《数控机床故障诊断与维修》-第三章

３.１主轴驱动系统３.１.１主传动系统数控车床的主运动传动链的两端部件是主电动机与主轴，它的功能是把动力源的运动及动力传递给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动，并满足主轴变速和换向的要求。主运动传动系统是数控车床最重要的组成部分之一，它的最高与最低转速范围、传递功率和动力特性决定了数控车床的最高切削加工工艺能力。下一页返回３.１主轴驱动系统数控车床的主传动系统现在一般采用交流主轴电动机，通过带传动或主轴箱内２～４级齿轮变速传动主轴。由于这种电动机调速范围宽而且又可无级调速，因此大大地简化了主轴箱的结构。主轴电动机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率和转矩将发生变化；也有的主轴由交流调速电动机通过两级塔轮直接带动，并由电气系统无级调速，由于主传动链中没有齿轮，故噪声很小。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统３.１.２数控机床对主轴驱动的要求１.数控机床对主传动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）要有宽的调速范围，数控机床的主传动要保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。（２）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，并减少中间环节，简化主轴箱。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统（３）在整个速度范围内要求主轴均能提供切削所需的功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率，即主轴恒功率范围要宽。（４）要求主轴的正、反向转动时都可进行自动加减速控制。（５）为了满足数控车床等具有的螺纹车削功能，要求主轴能与进给系统实现同步控制，即要求主轴具有旋转尽给轴（Ｃ轴）的控制功能；为满足加工中心的自动换刀以及某些加工工艺（如进镗孔时退刀）的需要，还要求主轴具有高精度的准停功能等。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统为满足上述要求，早期的数控机床常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。进入２０世纪８０年代后期，随着微电子技术、交流调速理论和大功率半导体的发展，交流驱动进入实用阶段，一方面鼠笼式交流电动机不像直流电动机那样有机械换向带来的麻烦和在高转速、大容量方面受到限制；另一方面目前的交流主轴驱动的性能已达到直流驱动的水平，甚至在噪声方面还有所降低，所以交流驱动有取代直流驱动的趋势。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统２.数控机床对主轴电动机的要求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：（１）主轴电动机的输出功率要大，因为数控机床上大约９０％以上的切削力都靠主轴电动机提供。（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、减速时间短。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统（５）电动机温升低。（６）振动小、噪声低。（７）电动机可靠性高、寿命长、易维护。（８）体积小、重量轻，与机械连接容易。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统３.主轴电动机交流伺服电动机的结构有笼型感应电动机和永磁同步电动机两种。而交流主轴电动机与进给电动机不同，交流主轴电动机采用感应电动机形式，这是因为受永磁体的限制，当容量做得很大时电动机成本太高，另外数控机床主轴驱动系统不必像进给伺服驱动系统那样，要求如此高的性能，因此，采用感应电动机完全能满足主轴的要求。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统作为数控机床的主轴电动机，虽然可以采用普通笼型感应电动机，但一般而言，交流主轴电动机是专门设计的，如为了定子铁芯上加工有轴向通风孔以利于散热，为此电动机的外形多呈多边形而不是圆形。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统３.１.