2-2主轴驱动系统故障诊断与维修

第9章 学习情境七 主轴驱动系统故障诊断与维修

数控机床的主轴驱动系统的性能直接决定了加工工件的表面质量，主轴控制只是一个 速度控制系统，实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，保证任意转速的调 节，完成在转速范围内无级变速。在具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为位置控制伺服系统。

9.1 主轴驱动系统概述

主轴驱动系统通过传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度， 完成主运动的动力装置部分，配合进给运动加工出合格的零件。主运动是零件加工的成形 运动，其精度对零件的加工精度影响较大。

数控机床主轴的工作运动通常是旋转运动，与进给轴的进给共同实现刀具与工件的快 速相对切削运动。早期的数控机床的主轴一般采用三相感应电动机，通过配多级齿轮变速 箱实现有级变速的驱动方式。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求。

1．调速范围宽并实现无级调速

为保证加工时能选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量， 特别是具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要 求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自 动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。

目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1：100，恒功率调速范围也可达1：30，一般过载1．5倍时可持续工作30min。

主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速3种形式，其中有级变速仅用于经 济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调 速主轴一般用于普通型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。

2．恒功率范围宽

主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的 最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴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，以扩大输出转矩。

3．具有4象限驱动能力

要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1s内从静止加速到6000r／rnin。

4．具有位置控制能力

即具有进给功能(C轴功能)和定向功能(准停功能)，以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削及车削中心的某些加工工艺的需要。

5．有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低

数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性，最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。采用带传动时应采用齿型带。为提高主轴组件的刚性，应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但需要采用专门的刀具和花键磨床加工。

6．良好的抗振性和热稳定性

在长时间持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡及切削过程中的自振等引起冲击力和交变力，会使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，甚至损坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。因此，主轴组件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。

9.2 不同类型主轴系统的特点和使用范围

1．普通鼠笼式异步电动机配齿轮变速箱

这是最经济的一种主轴配置方式，但只能实现有级调速。由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精工的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属切削和需要频繁变换主轴速度的加工场合。

2．普通鼠笼式异步电动机配简易型变频器

可实现主轴的无级调速，主轴电机只有工作在500r/min以上时才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况；一般采用两档齿轮或皮带变速，主轴仍然只能工作在中高速范围。另外，因为受到普通电机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都无要求的场合。

3．普通鼠笼式异步电动机配通用变频器

进口的通用变频器，除了具有u／f曲线调节外，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善；配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速(100～200r／min)小加工余量的加工，但同样受电动机最高转速的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。

4．专用变频电动机配通用变频器

一般采用有反馈矢量控制，低速甚至零速时都可以有较大的力矩输出，有些还具有定向甚至分度进给的功能，是非常有竞争力的产品。以YPNC系列变频电动机为例：电压，三相200 V、220 V、380 V、400 V可选；输出功率1．5～18．5kW：变频范围2～200Hz：30min150％过载能力；支持V／f。控制、V／f+PG(编码器)控制、无PG矢量控制、有PG矢量控制。提供通用变频器的厂家以国外公司为主，如西门子、安川、富士、三菱、日立等。中档数控机床主要采用这种方案，主轴传动两档变速甚至仅一档即可实现转速在100～200r／min时车、铣的重力切削。一些有定向功能的还可以应用于要求精镗加工的数控镗铣床；若应用在加工中心上，必须采用其他辅助机构完成定向换刀的功能，也不能满足刚性攻丝的要求。

5．伺服主轴驱动系统

交流伺服主轴驱动系统保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电动机无需维护，便于制造，不受恶劣环境影响，目前直流伺服主轴驱动系统已逐步被交流电动机所取代。交流伺服主轴驱动系统通常采用感应电动机作为驱动电动机，由伺服驱动器实施闭环控制。交流主轴电动机均采用交流感应电动机，并且通常多采用不带换向器的三相感应电动机。其定子由对称的三相绕组组成。圆柱体的转子铁芯上是由均匀分布的斜槽、铸铝结构笼条与端部的金属环构成的笼式转子(故也称笼式电动机)。

