第五章 主轴驱动系统

2023/9/2311第五章主轴驱动系统的故障诊断与维修天津工程师范学院2023/9/232教学提示：要进行主轴驱动系统的故障诊断与维修，必须了解主轴驱动系统的结构。数控系统的种类很多，在结构上有一定的区别，但原理上基本相同。了解不同类型的主轴驱动系统对后续课程的学习和系统设计很有必要。教学要求：本章让学生了解主轴驱动系统的特点及对主轴控制的要求；熟悉Fanuc、华中世纪星和Siemens611A主轴驱动系统的组成及常见故障的诊断与维修技术。22023/9/23335.1概述

一、数控机床对主轴控制的要求随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足要求。现代数控机床对主传动提出了更高的要求：（1）调速范围各种不同的机床对调速范围的要求不同。2023/9/2342023/9/234（2）主轴的旋转精度和运动精度主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面圆跳动值。（3）数控机床主轴的变速是依指令自动进行的，要求能在较宽的转速范围内进行无级调速，并减少中间传递环节，简化主轴箱。目前主轴驱动装置的调速范围已达1:100，这对中小型数控机床已经够用了。对于中型以上的数控机床，如要求调速范围超过1:100，则需通过齿轮换挡的方法解决。2023/9/2352023/9/235（4）要求主轴在整个范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽。由于主轴电动机与驱动的限制，其在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法，即在低速段采用机械减速装置，以提高输出转矩。（5）要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加减速控制，即要求具有四象限驱动能力，并且加减速时间短。2023/9/2362023/9/236（6）为满足加工中心自动换刀以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有高精度的准停控制。（7）在车削中心上，还要求主轴具有旋转进给轴（C轴）的控制功能。为满足上述要求，数控机床常采用直流主轴驱动系统。但由于直流电动机受机械换向的影响，其使用和维护都比较麻烦，并且其恒功率调速范围小。2023/9/2372023/9/237二、主轴驱动装置的特点主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统(CNC)的S码（速度指令）及M码（辅助功能指令），驱动主轴进行切削加工。它接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩(功率)调节输出驱动信号驱动主电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。为满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴电动机必须具备下述功能：2023/9/2382023/9/2381）输出功率大。2）在整个调速范围内速度稳定，且恒功率范围宽。3）在断续负载下电动机转速波动小，过载能力强。4）加速时间短。5）电动机温升低。6）振动、噪声小。7）电动机可靠性高，寿命长，易维护。8）体积小、质量轻。2023/9/2391．直流主轴驱动装置直流主轴电动机的结构与永磁式伺服电动机不同，主轴电动机要能输出大的功率，所以一般是他磁式。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或采用热管冷却技术。直流驱动装置有晶闸管和脉宽调制PWM调速两种形式。由于脉宽调制PWM调速具有很好的调速性能，因而在数控机床特别是对精度、速度要求较高的数控机床的进给驱动装置上广泛使用。而三相全控晶闸管调速装置则在大功率应用方面具有优势，因而常用于直流主轴驱动装置。2023/9/2392023/9/23102．交流主轴驱动装置主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。2023/9/2311主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。2023/9/2312①交流异步伺服系统交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：一是转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。2023/9/2313②交流同步伺服系统近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性好，特别适合高生产率运行。较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力，既可以加工铝等低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床进行最优切削创造了条件。2023/9/23145.2FANUC主轴驱动系统的故障诊断与维修

