“十二五”职业职业 教育国家规规划教材 经经全国职业职业 教育教材审审定委员员会审审定 主编 杨中力 、温丹丽 数控机床故障诊断与 维修 (第三版) 模块七 主轴系统的故 障诊断与维修 工作任务 数控机床的主轴驱动 系统也就是主传动系统，它的 性能直接决定了加工工件的表面质量，它结构复杂， 机、电、气联动，故障率较高，它的可靠性将直接影 响数控机床的安全和生产率。因此在数控机床的维修 和维护中，主轴驱动 系统显得很重要。 工作任务 图7-1是CK7815型数控车床主轴部件结构图,该主轴工作转速范围 为155000r/min。主轴9前端采用三个角接触球轴承12,通过前支承 套14支承,由螺母11预紧 。后端采用圆柱滚子轴承15支承,径向间隙由螺 母3和螺母7调整。螺母8和螺母10分别用来锁紧 螺母7和螺母11,防止螺 母7和11的回松。带轮 2直接安装在主轴9上(不卸荷)。同步带轮 1安装在 主轴9后端支承与带轮 之间,通过同步带和安装在主轴脉冲发生器4轴上 的另一同步带轮 ,带动 主轴脉冲发生器4和主轴同步运动。在主轴前端, 安装有液压卡盘或其他夹具。 本任务通过对 CK7815数控车床主轴部件的分析，掌握该主轴的拆 装步骤，熟悉该主轴模块的结构和性能，了解主轴电动 机的分类、原 理和应用。能够排除主轴不转、主轴不准停或准停位置不准、主轴转 动噪声大、振动大、主轴转 速与实际 指令值不匹配等故障。 工作任务 1-同步带轮 2-带轮 3、7、8、 10、11-螺母 4-主轴脉冲发生器 5-螺钉 6-支架 9-主轴 12-角接触球轴承 13-前 端盖 14-前支承套 15-圆柱滚子 轴承 图7-1 CK7815数控车床主轴部件 结构图 任务目标 1.知识识目标标 （1）学习数控机床主轴系统典型故障的诊断与维修方法。 （2）掌握FANUC 0i数控系统的故障报警及其分类。 （3）通过对 数控机床常见故障的训练 ，掌握故障排除的常用方法 。 2.能力目标标 （1）能使用所配置的主轴变频 器及参数设置方法，会检测 判断 并修理变频 器简单 故障，会用调试变频 器并进行主轴功能的调试 （2）会对主轴的各类故障进行分析诊断与排除 （3）查阅 相关资料能够读 懂主轴控制PLC程序及相关电路。 （4）能撰写维修工作报告，总结 、反思、改进工作过程。 3.素质质目标标 （1）在故障诊断、检测及更换中能严格执行相关技术标准规范和安 全操作规程，有纪律观念和团队意识，以合作方式拟定诊断与修理计划 。 （2）具有自主分析问题和解决问题的能力。 （3）具备环境保护和文明生产的基本素质。 相关知识 数控机床主轴驱动 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。它包括主轴驱动 装置 、主轴电动 机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。通 常主轴驱动 被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床 是车床类；主轴驱动 切削刀具旋转的是铣削加工，所对应 的机床是铣床类。 工作任务 一、主轴轴系统统分类类及特点 全功能数控机床的主传动 系统大多采用无级变 速。目前，无级变 速系统根据控制方式的不同主要有变频 主轴系统和伺服主轴系统两种 ，一般采用直流或交流主轴电 机，通过带传动带动 主轴旋转，或通过 带传动 和主轴箱内的减速齿轮 (以获得更大的转矩)带动 主轴旋转。另 外根据主轴速度控制信号的不同可分为模拟量控制的主轴驱动 装置和 串行数字控制的主轴驱动 装置两类。模拟量控制的主轴驱动 装置采用 变频 器实现 主轴电动 机控制，有通用变频 器控制通用电机和专用变 频器控制专用电机两种形式。目前大部分的经济 型机床均采用数控系 统模拟量输出+变频 器+感应（异步）电机的形式，性价比很高，这时 也可以将模拟主轴称为变频 主轴。