定子的铁芯具有轴向孔而无外壳，以利通风，所以交流电机往往是非封闭式的电机)。为了提高输出功率，防止主轴的热变形，也有在电动机外壳与前端盖中通有循环油路，实现液体冷却绕组与主轴轴承。交流主轴控制单元，是一种转差频率矢量控制系统，用来控制交流感应电机的。交流电动机的尾部大多同轴安装有脉冲编码器或脉冲发生器。此时，速度反馈可以有两种方式，如果主轴放大器是数字式，则可接受反馈。如果主轴放大器是

模拟式，则直接反馈给CNC主轴伺服接口。采用永磁式同步交流伺服电动机作为驱动电动机，由伺服驱动器实现速度环的矢量控制，具有快速的动态响应特性，但其恒功率调速范围较小。

交流主轴驱动系统分模拟式和数字式两种，具有以下特点：

全数字式主轴驱动系统，可直接使用CNC的数字量输出信号控制驱动器，不需要经过D／A转换，转速控制精度高。主轴转速的提高不受换向器的限制，其最高转速通常比直流主轴的更高，可达到每分钟数万转。采用微处理器和现代控制理论进行控制，运行平稳、振动和噪声小。数字式主轴驱动系统中，可采用参数设置方法对系统进行静态调整与动态优化，系统设置灵活、调整准确。由于交流主轴无换向器，主轴通常不需要进行维修。 具有再生制动功能，在制动时，既可将能量反馈回电网，起节能效果，又能加快启动，制动速度。伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的特点，还可以实现定向和进给功能，通常价格是同功率变频器主轴驱动系统的2～3倍。伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、

主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要

图９－１主轴伺服电机

求很高的加工。如图９－１为主轴伺服电机。

6．电主轴

电主轴是主轴电动机的一种结构形式，驱动器可以是变频器或主轴伺服，也可以不要驱动器。由于电主轴将电动机和主轴合二为一，没有传动机构，因此大大简化了主轴的结构并且提高了主轴的精度，但是抗冲击能力较弱，而且功率还不能太大，一般在10 kw以下，如图９－２。由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展，一般在8000r／min以上，现在最高可达150 000r／min。安装电主轴的机床主要用于精加工和高速加工，例如高速精密加工中心。另外，在雕刻机和有色金属以及非金属材料加工机床上应用较多。这些机床由于只对主轴高

转速有要求，因此，往往

图９－２ 电主轴 不用主轴驱动器。

9.3 FANUC主轴驱动系统介绍

FANUC公司在从20世纪80年代开始已使用了交流主轴驱动系统，并逐步取代了直流

主轴驱动系统。目前有三大系列：s系列电动机，额定输出功率范围1．5～37 kW；H系列电动机，额定输出功率范围1．5～22 kW；P系列电动机，额定输出功率范围3．7～37kW。该公司交流主轴驱动系统有以下主要特点。

（1）采用微处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。 （2）主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机电流非常接近正弦波性。 （3）具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。

例如，FANUC S系列主轴单元伺服系统的基本配置。S系列主轴单元伺服系统的连接

方法如图9—3所示，其中K1为从变压器副边输出的AC200V的三相电，电源电缆应接到主轴伺服单元的R、S、T和G端。K2为从主轴单元的U、V、W和G端输出到电动机的动力线，应与接线盒内的指示相符。K3为主轴伺服单元的端子T上的：R0、S0和T0 输出到主轴风扇电动机的动力线，应使风扇向外排风。K4．为主轴电动机的编码器反馈电缆，其中PA、PB、RA、RB用作速度反馈信号，OHl、OH2为电动机的温控开关接点，SS为屏蔽线。K5为从NC和PMC输出到主轴伺服单元的控制信号电缆，接到主轴伺服单元的50芯插座CNl，其中的信号含义见表9-1。K6电缆从主轴伺服单元的20芯插座CN3输出主轴故障识别信号。该信号由AL8、AL4、AL2、ALl以及COM组成，由它们产生的16种二进制状态表示相应的故障类型，这些信号进入PMC后，由相应的译码程序理后显示在CRT上。

