數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)故障診斷與維修

◎蔣培軍 雷楠南

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)故障診斷與維修

◎蔣培軍 雷楠南

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

主要研究了FANUC0i mate MD系統(tǒng)模擬主軸及串行主軸控制方式，并根據(jù)不同的主軸控制方式介紹了主軸故障維修的流程及方法。列舉了主軸常見故障及可能原因，針對每種故障原因提供了檢查方法及故障排除措施。

模擬主軸；串行主軸；故障；維修

FANUC數(shù)控系統(tǒng)主軸控制方式主要有模擬量控制與串行控制兩種。如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床主軸控制通常采用變頻調(diào)速控制；數(shù)控銑、加工中心主軸控制通常采用交流主軸驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)主軸串行控制。FANUC0i mate MD系統(tǒng)主軸串行控制通常配置專用的FANUC交流伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。數(shù)控機(jī)床主軸故障一般分為機(jī)械故障與電氣故障兩類。因?yàn)橥还收犀F(xiàn)象既有可能是電氣故障引起又有可能是機(jī)械故障引起，所以在主軸故障分析時(shí)，首先要確定故障類別（機(jī)械故障或電氣故障），然后再進(jìn)一步查找故障點(diǎn)。本文主要研究由電氣故障導(dǎo)致的主軸故障現(xiàn)象，不管主軸控制是采用變頻器控制還是采用FANUC公司的專用主軸驅(qū)動(dòng)器控制，對于主軸控制系統(tǒng)而言其維修均分為電路板級維修和芯片級維修。但在生產(chǎn)實(shí)踐中，對最終用戶而言，主要是進(jìn)行電路板維修，也就是快速進(jìn)行電路板故障診斷與維修處理[1]。

1 FANUC0i mate MD數(shù)控系統(tǒng)模擬主軸控制系統(tǒng)故障診斷與維修

1.1 通用變頻器調(diào)速系統(tǒng)故障診斷與維修

FANUC0i mate MD系統(tǒng)主軸控制接口有JA40和JA41兩個(gè)。其中，JA40接口用于模擬量控制，JA41接口用于串行主軸控制。在主軸采用模擬量控制時(shí)，最常用的是通過變頻器控制三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，所以又稱為模擬主軸。模擬主軸控制系統(tǒng)在硬件連接方面主要是數(shù)控系統(tǒng)與變頻器及三相異步電動(dòng)機(jī)的接線，以配備FANUC0i mate MD系統(tǒng)的亞龍559數(shù)控裝調(diào)實(shí)訓(xùn)設(shè)備為例來介紹，接線圖如圖1所示。模擬主軸的控制功能主要是實(shí)現(xiàn)主軸的速度及正反轉(zhuǎn)控制。主軸的速度控制通過數(shù)控系統(tǒng)的模擬量輸出電壓實(shí)現(xiàn)，一般模擬量輸出電壓為0至10V。在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置正確情況下，主軸速度與模擬量輸出電壓成比例，速度可從0達(dá)到電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。正反轉(zhuǎn)控制通過PMC程序來實(shí)現(xiàn)，可利用機(jī)床控制面板上的手動(dòng)正反轉(zhuǎn)按鍵或程序中的正反轉(zhuǎn)指令來實(shí)現(xiàn)。

圖1 變頻器硬件接線圖

圖2 主軸不轉(zhuǎn)故障現(xiàn)象的維修流程

數(shù)控機(jī)床主軸故障現(xiàn)象比較多，對于模擬主軸而言，常見故障現(xiàn)象主要有：主軸不轉(zhuǎn)、主軸轉(zhuǎn)速慢、螺紋加工出現(xiàn)亂牙等[2]。從維修角度看，掌握主軸控制系統(tǒng)的硬件連接、控制原理是維修工作的基礎(chǔ)。此處，以主軸不轉(zhuǎn)故障現(xiàn)象為例，進(jìn)行故障分析和維修。對模擬主軸不轉(zhuǎn)故障分析，總結(jié)故障可能原因如表1所示。觀察表1可知，當(dāng)數(shù)控機(jī)床主軸出現(xiàn)故障時(shí)，導(dǎo)致故障的因素很多，在排故障時(shí)也有相應(yīng)的處理方法。但是在排故障時(shí)如何逐步分析故障，進(jìn)而確定故障點(diǎn)是比較困難的環(huán)節(jié)。只要確定了故障點(diǎn)，就可針對性地采用相應(yīng)方法排除故障。為此特地設(shè)計(jì)出了針對主軸不轉(zhuǎn)故障維修的流程圖，如圖2所示，以便維修人員參考操作。

主軸不轉(zhuǎn)故障是最基本的故障，在生產(chǎn)實(shí)踐中還會(huì)出現(xiàn)更為復(fù)雜的故障如主軸轉(zhuǎn)速慢故障。主軸轉(zhuǎn)速慢故障是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速不符合生產(chǎn)實(shí)際需要，但是它仍然具備了數(shù)控機(jī)床主軸控制的基本功能，因此排除故障點(diǎn)難度相對較大。表2列舉了主軸轉(zhuǎn)速慢故障可能產(chǎn)生的原因及檢查方法，在排除故障時(shí)可采用相應(yīng)的方法。