串行主轴驱动 装置一般由各数控公 司自行研制并生产，如西门子公司的611系列，日本发那克公司的系 列等。 工作任务 二、主轴轴部件的拆卸与调调整 1.主轴部件的拆卸 主轴部件在维修时需要进行拆卸。拆卸前应做好工作 场地清理、清洁工作和拆卸工具及资料的准备工作,然后进 行拆卸操作。 2.主轴部件装配及调整 装配前各零件、部件应严格清洗,需要预先加涂油的部 位应加涂油。装配设备、装配工具以及装配方法,应根据装 配要求及配合部位的性质选取。操作者必须注意,不正确或 不规范的装配方法,将影响装配精度和装配质量,甚至损坏被 装配件。 工作任务 三、通用变频变频 主轴驱动轴驱动 装置 1.主轴变频 器 随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动 多采用交流主轴电动 机配变频器控制的方式。目前作为主 轴驱动 装置市场上流行的变频器有德国西门子公司、日本 三肯、安川等。 工作任务 （1）变频器主电路 主电路的功能是将固定频率（50-60HZ）的交流电转 换成频率连续可调（0-400HZ）的三相交流电，包括交-直 电路、制动单元电路及直交电路。 （2）变频器控制回路功能及端子接线 掌握变频器控制回路接线端子功能在维修中是非常重 要的 工作任务 （3）变频器输入接线实际 使用注意事项 根据变频 器输入规格选择 正确的输入电源。 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 。 变频 器三相电源实际 接线无需考虑电 源的相序。 面板上的SDP 有两个 LED，用于显示变频 器当前的运行状态 （4）通用变频器常见报警及保护 为了保证驱动 器的安全，可靠的运行，在主轴伺服系 统出现故障和异常等情况时，设置了较多的保护功能。 （5）变频器常见故障 在变频器日常维护过 程中,经常遇到各种各样的问题, 如外围线路问题,参数设定不良或机械故障。 工作任务 2.数控系统与主轴装置的电路连接 （1）西门子802C数控系统和MM420变频器的连接。 如图7-3所示，802C系统通过X7轴接口中的A04/GND4模 拟量输出端口可控制主轴转速，当系统接受主轴旋转指令 后，在输出口输出0-10V的模拟量电压，同时PLC输出 Q0.0、Q0.1控制主轴装置的正反转及停止，一般定义高电 平有效，这样当Q0.0输出高电平时可控制主轴装置正转, Q0.0、 Q0.1 同时为高电平时,主轴装置反转,二者都为低 电平时,主轴装置停止停转。 数控系统X6口接受主轴编码 器反馈回来的信号，主要 用来速度检测和螺纹切削加工，对于普通主轴变频 器和系 统的连接除了硬件上接线外，系统和变频器的参数设置也 非常重要。 工作任务 图7-3 西门子802C数控系统和MM420变频器的连接 工作任务 （2）FANUC 0i Mate 数控系统主轴驱动 的连接 FANUC 0i Mate系统主轴控制可分为主轴串行输出/主 轴模拟输出（Spindle serial output/Spindle analog output ）。用模拟量控制的主轴驱动单 元（如变频器）和电动机 称为模拟主轴，主轴模拟输出接口只能控制一个模拟主轴 。按串行方式传送数据（CNC给主轴电动 机的指令）的接 口称为串行输出接口；主轴串行输出接口能够控制两个串 行主轴，必须使用FANUC的主轴驱动单 元和电动机。 FANUC 0i Mate TC 数控系统模拟主轴的连接如图7-4。 工作任务 图7-4 FANUC 0iMate-TC数控系统与变频器的连接 工作任务 四、FANUC串行数字控制的主轴驱动轴驱动 装置的连连接 不同数控系统的串行数字控制的主轴驱动 装置是不同 的，下面以FANUC公司产品系列为例，说明主轴驱动 装 置的功能连接及设定、调整，参考图7-5。 