一、FANUC主轴驱动系统概述2023/9/2315直流主轴驱动系统通常用于20世纪80年代以前的数控机床上，多与FANUC5、6、7系统配套使用。此类机床由于其使用时间己较长，一般都到了故障多发期，但由于当时数控机床的价格通常都比较昂贵，在用户中属于大型、精密、关键设备，保养、维护通常都较好，因此在企业中继续使用的情况比较普遍，维修过程中遇到的也较多。在交流主轴驱动系统方面，FANUC公司作为全世界最早开发交流主轴驱动系统的厂家之一，自1980年成功开发交流主轴系统以来，已经生产了多个系列的交流主轴驱动系统产品，本书以FANUCα/αi系列交流主轴驱动系统为讲述对象2023/9/2316FANUCα/αi系列主轴驱动系统，是FANUC公司的最新产品，其中αi系列主轴驱动系统为本世纪初开发的最新数控机床主轴驱动系统系列产品，是α系列的改进型。α/αi系列产品共有标准型α/αi系列、广域恒功率输出型αP/αPi系列、经济型αC/αCi系列、中空型(αT/αTi系列、强制冷却型αL/αLi系列、高电压输入型α(HV)/α(HV)i系列、高电压输入广域恒功率输出型αP(HV)/αP(HV)i系列、高电压输入中空型αT(HV)/αT(HV)i系列、高电压输入强制冷却型αL(HV)/αL(HV)i系列等产品。其中αLi系列最高输出转速为20000r/min、α(HV)i系列最大额定输出功率可达l00kW，可满足绝大多数数控机床的主轴要求。2023/9/2317该系列产品的主要特点如下：①通过绕组转换功能，进一步增加了高速输出范围，缩短了加/减速时间，对于αPi系列，其恒功率输出范围比α系列扩大了1.5倍。②采用了最新的定子直接冷却方式，进一步减小了电动机外型尺寸，提高了输出功率和转矩。③通过精密的铝合金转子和严格的动平衡，使电动机在高速时振动级达到了V3级。④可以选择不同的排风方向，尽可能减小机床热变形，同时通过最优的冷却通道设计，进一步改善了冷却性能。⑤根据不同的使用要求，主电动机可以选用两种不同类型的内装式位置/速度测量装置。即：具有A/B两相输出的Mi型编码器与具有A/B两相出及零脉冲输出的Mzi型编码器，以满足不同用户的使用要求。2023/9/2318αi系列产品与α系列相比，其主要性能在以下两个方面作了改进：①通过使用高速绕组，提高了高速区的输出功率，解决了α系列在高速区域(8000-12000r/min)输出功率下降的问题。②广域恒功率输出型(αPi系列)的电动机额定转速由750r/min降至为500r/min，使恒功率调速范围扩大了1.5倍(从1:10.6提高到1:16)。FANUCα/αi系列数字式主轴驱动系统(驱动器型号为A06-6078/6072系列)一般与FANUC0C、FANUCl5、FANUCl6/18/20等系列数控系统配套使用。2023/9/2319二、FANUC系统模拟量主轴驱动装置与维护模拟量控制的主轴驱动装置常采用变频器实现控制。数控车床主轴驱动以及普通机床的改造中多采用变频器控制。作为主轴驱动装置用的变频器种类很多，下面以安川变频器为例进行介绍。图5-1为安川变频器的实物图。2023/9/23201．安川变频器端子接线（1）变频器主电路端部接线主电路的功能是把固定频率（50/60Hz）的交流电转换成频率连续可调（0~400Hz）的三相交流电。主电路主要包括交-直电路、制动单元电路、直-交电路。图5-2所示为安川变频器主电路端子排列图。R、S、T三个端子为变频器的三相交流电输入端子。变频器输入接线实际使用注意事项如下：图5-2安川变频器主电路端子排列2023/9/2321根据变频器输入规格选择正确的输入电源。①变频器输入侧采用断路器(不宜采用熔断器)实现保护，其断路器的整定值应按变频器的额定电流选择而不应按电动机的额定电流来选择。②变频器三相电源实际接线无需考虑电源的相序。③1和2用来接直流电抗器(为选件)，如果不接时，必须把1和2短接(出厂时,1和2用短接片短接)。2023/9/2322图5-2安川变频器主电路端子排列U、V、W三个端子为变频器的输出端子，这些端子直接与电动机相连接。变频器输出接线实际使用注意事项如下：①输出侧接线须考虑输出电源的相序。②实际接线时，决不允许把变频器的电源线接到变频器的输出端。③一般情况下，变频器输出端直接与电动机相连，无需加接触器和热继电器。B1和B2端子用于外接制动电阻，外接制动电阻的功率与阻值应根据电动机的额定电流来选择。2023/9/2323（2）变频器控制回路端部接线图5-3控制回路接线端子图图5-3控制回路接线端子图2023/9/23242．CNC系统与安川变频器的信号流程图5-4为某数控车床主轴驱动装置的接线图，以该图为例具体说明CNC系统，数控机床与变频器的信号流程与功能。图5-4某数控车床主轴驱动装置的接线图

