數(shù)控機床主軸控制系統(tǒng)及故障診斷課件

1、第5章數(shù)控機床主軸控制系統(tǒng)及故障診斷5. 1概述5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置5. 3數(shù)控機床的主軸換擋5. 4主軸相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)5.1概述機床的主軸驅(qū)動與進給驅(qū)動相比有著較大的差別。機床主軸的工作運動通常是旋轉(zhuǎn)運動，而進給驅(qū)動需要絲杠或其他直線運動裝置轉(zhuǎn)換成往復(fù)運動。數(shù)控機床通常通過主軸的回轉(zhuǎn)與進給軸的進給，實現(xiàn)刀具與工件的快速相對切削運動。5.1.1數(shù)控機床對主傳動系統(tǒng)的要求1.調(diào)速范圍寬為保證加工時選用合適的切削用量，以獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，特別對于具有自動換刀功能的數(shù)控加工中心，為適應(yīng)各種刀具、工序和材料的加工要求，對主軸的調(diào)速范圍提出了更高的要求，要求主軸能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)

2、根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令自動實現(xiàn)無級調(diào)速，并減少中間傳動環(huán)節(jié)。下一頁返回5.1概述目前主軸驅(qū)動裝置的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍已可達1:100，恒功率調(diào)速范圍也可達30，過載1. 5倍時仍可持續(xù)工作達30 min。2.恒功率范圍要寬要求主軸在調(diào)速范圍內(nèi)均能提供所需的切削功率，并盡可能在調(diào)速范圍內(nèi)提供主軸電動機的最大功率。由于主軸電動機與驅(qū)動裝置的限制，主軸在低速段均為恒轉(zhuǎn)矩輸出。為滿足數(shù)控機床低速、強力切削的需要，常采用分段無級變速的方法(即常在低速段采用機械減速裝置)，以擴大輸出轉(zhuǎn)矩。3.具有四象限驅(qū)動能力要求主軸在正、反向轉(zhuǎn)動時均可進行自動加、減速控制，并且加、減速時間要短。目前一般伺服主軸可以在1s內(nèi)從靜

3、止加速到6 000 r/min。上一頁下一頁返回5.1概述4.具有位置控制能力即進給功能(C軸功能)和定向功能(準停功能)以滿足加工中心自動換刀、剛性攻絲、螺紋切削以及車削中心的某些加工工藝的需要。5.1.2數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的配置形式機床主傳動系統(tǒng)有時也稱主軸系統(tǒng)。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)是指主軸電動機至主軸的運動傳動系統(tǒng)，主軸電動機作為原動力通過該傳動系統(tǒng)變成主軸上安裝的刀具或工件的切削力矩和切削速度。1.普通異步電動機配齒輪變速箱與普通機床一樣，數(shù)控機床采用普通異步電動機配齒輪變速箱來實現(xiàn)主軸速度的變換，電動機可以選用單速電動機也可以選用雙速電動機。上一頁下一頁返回5.1概述通過變速箱上的變速

4、手柄來改變齒輪箱內(nèi)不同齒輪組的嚙合來實現(xiàn)速度粗調(diào)，通過系統(tǒng)特殊S代碼來控制雙速電動機的速度調(diào)換和齒輪箱內(nèi)電磁離合器來實現(xiàn)有級調(diào)速(通常有四種變速)。這種配置方式，電動機轉(zhuǎn)速工作在額定轉(zhuǎn)速，主要應(yīng)用于對主軸轉(zhuǎn)速要求不高的普通型數(shù)控機床上。2.三相異步電動機配變頻器三相異步電動機配變頻器的配置方式通常采用帶傳動，經(jīng)過帶傳動的減速來提高主軸的輸出轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)的調(diào)速是通過加工指令S代碼、控制數(shù)控系統(tǒng)軸模擬量的輸出作為變頻器的速度控制指令，來實現(xiàn)主軸速度的變化。上一頁下一頁返回5.1概述主軸電動機速度是由變頻實現(xiàn)調(diào)速，所以輸出力矩在中高速時才比較滿意，這種配置方式主要應(yīng)用于需要無級調(diào)速但對低、高速要求都不