３主轴编码器数控车床主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器。该装置可以通过中间轴上的齿轮或同步带轮１∶１与主轴同步转动，也可以通过弹性联轴器与主轴同轴安装。利用主轴编码器检测主轴的运动信号，一方面可实现主轴调速的数字反馈；另一方面可用于进给运动的控制，例如车螺纹时，控制主轴与刀架之间的准确运动关系。数控车床主轴的转动与进给运动之间没有机上一页下一页返回３.１主轴驱动系统械方面的直接联系，为了加工螺纹，要求输给进给伺服电动机的脉冲数与主轴的转数应有相位关系，主轴脉冲发生器起到了主轴传动与进给传动的联系作用。旋转编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式，所以有增量式和绝对式两种类型。按其结构又可分为光电式、接触式和电磁感应式。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统１.增量式光电编码器常用的增量式编码器是增量式光电编码器。增量式光电编码器也称光电盘，其原理如图３-１所示。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光电元器件（如光电管）、整形放大电路和数字显示装置等组成。光电盘和光栏板用玻璃研磨抛光制成，玻璃的表面在真空中镀一层不透明的铬，然后用照相腐蚀法，在光电盘的边缘上开有间距相等的透光狭缝。在光栏板上制成两条狭缝，每条狭缝的后面对应安装一个光电管。当光电盘随被测轴一起转动时，每转过一个狭缝，光电管就会感受到一次光线的明暗变化，使光电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化，而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。通过计数器计量脉冲的数目，即可测量旋转运动的角位移；通过计量脉冲的频率，即可测量旋转运动的转速。测量结果通过数字显示装置进行显示。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与光电码盘圆周的条纹数有关，即分辨角为α＝３６０°／条纹数。如条纹数为１０２４，则分辨角α＝３６０°／１.０２４≈０.３５２°。实际应用的光电编码器的光栏板上有两组条纹Ａ，Ａ和Ｂ，Ｂ，Ａ组与Ｂ组上一页下一页返回３.１主轴驱动系统的条纹彼此错开１／４节距，两组条纹相对应的光电元件所产生的信号彼此相差９０°相位，用于辨向。其结构如图３-２所示，输出波形如图３-３所示。当光电码盘正转时，Ａ信号超前Ｂ信号９０°，当光电码盘反转时，Ｂ信号超前Ａ信号９０°，数控系统正是利用这一相位关系来判断方向的。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统光电编码器的输出信号Ａ，Ａ和Ｂ，Ｂ为差动信号。差动信号大大提高了传输的抗干扰能力。在数控系统中，常对上述信号进行倍频处理，以进一步提高分辨率。此外，在光电码盘的里圈还有一条透光条纹Ｃ，用于每转产生一个脉冲该脉冲信号又称一转信号或零标志脉冲，作为测量基准。其作用是输出被测轴的轴向定位基准信号和被测轴的旋转圈数记数信号。同样，该脉冲也以差动形式Ｃ、Ｃ输出。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统２.绝对式旋转编码器绝对式旋转编码器，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，通过读取编码盘上的代码来测定角位移。绝对式光电编码器的码盘采用绝对值编码。码盘按照其所有码制可以分为二进制码、循环码、十进制码、十六进制码等。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统１）接触式码盘如图３-４所示为接触式四位二进制码盘示意图。在一个不导电基体上做成许多金属区使其导电，其中涂黑部分为导电区，用“１”表示，其他部分为绝缘区，用“０”表示。这样，在每一个径向上，都有“１”“０”组成的二进制代码。最里一圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源正极。除公用圈以外，４位二进制码盘的４圈码道上也都装有电刷，电刷经电阻接地，电刷的布置如图３-４所示。由于码盘与被测轴连在一起，而电上一页下一页返回３.１主轴驱动系统刷位置是固定的，当码盘随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置发生相对变化，若电刷接触的是导电区，则经电刷、码盘、电阻和电源形成回路，该回路中的电阻上有电流流过，为“１”；反之，若电刷接触的是绝缘区，则不能形成回路，电阻上无电流流过，为“０”。