2023/9/2325（1）CNC到变频器的信号①主轴正转信号(1-11)、主轴反转信号(2-11)用于手动操作(JOG状态)和自动状态(自动加工M03、M04、M05)中，实现主轴的正转、反转及停止控制。系统在点动状态时，利用机床面板上的主轴正转和反转按钮发出主轴正转或反转信号，通过系统PMC控制KA8、KA9的通断，向变频器发出信号，实现主轴的正反转控制，此时主轴的速度是由系统存储的S值与机床主轴的倍率开关决定的。系统在自动加工时，通过对程序辅助功能代码M03、M04、M05的译码，利用系统的PMC实现继电器KA8和KA9的通断控制，从而达到主轴的正反转及停止控制，此时的主轴速度是由系统程序中的S指令值与机床的倍率开关决定的。2023/9/2326②系统故障输入(3-11)当数控机床系统出现故障时，通过系统PMC发出信号控制KAl3获电动作，使变频器停止输出，实现主轴自动停止控制，并发出相应的报警信息。如机床自动加工时，进给驱动系统突然出现故障，主轴也能自动停止旋转，从而防止打刀事故的发生。③系统复位信号(4-11)当系统复位时，通过系统PMC控制KA14获电动作，进行变频器的复位控制。如变频器受到干扰出现报警时，可以通过系统MDI键盘的复位键(RESET)进行复位，而不用切断系统电源再重新上电进行复位。2023/9/2327④主轴电动机速度模拟量信号(13-17)用来接收系统发出的主轴速度信号(模拟量电压信号)，实现主轴电动机的速度控制。在FANUC0-TD系统中，系统把程序中的S指令值与主轴倍率的乘积转换成相应的模拟量压(0～10V)，通过系统存储板接口M26的7-20，输送到变频器13-17的模拟量电压频率给定端，从而实现主轴电动机的速度控制。⑤主轴点动信号(7-11)系统在点动状态时，通过机床面板的主轴点动按钮实现主轴点动修调控制，此时主轴点动的速度是由变频器功能参数H1-05设定。2023/9/2328（2）变频器到CNC的信号(通过系统的PMC)①变频器故障输入信号(19-20)当变频器出现任何故障时，数控系统也停止工作并发出相应的报警(机床报警灯亮及发出相应的报警信息)。主轴故障信号是通过变频器的输出端19-20(正常时为“通”，故障时为“断”)发出，再通过PMC向系统发出急停信号，使系统停止工作。2023/9/2329②主轴速度到达信号(26-27)数控机床自动加工时，主轴速度到达信号实现切削进给开始条件的控制。当系统的功能参数(主轴速度到达检测)设定为有效时，系统执行进给切削指令(如G01、G02、G03等)要进行主轴速度到达信号的检测，即系统通过PMC检测来自变频器输出端26-27发出的频率到达信号，系统只有检测到该信号，切削进给才能开始，否则系统进给指令一直处于待机状态。2023/9/2330③主轴零速信号(25-27)当数控车床的卡盘采用液压控制(通过机床的脚踏开关)时，主轴零速信号用来实现主轴旋转与液压卡盘的连锁控制。只有主轴速度为零时，液压卡盘控制才有效；主轴旋转时，液压卡盘控制无效。2023/9/2331（3）变频器到机床侧的信号①主轴速度表的信号变频器把实际输出频率转换成模拟量电压信号(0～10V)，通过变频器输出接口(22-21)输出到机床操作面板上的主轴速度表(模拟量表或数显表)，实现主轴速度的监控。②主轴负载表的信号变频器把实际输出电流转换成模拟量电压信号(0～10V)，通过变频器输出接口(22-23)输出到机床操作面板上的主轴负载表(模拟量表或数显表)，实现主轴负载的监控。2023/9/23323.安川变频器功能参数的设定及操作（l）变频器参数的设定安川变频器为多功能变频器，按其功能不同，参数分为9个功能组，A组参数为环境设定功能参数；B组为应用功能参数；C组为调整功能参数；D组为频率指令取样功能参数；E组为电动机功能参数；F组为变频器选择功能参数；H组为外部端子功能参数；L组为保护功能参数；O组为操作器功能参数。下面具体说明变频器参数的含义及设定，没有提到的功能参数按出厂时的标准设定。2023/9/2333①A组参数主要用来选择操作器的语种显示、参数存取级别、控制方式、参数初始化的方式等。A1-00显示语种选择：“0”为英语，“1”为日语。实际设定为“0”。A1-01参数存/取选择：“0”为监控专用参数，“1”为用户选择参数，“2”为试运行参数，“3”为通常使用参数，“4”为所有参数。实际设定为“4”。2023/9/2334Al-02控制方式选择：“0”为U/F控制，“1”为带反馈的U/F控制，“2”为开环矢量控制，“3”为(带反馈)闭环矢量控制。目前，数控机床可以设定为“0”不带速度反馈的U/F控制和设定为“2”的不带速度反馈的矢量控制两种控制方式。开环矢量控制时，必须正确设定电动机的相关参数(电动机的空载电流、定子绕组的电阻、定子回路的阻抗等)，才能准确实现电动机的矢量控制。Al-03参数初始化功能：“0”为参数初始化结束；“1110”为用户参数初始化；“2220”为2线制的初始化（恢复变频器出厂值的设定）；“3330”为3线制的初始化。此功能参数应用于实际变频器出现软件不良时进行参数初始化操作。