CN1电器柜CN3　交流OM　主轴SM1　伺服LM1　单元RSTG反馈信号线K4动力线K2风扇线K33PB6RB9OH2UV2PA5RA8SS1+5V4主轴0V编码7OH1器主轴WG电机风扇电机三相交流380V伺服变压器380V/220VROSOTO 图9—３ 主轴伺服驱动器

表9-1 K5接口主轴信号表 插头信号 1，2 3，4 5 6 7，8 9，10 11，12 13 14 15，16 17 18 19，20 21 信号名称 SAR1，2 SST1，2 TLML OT MRDY1，2 TLM5，6 ALM1，2 OR OS STD1，2 CTH OM ARST1，2 TLMH 功能 主轴速度到达信号（输出） 主轴零速信号（输出） 主轴扭矩限制信号（输出） TLML\\TMLH信号地线 主轴速运行准备信号（输出） 主轴扭矩限制信号（输出） 主轴故障（输出） 主轴故障报警公共线 主轴速度连续修调，正反转信号地线 主轴速度检测信号（输出） 主轴高速挡信号（输入） 主轴转速表／功率表地线 主轴报警复位信号（输入） 主轴扭矩限制信号（大扭矩）（输入） 22，23 24 25，26 27，28 29 30，31 45 46 47，48 49 50 ORAR1，2 CTM ORCM1，2 OVR1，2 +15 DA2，E SFR SRV EPS1，2 LM1 SM1 主轴定向完成信号（输出） 主轴中挡信号（输入） 主轴定向命令信号（输入） 主轴速度连续修调命令（信号） ＋１５V电源 主轴速度命令（模拟电压）（输入） 主轴正转命令（输入） 主轴反转命令（输入） 主轴急停命令（输入） 主轴功率表信号（输出） 主轴转速表信号（输出）

9.4 主轴电动机驱动方式

1．控制电路

控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭环调速系统，其中内环是电流环，外环是速度环。主轴电动机为他励式直流电动机，励磁绕组与电枢绕组无连接关系，由另一路直流电源供电。

双闭环调速系统的特点是，速度调节器的输出作为电流调节器的给定信号来控制电动机的电流和转矩。其优点在于：可以根据速度指令的模拟电压信号与实际转速反馈电压的差值及时控制电动机的转矩，在速度差值大时，电动机转矩大，速度变化快，以便尽快地使电动机的转速达到给定值；而当转速接近给定值时，又能使电动机的转矩自动地减小，这样可以避免过大的超调，使转速很快达到给定值，保证转速稳态无静差。电流环的作用是，当系统受到外来干扰时，能迅速做出抑制干扰的响应，保证系统具有最佳的加速和制动的时间特性。另外，双闭环调速系统以速度调节器的输出作为电流调节器的输入给定值，速度调节的输出限幅值就限定了电流环中的电流。在电动机启动或制动过程中，电动机转矩和电枢电流急剧增加，电枢电流达到限定值，使电动机以最大转矩加速，转速直线上升。当电动机的转速达到甚至超过了给定值时，导致速度反馈电压大于速度给定电压，速度调节器的输出从限幅值降下来，作为电流调节器的输入给定值将使电枢电流下降，随之电动机的转矩也将下降，开始减速。当电动机的转矩小于负载转矩时，电动机又会加速，直到重新回到速度给定值，因此双闭环直流调速系统对主轴的快速启停，保持稳定运行等功能是很重要的。

