所示。检测主轴位置的检测元件可以采用位置编码器,如图7-2a所示,也可以采用磁性传感器,如图7-2b所示。33295-07图7-1机械准停控制装置1精定位盘2粗定位盘3感应块4无触点开关5主轴6定向活塞7滚轮33295-07图7-2主轴定向控制连接图a)用位置编码器时的连接b)用磁性传感器时的连接33295-07产生主轴定位抖动故障的原因有:1)主轴准停要经过减速的过程,如减速或增益等参数设置不当,均可引起定位抖动。2)采用位置编码器作为位置检测
4、元件的准停方式时,定位液压缸活塞移动的限位开关失灵,会引起定位抖动。3)采用磁性传感头作为位置检测元件时,发磁元件和磁传感器之间的间隙发生变化或磁传感器失灵,会引起定位抖动。33295-074.主轴转速与进给不匹配5.转速偏离指令值6.主轴异常噪声及振动7.主轴电动机不转33295-07第二节交流主轴伺服系统简介一、交流主轴伺服系统的特点目前数控机床的主轴驱动多用交流主轴伺服系统。交流主轴伺服系统分为模拟式(变频调速)和数字式(串行接口)两种。FANUC 0i系统控制主轴电动机的接口如图3-10所示。图中的JA40是模拟主轴或高速跳转插座,模拟控制指令是010V的直流电压;JA41是串行主轴或
5、位置编码器插座。33295-07主轴驱动具有速度控制和位置控制两种控制功能。进行普通加工时为速度控制,主轴电动机轴上装有圆形的磁性传感器,用作速度反馈。位置控制就是控制主轴的转角或转位,当系统需要控制主轴同步、主轴定向、刚性攻螺纹、C轴轮廓功能时,主轴要与其他轴插补联动,此时应在机床的主轴上装位置编码器,用于转角的测量与反馈。主轴控制单元采用单独的CPU进行控制,从CPU单元输出的控制指令用一条光缆送到主轴的控制单元,数据为串行传送,因此可靠性比较高。33295-07交流主轴伺服系统有如下特点:1)振动和噪声小。2)采用了再生制动控制功能。3)交流数字式伺服系统控制精度高。4)交流数字式伺服系
6、统用参数设定(不是改变电位器阻值)方式调整电路状态。33295-07二、交流主轴调速原理1.变频调速(异步电动机为压频比U/f调速)2.异步电动机矢量控制调速33295-07图7-3异步电动机运行区域恒转矩调速区恒功率调速区33295-07图7-4异步电动机变频控制原理框图33295-07图7-5直流电动机矢量简图 33295-07 图7-6异步电动机矢量变换简图33295-07三、交流数字式(串行)主轴伺服系统1.串行主轴伺服系统的控制概况FANUC 0i 系统串行主轴与主板的连接如图7-7所示,图中串行主轴的放大器及电动机如图7-8所示,串行接口控制工作概况如图7-9所示。33295-07
7、图7-7串行主轴与主板的连接33295-07图7-8FANUC i系列串行主轴的放大器及电动机33295-072.串行主轴伺服系统运行性能的调整(1)设定显示主轴调整屏面(2)主轴设定(3)主轴工作性能调整(4)监视主轴工作状况33295-07图7-9串行接口(数字式)控制概况图33295-07表7-2参数项目33295-07图7-11主轴调整屏面33295-07表7-4各运行方式下所显示的监视器内容33295-07图7-12主轴监视屏面33295-07四、交流模拟式主轴伺服系统1.交流模拟主轴伺服系统的控制概况交流模拟主轴与主板的连接如图7-13所示,其变频器外形如图7-142.交流模拟主轴
8、伺服系统模拟电压(D/A转换器)的调整33295-07图7-13交流模拟主轴与主板的连接(图中位置编码器的反馈信号与串行主轴的插座JA7A相连)33295-07图7-14变频器33295-07图7-15交流模拟主轴伺服系统控制概况图33295-07第三节交流主轴伺服系统故障的诊断与排除一、交流数字式主轴伺服系统故障的诊断与排除1.由负载引起主轴速度变化异常2.串行主轴通信错误3.串行主轴放大器起动不良4.主轴报警33295-07图7-16主轴速度波动报警处理过程33295-07二、交流模拟式主轴伺服系统故障的诊断与排除1.交流模拟式主轴伺服系统故障报警及诊断2.主轴旋转过程中噪声、振动的分析3
9、.电动机不转或旋转异常的分析三、交流主轴伺服系统故障实例及其诊断33295-07实训十一主轴变频单元的调试与故障诊断一、实训目的掌握交流变频器的使用知识以及通常的故障诊断。33295-07二、实训设备RS-SY-0i C/0i mate C数控机床综合实训系统。三、实训相关知识1.调速原理2.变频器FR-S520S-K-R的性能33295-07图7-17FR-S520S变频器33295-07变频器正常运行所需要的周围设备见表7-9。表7-9变频器周围设备的基本构成33295-07表7-9变频器周围设备的基本构成33295-073.变频器FR-S520S的连接给FR-S520S变频器接线时,需要
10、先拆下前盖板和接线盖,接线完成后再固定前盖板和接线盖,如图7-18所示。图7-18拆下前盖板和接线盖33295-07图7-19变频器接线连接图33295-07表7-10变频器主回路接线端子的用途33295-07图7-21FR-S520弱电接线端子的排列33295-07表7-11变频器控制回路接线端子33295-07表7-11变频器控制回路接线端子33295-07表7-11变频器控制回路接线端子33295-074.变频器的操作面板变频器的操作面板,如图7-22所示。图7-22变频器操作面板说明33295-075.变频器的基本操作变频器基本操作有:监视器、频率设定,参数设定和报警履历,如图7-23
11、所示。6.三菱变频器的功能参数三菱变频器的功能参数见表7-12。图7-23变频器的基本操作33295-07表7-12三菱变频器的功能参数7.参数禁止写入功能33295-07四、实训内容1)变频器的常规使用。2)变频器的常见故障诊断。33295-07五、实训步骤1)使用操作面板修改参数,完成实训题目例7-2。2)用操作面板对变频器进行控制,正转、反转、停止、改变电动机转速等。3)用实训台控制板上的元件对变频器进行控制,正转、反转、停止、改变电动机转速等。4)用NC系统对变频器进行控制,正转、反转、停止、改变电动机转速等,同时通过拨码开关断开主轴正转、反转、模拟量信号,观察主轴运行情况。33295
12、-07表7-13用操作面板修改参数的步骤33295-07表7-13用操作面板修改参数的步骤33295-07一、实训目的1)使学生了解机床主轴的工作原理以及主轴编码器的相关知识。2)掌握相关故障的分析方法与解决办法。二、实训设备RS-SY-0i C/0i mate C数控机床综合实训系统。实训十二机床主轴及主轴编码器的安装与故障诊断33295-071.主轴编码器三、实训相关知识2.主轴的用途3.主轴驱动装置4.主轴编码器信号通道5.与编码器相关的参数PRM370633295-07图7-24主轴编码器信号注:编码器的信号可以是图7-22所示的方波信号,也可以是其他波形的信号(如正/余弦信号等)。33295-07四、实训内容1)验证主轴编码器与主轴转速之间的关系。2)了解数控系统通过主轴编码器识别主轴旋转方向的原理。3)了解与主轴编码器有关的数控加工程序。4)利用拨码开关设置主轴编码器的硬件故障。33295-07五、实训步骤1.参数3706.0、3703.1的用途2.参数3706.6、3703.7的用途4.主轴编码器信号通道3.进给速度(每分钟进给与每转进给)