2023/9/2335②B组参数主要用于应用功能选择，如变频器的频率给定方式选择、启动和停止方式的选择、PID控制方式的设定、节能方式等。B1-01频率指令选择：“0”为面板给定(通过面板的增加和减少键给定频率)，“1”为外部端子给定(由模拟量电压给定频率)。实际设定为“1”，变频器的输出频率是由输入端13-17的模拟电压（0~10V）调整的。2023/9/2336B1-02运行指令选择：“0”为面板控制(由面板的RUN和STOP键控制)，“1”为端子控制(由输入端子1-11和2-11控制)。实际设定为“1”。B1-03停止方式选择：“0”为减速停止，“1”为自由停止，“2”为直流制动停止。实际设定为“0”。B1-04反转禁止选择：“0”为可以反转，“1”禁止反转。实际设定为“0”。2023/9/2337③C组参数主要用来设定电动机的加/减速时间、加减速方式、转差补偿频率等。C1-01加速时间设定：设定范围为0.1-600.0s。根据电动机的负载惯性来调整设定，如果加速时间设定过短，将会引起过电流报警。实际设定为1s。C1-02减速时间设定：设定范围为0.1-600.0s。根据电动机的负载惯性来调整设定，如果减速时间设定过短，将会引起过电压报警。实际体设定为1s。2023/9/2338④E组参数主要用来设定电动机U/F控制功能的有关参数、电动机技术参数等。⑤L组参数主要用来设定电动机的保护功能。L1-01电动机的电子热保护功能选择：“0”为电动机电子热保护无效，“1”为电动机电子热保护有效。实际设定为“1”。L1-02电动机电子热保护动作时间：设定范围为0.1～5.0min。实际设定为lmin。2023/9/2339（2）变频器编程器的操作变频器编程器不仅可以进行功能参数的设定及修改，而且可以显示报警信息、故障发生时的状态（如故障时的输出电压、频率、电流等）及报警履历等，这些内容都是通过编程进行显示的。图5-5为安川变频器的编程器面板。其操作键的功能简介如下：图5-5变频器操作面板2023/9/2340【LOCALREMOTE】为运行方式选择键，用来切换面板操作（LOCAL）运行和回路端子控制（REMOTE）运行。【MENU】为菜单键，显示各种工作方式。【ESC】为返回键，回到当前画面的前一个画面。【JOG】为点动键，当面板操作有效时，实现电动机的点动控制。【DATAENTER】为数据输入键，实现各种方式、功能、参数及设定值的读出与写入。【FWDREV】为正转/反转切换键，当面板操作有效时，用来切换电动机的正反转控制。【∧】为增加键，用来实现各种方式、功能、参数组的翻页，设定值的增加控制。【∨】为减少键，用来实现各种方式、功能、参数组的翻页，设定值的减少控制。【RESET】为数据移位、复位键，作为参数的数值设定时的移位或当出现故障时作为复位键使用。【RUN】为运行键，当面板操作有效时，启动变频器的运行。【STOP】为停止键，当面板操作有效时，停止变频器的运行。2023/9/23412023/9/23424.安川变频器报警代码及维修技术当变频器检测出故障时，在数字操作器上显示该报警内容，并停止变频器的输出。数控机床主轴(模拟量控制)故障信号发出时，可以根据变频器的报警信息判定故障的产生原因。(1)电压故障报警①主回路低电压故障UVl(DCBusUnderVolt)②控制回路低电压故障UV2(CTLPsUnderVolt)③浪涌电压保护回路动作故障UV3(MCAnswerback)④过电压故障OV(OverVoltage)⑤瞬时停电检查中UV(UnderVoltage)2023/9/2343（2）电流故障报警①过电流故障OC(OverCurrent)②变频器输出对地短路故障GF(GroundFault)③输出侧短路故障SC(ShortCircuit)④主回路熔断器故障PUF(DCBusFluesOpen)（4）电动机过载故障OLl(MotorOverLoaded)（5）功能参数设定错误报警（6）外部端子3～8异常信号输入故障EF3～EF8(ExternalFault3～8)（7）变频器本身硬件或软件故障2023/9/2344三、FANUC系列串行数字主轴驱动系统与维护FANUC/i系列主轴驱动系统采用的是模块化结构，伺服驱动与主轴驱动共用电源模块，模块与模块、驱动器与CNC之间通过I/OLINK总线连接。1．系列电源模块结构及维修(1)系列电源模块结构①DCLink盒：直流电源(DC300V)输出端。该接口与主轴模块、伺服模块的直流输入端连接。②STATUS状态指示灯(2位数码管)：用于表示电源模块的状态。正常时为“00”，故障时为“##”报警号。PIL(绿色)表示控制电源正常，ALM(红色)表示电源模块故障。③CX1A：控制电路电源电压(输入)，交流200V3.5A。2023/9/2345④CX1B：200V交流输出接口。该端口与主轴模块的CX1A端口连接。⑤CX2A、CX2B：DC24V输出接口。⑥直流母排电压显示(充电指示灯)：该指示灯完全熄灭后，方可对模块电缆进行各种操作，否则有触电危险。⑦JX1B：模块之间的连接接口。⑧CX3：主电源MCC(常开点)控制信号接口。⑨CX4：*ESP急停信号接口。2023/9/2346FANUC系列电源模块接口图FANUC系列电源模块实物图