磁场控制回路由励磁电流设置回路、电枢电压反馈回路及励磁电流反馈回路组成，前两者的输出信号经比较后控制励磁电流。以FANUC直流主轴电动机为例，当电枢电压低于210V，电枢反馈电压低于6.2V时，磁场控制回路中电枢电压反馈相当于开路不起作用，只有励磁电流反馈起作用，维持励磁电流不变，实现调压调速；当电枢电压高于210V，电枢反馈电压高于6．2V时，此时励磁电流反馈相当于开路不起作用而引入电枢反馈电压。随着电枢电压的提高，调节器即对磁场电流进行弱磁升速，使转速上升。这样，通过速度指令，电动机转速从最小值到额定值对应电动机电枢的调压调速，实现恒转矩控制；从额定值到最大值对应电动机励磁电流减小的调磁调速，实现恒功率控制。

直流主轴驱动装置一般具有速度到达、零速检测等辅助信号输出，同时还具有速度反馈消失、速度偏差过大、过载及失磁等多项报警保护措施，以确保系统安全可靠工作。

2．主电路

数控机床直流主轴电机由于功率较大，且要求正、反转及停止迅速，故驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，这样在制动时，除了缩短制动时间外，还能将主轴旋转的机械能转换成电能送回电网。测速发电机作为速度的检测反馈元件。逻辑无环流可逆系统是利用逻辑电路，使一组晶闸管在工作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从而切断正、反两组晶闸管之间流通的电流(简单环流)。命令级电路的作用是防止正、反向两组晶闸管同时导通，它要检查调电枢电路的电流是否到达零值，判别旋转方向命令，向逻辑电路提供正组或反组晶闸管允许开通信号，这两个信号是互斥的，由逻辑电路保证不同时出现。逻辑电路必须保证系统满足下述条件：

（1）只允许向一组晶闸管提供触发脉冲。

(2)只有当工作的那一组晶闸管断流后才能撤销其触发脉冲，以防止晶闸管处于逆变 状态时，未断流就撤销触发脉冲，以致出现逆变颠覆现象，造成故障。

（3）只有当原先工作的那一组晶闸管完全关断后，才能向另一组晶闸管提供触发脉冲，以防止出现过大的电流。

（4）任何一组晶闸管导通时，要防止晶闸管输出电压与电动机电动势方向一致，导致电压相加，使瞬时电流过大。

逻辑无环流可逆调速系统除了用在数控机床直流主轴电动机的驱动外，还可用在功率较大的直流进给伺服电动机上。

9.5 主轴准停控制

主轴定向准停控制，实际上是在主轴速度控制基础上增加一个位置控制环。常采用位置编码器或磁性传感器作为检测元件。

当采用位置编码器作为位置检测器件时，由于安装不方便，主轴与编码器之间必须是l：l的传动或将编码器直接安装在主轴轴端。而采用磁性传感器作为位置检测器件时，磁性器件只能直接安装在主轴上，而磁性传感头则固定在主轴箱体上。与使用磁性传感器相比，采用编码器具有定位点在0°～360°范围内灵活可调，定位精度高，定位速度快等优点，而且还可以作为主轴同步进给的位置检测器件。

1．主轴有无报警的故障 （1)主轴电机过流报警

发生过流的可能原因有：电流极限参数设置错误；同步脉冲紊乱；主轴电机电枢线圈层问短路，主轴负载过大或机械故障；长时间切削条件恶劣；直流主轴电动机的线圈电阻不正常，换向器太脏；动力线连接不牢；励磁线连接不牢；驱动器的控制励磁电源存在故障；电动机故障：驱动器故障等。

（2)主轴电机过热报警

这时驱动器的过热报警指示灯会亮。

一般先检查主轴电机的冷却风扇是否在转动。如否，机床断电，先检查该风扇的保险丝，再查是风扇损坏还是风扇冷却系统太脏(注意：还应该让电机有足够的时间去冷却后再给机床通电)。