1.2 主軸驅(qū)動(dòng)器調(diào)速系統(tǒng)故障診斷與維修

FANUC數(shù)控系統(tǒng)模擬主軸除了采用通用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制，在很多經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上也采用主軸驅(qū)動(dòng)器配套同步電機(jī)進(jìn)行控制。典型的硬件配置如FANUC0i mate MD系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)CTB主軸驅(qū)動(dòng)器及同步電機(jī)，硬件連接圖如圖3所示[3]。采用主軸驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行主軸控制時(shí)，故障維修方法與前述的通用變頻調(diào)速主軸系統(tǒng)類似，但又有所不同。以主軸不能運(yùn)轉(zhuǎn)的故障現(xiàn)象為例進(jìn)行說明。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)、主軸驅(qū)動(dòng)器都提供了故障報(bào)警信息，所示在維修過程中要充分利用好這些報(bào)警信息幫助故障分析、排除。例如一臺(tái)XK7146數(shù)控銑床，開機(jī)后在MDI方式下運(yùn)行機(jī)床主軸，發(fā)現(xiàn)主軸僅僅有一個(gè)微量的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，便停止運(yùn)轉(zhuǎn)。觀察數(shù)控系統(tǒng)顯示屏，發(fā)現(xiàn)無報(bào)警信息，但機(jī)床操作面板上報(bào)警指示燈亮。為了進(jìn)一步確定故障點(diǎn)，打開機(jī)床電氣控制柜，觀察發(fā)現(xiàn)CTB主軸驅(qū)動(dòng)器顯示有報(bào)警信息。但是在查閱CTB驅(qū)動(dòng)器使用手冊的故障代碼時(shí)，發(fā)現(xiàn)報(bào)警代碼在手冊中找不到。

表1 主軸不轉(zhuǎn)故障原因

表2 主軸轉(zhuǎn)速慢故障原因

經(jīng)過咨詢廠家維修技術(shù)人員，在故障排除時(shí)逐一做了如下工作。第一步，將數(shù)控系統(tǒng)關(guān)機(jī)并斷開主電路，然后對系統(tǒng)重新上電；第二步，打開機(jī)床電氣控制柜，觀察CTB主軸驅(qū)動(dòng)器的顯示信息，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器顯示F.0，可以判斷驅(qū)動(dòng)器上電后正常；第三步，在MDI方式下運(yùn)行機(jī)床主軸，發(fā)現(xiàn)主軸微量轉(zhuǎn)動(dòng)后停止，系統(tǒng)顯示屏無報(bào)警。再觀察主軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)現(xiàn)有報(bào)警提示，但報(bào)警代碼無法在CTB手冊中找到。第四步，從系統(tǒng)中找到PMC梯形圖程序，觀察正轉(zhuǎn)G70.4（或反轉(zhuǎn)G70.5）信號有無輸出，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能正常輸出。由此可初步判斷系統(tǒng)無故障；第五步，分析驅(qū)動(dòng)器及主軸電機(jī)故障。因?yàn)橹鬏S有編碼器進(jìn)行速度反饋，所以通過手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸并觀察系統(tǒng)顯示屏發(fā)現(xiàn)無速度顯示。由此先判斷編碼器及編碼器電纜有無故障。利用萬用表檢測編碼器電路發(fā)現(xiàn)電纜導(dǎo)通良好，更換了一個(gè)新的編碼器后，在MDI方式下運(yùn)行機(jī)床主軸時(shí)，故障現(xiàn)象如前。經(jīng)過該步操作，可初步判斷編碼器及電纜無故障。經(jīng)過上面一系列操作步驟，最后確定故障點(diǎn)可能在驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)闄C(jī)床是在使用過程中突然出現(xiàn)的故障，所以不存在參數(shù)設(shè)置等問題。為了確定驅(qū)動(dòng)器故障點(diǎn)，將驅(qū)動(dòng)器發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)廠家進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器主板損壞。經(jīng)廠家維修，重新安裝后主軸能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 FANUC0i mate MD數(shù)控系統(tǒng)串行主軸控制系統(tǒng)故障診斷與維修

FANUC串行主軸控制系統(tǒng)選用的主軸驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)都是FANUC公司的專業(yè)產(chǎn)品，CNC與主軸驅(qū)動(dòng)器之間通過串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。串行主軸控制系統(tǒng)的硬件連接如圖4所示。對于串行主軸控制而言，主軸驅(qū)動(dòng)器是作為硬件芯片集成度很高的控制部件，既有硬件電路又有軟件算法，因此利用普通的儀器、儀表無法對其進(jìn)行故障檢測。在主軸放大器維修過程中，必須借助于廠家提供的維修手冊來判斷故障點(diǎn)位置，從而有針對性地排故障。