图5-6FANUC系列电源模块（PSM）2023/9/2347(2)系列电源模块维修技术电源模块的报警信息及产生的故障原因如表5-1所示。LED显示故障名称故障原因01IPM报警IPM错误、过电流、控制电路电压低02风扇报警电源模块冷却风扇发生故障03过热报警智能模块IPM过热报警04DC300V电压低报警DC300V电压为005DC300V电压不足报警DC300V电压低于标准规定的值06输入电源缺相报警三相交流动力电源缺相07DC300V电压高报警三相交流输入电压高或内部电压检测电路不良2023/9/23482．系列主轴驱动装置及连接FANUC的系列主轴模块结构FANUC的系列主轴模块实物如图5-7所示，FANUC的系列主轴模块结构如图5-8所示。

5-8α系列主轴模块接口图（SPM）图5-7α系列主轴模块实物图图2023/9/2349①P、N：DCLink端口。该端口与电源模块的直流电源输出端、伺服模块的直流输入端连接。②STATUS：主轴模块状态显示窗口。③CX1A/CX1B：200V交流控制电路的电源输入/输出接口。④CX2A/CX2B：24V输入/输出及急停信号接口。CX2A与电源模块的CX2B连接；CX2B与伺服模块CX2A连接。⑤DCLINK充电灯。⑥JX4：主轴伺服信号检测板接口。⑦、⑧JXlA/JXlB：模块之间信息输入/输出接口。JXlA与电源模块的JXlB连接；JXlB与伺服模块的JX1A连接。⑨JYl：外接主轴负载表和速度表的连接器。2023/9/2350(2)FANUC的系列主轴模块的连接图5-9为FANUC的系列电源模块和主轴模块的连接图，三相动力电源(380V)通过伺服变压器(把380V电压转换成200V电压)输送到电源模块的控制电路输入端、电源模块的主电路的输入端以及作为主轴电动机的风扇电源。JY2连接到内装了A、B相脉冲发生器的主轴电动机，JY2作为主轴电动机的速度反馈及主轴电动机过热检测信号接口。JY4连接到主轴位置编码器，实现主轴位置及速度的控制，完成数控机床的主轴与进给的同步控制及主轴准停控制等。CX4连接到数控机床操作面板的系统急停开关，实现硬件系统急停信号的控制。2023/9/2351(3)系列主轴驱动装置报警代码及故障分析数控机床的主轴出现故障时，主轴模块的ALM（红色）灯亮且LED两位数码管显示相应的报警代码。表5-2为系列主轴驱动装置报警代码及故障原因分析。2023/9/2352SPM显示故障内容故障原因及处理A0主轴模块ROM出错SPM控制电路板上ROM系列错误或硬件异常。①更换SPM控制电路板上的ROM。②更换SPM控制电路板A1主轴模块RAM出错SPM电路板上的CPU外围电路异常或RAM版本不正确。①更换SPM控制电路板。②主轴初始化或更换主轴模块01主轴电动机过热报警电动机内部温度超过了规定的温度(热控开关动作)。①检查外围设备的温度以及负载状态，降低进绐切削量。②如果主轴电动机冷却风扇不转，更换风扇。③用万用表检查电动机过热保护开关之间的电阻应为短路。如果开路，更换热控开关。④检查JY2插头连接是否良好02主轴电动机速度超差报警主轴电动机的速度与指令速度相差较大。①电动机或动力线是否正常，动力线可用万用表或兆欧表检查出。②电动机动力线相序是否接错，按规定正确接线。③电动机内装速度传感器不良，更换速度传感器。④主轴参数设定不正确，进行系统主轴参数初始化。⑤主轴模块或系统故障，通过替换主轴模块来判别。03主轴模块电压不足报警主轴模块主回路DC300V熔断器熔断。①主轴模块的逆变块短路，更换主轴模块。②主轴电动机侧短路，更换电动机。③电压检测电路不良，更换主轴模块控制板09主轴模块的逆变块温度过高报警主轴模块的温度超过规定的温度。①主轴模块散热片的风扇故障，更换风扇。②主轴过载，降低切削进给量。③主轴电动机参数设定与实际电动机不符，进行主轴参数初始化操作。④主轴模块故障或主轴模块温度检测不良，更换主轴模块11主轴模块过电压报警主轴模块DC300V电压超过了规定电压。①电源模块提供的直流电压过高，检修电源模块。②主轴电动机参数设定与实际电动机不符，进行主轴参数初始化操作。③主轴模块电压监控电路不良，更换主轴模块12主轴模块过电流报警直流电源回路电流异常，或IPM模块输出电流异常。①主轴电动机绝缘不良，更换主轴电动机。②主轴电动机参数设定与实际电动机不符，进行主轴参数初始化操作。③主轴模块电流监控电路不良，更换主轴模块24主轴模块通信异常报警主轴模块与CNC系统通信数据异常。①外界干扰或系统停止工作而主轴模块控制电源还工作，系统重新上电启动。②通信电缆连接不良或断路，修复连接电缆及插头。③系统主轴控制模块或主轴模块不良，更换相应的控制模块27主轴位置编码器断线报警主轴位置编码器(JY4)信号异常。①主轴位置编码器连接电缆不良，修复连接电缆及插头。②主轴位置编码器不良，更换编码器。③主轴参数设定错误，重新设定系统主轴参数。④主轴模块控制板不良，更换主轴模块31主轴电动机速度电压信号(脉冲)低报警主轴电动机速度检测器异常或电动机没有按给定的速度旋转。①主轴电动机速度传感器不良(JY2)，更换电动机速度传感器。②主轴模块速度检测电路不良，更换主轴模块34主轴参数异常报警主轴参数设定了超过允许范围的值。①检查电动机代码参数是否正确(0系统6633，16/18/Oi系统4133)；如果正确，检查是否在修改上述电动机代码后没有初始化(6519#7/4019#7改为1，关机重起)，正确设定并执行初始化操作。②主轴模块不良，更换主轴模块2023/9/2353（4）主轴系统参数的设定①串行数字主轴控制功能选择参数及串行主轴个数选择参数②主轴位置编码器控制功能选用参数③主轴与位置编码器的传动比参数④主轴速度到达检测功能参数⑤主轴齿轮档位的最高速度参数⑥主轴电动机最高转速设定参数（5）主轴模块标准参数的初始化①系统急停状态，打开电源。②将主轴电动机型号的代码：设定在系统串行主轴电动机代码参数中。③将自动设定串行数字主轴标准值的参数(LDSP)置为“1”。④将电源关断，再打开，主轴标准参数被写入。2023/9/2354（6）串行数字主轴伺服画面①主轴伺服画面显示参数

