數(shù)控機床主軸故障維修

數(shù)控機床主軸故障維修數(shù)控機床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)也就是主傳動系統(tǒng)，它的性能直接決定了加工工件的表面質(zhì)量，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機、電、氣聯(lián)動，故障率較高，它的可靠性將直接影響數(shù)控機床的安全和生產(chǎn)率。因此，在數(shù)控機床的維修和維護中，主軸驅(qū)動系統(tǒng)顯得很重要。維修人員根據(jù)維修單，到現(xiàn)場進行故障詢問調(diào)查，確定維修方案、擬定維修工作計劃、計劃工時和費用；通過查閱數(shù)控機床PLC的相關(guān)顯示界面和電路原理圖、數(shù)控系統(tǒng)和就變頻器說明書等維修資料，分析故障原因；使用通用工具及萬用表，檢測判斷故障部位，在機床現(xiàn)場快速排除故障，填寫維修記錄并交接驗收。主軸相關(guān)知識數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機床的大功率執(zhí)行機構(gòu)，其功能是接受數(shù)控系統(tǒng)（CNC）的S碼速度指令及M碼輔助功能指令，驅(qū)動主軸進行切削加工。它包括主軸驅(qū)動裝置、主軸電動機、主軸位置檢測裝置、傳動機構(gòu)及主軸。通常主軸驅(qū)動被加工工件旋轉(zhuǎn)的是車削加工，所對應(yīng)的機床是車床類；主軸驅(qū)動切削刀具旋轉(zhuǎn)的是銑削加工，所對應(yīng)的機床是銑床類。主軸系統(tǒng)分類及特點全功能數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)根據(jù)控制方式的不同主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪（以獲得更大的轉(zhuǎn)矩）帶動主軸旋轉(zhuǎn)。另外根據(jù)主軸速度控制信號的不同可分為模擬量控制的主軸驅(qū)動裝置和串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動裝置兩類。模擬量控制的的主軸驅(qū)動裝置采用變頻器實現(xiàn)主軸電動機控制，有通用變頻器控制通用電機和專用變頻器控制專用電機兩種形式。目前大部分的經(jīng)濟型機床均采用數(shù)控系統(tǒng)模擬量輸出+變頻器+感應(yīng)（異步）電機的形式，性價比很高，這時也可以將模擬主軸稱為變頻主軸。串行主軸驅(qū)動裝置一般由各數(shù)控公司自行研制并生產(chǎn)，如西門子公司的611系列，日本發(fā)那克公司的a系列等。1、 普通籠型異步電動機配齒輪變速箱這是最經(jīng)濟的一種方法主軸配置方式，但只能實現(xiàn)有級調(diào)速，由于電動機始終工作在額定轉(zhuǎn)速下，經(jīng)齒輪減速后，在主軸低速下輸出力矩大，重切削能力強，非常適合粗加工和半精加工的要求。如果加工產(chǎn)品比較單一，對主軸轉(zhuǎn)速沒有太高的要求，配置在數(shù)控機床上也能起到很好的效果；它的缺點是噪音比較大，由于電機工作在工頻下，主軸轉(zhuǎn)速范圍不大，不適合有色金屬和需要頻繁變換主軸速度的加工場合。2、 普通籠型異步電動機配簡易型變頻器可以實現(xiàn)主軸的無級調(diào)速，主軸電動機只有工作在約500轉(zhuǎn)/分鐘以上才能有比較滿意的力矩輸出，否則，特別是車床很容易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的情況，一般會采用兩擋齒輪或皮帶變速，但主軸仍然只能工作在中高速范圍，另外因為受到普通電動機最高轉(zhuǎn)速的限制，主軸的轉(zhuǎn)速范圍受到較大的限制。