如果报警依然存在，检查主轴电动机或反馈线断线或短路，用万用表测量输出端子，是否接通状况良好，确保连线正确。与直流主轴电机相关的故障主要有以下几种。负载过大或由于电流平方根值大于额定输出转矩的电流平均值。用手触摸电动机，感觉是否发热很厉害，如果发热很厉害，等冷却后再开机，看是否仍有报警，要改善切削条件，调整切削参数降低负载。主轴电机电枢电流大于磁缸去磁前的最大允许电流值而造成磁缸发生不可逆的去磁。带有制动器的直流伺服电机内整流块损坏或是制动器线圈断线或气隙不合适造成制动器不释放。由于油和电刷灰嵌入换向器的云母槽中而引起绕组内部短路或绝缘不

良。

（3)主轴电机断路器跳闸或保险丝熔断报警

这类报警需要根据机床使用期情况来分别重点检查如下方面：

新维修后的机床，电流极限参数设置错误、动力线及反馈线接线错误或相序错误 等：老机床先考虑阻力过大，可能是电刷、测速发电机碳刷磨损及碳粉阻塞、轴承与齿轮或电磁离合器磨损等所造成。大功率管的击穿、大功率执行组件或印刷板故障。主回路故障、控制板故障引起主回路电流过大，电流互感器的短路、电机的缺相、电枢线短路、电枢绕组短路或局部短路、电枢线对地短路等，要排除短路故障。伺服电动机或主回路绝缘不良，检查直流伺服电动机和主回路的绝缘，更换相应部件。反馈检测系统松动或屏蔽接地不良等造成同步脉冲混乱。输入电压太高，用万用表测量输入电压，控制电压在lO％～15％范围内。

2．主轴无报警的故障

（1）主轴速度不正常或不稳定

应该根据速度环控制原理来分析各个环节可能出现的故障。 速度环中速度指令错误或未到达，速度指令电压不良或错误，D／A变换器故障， 通过测量从数控装置主轴接口输出过来的信号，要确保主轴控制信号正常。主轴尾部测速发电机故障，反馈线断线或接触不良，反馈装置损坏，测量反馈信号，保证接线正确，信号正常。电动机故障(如励磁丧失等)，驱动器故障，误差放大器故障，采取交换法判断是 否有故障，采取相应的措施。印刷线路板太脏，电动机负载过重，应清洁电路板，或更换放大器，或重新考虑负载条件，减轻负载。

（2）主轴速度偏差较大 常见成因：D／A变换器故障(如果NC输出的VCMD速度指令为数字信号时)及其接头与线缆的接触不良。而这类故障往往与信号的传递和阻力有关。机械阻力造成的负荷过大。主轴制动未充分释放或机械故障。速度指令或反馈信号线接触不良或断线：没有或未传输到零电流信号。晶闸管整流部分太脏，造成直流母线电压过低或绝缘性能降低。电动机磁体不正常，输出电压不正常，用万用表测量励磁电压，更换磁体或电动机。控制板的励磁回路故障，用交换法测试控制板。

（3）主轴突然停止

对于具有电枢反向和磁场控制的直流主轴调速系统，可以参考维修说明书来分析，可能原因有以下几种。

当出现在钻孔／攻丝工况下，或主轴换向反转时，故障原因可能有：丝锥／钻头变钝、孔径过小、加工中润滑不良、过浅的孔径。此时，程序就可能出现要求：重新选择螺纹或研磨来代替钻孔／攻丝。

可能是因为来自主轴逆变器的信号强度小于可接受的数值。需要查相关的硬件故障。可能是：指令信号丢失——指令信号电缆与端口或主控制器的输出接口不良导致反馈信号的丢失；检测到的信号频率小于最低值(具有主轴定向控制的主轴系统，主轴位置检测器／主轴控制器没有在额定时间内检测到信号一一等待超时。一般前者额定时间为5s，后者为10s)。如果主轴控制器得到的编码器的脉冲数过多超过期望值时，应该检查屏蔽与接地不良，不能排除干扰、编码器损坏。