串行主轴伺服画面显示参数（SPS）置为“1”。FANUC-0C/0D系统参数为389#1；FANUC-16/18/0i系统参数为3111#1。②主轴画面显示操作

FANUC-0C/0D系统：

FANUC-16/18/0i系统：

③串行数字主轴伺服画面2023/9/2355图5-10(主轴设定画面)中，齿轮选择：显示机床侧的主轴齿轮选择状态，1为主轴第一档，2为主轴第二档，3为主轴第三档，4为主轴第四档；主轴：选择对应某一主轴的数据，S11为第一主轴放大器，S22为第二主轴放大器；齿轮比：与主轴齿轮档位相对应的齿轮比参数；主轴最大转速：与主轴齿轮档位相对应的主轴最高转速参数；电动机最高转速：主轴电动机最高转速设定参数；C轴最高转速：主轴作为C轴控制时，是C轴最高转速设定参数。图5-10主轴设定画面2023/9/2356图5-11(主轴调整画面)中，运行方式：显示当前主轴的运行状态，如通常运行、主轴定向、同步控制、刚性攻螺纹、Cs轮廓控制；参数：与主轴运行状态相对应主轴的调整参数，如比例增益、积分增益、回路增益加减速时间常数参数等；电动机：显示当前主轴和主轴电动机的转速。图5-11主轴调整画面图5-12(主轴监控画面)中，主轴报警：当主轴系统出现故障时，显示主轴放大器的报警号及报警内容；负载表显示：显示当前主轴电动机的负载大小(实际输出电流的百分比)；控制输入信号：显示当前主轴输入的控制信号，如SFR(主轴正转信号)、SRV(主轴反转信号)、ORCM(主轴定向信号)、*ESP(主轴急停信号)、ARST(报警复位信号)等；控制输出信号：显示当前主轴输出的控制信号，如SST(主轴零速信号)、SDT(主轴速度检测信号)、SAR(主轴速度到达信号)、ORAR(主轴定向结束信号)、ALM(主轴报警信号)等。2023/9/2357图5-12主轴监控画面①串行主轴通信错误报警生故障的原因及处理方法如下：1)连接电缆接触不良、断线故障2)主轴参数设定与系统主轴硬件匹配不符3)主轴模块内部电路不良4)外界干扰5)系统内主轴控制模块故障2023/9/2358②串行主轴回路起动不良报警1)连接电缆接触不良、断线故障2)主轴模块控制电路故障3)串行主轴参数不良4)CNC主轴串行通信模块不良③主轴故障报警④串行主轴的系统诊断号1)系统诊断号4002)系统诊断号4083)系统诊断号4092023/9/2359四、FANUC主轴驱动系统故障维修实例例5-1:某配套FS0的加工中心、系列主轴驱动的卧式加工中心，在机床自动换刀时，经常出现“装刀”故障。例5-2:某配套FS0系统的数控车床，当主轴旋转时，发现转速不稳，机床主轴箱内存在齿轮冲击的异常声。例5-3:某配套FANUC0系统的数控车床，在机床执行主轴传动级交换指令M41/M42时，主轴一直处于抖动状态，无法完成“换挡”动作。例5-4某配套FS0-TD系统的数控车床，在自动加工时，发现机床不执行螺纹加工程序。2023/9/23605.3国产主轴驱动系统的故障诊断与维修

一、华中数控主轴驱动系统1．数控装置与主轴装置的连接HNC-21数控装置通过XS9主轴控制接口和PLC输入/输出接口，可连接各种主轴驱动器，实现正反转、定向、调速等控制，还可以外接主轴编码器，实现螺纹车削和铣床上的刚性攻线功能。（1）与主轴相关的接口定义①主轴控制接口XS9XS9主轴控制接口，包括主轴速度模拟电压指令输出和主轴编码器反馈输入，其信号定义如表5-4。2023/9/23612023/9/2362信号名说

明SA+、SA-主轴编码器A相位反馈信号SB+、SB-主轴编码器B相位反馈信号SZ+、SZ-主轴编码器Z脉冲反馈+5V、+5V地DC5V电源AOUT1主轴模拟量指令-10V～+10V输出AOUT2主轴模拟量指令0～+10V输出GND模拟量输出地表5-4XS9信号表②与主轴控制相关的输入/输出开关量连接主轴装置时，需要使用输入/输出开关量控制主轴电机的启停及接收相关的状态与报警信息，其信号定义如表5-5。（2）主轴启停主轴启停控制由PLC承担，标准铣床PLC程序和标准车床PLC程序中关于主轴启停控制的信号如表5-6所示。（3）主轴速度控制（4）主轴定向控制（5）主轴换档控制（6）主轴编码器连接2023/9/2363（7）主轴连接实例——普通三相异步电机当用无调速装置的交流异步电机作为主轴电机时，只需利用数控装置输出开关量控制中间继电器和接触器，即可控制主轴电机的正转反转停止。如图5-13所示。图中，KA3、KM3控制电机正转，KA4、KM4控制电机反转。2023/9/2364（8）主轴连接实例——交流变频主轴采用交流变频器控制交流变频电机，可在一定范围内实现主轴的无级变速，这时需利用数控装置的主轴控制接口（XS9）中的模拟量电压输出信号，作为变频器的速度给定，采用开关量输出信号（XS20，XS21）控制主轴启、停（或正反转）。一般连接如图5-14所示（若没有主轴编码器则虚线框中的内容没有）。2023/9/2365（9）主轴连接实例——伺服驱动主轴与交流伺服驱动一样，交流主轴驱动系统也有模拟式和数字式两种形式，交流主轴驱动系统与直流主轴驱动系统相比，具有如下特点：①由于驱动系统必须采用微处理器和现代控制理论进行控制，因此其运行平稳、振动和噪声小。②驱动系统一般都具有再生制动功能，在制动时，既可将电动机能量反馈回电网，起到节能的效果，又可加快制动速度。③特别是对于全数字式主轴驱动系统，驱动器可直接使用CNC的数字量输出信号进行控制，不要经过D/A转换，转速控制精度得到了提高。2023/9/2366④与数字交流伺服驱动一样，在数字式主轴驱动系统中，还可采用参数设定方法对系统进行静态调整与动态优化，系统设定灵活、调整准确。⑤由于交流主轴电动机无换向器，主轴电动机通常不需要进行维修。⑥主轴电动机转速的提高不受换向器的限制，最高转速通常比直流主轴电动机更高，可达到数万转。采用伺服驱动主轴可获得较宽的调速范围和良好的低速特性，还可实现主轴定向控制。这时可利用数控装置上的主轴控制接口（XS9）中的模拟量输出信号（模拟电压），作为主轴单元的速度给定。利用PLC输出控制启停(或正、反转)及定向。一般连接如图5-15a所示。2023/9/2367需车削螺纹或攻丝时可利用主轴伺服本身反馈到数控装置接口XS9的主轴位置信息（如图5-15b所示），也可外接主轴编码器（如图5-15c所示）。（10）与主轴相关的参数设置2023/9/2368二、华中数控主轴驱动系统的故障诊断与维修1．主轴变频系统常见故障及处理（1）主轴电机不转主要有以下原因：①检查CNC系统是否有速度控制信号输出。②主轴驱动装置故障。③主轴电动机故障。④变频器输出端子U、V、W不能提供电源。造成此种情况可能有以下原因：报警；频率指定源和运行指定源的参数是否设置正确；智能输入端子的输入信号是否正确。2023/9/2369（2）电机反转造成电机反转的原因主要有：①检查输出端子U/T1，V/T2和W/T3的连接是否正确？（使得电机的相序与端子连接相对应，通常来说：正转（FWD）＝U－V－W，和反转（REV）＝U－W－V）。②检查控制端子（FW）和（RV）连线是否正确？（端子(FW）用于正转，（RV）用于反转）。2023/9/2370（3）电机转速不能到达主要原因可能有：①如果使用模拟输入，是否用电流或电压“O”或“OI”。检查连线；检查电位器或信号发生器。

