主軸伺服系統(tǒng)故障診斷與維修

邱德琴

【摘要】本文通過對數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)的介紹，闡述了主軸伺服系統(tǒng)的故障所產(chǎn)生的形式、不同的故障點(diǎn)主要產(chǎn)生的原因，以及根據(jù)不同故障所表現(xiàn)形式去分析、解決問題。通過對主軸伺服系統(tǒng)維修實(shí)例的講解，為我們今后在生產(chǎn)一線提供一些解決問題的思路。

【關(guān)鍵詞】主軸伺服系統(tǒng)? 故障診斷? 主軸編碼器? CNC

主軸驅(qū)動系統(tǒng)就是在系統(tǒng)中完成主運(yùn)動的動力裝置部分。它帶動工件或刀具作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而能配合進(jìn)給運(yùn)動，加工出理想的零件。主軸驅(qū)動變速目前主要有兩種形式：一是主軸電動機(jī)齒輪換檔，目的在于降低主軸轉(zhuǎn)速，增大傳動比，放大主軸功率以適應(yīng)切削的需要;二是主軸電動機(jī)通過同步齒形帶或皮帶驅(qū)動主軸，該類主軸電動機(jī)又稱寬域電機(jī)或強(qiáng)切削電動機(jī)，具有恒功率寬的特點(diǎn)。由于無需機(jī)械變速，主軸箱內(nèi)省卻了齒輪和離合器，主軸箱實(shí)際上成了主軸支架，簡化了主傳動系統(tǒng)，從而提高了傳動鏈的可靠性。

1、主軸伺服系統(tǒng)故障診斷

數(shù)控機(jī)床對主軸要求在很寬范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速可調(diào)，恒功率范圍寬。當(dāng)要求機(jī)床有螺紋加工功能、準(zhǔn)停功能和恒功率加工等功能時，就要對主軸提出相應(yīng)的進(jìn)給控制和位置控制要求。此時，主軸驅(qū)動系統(tǒng)也可稱為主軸伺服系統(tǒng)，相應(yīng)的主軸電動機(jī)裝配有編碼器作為主軸位置檢測;另一種方法就是在主軸上直接安裝外置式的編碼器，這在機(jī)床改造和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床中用得較多。當(dāng)主軸伺服系統(tǒng)發(fā)生故障時，通常有三種表現(xiàn)形式：一是在CRT或操作面板上顯示報警內(nèi)容或報警信息;二是在主軸驅(qū)動裝置上用報警燈或數(shù)碼管顯示主軸驅(qū)動裝置的故障;三是主軸工作不正常，但無任何報警信息。主軸伺服系統(tǒng)常見故障有：

1.1過載

原因：切削用量過大，頻繁正、反轉(zhuǎn)等均可引起過載報警。 具體表現(xiàn)為：主軸電動機(jī)過熱主軸驅(qū)動裝置顯示過電流報警等。

1.2主軸不能轉(zhuǎn)動

電氣系統(tǒng)原因：1）檢查CNC系統(tǒng)是否有速度控制信號輸出。2）檢查使能信號是否接通。通過CNC顯示器觀察I/O狀態(tài)，分析機(jī)床PLC梯形圖（或流程圖），以確定主軸的啟動條件，如潤滑、冷卻等是否滿足。3）主軸電動機(jī)動力線斷裂或主軸控制單元連接不良。4）機(jī)床負(fù)載過大。5）主軸驅(qū)動裝置故障。6）主軸電機(jī)故障。

機(jī)械故障原因，在機(jī)械方面，主軸不轉(zhuǎn)常發(fā)生在強(qiáng)力切削下，可能原因有：1）主軸與電機(jī)連接皮帶過松或皮帶表面有油，造成打滑。2）主軸中的拉桿未拉緊夾持刀具的拉釘（在車床上就是卡盤未夾緊工件）。