工作任务 图7-5 Fanuc 0i主轴连接示意图 工作任务 1.FANUC串行数字控制的主轴模块端口及连接 2.FANUC系统系列主轴模块的连接电路 3.FANUC Oi Mate主轴相关参数 （1）FANUC 0i的模拟主轴设 置分为单 极性主轴和双极性 主轴。单/双极性主轴的设置通过CNC主轴参数3706#6、#7设 置极性。 （2）参数 NO.3735设定主轴电 机最低箝制 速度，参数 NO.3736设定主轴电 机最高箝制速度，设定数据的范围为 ：0 4095。 （3）数控机床一般采用手动换 档和自动换 档两种方式，前 一种方式是在主轴停止后，根据所需要的主轴速度人工拨动 机 械档位至相应的速度范围；后者首先执行S功能，检查 所设定的 主轴转 速，然后根据所在的速度范围发 出信号，一般采用液压 方式换到相应的档位。 （4）主轴速度到达信号SAR是CNC启动切削进给 的输入信 号。 工作任务 五、主轴轴伺服系统统故障诊诊断与维维修 当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式： 一是在CRT或操作面板上显示报警信息或报警内容；二是 在主轴驱动 装置上用警报灯数码管显示主轴驱动 装置的故 障；三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。 1.主轴伺服系统常见的故障 （1）外界干扰，主轴转 速会出现随机和无规律性的波动 （2）过载 （3）主轴定位抖动 工作任务 （4）主轴转轴转 速与进给进给 不匹配 （5）转转速偏离指令值值 当主轴转速超过技术要求所规定的范围时，要考虑： 电动机过载。 CNC系统输出的主轴转速模拟量（通常为0-10V ）没有达到与转速指令对应的值。 测速装置有故障或速度反馈信号断线。 主轴驱动 装置故障。 （6）速度偏差过过大 指的是主轴电机的实际速度与指令速度的误差值超过 允许值，一般是启动时电 机没有转动或速度上不去。 工作任务 （7）主轴轴异常噪声及振动动 首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是 在电气驱动部分。 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。 在恒转速时产 生，可通过观 察主轴电动 机自由停车过 程中是否 有噪音和振动的来区别，如存在，则主轴机械部分有问题 。 检查 振动周期是否与转速有关。如无关，一般是主轴驱动 装置 参数未调整好；如有关，应检查 主轴机械部分是否良好，测速装置是 否不良。 工作任务 （8）主轴电动轴电动 机不转转 CNC系统至主轴驱动 装置除了转速模拟量控制信号外 ，还有使能控制信号，一般为DC+24V继电器线圈电压。 主轴电动 机不转要重点围绕这 两个信号检查。 检查 CNC系统是否有速度控制信号输出。 检查 能使信号是否接通。通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC 图形（或流程图），以确定主轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满 足。 主轴驱动 装置故障。 主轴电动 机故障。 （9）主轴轴在加/减速时时工作不正常 （10）主轴轴不能进进行变变速 工作任务 2.诊断流程 根据主轴结构、相关电路原理图（如图7-9）及参数， 维修流程如下： 工作任务 图7-9 主轴故障诊断流程图 任务实施 一、CJK6032数控车车床主轴轴不转转故障维维修 1.维修前调查 2.故障原因分析 3.故障测试与排除 首先观测主轴电机旋转情况，电机不转。观察变频 器上电正常，查看系统PLC输出状态正常，查看变频器正 反转控制信号，发现正转信号线断落。接回后，主轴正常 旋转。 任务实施 二、主轴转轴转 速慢故障维维修。 三、伺服主轴驱动轴驱动 系统维