②负载太重。减少负载；重负载激活了过载限定。2023/9/2371（4）电机过载（5）变频器过载（6）主轴转速不稳定（7）主轴转速与变频器输出频率不匹配（8）主轴与进给不匹配（螺纹加工时）2023/9/23722．主轴伺服系统故障诊断（1）当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；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；主轴工作不正常，但无任何报警信息。（2）主轴伺服系统常见故障有：①过载②主轴不能转动（3）主轴转速异常或转速不稳定2023/9/2373（4）主轴振动或噪声太大检查方法有：①在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障。②在恒转速时，可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别，如存在，则主轴机械部分有问题。③检查振动的周期是否与转速有关，如无关，一般是主轴驱动装置未调整好；如有关，应检查主轴机械部分是否良好，测速装置是否不良。电气方面的原因：机械方面的原因：2023/9/2374（5）主轴加/减速时工作不正常（6）外界干扰（7）主轴速度指令无效（8）主轴不能进行变速（9）主轴只能单向运行或主轴转向不正确主轴转速控制信号输出错误；主轴驱动器速度模拟量输入电路故障。（10）螺纹加工出现“乱牙”故障（11）主轴定位点不稳定或主轴不能定位2023/9/23752023/9/2376三、华中数控主轴驱动系统故障维修实例例5-5：某采用华中HNC-21TF系统的数控车床开机后，其他功能正常，主轴不动，接线没有出错。例5-6：某采用华中数控系统的车床开机后，其他功能正常，主轴不动，接线没有出错。例5-7：数控车床CJK6032主轴电机启动随即停转，车床背板处有火花闪现，有胶皮烧糊的味道。例5-8：某采用华中数控的车床车削螺纹时出现乱牙。例5-9：某采用华中数控系统的CJK6032数控车床加工带有螺纹的工件时，加工到螺纹部分时，数控车床停止不动。2023/9/23775.4SIEMENS611A主轴驱动系统的故障诊断与维修一、SIMODRIVE611A系列伺服驱动器结构与连接1．61lA系列伺服驱动器的结构61lA系列产品为SIEMENS公司在650基础上改进的模拟型交流伺服与主轴驱动的一体化产品。其采用模块化结构，伺服驱动与主轴驱动共用电源模块，模块与模块之间通过驱动总线连接。61lA驱动器直流母线电压为600V/625V，可以直接与380V/400V电网连接。伺服进给轴最大输出转矩可达185N·m，额定转速从1500r/min到8000r/min；主轴最大输出功率可达76kW，最高转速可达到18000r/min。2023/9/237861lA交流伺服驱动器主要由如下组件组成：(1)电源模块(2)进给驱动模块(3)主轴驱动模块图5-16为一个带有三个轴伺服轴，一个主轴的611A驱动装置的结构示意图。2023/9/23792．61lA系列主轴驱动的连接611A系列主轴驱动模块如图5-17所示。（1）主轴电机电枢连接主轴电机电枢连接端位于驱动器的下部。安装、调试、维修时需要注意必须保证驱动器的U2/V2/W2与电机的U/V/W一一对应，防止电机“相序”的错误。（2）速度给定连接端子X421该连接端子一般与来自CNC的“速度给定模拟量”输出以及“速度控制使能”信号连接，采用“接线端子”，端子的作用如下。56/14：用于连接速度给定信号，一般为-10V～+10V模拟量输入。24/8：用于连接辅助速度给定信号，一般为-10V～+10V模拟量输入。2023/9/2380（3）驱动“使能”与可定义输入连接端X4319/663：驱动器“脉冲使能”信号输入，当9/663间的触点闭合，驱动模块控制回路开始工作。9/65：用于连接驱动器的“速度控制使能”触点输入信号，当9/65间的触点闭合，速度控制回路开始工作。9/81：用于连接驱动器的“急停”触点输入信号，当9/81间的触点开路，主轴电机紧急停止。E1～E9：可以通过参数定义的输入控制信号，信号意义决定于参数的设定。2023/9/2381(4)模拟量输出连接端X451A91/M：可以定义的模拟量输出连接端1，输出为-10V～+10V的模拟量。A92/M：可以定义的模拟量输出连接端2，输出为-10V～+10V的模拟量。(5)驱动器触点输入/输出连接端X441ASl/AS2：ASl/AS2为主轴驱动模块启动禁止信号输出端，ASl/AS2一般与强电柜连接。当ASl/AS2断开时，表明驱动器内部的逆变主回路无法接通，主电机无“励磁”。在部分机床上，该输出端可以用于外部安全电路作为主轴的启动“互锁”控制，触点具有AC250V/3A、DC50V/2A的驱动能力674/673：驱动器“准备好”信号触点输出，“常闭”触点，驱动能力为DC30V/1A。672/673：驱动器“准备好”信号触点输出，“常开”触点，驱动能力为DC30V/1A。A11～A61：可以通过参数定义的输出信号，信号意义决定于参数的设定，驱动能力为DC30V/1A。2023/9/2382(6)测速反馈信号接口X412该接口一般与来自主轴电机的“速度反馈”编码器直接连接，采用“插头”连接。(7)位置反馈信号接口X432该接口一般与来自主轴的位置反馈编码器连接(输入信号)，也可以是电机内装编码器的输出信号或者是主轴传感器的输入，其连接决定于驱动器以及参数的设定。(8)RS232接口X411该接口为RS232标准接口，可以连接主轴驱动器调整用计算机。(9)传感器的输入接口X433该接口为传感器的输入接口，可以连接主轴位置传感器。2023/9/2383二、611A主轴驱动器的状态指示与监控