2.1 通過數(shù)控系統(tǒng)主軸監(jiān)控頁面報(bào)警信息排除故障

FANUC數(shù)控系統(tǒng)串行主軸為了維護(hù)維修方便，提供了多方面的維護(hù)和維修手段。常用的技術(shù)手段是通過主軸監(jiān)控頁面進(jìn)行故障診斷。主軸監(jiān)控頁面可通過按下數(shù)控系統(tǒng)功能鍵[SYSTEM]后，再按下數(shù)控系統(tǒng)顯示器下方的擴(kuò)展軟鍵，找到并按下 [SP設(shè)定]軟鍵后即可出現(xiàn)如圖5所示界面。

主軸報(bào)警信息欄提供了當(dāng)主軸報(bào)警時(shí)即時(shí)顯示的主軸及主軸電機(jī)等的報(bào)警信息。在串行主軸維修過程中，通過主軸監(jiān)控頁面，可以直觀地了解主軸驅(qū)動(dòng)器、主軸電機(jī)、主軸編碼器反饋等相關(guān)故障診斷信息，然后通過查閱維修手冊有針對性的排除故障。

2.2 通過數(shù)控系統(tǒng)診斷頁面信息排除故障

FANUC數(shù)控系統(tǒng)除了提供的主軸報(bào)警信息外，還在系統(tǒng)診斷頁面提供了主軸故障診斷信息。在系統(tǒng)診斷頁面相關(guān)的診斷號具體指出了主軸實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)情況，包括主軸轉(zhuǎn)速、主軸負(fù)載顯示、在線主軸位置、編碼器信息等，還顯示了錯(cuò)誤和報(bào)警代碼及原因等。涉及主軸報(bào)警的系統(tǒng)診斷號從400開始，當(dāng)主軸發(fā)生錯(cuò)誤和故障時(shí)，可以根據(jù)CNC提供的具體診斷信息進(jìn)行綜合分析故障原因，以便維修。故障診斷頁面的進(jìn)入方法：在MDI方式下，按下[SYSTEM]軟鍵數(shù)次，出現(xiàn)[診斷]軟鍵后，再按下[診斷]軟鍵即可進(jìn)入診斷頁面。為了快速查找主軸故障診斷信息，可根據(jù)提示輸入400，再單擊[搜索]軟鍵即可快速找到400號診斷頁面信息，而后可依次檢查其他診斷號。

圖3 主軸驅(qū)動(dòng)器硬件接線圖

圖4 數(shù)控裝置與伺服放大器的連接

2.3 通過主軸驅(qū)動(dòng)器上的主軸報(bào)警和錯(cuò)誤代碼排除故障

FANUC公司在主軸驅(qū)動(dòng)器上利用七段LED數(shù)碼管和指示燈來反映主軸驅(qū)動(dòng)器及主軸電機(jī)運(yùn)行情況和故障狀態(tài)等信息。因此，在主軸故障排除過程中要充分利用主軸驅(qū)動(dòng)器本體上提供的報(bào)警和錯(cuò)誤信息，幫助排除故障。主軸驅(qū)動(dòng)器不管是哪種系列類別，一般在放大器上都有主軸報(bào)警和錯(cuò)誤代碼顯示信息，因此當(dāng)主軸出現(xiàn)故障時(shí)也可借助于驅(qū)動(dòng)器上的報(bào)警信息和錯(cuò)誤代碼信息查閱驅(qū)動(dòng)器手冊，利用手冊中提供的故障分析處理方法進(jìn)行故障排除。

圖5 主軸監(jiān)控畫面

3 結(jié)論

文中針對FANUC數(shù)控系統(tǒng)模擬主軸控制與串行主軸控制方式分別介紹了數(shù)控機(jī)床主軸故障分析與維修的方法。在生產(chǎn)實(shí)踐中，數(shù)控機(jī)床主軸故障現(xiàn)象可能是唯一的，但是引起同一故障現(xiàn)象的因素卻是多種的，甚至很多故障現(xiàn)象在維修手冊中也找不到，這就要求維修人員必須掌握主軸控制方式的硬件連接及系統(tǒng)控制原理。文中系統(tǒng)地介紹了FANUC數(shù)控系統(tǒng)主軸故障分析與維修的方法，可有效地服務(wù)于廣大數(shù)控機(jī)床維修維護(hù)人員。

[1]李宏勝.FANUC數(shù)控系統(tǒng)維護(hù)與維修[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]關(guān)薇.數(shù)控機(jī)床裝調(diào)與維修[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2013.

[3]交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)器說明書[Z].北京：北京超同步科技有限公司，2012.

（責(zé)任編輯 卞建寧）

Faultdiagnosisandmaintenanceof CNCspindlesystem

JIANG Peijun LEI Nannan
（Mechanical and Electrical engineering department,Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia 472000,China）

The control modes of analog spindle and serial spindle with the FANUC Oi system have been researched mainly in this paper and the maintenance process and methods of the spindle fault were introduced according to different spindle control methods.The common faults and the possible reasons of the spindle are enumerated,and the checking methods and the trouble shooting measures are provided for each fault.

Analog spindle；Serial spindle；Fault；Maintenance

TG659

B

1671-9123（2016）03-0144-05

2016-05-26

蔣培軍（1981-），男，河南滎陽人，三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教師。