由此可根据电刷的位置得到由“１”、“０”组成的４位二进制码。若是ｎ位二进制码盘，就有ｎ圈码道，码盘的分辨α率为上一页下一页返回３.１主轴驱动系统显然，位数ｎ越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。目前，码盘码道可做到１８条，能分辨的最小角度为α＝３６０°／２１８≈０.００１４°。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统２）绝对式光电码盘绝对式光电码盘与接触式码盘结构相似，只是其中的黑白区域不表示导电区和绝缘区，而表示透光区和不透光区。编码盘的一侧安装光源，另一侧安装一排径向排列的光电元件，每个光电元件对准一条码道。当光源产生的光线经透镜变成一束平行光线，照射在码盘上时，如果是透光区，通过透光区的光线被光电元件接收，并转换成电信号，输出为“１”；如果是不透光区，光线不能被光电元件接收，输出电信号为“０”。上一页下一页返回３.１主轴驱动系统如此，在任意角度都有“１”“０”组成的二进制代码与之对应。输出的二进制代码即代表了转轴的对应位置，即实现了角位移的绝对值测量。绝对式光电编码器的码盘大都采用循环码盘（也称格雷码盘），格雷码盘如图３-5所示，格雷码的特点是任意相邻的两个代码之间只改变一位二进制数，这样即使码盘制作和光电元器件安装不很准确，也只能读成相邻两个数中的一个，产生的误差最多不超过“１”，可消除非单值性误差。上一页返回３.２主轴接口连接与控制３.２.１主轴编码器和变频器接口１.主轴编码器接口ＧＳＫ９８０ＴＤ数控系统通过ＸＳ３２接口与主轴编码器连接，接口定义及连接如图３-６和图３-７所示，连接时采用双绞线。下一页返回３.２主轴接口连接与控制２.变频器接口ＧＳＫ９８０ＴＤ数控系统通过ＸＳ３７接口与主轴变频器连接，接口定义及连接如图３-８和图３-９所示。上一页下一页返回３.２主轴接口连接与控制３.２.２主轴变频器１.主轴变频器的控制信号图３-１０为艾默生ＥＶ２０００变频器外部连线，ＥＶ２０００变频器的运行方式有５种：点动运行、闭环运行、ＰＬＣ运行、多段速运行和普通运行。在数控车床主轴变频调速控制中，变频器采用外部端子控制，数控系统发出的ＤＣ０－１０Ｖ信号通过变频器的ＶＣ１—ＧＮＤ端子送入变频器，实现数字量设定转速对模拟量变频器输出的控制，电动机转速的高低由数控系统输出的电压信号的大小来控制。上一页下一页返回３.２主轴接口连接与控制２.主轴变频器的运行操作图３-１１为艾默生ＥＶ２０００变频器的操作面板，其操作如表３-１，变频器接收运行命令的通道有３种：操作面板、控制端子和串行口。上一页下一页返回３.２主轴接口连接与控制３.２.３主要控制参数目前我国生产的数控机床包括从国外引进的数控机床，都有很多的参数要进行设定，其中有很多项的参数又是八位的，每一位都有其独立的含义。这些参数设定的正确与否将直接影响机床的正常工作及其性能的充分发挥。因此，了解和掌握这些参数无论是对机床制造厂还是对用户厂都是非常重要的。特别是用户厂如果能熟练地掌握和应用这些参数，将会使现有的数控机床的使用和性能的发挥上升到一个新水平。上一页下一页返回３.２主轴接口连接与控制上一页下一页返回１.系统参数Ｂｉｔ４＝１：主轴转速模拟电压控制；＝０：主轴转速开关量控制。ＲＳＪＧ＝１：按复位键时，ＣＮＣ不关闭Ｍ０３、Ｍ０４、Ｍ０８、Ｍ３２输出信号；＝０：按复位键时，ＣＮＣ关闭Ｍ０３、Ｍ０４、Ｍ０８、Ｍ３２输出信号。ＳＰＨＤ＝１：“润滑／点动”键为主轴点动功能；＝０：“润滑／点动”键为润滑功能。３.２主轴接口连接与控制上一页下一页返回主轴最高速度指令模拟电压输出为０Ｖ时电压偏置补偿值，设置值增大，输出电压相应提升。设定范围：－２００００～２００００（单位：ｍＶ）。ＳＰＤＬＣ：主轴最高速度指令模拟电压输出为０Ｖ时电压偏置补偿值，输出电压相应提升。设定范围：－１０００～１０００（单位：ｍＶ）。主轴指令（Ｍ０５）停止输出与主轴制动输出延迟时间。设定范围：０～１００００（单位：ｍｓ）。主轴制动输出时间。设定范围：０～６００００（单位：ｍｓ）。３.２主轴接口连接与控制上一页下一页返回主轴点动时间。设定范围：０～６００００（单位：ｍｓ）。主轴点动时的速度ｒ／ｍｉｎ。设定范围：０～８０００（单位：ｒ／ｍｉｎ）。２.变频器主要参数３.２主轴接口连接与控制Ｆ０.００＝０：频率设置初值为Ｆ０.０２，用操作面板▲、