（4）主轴不能停止或定向不停止

主轴不能停止，是指按主轴停止键后，在规定的时间内(12s)不能停止的现象。这时需要检查主轴停止开关与主轴制动装置等。主轴定向不停止是因为：编码器故障，没有输出零位信号或反馈回路故障，没有传入到系统致使主轴没接收到编码器信号；如果采用磁性传感器定位，检查相关的指示灯是否点亮，如果没亮，有故障，更换磁性传感器；如果主轴停在准停位，仍有报警，说明定向板上的继电器损坏，更换相应继电器。

（5）主轴不转

主轴不转即系统发出指令后，主轴伺服单元或直流主轴电动机不执行，这类故障常见原因如下：

驱动器印刷线路板表面太脏以致内部电路接触不良，实际无速度指令输出。触发脉冲电路故障，晶闸管无触发脉冲产生，属驱动器故障，采用交换法判断是否有故障，更换驱动器。机床未给出主轴旋转信号，(按钮及其连线、+24V电压未加上等)，通过PLC状态监测功能，查看主轴正／反转信号是否送出，主轴速度给定指令是否给出，从数控系统端找出故障，确保各指令正常。电机动力线接触不良，或主轴控制单元与电机之间连接不良，电动机励磁线短路，R、S、T线不正常。用万用表测量各连线端子的接通情况，确保各连接线正常。机械卡死或负载特别大，消除机械故障，减轻负载。机械连接脱落(如高／低挡齿轮切换啮合不良)，碳刷不好或严重磨损，控制板故障，电动机励磁回路或主回路阻值不正常。

（6）主轴异常噪声与振动

根据振动频率高低、是否与转速有关、是否有冲击等来进行判断。

1）对于新机床，振动与噪声与转速无关时，主轴控制单元的电源频率开关设置错误 (50，60Hz)。对于交流主轴电机还需查电源相序不对、缺相或三相不平衡。如是高频自激振动，查控制单元增益电位器或电流反馈回路调整不良。

2）主轴电机旋转时有较大的冲击振动。其成因可能是： ①测速发电机输出电压的突然降落；

②测速发电机在l 000rpm时，输出电压波纹峰一峰值大于2％： ③电机线圈内部短路或不正常；

④电机轴承或传动轴承点缺陷、齿轮断齿等故障。是低频振动，与轴转速有关。 3）主轴电机运转时有较大的噪声。高频噪声，电流环增益过高或RC设置问题，与轴转速无关。低频噪声，当与主轴转速有关时，除了类似伺服电机系统的机械故障外，还有主轴电机与主轴之间的离合器故障。主轴电机低速旋转时有大的波纹(实际是小幅振动)， 当主轴电机振动频率与测速发电机振动频率一致时，是测速机故障引起。当与转速无关时，可能是切削液进入电刷。

4）主轴电机在启动、停车与调速时出现的断续或振动现象，其成因往往与主轴电机线圈不良或脉冲编码器不良(如果有脉冲编码器的话)有关。

（7）电刷磨损严重或电刷面上有划痕 主轴连续长时间过载工作，主轴电动机换向器表面太脏或有伤痕，驱动器控制回路的设置、调整不当。要有计划地使用机床，依照参数说明书，设置好参数，同时清洁换向器，做好密封措施。

（8）过电压吸收器烧坏

通常情况下，是由于外加电压过高或瞬间电网电压干扰引起的。

9.6 VMC650交流伺服主轴驱动系统电路分析

１.主轴电路连接

该数控铣床的连接比较简单，如图9-5，经总电源QF1后，再经降压变压器TM11，就可直接连接到驱动器TB1接口进线电源上。考虑到驱动的散热问题，加装了两台轴流风扇，进行循环散热。TB2接口是用于连接主轴电机的输出电源，JYA2接口是连接主轴传感器Mi，MZi信号。