5、太高的普通型經(jīng)濟數(shù)控機床上。3.三相電動機配變頻器與齒輪變速箱 三相電動機配變頻器與齒輪變速箱的配置方式的電動機可以是普通三相異步電動機，也可以是變頻器專用的變頻電動機，主軸箱內(nèi)齒輪嚙合的變換是通過M換擋指令來實現(xiàn)(M40M43)的，電動機的速度變化是通過加工程序中的S指令，讓系統(tǒng)輸出軸控制模擬量作為變頻器的速度調(diào)速電壓，來實現(xiàn)電動機的速度調(diào)控。上一頁下一頁返回5.1概述這種配置方式不僅滿足了低速大切削力的要求，而且也擴大了速度的調(diào)整范圍，實現(xiàn)了主軸調(diào)速范圍要寬的特性要求。這種配置主要應(yīng)用于普及型數(shù)控機床上。4.伺服主軸系統(tǒng)伺服主軸系統(tǒng)配置是主軸驅(qū)動系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動器和伺服電動機來實現(xiàn)主軸速度

6、的調(diào)整，伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)響應(yīng)快，速度高且過載能力比較強，但是價格高，通常是同功效變頻器調(diào)速的23倍，主軸速度通過加工程序的S代碼實現(xiàn)無級調(diào)速。同時還可以方便地實現(xiàn)主軸定向、主軸分度、剛性攻絲、主軸進給等功能。上一頁下一頁返回5.1概述有的數(shù)控機床為了提高低速轉(zhuǎn)矩、擴大速度輸出范圍，還配置了齒輪變速箱。這種配置主要應(yīng)用在中/高檔數(shù)控車床、數(shù)控銑床和加工中心上。5.高速電主軸高速電主軸是將電動機、傳感器和高精密主軸結(jié)合在一起，它的應(yīng)用簡化了數(shù)控機床主傳動結(jié)構(gòu)，提高了傳動精度，消除了由于機械傳動而產(chǎn)生的噪聲，電主軸的最高轉(zhuǎn)速可以達到50 00060 000 r/min，真正實現(xiàn)了主軸的高速運行，主要

7、適合于高速精加工場合。這種配置主要應(yīng)用在高速精密加工中心及五軸聯(lián)動數(shù)控機床上。上一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置5.2.1通用變頻器的結(jié)構(gòu)交流主軸電動機多為三相感應(yīng)電動機，其轉(zhuǎn)速為:由式中可以看出要調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可采用三種方法:變極調(diào)速(改變極對數(shù)以改變同步轉(zhuǎn)速來調(diào)速)、變頻調(diào)速(改變電源頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來調(diào)速)、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速(改變轉(zhuǎn)差率來調(diào)速)。下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置其中變頻調(diào)速發(fā)展迅速，其調(diào)速優(yōu)點是機械特性硬，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍廣，可實現(xiàn)雙向平滑調(diào)速。從基頻以下調(diào)速時磁通恒定，所以轉(zhuǎn)矩恒定，其調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速;從基頻以上調(diào)速時，同步轉(zhuǎn)速隨頻率升高，氣隙磁動勢減弱，最大

8、轉(zhuǎn)矩減小，輸出功率基本不變，其調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。變頻器按其工作原理可以分為:v/f控制的變頻器，轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器，矢量控制變頻器和直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器。變頻器是把電壓、頻率固定的交流電變成電壓、頻率可調(diào)的交流電的變換器。與外界的聯(lián)系基本上分為三部分:一是主電路接線端，包括工頻電網(wǎng)的輸入端(一般R、S、T)，接電動機的輸出端(一般U、 V、 W) 。上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置二是控制端子，包括外部信號控制變頻器的端子，變頻器工作狀態(tài)指示端子，變頻器與外界的通信接口。三是操作面板，包括液晶顯示屏和鍵盤。變頻器的工作原理如圖5-1所示。1.整流、逆變單元整流器和逆變器是變頻器的兩個

9、主要功率變換單元。電網(wǎng)電壓由輸入端輸入變頻器，經(jīng)整流器整流成直流電壓，整流器通常是由二極管構(gòu)成的三相橋式整流，直流電壓由逆變器變成交流電壓，交流電壓的頻率和電壓大小受基極驅(qū)動信號控制，由輸出端輸出到交流電動機。上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置2.驅(qū)動控制單元(LSI)驅(qū)動控制單元主要包括PWM信號分配電路，輸出信號電路等。主要作用是產(chǎn)生符合系統(tǒng)控制要求的驅(qū)動信號，LSI受中央處理單元(CPU)的控制。3.中央處理單元(CPU)中央處理單元包括控制程序、控制方式等部分，是變頻器控制核心。外部控制信號(如頻率設(shè)定、正轉(zhuǎn)信號、反轉(zhuǎn)信號等)、內(nèi)部檢測信號(如整流器輸出的直流電壓、逆變器輸出的交