這種方案適用于需要無級調(diào)速但對低速和高速都不要求的場合，例如數(shù)控鉆銑床。國內(nèi)生產(chǎn)的簡易型變頻器較多。3、 通籠型異步電動機配通用變頻器目前進口的通用變頻器，除了具有U/f曲線調(diào)節(jié)，一般還具有無反饋矢量控制功能，會對電動機的低速特性有所改善，配合兩級齒輪變速，基本上可以滿足車床低速（100—200轉(zhuǎn)/分鐘）小加工余量的加工，但同樣受最高電動機速度的限制。這是目前經(jīng)濟型數(shù)控機床比較常用的主軸驅(qū)動系統(tǒng)。4、 專用變頻電動機配通用變頻器一般采用有反饋矢量控制，低速甚至零速時都可以有較大的力矩輸出，有些還具有定向甚至分度進給的功能，是非常有競爭力的產(chǎn)品。以先馬YPNC系列變頻電動機為例，電壓：三相200V、220V、380V、400V可選；輸出功率：1.5-18.5KW；變頻范圍2-200Hz；（最高轉(zhuǎn)速r/min）；30min150%過載能力；支持V/f控制、V/f+PG（編碼器）控制、無PG矢量控制、有PG矢量控制。提供通用變頻器的廠家以國外公司為主，如：西門子、安川、富士、三菱、日立等。中檔數(shù)控機床主要采用這種方案，主軸傳動兩擋變速甚至僅一擋即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速在100—200r/min左右時車、銑的重力切削。一些有定向功能的還可以應(yīng)用與要求精鏜加工的數(shù)控鏜銑床，若應(yīng)用在加工中心上，還不很理想，必須采用其他輔助機構(gòu)完成定向換刀的功能，而且也不能達到剛性攻絲的要求。安裝電主軸的機床主要用于精加工和高速加工，例如高速精密加工中心。另外，在雕刻機和有色金屬以及非金屬材料加工機床上應(yīng)用較多，這些機床由于只對主軸高轉(zhuǎn)速有要求，因此，往往不用主軸驅(qū)動器。就電氣控制而言，機床主軸的控制是有別于機床伺服軸的。一般情況下，機床主軸的控制系統(tǒng)為速度控制系統(tǒng)，而機床伺服軸的控制系統(tǒng)為位置控制系統(tǒng)。換句話說，主軸編碼器一般情況下不是用于位置反饋的（也不是用于速度反饋的），而僅作為速度測量元件使用，從主軸編碼器上所獲取的數(shù)據(jù)，一般有兩個用途，其一是用于主軸轉(zhuǎn)速顯示；其二是用于主軸與伺服軸配合運行的場合（如螺紋切削加工，恒線速加工，G95轉(zhuǎn)進給等）。CJK6032數(shù)控車床主軸不轉(zhuǎn)故障維修一、維修前調(diào)查序號調(diào)查項目內(nèi)容1機床系統(tǒng)802Cbaseline數(shù)控系統(tǒng)變頻器MM420變頻器電機普通三相交流異步電機有無異常聲、音、味無3故障發(fā)生時報警號和報警提示無4變頻器上有報警指示無5在何種工作方式下發(fā)生開機，自動或手動方式下運行主軸二、故障原因分析表4-8主軸不轉(zhuǎn)故障可能原因分析故障現(xiàn)象可能原因處理方法主軸不轉(zhuǎn)電氣CNC無速度信號輸出檢測速度給定信號，檢查系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)主軸變頻器故障1） 是否有報警錯誤代碼顯示，如有報警，對照相關(guān)說明書解決（主要有過流、過、過壓、欠壓以及功率塊故障等）。2） 頻率指定源和運行指定源的參數(shù)是否設(shè)置正確。