数控机床电气系统装调与维修技术-4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修

数控机床电气系统装调与维修技术项目四.主轴驱动系统的故障诊断与维修主轴伺服系统的故障诊断与维修任务2

4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修学习目标：

技能目标：

（1）会对PMC进行硬件连接；

（2）会进行PMC画面的基本操作；

知识目标：

（1）了解数控机床PLC的形式；

（2）掌握数控机床PLC的信息交换；

（3）掌握PMC的地址分配。

素养目标：

（1）培养学生按7S(整理、整顿、清扫、清洁、素养、安全、节约)标准工作的良好习惯；

（2）培养学生具备善于观察，主动学习，能够分析问题、解决问题的能力。知识储备-数控机床主轴传动系统一、伺服主轴速度参数的计算发那科（FANUC）数控系统主轴控制主要有串行接口（数字接口）交流主轴控制与模拟接口交流主轴控制两种类型，主轴类型是由参数No.3716#0来决定（参数No.3716#0=0为模拟主轴，参数No.3716#0=1为串行主轴）主轴控制信号传递图如图所示。4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修知识储备-数控机床主轴传动系统一、伺服主轴速度参数的计算主轴速度参数有主轴速度上、下限以及指令电压10V时对应的主轴速度。为了增大主轴低时的转矩和提高主轴高速时的转速，要采用换挡结构。选择齿轮挡的方法有两种：一种为M型，CNC根据S值按每挡的速度范围（参数设定）选择齿轮挡，换挡由PMC用挡位选择信号（GR30、GR20、GR1O)实现（M系列有3挡）。CNC根据所选的齿轮挡输出主轴电动机转速；另一种为T型，挡位由输入的信号GR1、GR2（编码信号）确定，有4挡转速范围，由机床确定使用的挡位。CNC根据输入的挡位输出主轴电动机转速。M型只用于M系统；T型主要用于T系统，也可以用于M系统；M型换挡又分为A、B两种方式。4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修知识储备-数控机床主轴传动系统一、伺服主轴速度参数的计算

1.M型齿轮换挡方式AA方式是每挡对应的主轴速度上限相同，均为VC。有一加工中心，主轴低挡的齿轮传动比GR1O=l1:108，中挡的齿轮传动比GR20=11:36，高挡的齿轮传动比GR30=1l:12。主轴低挡时的速度范围是0～458r/min，中挡的转速范围是99～1375r/min。主轴电动机给定电压为10V时，对应的主轴电动机速度为6000r/min，通过计算，各挡位主轴电动机最高转速相同，均为4500r/min，主轴电动机的速度下限为150r/min。输入S代码和输出电压的关系如图所示。4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修（1）在参数中设定如下值，与主轴电机转速的上限相关的常数Vmax（参数No.3736）,该常数通过下式求得。Vmax=4095×4500/6000r/min=3071r/min。知识储备-数控机床主轴传动系统4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修（2）与主轴电机转速的下限相关的常数Vmin（参数No.3735）Vmin=4095×150/6000r/min=102r/min（3）主轴速度VA（r/min），指令电压10V，低速挡（参数No.3741）VA=6000×11/108r/min=611r/min（4）主轴速度VB（r/min），指令电压10V，低速挡（参数No.3742）VB=6000×11/36r/min=1833r/min（5）主轴速度VC（r/min），指令电压10V，低速挡（参数No.3743）VC=6000×11/12r/min=5500r/min知识储备-数控机床主轴传动系统4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修一、伺服主轴速度参数的计算