10、流電壓等)、用戶對變頻器的參數(shù)設(shè)定信號等送到CPU，經(jīng)CPU處理后，對變頻器進行相關(guān)控制。上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置4.保護及報警單元變頻器通常都有故障自診斷功能和自保護功能。當變頻器出現(xiàn)故障輸入、輸出信號異常時，由CPU控制LSI，改變驅(qū)動信號，使變頻器停止工作，實現(xiàn)自我保護功能。5.參數(shù)設(shè)定和監(jiān)視單元 參數(shù)設(shè)定和監(jiān)視單元主要由操作面板組成，用于對變頻器的參數(shù)設(shè)定和監(jiān)視變頻器當前的運行狀態(tài)。 6.制動電阻三相變頻器直流母線電壓正常時一般為530 V左右，最高不能超過760 V(不同品牌可能稍有不同)，超過這個值變頻器可能會損壞，因此到760 V變頻器會進行保護(顯示OU)。上一

11、頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置如果在運行時由于某種原因，電機的運行頻率高于變頻器的指令頻率，這時電機就處于再生(即發(fā)電)狀態(tài)，比如起重機的重物下放、大慣性負載的減速、外力的拖動，等等，由于通用變頻器的交流部一般均為不可控整流，其產(chǎn)生的能量不能回饋給電網(wǎng)，只能對變頻器的直流部電容器充電，制動電阻的作用就是將這部分能量消耗在制動電阻上，使直流母線電壓保持在正常值。5.2.2主軸驅(qū)動裝置的接口圖5 -2所示為西門子變頻器MM75 2基本接口電路圖，采用二相交流220 V電源供電;速度指令由3, 4腳輸入(圖中通過電位器獲得，在數(shù)控機床上一般由數(shù)控裝置或PLC的模擬量輸出接口輸入)，指令電壓范圍

12、是直流010V;上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置主軸電動機的啟動/停止以及旋轉(zhuǎn)方向由外部開關(guān)DIN1和DIN2(智能端子性能由參數(shù)設(shè)定)控制，當DIN1閉合時電動機正轉(zhuǎn)，當DIN2閉合時電動機反轉(zhuǎn)，若DIN1和DIN2同時都斷開或閉合則電動機停止，也可以定義為DIN1控制電動機的啟動和停止，DIN2控制電動機的旋轉(zhuǎn)方向。變頻器根據(jù)輸入的速度指令和運行狀態(tài)指令輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電源，控制電動機旋轉(zhuǎn)。相對于進給驅(qū)動裝置，主軸驅(qū)動裝置上的接口具有如下特點:(1)輸入電源。變頻器通常電源電壓范圍比較寬，如交流230 400 V，進給驅(qū)動裝置電源電壓一般要求是固定的。(2)電動機運行指令。

13、上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置(3)驅(qū)動裝置及電動機運行狀態(tài)控制。主軸驅(qū)動裝置都提供控制電動機正/反轉(zhuǎn)的開關(guān)量接口，而進給驅(qū)動裝置一般不提供。采用脈沖信號作為指令的進給驅(qū)動裝置，當脈沖指令類型為“脈沖+方向”時，可以把方向信號理解為改變電動機方向的控制接口，而且主軸驅(qū)動裝置的方向控制接口是和速度模擬指令接口一起出現(xiàn)，多是DC24 V開關(guān)量接口;進給驅(qū)動裝置的“方向”控制接口常和“脈沖”信號一起出現(xiàn)，多是DCS V數(shù)字信號。主軸驅(qū)動裝置一般都提供單極性模擬電壓信號，進給驅(qū)動裝置提供的模擬控制接口多是雙極性的。(4)反饋接口。上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置主軸驅(qū)動裝置一般不具備

14、絕對式編碼器接口和第二編碼器接口。圖5-3所示為主軸變頻器的外形。 采用有反饋矢量控制的變頻器與主軸伺服驅(qū)動器接口基本相同，圖5 -4所示為有反饋矢量控制的變頻器的典型接口。進給驅(qū)動裝置和主軸驅(qū)動裝置有相互融合的趨勢，即主軸驅(qū)動裝置的位置控制功能和精度開始接近進給驅(qū)動裝置，另一方面進給驅(qū)動裝置的動態(tài)特性、高速特性開始接近主軸驅(qū)動裝置。5.2.3變頻器常見故障及診斷1.變頻器無輸出電壓上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置變頻器無輸出電壓的原因為:(1)主回路不通。重點檢查主回路通道中所有開關(guān)、熔斷器、接觸器及電力電子器件是否完好，導線接頭有無接觸不良或松脫。(2)控制回路接線錯誤，變頻器未正