1.3 主軸轉(zhuǎn)速異?；蜣D(zhuǎn)速不穩(wěn)定

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過技術(shù)要求所規(guī)定的范圍時，要考慮：1）CNC系統(tǒng)輸出的主軸轉(zhuǎn)速模擬量（通常為0～±10v）沒有達(dá)到與轉(zhuǎn)速指令對應(yīng)的值，或速度指令錯誤。2）CNC系統(tǒng)中D/A變換器故障。3）主軸轉(zhuǎn)速模擬量中有干擾噪聲。4）測速裝置有故障或速度反饋信號斷線。5）電動機(jī)過載。6）電動機(jī)不良（包括勵磁喪失）。7）主軸驅(qū)動裝置故障。

1.4 主軸轉(zhuǎn)動時振動或噪聲太大

首先要區(qū)別噪聲及振動發(fā)生在主軸機(jī)械部分還是電器部分。檢查方法有：1）在減速過程中發(fā)生，一般是由驅(qū)動裝置造成的，如交流驅(qū)動中的再生回路故障。2）在恒轉(zhuǎn)速時，可通過觀察主軸電動機(jī)自由停車過程中是否有噪聲和振動來區(qū)別，如存在，則主軸機(jī)械部分有問題。3）檢查振動的周期是否與轉(zhuǎn)速有關(guān)，如無關(guān)，一般是主軸驅(qū)動裝置未調(diào)整好;如有關(guān)，應(yīng)檢查主軸機(jī)械部分是否 良好，測速裝置是否不良。

電器方面可能的原因：1）電源缺相或電源電壓不正常。2）控制單元上的電源開關(guān)設(shè)定（50/60Hz切換）錯誤。3）伺服單元上的增益電路和顫抖電路調(diào)整不好（或設(shè)置不當(dāng)）。4）電流反饋回路未調(diào)整好。5）三相輸入的相序不對。

機(jī)械方面的原因：1）主軸箱與床身的連接螺釘松動。2）軸承預(yù)緊力不夠或預(yù)緊螺釘松動，游隙過大，使之產(chǎn)生軸向竄動，應(yīng)重新調(diào)查。3）軸承損壞，應(yīng)更換軸承。4）主軸部件上動平衡不好，應(yīng)重新調(diào)整動平衡。5）此輪有嚴(yán)重?fù)p傷，或此輪嚙合間隙過大，應(yīng)更換此輪或調(diào)整嚙合間隙。6）潤滑不良，因油不足，應(yīng)改善潤滑條件，使?jié)櫥统渥恪?）主軸與主軸電機(jī)的連接皮帶過緊，應(yīng)移動電機(jī)座調(diào)整皮帶使松緊度合適。8）連接主軸與電機(jī)的連軸器故障。9）主軸負(fù)荷太大。

1.5主軸加/減速時工作不正常

造成此故障的原因有下述幾種：1）減速極限電路調(diào)整不良。2）電流反饋回路不良。3）加/減速回路時間常數(shù)設(shè)定和負(fù)載貫量不匹配。4）驅(qū)動器再生制動電路故障。5）傳動帶連接不良。

1.6 外界干擾

主軸轉(zhuǎn)速出現(xiàn)隨機(jī)和無規(guī)律性的波動。由于受電磁干擾，屏蔽或接地措施不良，主軸轉(zhuǎn)速指令信號或反饋信號受到干擾，使主軸驅(qū)動出現(xiàn)隨機(jī)和無規(guī)律性的波動。判別有無干擾的方法是：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速指令為零時，主軸仍往復(fù)擺動，調(diào)整零速平衡和漂移補(bǔ)償也不能消除故障。

1.7 主軸速度指令無效，轉(zhuǎn)速僅有1～2r/min

原因：1）CNC模擬量輸出（D/A）轉(zhuǎn)換電路故障。2）CNC速度輸出模擬量與驅(qū)動器連接不良或斷線。3）主軸轉(zhuǎn)向控制信號極性與主軸轉(zhuǎn)向輸入信號不一致。4）主軸驅(qū)動器參數(shù)設(shè)定不當(dāng)。

1.8 主軸不能進(jìn)行變速

造成主軸不能轉(zhuǎn)速主要有以下原因：1）CNC參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或編程錯誤造成主軸轉(zhuǎn)速控制信號輸出為某一固定值。2）D/A轉(zhuǎn)換電路故障。3）主軸驅(qū)動器速度模擬量輸入電路故障。

