數(shù)控機(jī)床維修之主軸伺服系統(tǒng)

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是在系統(tǒng)中完成主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置部分。它帶動(dòng)工件或刀具作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而能配合進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加工出理想的零件。主軸驅(qū)動(dòng)變速目前主要有兩種形式：一是主軸電動(dòng)機(jī)齒輪換檔，目的在于降低主軸轉(zhuǎn)速，增大傳動(dòng)比，放大主軸功率以適應(yīng)切削的需要;二是主軸電動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶或皮帶驅(qū)動(dòng)主軸，該類主軸電動(dòng)機(jī)又稱寬域電機(jī)或強(qiáng)切削電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，從而提高了傳動(dòng)鏈的可靠性。

一、數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是在數(shù)控系統(tǒng)中完成主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主軸上安裝的刀具（如數(shù)控銑床、加工中心）或工件（如數(shù)控車床）的切削力矩和切削速度，配合進(jìn)給運(yùn)動(dòng)加工出理想的零件。

1、調(diào)速范圍寬并實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速

2、恒功率范圍寬

3、具有4象限驅(qū)動(dòng)能力

4、具有位置控制能力

5、具有較高的精度與剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音低

6、良好的抗振性和熱穩(wěn)定性

二、常用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡介

1、FANUC公司主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

從20世紀(jì)80年代開始， FANUC公司已使用了交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已被交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所取代。目前三個(gè)系列交流主軸電動(dòng)機(jī)為： S系列電動(dòng)機(jī)，額定輸出功率范圍1.5~37kW; H系列電動(dòng)機(jī)，額定輸出功率范圍1.5~22kW; P系列電動(dòng)機(jī)，額定輸出功率范圍3.7~37kW。該公司交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)為：

1）采用微處理器控制技術(shù)，進(jìn)行矢量計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)最佳控制;2）主回路采用晶體管PWM逆變器，使電動(dòng)機(jī)電流非常接近正弦波形;

3）具有主軸定向控制、數(shù)字和模擬輸入接口等功能。

2、SIEMENS公司主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

SIEMENS公司生產(chǎn)的直流主軸電動(dòng)機(jī)有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四個(gè)系列，與上述四個(gè)系列電動(dòng)機(jī)配套的6RA24、6RA27系列驅(qū)動(dòng)裝置采用晶閘管控制。

80年代初期，該公司又推出了1PH5和1PH6兩個(gè)系列的交流主軸電動(dòng)機(jī)，功率范圍為3~100kW。驅(qū)動(dòng)裝置為

6SC650系列交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置或6SC611A（SIMODRIVE611A）主軸驅(qū)動(dòng)模塊，主回路采用晶體管SPWM變頻控制的方式，具有能量再生制動(dòng)功能。另外，采用微處理器80186可進(jìn)行閉環(huán)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制及磁場計(jì)算，從而完成矢量控制。

三、主軸伺服系統(tǒng)常見故障形式及維修

1、外界干擾

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

2、過載

切削用量過大， 頻繁正、反轉(zhuǎn)等均可引起過載報(bào)警。具體表現(xiàn)為主軸電動(dòng)機(jī)過熱、主軸驅(qū)動(dòng)張制顯示過電流報(bào)警等。

3、主軸定位抖動(dòng)

主軸準(zhǔn)停用于刀具交換，精鏜退刀以及齒輪換檔等場合，有三種實(shí)現(xiàn)方式：

（1）機(jī)械準(zhǔn)?？刂?/p>

（2）磁性傳感器的電氣準(zhǔn)停控制

（3）編碼器型的準(zhǔn)?？刂?/p>

4、主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給不匹配

當(dāng)進(jìn)行螺紋切削或用每轉(zhuǎn)進(jìn)給指令切削時(shí)，會(huì)出現(xiàn)停止進(jìn)給，主軸仍繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的故障。要執(zhí)行每轉(zhuǎn)進(jìn)給的指令，主軸必須有每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖的反饋信號，一般情況下為主軸編碼器有問題。可以用下列方法來確定：