3） 智能輸入端子的輸入信號是否正確。變頻器輸出端子U、V、W不能提供電源電源是否已提供給端子運行命令是否有效？RS（復(fù)位）功能或自由運行停車功能是否處于開啟狀態(tài)負(fù)載過重電動機負(fù)載是否太重主軸電動機故障電機損壞機械主軸與電機連接傳動帶過松調(diào)整傳帶松架緊偉動帶表面有油造成打滑用汽油清洗三、故障測試與排除首先觀測主軸電機旋轉(zhuǎn)情況，電機不轉(zhuǎn)。觀察變頻器上電正常，查看系統(tǒng)PLC輸出狀態(tài)正常，查看變頻器正反轉(zhuǎn)控制信號，發(fā)現(xiàn)正轉(zhuǎn)信號線斷落。接回后，主軸正常旋轉(zhuǎn)。主軸轉(zhuǎn)速慢故障維修表4.10。可能原因檢查步驟排除措施動力線接線錯誤檢查主軸伺服與電動機之間的UVW連線確保連線對應(yīng)CNC模擬量輸出（D/A）轉(zhuǎn)換電路故障用交換法判斷是否有故障更換相應(yīng)電路板CNC速度輸出模擬量與驅(qū)動器連接不良或斷線測量相應(yīng)信號，是否有輸出且是否正常更換指令發(fā)送口或更換數(shù)控裝置主軸驅(qū)動器參數(shù)設(shè)定不當(dāng)查看驅(qū)動器參數(shù)，是否正常依照說明書，正確設(shè)置參數(shù)反饋線連接不正常查看反饋連線確保反饋連線正常反饋信號不正常檢查反饋信號的波形調(diào)整波形至正確或更換編碼器其它故障實例分析例1：故障現(xiàn)象：一臺西門子802C系統(tǒng)數(shù)控車床，臺達VFD-B變頻器，主軸運行突然停止，變頻器面板上出現(xiàn)OC-C報警。分析與處理過程：臺達變頻器OC-C報警的含義是過電流，造成過電流的原因可能是變頻器內(nèi)部、外部有短路或過載。經(jīng)查交流主軸驅(qū)動器主回路，發(fā)現(xiàn)再生制動回路、主回路的熔斷器均熔斷，經(jīng)更換后機床恢復(fù)正常。但機床正常運行數(shù)天后，再次出現(xiàn)同樣故障。由于故障重復(fù)出現(xiàn)，證明該機床主軸系統(tǒng)存在問題，根據(jù)報警現(xiàn)象，分析可能存在的主要原因有：1） 電機與變頻器間的連線是否有搭殼短路現(xiàn)象2） 主軸驅(qū)動器控制板不良。3） 電動機連續(xù)過載。4）電動機繞組存在局部短路。在以上幾點中，根據(jù)現(xiàn)場實際加工情況，電動機過載的原因可以排除?？紤]到換上元器件后，驅(qū)動器可以正常工作數(shù)天，故主軸驅(qū)動器控制板不良的可能性已較小。因此，故障原因可能性最大的是電動機繞組存在局部短路。維修時仔細(xì)測量電動機繞組的各項電阻，發(fā)現(xiàn)其中一相相對地絕緣電阻較小，證明該相存在局部對地短路。拆開電動機檢查發(fā)現(xiàn)，電動機內(nèi)部繞組與引出線的連接處絕緣套已經(jīng)老化；經(jīng)重新連接后，對地電阻恢復(fù)正常。再次更換元器件后，機床恢復(fù)正常，故障不再出現(xiàn)。例2：主軸高速出現(xiàn)異常振動的故障維修故障現(xiàn)象：配套某系統(tǒng)的數(shù)控車床，當(dāng)主軸在高速（3000r/min以上）旋轉(zhuǎn)時，機床出現(xiàn)異常振動。分析與處理過程：數(shù)控機床的振動與機械系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)整以及機械系統(tǒng)的固有頻率、主軸驅(qū)動系統(tǒng)的固有頻率等因素有關(guān)，其原因通常比較復(fù)雜。