1.9 螺紋加工出現(xiàn)“亂牙”故障

數(shù)控車床加工螺紋，其實(shí)質(zhì)是主軸的角位移與Z軸進(jìn)給之間進(jìn)行插補(bǔ)，主軸的角位移是通過主軸編碼器進(jìn)行測量的，一般螺紋加工時，系統(tǒng)進(jìn)行的是主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給動作，要執(zhí)行每轉(zhuǎn)進(jìn)給的指令，主軸必須有每轉(zhuǎn)一個脈沖的反饋信號，“亂牙”往往是由于主軸與Z軸進(jìn)給不能實(shí)現(xiàn)同步引起的，此外，還有以下原因：1）主軸編碼器或Z軸“零位脈沖”不良或受到干擾。2）主軸編碼器或連軸器松動（斷裂）。3）主軸編碼器信號線接地或屏蔽不良，被干擾。4）主軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，有抖動。5）主軸轉(zhuǎn)速尚未穩(wěn)定，就執(zhí)行了螺紋加工指令（G32），導(dǎo)致了主軸與Z軸進(jìn)給不能實(shí)現(xiàn)同步，造成“亂牙”。 采用“G32”前加G04延時指令或更改螺紋加工程序的起始點(diǎn)，使其離開工件一段距離，保證在主軸速度平穩(wěn)后，再開始螺紋加工，即可實(shí)現(xiàn)正常的螺紋加工

除了以上描述外，還有一些常見的主軸系統(tǒng)故障，比如：主軸定位點(diǎn)不穩(wěn)定、主軸定位時出現(xiàn)振蕩、主軸不能定位、主軸定位不準(zhǔn)等在這里不再一一贅述。

2、維修實(shí)例

例1 某立式加工中心，在加工時主軸運(yùn)行突然停止，驅(qū)動器顯示過電流報警。

分析：? 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(jī)床恢復(fù)正常。但機(jī)床正常運(yùn)行數(shù)天后，再次出現(xiàn)同樣故障。

分析可能存在的主要原因有：1）主軸驅(qū)動器控制板不良。2）電動機(jī)連續(xù)過載。3）電動機(jī)繞組存在局部短路。

在以上幾點(diǎn)中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際加工情況，電機(jī)過載的原因可以 排除。考慮到換上元器件后，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很小。因此可能性最大的是電動機(jī)繞組存在局部短路。維修時仔細(xì)測量電動機(jī)繞組的各相電阻，發(fā)現(xiàn)U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(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，電動機(jī)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。更換元器件后，機(jī)床恢復(fù)正常，故障不再出現(xiàn)。

例2? DM4600加工中心，在更換了主軸編碼器后，出現(xiàn)主軸定位時不斷振蕩，無法完成定位的故障。

分析：由于該機(jī)床更換了主軸位置編碼器，機(jī)床在執(zhí)行主軸定位時減速動作正確，分析故障原因應(yīng)與主軸位置反饋極性有關(guān)，當(dāng)位置反饋極性設(shè)定錯誤時，必然引起以上現(xiàn)象。? ?更換主軸編碼器極性可以通過交換編碼器的輸出信號Ua1/Ua2， Ua1/Ua2進(jìn)行，當(dāng)編碼器定位由CNC控制時，也可以通過修改CNC機(jī)床參數(shù)進(jìn)行，在本機(jī)床上通過修改主軸位置反饋極性參數(shù)（硬件配置參數(shù)中主軸編碼器的部件號），主軸定位恢復(fù)正常。

3、結(jié)束語

我們?nèi)粘＿M(jìn)行數(shù)控機(jī)床的維護(hù)維修時，應(yīng)該在充分調(diào)查現(xiàn)場掌握第一手材料的基礎(chǔ)上，把故障問題正確地列出來。俗話說，能夠把問題說清楚，就已經(jīng)解決了問題的一半。分析故障時，維修人員不應(yīng)局限于CNC部分，而是要對機(jī)床強(qiáng)電、機(jī)械、液壓、氣動等方面都作詳細(xì)的檢查，并進(jìn)行綜合判斷，制定出故障排除的方案，達(dá)到快速確診和高效率排除故障的目的。

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