15、常啟動。2.電動機不能升速電動機不能升速的主要原因為:(1)交流電源或變頻器輸出缺相。(2)頻率或電流設(shè)定值偏小。(3)調(diào)速電位器接觸不良或相關(guān)元件損壞，使頻率給定值不能升高。上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置3.轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或不能平滑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或不能平滑調(diào)節(jié)故障一般受外界條件變化的影響，故障出現(xiàn)無規(guī)律且多為短暫性故障，主要影響源為:(1)電源電壓不穩(wěn)定。(2)負載有較大的波動。(3)外界噪聲干擾使設(shè)定頻率起變化?？赏ㄟ^檢測找到故障點和采取相應(yīng)的解決措施。 4.過電流故障過電流故障為較常見的故障，可從電源、負載、變頻器、振蕩干擾等方面找原因。上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置(l)電

16、源電壓超限或缺相。(2)負載過重或負載側(cè)短路。(3)變頻器設(shè)定值不適當。一是電壓頻率特性曲線中電壓提升大于頻率提升，破壞了V/f的比例關(guān)系，造成低頻高壓而過流。二是加速時間設(shè)定過短，需要轉(zhuǎn)矩過大而造成過流。三是減速制動時間設(shè)定過短，機組迅速再生發(fā)電回饋給中間回路，造成中間回路電壓過高和制動回路過流。(4)振蕩過流。一般只在某轉(zhuǎn)速(頻率)下運行時發(fā)生。其主要發(fā)生原因有兩個:一是電氣頻率與機械頻率發(fā)生共振;二是純電氣回路所引起。找出發(fā)生振蕩的頻率范圍后，可利用跳躍頻率功能跳過(回避)該共振頻率。上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置5.過電壓故障過電壓故障常發(fā)生在機組減速制動時，過壓原因大都與中

17、間回路及制動環(huán)節(jié)有關(guān)，主要是:(1)電源電壓過高，一般超過10%以上。(2)制動電阻阻值過大或損壞，無法及時釋放回饋的能量而造成過電壓。(3)中間回路濾波電容失效(容量變小)或檢測電路故障。應(yīng)認真檢查電容器有無異味、變色，安全閥是否脹出，箱體有無變形及漏液。此電容器一般應(yīng)5年更換一次。(4)減速時間設(shè)定過短。上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置 6.低電壓故障低電壓故障等主要問題在電源方面。(1)交流電源電壓過低或缺相。(2)供電變壓器容量縮小，線路阻抗過大，帶載后變壓器及線路壓降過大而造成變頻器輸入電壓偏低。(3)變頻器整流橋二極管損壞使整流電壓降低。7.過熱故障過熱故障的原因為:(1)

18、環(huán)境溫度過高。上一頁下一頁返回5. 2變頻調(diào)速驅(qū)動裝置(2)內(nèi)部冷卻風扇損壞或運轉(zhuǎn)不正常。(3)通風口罩柵被雜物堵塞。(4)負載過重。對上述各種故障的診斷，其發(fā)生概率的高低基本符合所列的先后次序，通過檢測分析，一般均可較快找到故障點。上一頁返回5. 3數(shù)控機床的主軸換擋5.3.1數(shù)控機床主軸換擋主軸換擋是指通過改變主軸電動機至主軸的傳動比來獲得更寬的主軸轉(zhuǎn)速范圍以及更高的轉(zhuǎn)矩輸出的過程。1.主軸換檔方式主軸變速分為有級變速、分段無級變速和無級變速三種形式，其中有級變速僅用于經(jīng)濟型數(shù)控機床，大多數(shù)數(shù)控機床采用分段無級變速或無級變速。在無級變速中，變頻調(diào)速主軸一般用于普及型數(shù)控機床，交流伺服主軸則

19、用于中、高檔數(shù)控機床。對于采用變頻器等主軸驅(qū)動裝置的主軸電動機，可實現(xiàn)主軸的無級調(diào)速。下一頁返回5. 3數(shù)控機床的主軸換擋數(shù)控機床常采用1 4擋齒輪變速與無級調(diào)速相結(jié)合的方式，即分段無級變速方式，同時滿足低速轉(zhuǎn)矩和最高主軸轉(zhuǎn)速的要求。電動機的扭矩、功率和轉(zhuǎn)速有如下的關(guān)系：對采用有級變速、分段無級變速的主軸傳動系統(tǒng)，就需要軸換擋功能。(1)手動換擋。(2)液壓撥叉換擋。液壓撥叉換擋是一種有效的辦法，但需要附加一套液壓裝置，將電信號轉(zhuǎn)換為電磁閥動作，再將壓力油分至相應(yīng)的液壓缸，因而增加了其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。上一頁下一頁返回5. 3數(shù)控機床的主軸換擋(3)電磁離合器自動換擋。電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通