2.M型齿轮换挡方式BM类型齿轮切换方式B，每档主轴电机最高转速是不同的，输入S代码与输出电压的关系如图4.2.3所示，通过设定参数SGB(No.3705#2)，即可在别的参数(No.3751～3752)中设定低速齿轮和高速齿轮的切换的转速。使用3级齿轮时，即可利用别的参数(No.3751～3752)来进行低速齿轮和中速齿轮、以及中速齿轮和高速齿轮的切换的转速设定。知识储备-数控机床主轴传动系统4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修一、伺服主轴速度参数的计算某加工中心，主轴低挡齿轮传动比GR1O=11:108，中挡齿轮传动比GR20=260:1071，高挡齿轮传动比GR30=169:238。主轴低挡的转速范围是0～401r/min，中挡的转速范围是402～l109r/min，高挡的转速范围是1110～4000r/min。主轴电动机给定电压为l0V时，对应的主轴电动机转速为6000r/min，主轴电动机的速度下限为150r/min。计算可得：主轴低挡时电动机最高转速为401r/min×l08/11=3937r/min；中挡时电动机的最高转速为1109r/min×1071/260=4568r/min，高挡时电动机的最高转速为4000r/min×238/169=5633r/min.知识储备-数控机床主轴传动系统4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修一、伺服主轴速度参数的计算三个挡位所对应的主轴电动机最高限定速度各不相同，参数设定如下：1.与主轴电机转速的上限相关的常数Vmax（参数No.3736）Vmax=4095×5633/6000r/min=3844r/min2.与主轴电机转速的下限相关的常数Vmin(参数No.3735)Vmin=4095×150/6000r/min=102r/min知识储备-数控机床主轴传动系统4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修一、伺服主轴速度参数的计算三个挡位所对应的主轴电动机最高限定速度各不相同，参数设定如下：3.与低速齿轮中的主轴电机转速的上限相关的常数Vmaxl（参数No.3751）Vmaxl=4095×3937/6000r/min=2687r/min4.高速齿轮(3级齿轮时为中速齿轮)中的与主轴电机转速的上限相关的常数Vmaxh（参数No.3752）Vmaxh=4095×4568/6000r/min=3118r/min知识储备-数控机床主轴传动系统4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修一、伺服主轴速度参数的计算三个挡位所对应的主轴电动机最高限定速度各不相同，参数设定如下：5.主轴速度VA，指令电压为10V时的低速齿轮时的主轴转速A（参数No.3741）。

VA=6000×11/108r/min=611r/min6.主轴速度VB，指令电压为10V时的高速齿轮(3级齿轮时为中速齿轮)时的主轴转速B（参数No.3742）。

VB=6000×260/1071r/min=1457r/min7.主轴速度VC，指令电压为10V时的高速齿轮时的主轴转速(3级齿轮)C（参数No.3743）。

VC=6000×169/238r/min=4260r/min知识储备-数控机床主轴传动系统4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修一、伺服主轴速度参数的计算

3.T型齿轮换挡以模拟主轴时的具体例，与M类型中的一样，假设模拟电压10V时的主轴电机转速等于主轴电机的最高转速，各档要进行T类型的齿轮选择，也可以适用于串行主轴的情形。知识储备-数控机床主轴传动系统4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修一、伺服主轴速度参数的计算

3.齿轮挡编码信号与挡位关系假设设定为S=600时，根据CNC内部的计算，求出上图的V1（G1时）或者V2（G2时），并向机械侧输出。V1=6（V），V2=3（V）输出电压V的值通过下式自动计算。齿轮选择信号挡位最高主轴速度参数GR1GR2001No.3741012No.3742103No.3743114No.3744知识储备-伺服主轴模块的连接4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修FANUCα系列伺服由电源模块（PowerSupplyModule,PSM）、主轴放大器模块（SpindleamplifierModule,SPM）及伺服放大器模块（ServoamplifierModule,SVM）三部分组成。实物图如图1所示；连接框图如图2所示.知识储备-伺服主轴模块的连接4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修FANUC0iMate.1.MD/TD综合接线图（αi系列伺服放大器+串行主轴）如图所示。知识储备-伺服主轴模块的连接4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修一.PSM模块（电源模块）1.PSM模块的作用PSM模块是主轴和伺服提供逆变直流电源的模块，三相200V输入经过PSM模块处理后，向直流母线输送DC300V电压供主轴和伺服放大器用。在运动指令控制下，主轴放大器和伺服放大器经过有IGBT模块组成的三相逆变电路输出三相变频交流电，控制主轴电动机和伺服电动机按照指令要求的动作运行。另外PSM模块还提供DC24V电源，还具有输入保护电路，通过外部急停信号或内部继电器控制MCC主接触器，起到输入保护作用。知识储备-伺服主轴模块的连接4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修一.PSM模块（电源模块）2.PSM模块型号含义