611A主轴驱动器可通过选择不同的显示参数，在液晶显示器上显示驱动器的工作状态，维修时常用的状态显示参数及含义如下：(1)工作方式显示参数P0参数P0为驱动器正常工作时自动选择的显示参数，其6位液晶代表着不同的含义，具体如下：1)左边第1位(■□□□□□)：此位通常无显示。2)左边第2位(□■□□□□)：内部继电器状态显示。7段的每一段及小数点代表不同的内部继电器状态，当相应位亮时，代表继电器输出为“1”。在611A中内部继电器的意义可以通过参数进行定义，因此在不同机床中具有不同的含义。当参数为标准设置时，其含义见表5-10所示。2023/9/23843)左边第3位(□□■□□□)。此位为驱动器工作状态显示，其含义如下：2023/9/23854）左边第4位(□□□■□□)。此位为启动条件指示，其含义如下：2023/9/23865）左边第5位(□□□□■□)。此位为电机连接方式指示。6）左边第6位(□□□□□■)。此位为实际传动级选择指示显示，1～8代表实际选择的传动级。2023/9/2387(2)参数P001～P010的状态显示显示参数P00l～P010、P101、P102等为驱动器(电机)实际工作参数显示，其含义如表5-11所示。参数号含义单位范围P001给定转速r/min-16000～16000P002/P102实际转速r/min-16000～16000P003电动机电枢电压V0～500P004%0～100P006直流母线电压V0～700P007电动机电流A0～150P008实际容量kVA0～100P009实际功率kW0～100P010转子温度℃0～150P101转矩给定%-200～200表5-11驱动器(电动机)实际工作状态显示一览表除以上参数外，61lA主轴驱动器还可以显示更多的I/O信号状态，这些参数有P011/P101/P254/P255等。2023/9/2388三、61lA系列主轴驱动系统故障诊断在61lA的主轴驱动模块中，通过驱动器正面的6位液晶显示器，可以显示主轴驱动器的全部参数，输入/输出信号的状态，驱动器与电动机的实际工作状态(如：实际转速、主电动机的电压、电流等)以及报警号等；调试和维修时，可以通过不同状态的诊断，以判断故障原因，帮助维修。61lA主轴驱动器常见的故障及引起故障的原因如下。开机时显示器无任何显示

若开机时，61lA主轴驱动器的液晶显示器上无任何显示，则可能的原因有：2023/9/2389①输入电源至少有两相缺相。②电源模块至少有两相以上输入熔断器熔断。③电源模块的辅助控制电源故障。④驱动器设备母线连接不良。⑤主轴驱动模块不良。⑥主轴驱动模块的EPROM/FEPROM不良。2023/9/2390(2)电动机转速低(≤10r/min)当主轴驱动器正常工作后，若在主轴较高的速度给定电压输入时，或主轴定位时，其实际电动机转速总是低于10r/min，则引起此故障的原因通常是由于主轴电动机相序接反引起的，应交换电动机与驱动器的连线。（3）根据报警号的故障诊断与维修当主轴驱动器正常显示后，驱动器的报警可以通过6位液晶显示器的后4位进行显示。发生故障时，显示器的右边第4位显示“F”，右边第3位、第2位为报警号，右边第1位显示“三”时，代表驱动器存在多个故障；通过操作驱动器上的“+”键，可以逐个显示存在的全部故障号。2023/9/2391驱动器常见的报警号以及可能的原因见表5-12。2023/9/2392四、61lA系列主轴驱动系统故障维修实例

例5-10：某采用SIEMENS810M、配套61l