20、或切斷運行的元件，便于實現(xiàn)自動化操作。主軸的自動換擋由M41M44代碼或S指令根據(jù)速度范圍啟動更換相應(yīng)的擋位，自動換擋控制的具體實現(xiàn)一般由PLC來完成。對換擋時出現(xiàn)的“頂齒”現(xiàn)象，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)均采用由數(shù)控系統(tǒng)控制主軸電動機低速轉(zhuǎn)動或擺動的方法，實現(xiàn)齒輪的順利嚙合。2. CAK6150Di數(shù)控車床主軸自動換檔圖5 -5所示為CAK6150Di數(shù)控車床主軸箱齒輪傳動示意圖。CAK6150Di數(shù)控車床配備FANUC-0i Mate TC數(shù)控系統(tǒng)。上一頁下一頁返回5. 3數(shù)控機床的主軸換擋主軸電動機動力通過傳動帶傳到主軸箱，再經(jīng)過主軸齒輪換擋傳到主軸，加工程序主軸擋位指令是:M41主軸低速擋, M42

21、為主軸中速擋，M43主軸高速擋，M40主軸空擋。(1)主軸高速傳動路線。主軸電動機動力通過傳動帶傳到軸I，通過齒輪嚙合實現(xiàn)主軸的高速控制。圖5 -5所示中齒輪在高速擋位，兩個電磁離合器都不通電。(2)主軸中速傳動路線。(3)主軸低速傳動路線。(4)主軸空轉(zhuǎn)(脫檔手動旋轉(zhuǎn))。圖5 -6為沈陽數(shù)控車床CAK6150Di主軸箱齒輪自動換擋結(jié)構(gòu)。上一頁下一頁返回5. 3數(shù)控機床的主軸換擋3.數(shù)控車床主軸齒輪自動換檔控制流程(1)系統(tǒng)發(fā)出主軸換擋指令信號(2)通過擋位檢測信號的判別，發(fā)出換擋請求指令(3)執(zhí)行換擋控制(4)主軸換擋切換完成信號輸出(5)輸入系統(tǒng)擋位確認信號(6)系統(tǒng)發(fā)出主軸速度信息(7)

22、主軸放大器驅(qū)動主軸電動機實現(xiàn)主軸的速度控制。上一頁下一頁返回5. 3數(shù)控機床的主軸換擋5.3.2數(shù)控機床主軸自動換擋控制的常見故障及診斷換檔后機床的主軸指令速度與實際速度不符(1)程序換擋速度M代碼和主軸擋位實際速度不符，在程序編制時，用低速擋位M代碼，速度指令S卻是高速速度值。(2)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定與機械傳動實際參數(shù)不符，變頻器的最高頻率設(shè)定不正確等。(3)主軸速度反饋裝置，如電動機內(nèi)裝傳感器故障或主軸獨立編碼器故障。(4)主軸放大器故障或系統(tǒng)主板不良故障。上一頁下一頁返回5. 3數(shù)控機床的主軸換擋2.主軸換檔不能完成(主軸一直在擺動)而發(fā)出換檔超時報警(1)主軸換擋機械故障，如滑移齒輪移動阻力過大或滑移齒輪損壞。(2)電磁離合器線圈故障，擋位信號輸出故障，控制電路故障。(3)主軸放大器不良或系統(tǒng)主板不良。3.主軸不能執(zhí)行換檔控制(1)系統(tǒng)主板故障導致?lián)Q擋M代碼信號未輸出，通過系統(tǒng)PMC信號的動態(tài)跟蹤，檢查系統(tǒng)是否發(fā)出換擋指令。(2)換擋驅(qū)動控制電路故障，PMC輸出接口損壞、電磁離合器線圈或控制電路故障。(3)機械換擋故障，如電磁離合器損壞或換擋撥叉損壞等。上一頁返回5. 4主軸相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)5.4.1 FANUC 0i Mate-TC數(shù)控系統(tǒng)主軸相關(guān)參數(shù)CAK615