PSM模块的含义如图所示，FANUC的α系列电源模块主要有PSM、PSMR、PSM.1.HV、PSMV.1.HV四种型号，电源输入电压分AC200V和AC400V两种规格。知识储备-伺服主轴模块的连接4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修一.PSM模块（电源模块）3.PSM模块的接口定义知识储备-伺服主轴模块的连接4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修一.PSM模块（电源模块）4.PSM模块外部电源输入电路电源模块的外部电源输入电路如图所示，来自电网的AC380V电压经过伺服变压器变换成AC200V，经过主断路器、电磁接触器（MCC）主触头、交流电抗器给PSM模块（L1、L2、L3）供电，同时引出单相AC200V经过副断路器和CX1A接口相连接。当电磁接触器线圈断电时，电磁接触器主触头复位，PSM模块断电。知识储备-伺服主轴模块的连接4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修二、SPM模块（主轴放大器模块）1.SPM模块的作用SPM模块接收CNC发出的串行主轴指令，该指令格式是FANUC公司主轴产品通信协议，所以又被称之为FANUC数字主轴，与其他公司产品没有兼容性。SPM模块是根据CNC传递指令控制并驱动主轴电机工作的。2.SPM模块的型号含义α系列主轴放大器主要有SPM、SPMC、SPM.1.HV三种类型。知识储备-伺服主轴模块的连接4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修三、SPM模块的接口定义3.SPM模块的接口定义知识储备-伺服主轴模块的连接4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修四、数控系统I/OLink设备接口与连接1、I/OLink设备接口类型

FANUC数控系统I/OLink设备接口类型有以下几种：

1）FANUC0iI/O模块在FANUC0i.1.C、0i.1.D数控系统上使用的是I/O装置为I/O模块（单元），I/O模块输入/输出点数按照要求选用，如96/64(I/O)。

2）分线盘用I/O模块由基本模块、扩展模块构成。其中，1个基本模块最多可以接3个扩展模块，最大输入点数为96点，最大输出点数64点。

3）I/O单元，对于输入、输出点数较多的数控机床，更多的是使用I/O单元，输入/输出点数可达到1024/1024。

知识储备-伺服主轴模块的连接4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修四、数控系统I/OLink设备接口与连接2、I/OLink设备与外围设备的连接

1）I/O模块之间的连接。I/O模块之间通过数据接口按照JD1A—JD1B方式级连。

2）I/O模块与开关信号的连接。I/O模块与机床操作面板、机床强电柜通过分线盘的连接。

3）I/O模块与手轮的连接。I/O模块JA3B接口与手轮相连接。

4）I/O模块与β系列伺服放大器的连接。I/O模块可以和支持I/OLink连接方式的β系列伺服放大器连接，对于FANUC0i系列数控系统，最多可以连接8个β系列伺服放大器。知识储备-放大器通电流程4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修PSM模块接线图如图知识储备-放大器通电流程4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修在急停状态下，接通断路器1、断路器2后，向伺服放大器CX1A接口控制输入AC200V电压。PSM模块接线图如图所示，CX1A接口控制电源接线如图所示知识储备-放大器通电流程4.2主轴伺服系统的故障诊断与维修通过PSM模块的AC200V引入DC24V作为控制电源。通过CXA2A、CXA2B接口，向各个模块供给DC24V。各个模块将PSM供给的DC24V变为5V电压，用作控制电压使用。CXA2A接口与CXA2B接口连接引脚定义如图所示。知识储备-放大器通电流程4.2主轴伺服系统的故