1）CRT畫面有報(bào)警顯示。

2）通過CRT調(diào)用機(jī)床數(shù)據(jù)或I/0狀態(tài)，觀察編碼器的信號狀態(tài)，

3）用每分鐘進(jìn)給指令代替每轉(zhuǎn)進(jìn)給來執(zhí)行程序，觀察故障是否消失。

5、轉(zhuǎn)速偏離指令值

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過技術(shù)要求所規(guī)定的范圍時(shí)，要考慮：

1）電動(dòng)機(jī)過載。

2）CNC系統(tǒng)輸出的主軸轉(zhuǎn)速模擬量（通常為0一+-10V）沒有達(dá)到與轉(zhuǎn)速指令對應(yīng)的值。

3）測速裝置有故障或速度反饋信號斷線。

4）主軸驅(qū)動(dòng)裝置故障。

6、主軸異常噪聲及振動(dòng)

首先要區(qū)別異常噪聲及振動(dòng)發(fā)生在主軸機(jī)械部分還是在電氣驅(qū)動(dòng)部分。

1）在減速過程中發(fā)生一般是又驅(qū)動(dòng)裝置造成的，如交流驅(qū)動(dòng)中的再生回路故障。

2）在恒轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生， 可通過觀察主軸電動(dòng)機(jī)自由停車過程中是否有噪音和振動(dòng)的來區(qū)別，如存在，則主軸機(jī)械部分有問題3.檢查振動(dòng)周期是否與轉(zhuǎn)速有關(guān)。 如無關(guān)，一般是主軸驅(qū)動(dòng)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。

7、主軸電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)

CNC系統(tǒng)至主軸驅(qū)動(dòng)裝置除了轉(zhuǎn)速模擬量控制信號外，還有使能控制信號，一般為DC+24V繼電器線圈電壓。

1）檢查CNC系統(tǒng)是否有速度控制信號輸出。

2）檢查能使信號是否接通。通過CRT觀察I/0狀態(tài)， 分析機(jī)床PLC圖形（或流程圖），以確定主軸的啟動(dòng)條件，如潤滑、冷卻等是否滿足。

3）主軸驅(qū)動(dòng)裝置故障。

4）主軸電動(dòng)機(jī)故障。

四、數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)故障維修實(shí)例

故障現(xiàn)象

1.8m臥車主軸在停車時(shí)，發(fā)出巨大響聲，但保險(xiǎn)并未燒壞。

檢查

用診斷板按照說明書中的步驟對系統(tǒng)參數(shù)重新調(diào)整，調(diào)整過程中，發(fā)現(xiàn)線時(shí)間應(yīng)為15s，可是在故障時(shí)已調(diào)整為10s，另外增益電位器所調(diào)的位置也比要求的調(diào)得高，即使增益增大。

分析

所謂線時(shí)間是指系統(tǒng)的上升和下降時(shí)間。對于控制56kW的電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)線時(shí)間由15s改成了10s，那么電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械慣性會(huì)在停車時(shí)在齒輪上發(fā)出巨大響聲，從而使齒輪受到損害。

增大增益可以減少死區(qū)，使轉(zhuǎn)速誤差減小，但增益太大會(huì)使超調(diào)嚴(yán)重，給系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)帶來麻煩，加之線時(shí)間的減少，更加劇了機(jī)械的響聲。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的各種參數(shù)都要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，并根據(jù)每臺電機(jī)及機(jī)械的實(shí)際情況，反復(fù)進(jìn)行調(diào)整而確定，盡管機(jī)床已運(yùn)行多年，各參數(shù)有的也發(fā)生了變化，但這種變化是極微小的，在一般情況下，各電位器箭頭的位置不應(yīng)隨意改動(dòng)。

處理

（1）將線時(shí)間調(diào)整為15s（2）將增益調(diào)小。