但在本機床上，由于故障前交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)工作正常，可以在高速下旋轉(zhuǎn)；且主軸在超過3000r/min時，在任意轉(zhuǎn)速下振動均存在，可以排除機械共振的原因。經(jīng)仔細(xì)檢查機床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)連接，最終發(fā)現(xiàn)該機床的主軸驅(qū)動器的接地線連接不良，將接地線重新連接后，機床恢復(fù)正常。例3：不執(zhí)行螺紋加工的故障維修故障現(xiàn)象：配套某系統(tǒng)的數(shù)控車床，在自動加工時，發(fā)現(xiàn)機床不執(zhí)行螺紋加工程序。分析與處理過程：數(shù)控車床加工螺紋，其實質(zhì)是主軸的轉(zhuǎn)角與Z軸進給之間進行的插補。主軸的角度位移是通過主軸編碼器進行測量。在本機床上，由于主軸能正常旋轉(zhuǎn)與變速，分析故障原因主要有以下幾種：1） 主軸編碼器與主軸驅(qū)動器之間的連接不良。2） 主軸編碼器故障。3） 主軸驅(qū)動器與數(shù)控裝置之間的位置反饋信號電纜連接不良。4） 主軸編碼器方向設(shè)置錯誤。經(jīng)查主軸編碼器與主軸驅(qū)動器的連接正常，故可以排除第1項；且通過CRT的顯示，可以正常顯示主軸轉(zhuǎn)速，因此說明主軸編碼器的A、-A、B、-B信號正常；在利用示波器檢查Z、-Z信號，可以確認(rèn)編碼器零脈沖輸出信號正確。根據(jù)檢查，可以確定主軸位置監(jiān)測系統(tǒng)工作正常。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的說明書，進一步分析螺紋加工功能與信號的要求，可以知道螺紋加工時，系統(tǒng)進行的是主軸每轉(zhuǎn)進給動作，因此它與主軸的速度到達信號有關(guān)。在FANUC0-TD系統(tǒng)上，主軸的每轉(zhuǎn)進給動作與參數(shù)PRM24.2的設(shè)定有關(guān)，當(dāng)該位設(shè)定為“0”時，Z軸進給時不監(jiān)測“主軸速度到達”信號；設(shè)定為T，時，Z軸進給時需要檢測“主軸速度到達”信號。在本機床上，檢查發(fā)現(xiàn)該位設(shè)定為T，，因此只有“主軸速度到達”信號為“1”時，才能實現(xiàn)進給。通過系統(tǒng)的診斷功能，檢查發(fā)現(xiàn)當(dāng)實際主軸轉(zhuǎn)速顯示置與系統(tǒng)的指令指一致時，才能實現(xiàn)進給。通過系統(tǒng)的診斷功能，檢查發(fā)現(xiàn)當(dāng)實際主軸轉(zhuǎn)速顯示值與系統(tǒng)的指令值一致時，“主軸速度到達”信號仍然為“0”。進一步檢查發(fā)現(xiàn)，該信號連接線斷開；重新連接后，螺紋加工動作恢復(fù)正常。例4：變頻器出現(xiàn)過壓報警的維修故障現(xiàn)象：配套某系統(tǒng)的數(shù)控車床，主軸電動機驅(qū)動采用三菱公司的E540變頻器，在加工過程中，變頻器出現(xiàn)過壓報警。分析與處理過程：仔細(xì)觀察機床故障產(chǎn)生的過程，發(fā)現(xiàn)故障總是在主軸啟動、制動時發(fā)生，因此，可以初步確定故障的產(chǎn)生與變頻器的加/減速時間設(shè)定有關(guān)。當(dāng)加/減速時間設(shè)定不當(dāng)時，如主電動機起/制動頻繁或時間設(shè)定太短，變頻器的加/減速無法在規(guī)定的時間內(nèi)完成，則通常容易產(chǎn)生過電壓報警。修改變頻器參數(shù)，適當(dāng)增加加/減速時間后，故障消除。