键来调节；＝１：频率设置初值为Ｆ０.０２，用端子ＵＰ／ＤＮ来调节；＝２：串行口频率设置初值取Ｆ０.０２设置，通过串行口频率设置命令来改变设定频率；＝３：频率设置由ＶＣＩ端子模拟电压确定，输入电压范围：ＤＣ０～１０Ｖ；＝４：频率设置由ＣＣＩ端子模拟电压确定，输入电压范围，ＤＣ０～１０Ｖ（ＣＮ１０跳线选择Ｖ侧），ＤＣ０～２０ｍＡ（ＣＮ１０跳线选择Ｉ侧）；＝５：频率设置由端子脉冲（ＰＵＬＳＥ）频率确定（只能由Ｘ７或Ｘ８输入），输入脉冲信号规格：电压范围１５～３０Ｖ，频率范围０～５０.０ｋＨｚ。上一页下一页返回３.２主轴接口连接与控制上一页下一页返回仅对Ｆ０.００＝０、１、２有效。３.２主轴接口连接与控制个位＝０（设定频率掉电存储）：变频器掉电或欠压时，Ｆ０.０２以当前实际频率设定值自动刷新；＝１（设定频率掉电不存储）：变频器掉电或欠压时，Ｆ０.０２保持不变。十位＝０（停机设定频率保持）：变频器在停机时，频率设定值为最终修改值；上一页下一页返回３.２主轴接口连接与控制上一页下一页返回＝１（停机设定频率恢复Ｆ０.０２）：变频器在停机时，自动将频率设定值恢复到Ｆ０.０２。当频率给定通道定义为数字给定（Ｆ０.００＝０、１、２）时，该功能参数为变频器的初始设定频率。ＥＶ２０００有三种运行命令通道。Ｆ００３＝０：操作面板运行命令通道，用操作面板上的ＲＵＮ、ＳＴＯＰ、ＪＯＧ键进行启停；＝１：端子运行命令通道，用外部控制端子ＦＷＤ、ＲＥＶ、ＪＯＧＦ、ＪＯＧＲ等进行启停；＝２：串行口运行命令通道，通过串行口进行启停。３.２主轴接口连接与控制上一页下一页返回该功能适合于操作面板运行命令通道和串行口运行命令通道，对端子运行通道无效。Ｆ０.０４＝０：正转；＝１：反转。３.２主轴接口连接与控制上一页下一页返回最大输出频率是变频器允许输出的最高频率。基本运行频率是变频器输出最高电压时对应的最小频率，一般是电动机的额定频率。最大输出电压是变频器输出基本运行频率时，对应的输出电压，一般是电动机的额定电压。Ｆ０.０８＝０：Ｇ型（恒转矩负载机型）；＝１：Ｐ型（风机、水泵类负载机型）。变频器出厂参数设置为Ｇ型，如果要选择Ｐ型要将该功能码设置为１３.２主轴接口连接与控制上一页返回为了补偿低频转矩特性，可对输出电压作一些升补偿。本功能码设为０时为自动转矩提升方式；设为非０时为手动转矩提升方式。加速时间是指变频器从零频加速到最大输出频率（Ｆ０.０５）所需时间。减速间是指变频器从最大输出频率（Ｆ０.０５）减至零频所需时间。３.３数控车床主轴的具体电路控制１.数控机床主轴控制电路数控机床主轴控制电路如图３-１２所示.２.主轴控制电路分析１）主轴控制回路主电路连接三相电源Ｕ、Ｖ、Ｗ通过空气开关ＱＦ１、交流接触器ＫＭ１、变频器、连接到交流异步电动机Ｍ。下一页返回３.３数控车床主轴的具体电路控制２）主轴控制回路控制电路的连接电动机转动方向控制：变频器ＦＷＤ正转控制端通过继电器ＫＡ１的常开触点连接到ＣＯＭ公共端，ＲＥＶ反转控制端通过继电器ＫＡ２的常开触点连接到ＣＯＭ公共端。继电器ＫＡ１、ＫＡ２的线圈连接到数控系统的ＳＸ３９接口的第７、第８脚，通过继电器ＫＡ１、ＫＡ２控制主轴的正转与反转。电动机速度控制：变频器ＶＣ１速度控制脚连接到数控系统ＸＳ３７接口的第５脚，变频器ＧＮＤ０Ｖ脚连接到数控系统ＸＳ３７接口的第４脚。通过ＸＳ３７接口ＶＣ１、ＧＮＤ两脚产生的０～１０Ｖ直流电压控制主轴电动机的转速。上一页返回３.４主轴不能启动故障诊断与

维修实例分析３.４.１典型故障分析例３-１故障现象：主轴不能转动故障分析与处理：操作数控系统，发现主轴电动机无论正转反转都不能转动，打开控制柜观察发现变频器已上电处于待机状态，继电器ＫＡ１、ＫＡ２均能按照数控系统的功能实现闭合，用万用表测量变频器的ＶＣ１、ＧＮＤ两脚发现没有电压，断电测试ＶＣ１、ＧＮＤ与ＸＳ３７接口的连接线，发现ＶＣ１已开路，恢复连接线上电测试功能正常，故障排除。下一页返回３.４主轴不能启动故障诊断与

维修实例分析例３-２故障现象：主轴电动机只能正转不能反转故障分析与处理：操作数控系统，发现主轴电动机只能正转不能反转，打开控制柜观察发现变频器已上电处于待机状态，继电器ＫＡ１、ＫＡ２均能按照数控系统的功能实现闭合，用万用表测量ＲＥＶ对ＣＯＭ之间的电压，发现无论ＫＡ２闭合以否ＲＥＶ对ＣＯＭ之间的电压都没有变化，拆开继电器ＫＡ２观察发现ＫＡ２的触点已经损坏，更换ＫＡ２上电测试，功能正常，故障排除。上一页下一页返回３.４主轴不能启动故障诊断与

维修实例分析例３-３故障现象：主轴不能转动故障分析与处理：操作数控系统，发现主轴电动机无论正转反转都不能转动，打开控制柜观察发现变频器有Ｅ００８号报警，查阅变频器说明书得知Ｅ００８号报警是电源缺相报警，用万用表测试变频器电源输入端发现缺少一相电源，测试空气开关ＱＦ１输入端电压正常，测试输出端发现电源缺相，拆下空气开关ＱＦ检查发现已损坏，更换ＱＦ１上电测试功能正常，故障排除。上一页下一页返回３.４主轴不能启动故障诊断与

维修实例分析例３-４故障现象：主轴不能转动故障分析与处理：操作数控系统，