例5：安川變頻主軸在換刀時出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的故障維修故障現(xiàn)象：配套某系統(tǒng)的數(shù)控車床，開機時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機床進行換刀動作時，主軸也隨之轉(zhuǎn)動。分析與處理過程：由于該機床采用的是安川變頻器控制主軸，主軸轉(zhuǎn)速是通過系統(tǒng)輸出的模擬電壓控制的。根據(jù)以往的經(jīng)驗，安川變頻器對輸入信號的干擾比較敏感，因此初步確認(rèn)故障原因與線路有關(guān)。為了確認(rèn)，再次檢查了機床的主軸驅(qū)動器與刀架控制的原理圖于實際接線，可以判定在線路連接、控制上兩者相互獨立，不存在相互影響。進一步檢查變頻器的輸入模擬量屏蔽電纜布線與屏蔽線連接，發(fā)現(xiàn)該電纜的布線位置與屏蔽線均不合理，將電纜重新布線并對屏蔽線進行重新連接后，故障消失。例6：主軸定位出現(xiàn)超調(diào)的故障維修故障現(xiàn)象：某加工中心，配套611A主軸驅(qū)動器，在執(zhí)行主軸定位指令時，發(fā)現(xiàn)主軸存在明顯的位置超調(diào)，定位位置正確，系統(tǒng)無故障。分析與故障處理：由于系統(tǒng)無報警，主軸定位動作正確，可以確認(rèn)故障是由于主軸驅(qū)動器或系統(tǒng)調(diào)整不良引起的。解決超調(diào)的方法有很多種，如：減小加減速時間、提高速度環(huán)比例增益、降低速度環(huán)積分時間等等。檢查本機床主軸驅(qū)動器參數(shù)，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動器的加減速時間設(shè)定為2s，此值明顯過大;更改參數(shù)，設(shè)定加減速時間為0.5s后，位置超調(diào)消除。例7、速度偏差過大指的是主軸電機的實際速度與指令速度的誤差值超過允許值，一般是啟動時電機沒有轉(zhuǎn)動或速度上不去。引起此故障的原因見表5.11。表5.11速度偏差過大報警綜述可能原因檢查步驟排除措施反饋連線不良不啟動主軸，用手盤動主軸使主軸電動機以較快速度轉(zhuǎn)起來，估計電機的實際速度，監(jiān)視反饋的實際轉(zhuǎn)速確保反饋連線正確反饋裝置故障更換反饋裝置動力線連接不正常用萬用表或兆歐表檢查電動機或動力線是否正常（包括相序不正常）確保動力線連接正常動力電壓不正常確保動力線電壓正常機床切削負(fù)荷太重，切削條件惡劣重新考慮負(fù)載條件，減輕負(fù)載，調(diào)整切削參數(shù)機械傳動系統(tǒng)不良改善機械傳動系統(tǒng)條件制動器未松開查明制動器為松開的原因確保制動電路正常驅(qū)動器故障利用交換法，判斷是否有故障更換出錯單元電流調(diào)節(jié)器控制板故障電動機故障例8.過載報警。削用量過大，頻繁正、反轉(zhuǎn)等均可引起過載報警。具體表現(xiàn)為主軸過熱、主軸驅(qū)動裝置顯示過電流報警等造成此故障的可能原因見表5.12。表5.12可能原因檢查步驟排除措施長時間開機后再出現(xiàn)此故障負(fù)載太大檢查機械負(fù)載調(diào)整切削參數(shù)，干山切削條件，減輕負(fù)載頻繁正、反轉(zhuǎn)減少頻繁正、翻轉(zhuǎn)次數(shù)開機后即出現(xiàn)此報警例9、主軸振動或噪聲過大首先要區(qū)別異常噪聲及振動發(fā)生在主軸機械部分還是在電氣驅(qū)動部分。檢查方法：若在減速過程中發(fā)生，一般是由驅(qū)動裝