2.驱动器性能

Βi系列是一种可靠性强、性价比卓越的伺服系统。该系列用于机床的进给轴和主轴，具有充足的性能和功能。通过最新的控制即伺服HRV控制和主轴HRV控制，实现高速、高精度和高效率控制。FANUC BUILT-IN SPINDLE MOTOR BiI 系列和 BiS 系列用于简化机床

结构，实现高精度、低震动的主轴控制。

BiI 系列具有高速高功率的特点，适用于各种车床和加工中心

BiS 系列使用强力钕铁磁，可实现低速时的大扭矩，适用于车床和齿轮加工机床。 BiI 系列中的\表示\感应（Induction）\。

BiS 系列中的\表示 \钕铁磁强力（Strong）电机\。 BiI 系列特点：

使用转速范围切换控制可实现低速大扭矩、高速大功率 磁通量的优化控制可实现较低的电机温升

使用最新的绕组和铸造技术，实现低噪声、低震动和高可靠性 使用树脂铸造和冷却环（选择功能），有效散热，可获得更大转矩和更高功率 BiS 特点：

使用钕铁磁，更大转矩，体积更小 优化的磁路设计，减少扭矩波动 使用子模块SM，实现高速和高功率 使用树脂铸造和冷却环（选择功能），有效散热，可获得更大转矩和更高功率 主轴驱动器的接口见图９－６，具体作用和功能见表９－１ 有关FANUC series 0i mate－MC的主轴控制参数见附表。

QF1L1L2L3TM1RSTTB1SVPM-11iTB2JYA2UVW主轴风扇PC主轴伺服电机

图9-5 VMC650数控铣床的主轴连接

图９－６ 主轴伺服驱动器接口

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 表９－１ 主轴伺服驱动器接口与显示 名称 备注 STATUS1 状态显示LED主轴 STATUS2 状态显示LED伺服 CX3 主电源电磁接触器控制信号 CX4 急停信号（ESP） CXA2C DC24V电源输入 COP10B 伺服FSSB接口 CX5X 绝对脉冲编码器电池 JF1 脉冲编码器：L轴 JF2 脉冲编码器：M轴 JF3 脉冲编码器：N轴 JX6 断电后备模件 JY1 负载表、速度表模拟倍率 JA7B 主轴输入接口 JA7A 主轴输出接口 JYA2 主轴传感器Mi，MZi JYA3 a位置编码器 外部一次旋转信号 JYA4 （未使用） TB3 DC链路端子台 DC链路充电显示LED 见警告 TB1 用于连接主电源的端子台

21 22 23 24 25

CZ2L CZ2M CZ2N TB2 ⊥ 伺服电机动力线：L轴 伺服电机动力线：M轴 伺服电机动力线：N轴 主轴电机动力线 用于凸缘接地的攻丝孔 9.7 主轴伺服系统常见故障及诊断方法

交流主轴驱动系统按信号形式又可分为交流模拟型主轴驱动单元和交流数字型主轴驱动单元。交流电机主轴系统的故障也可以分成报警与不报警两大类。由于近20年大多采用交流主轴控制系统，其故障报警能力也同步发展得愈来愈强。交流主轴控制也分成由 CNC直接处理的与主轴放大器独立处理的两种控制形式。如果是由CNC实现主轴控制， 则可以在CRT上的警示信息画面上以及主轴监视画面上显示主轴系统的报警信息。而主轴放大器上也是以七段数码管来显示故障代码的。可充分利用系统自诊断及其维修手册来进行故障定位。类似于直流主轴系统，交流主轴系统有下面几种故障现象。这些故障可能不报警，或者即使警示也未出示对策。

1．保险丝熔断熔断报警

三相220V交流电经整流桥整流到直流300V，经过一个保险后给晶体管模块，控制板检测此保险两端的电压，如果太大，则产生此报警。交流输入电路的保险丝熔断，其成因大多是：

交流电源侧的阻抗太高。例如当采用了自耦变压器而不是隔离变压器的情况，或保险丝管接触不良。

交流电源输入电路中浪涌吸收器损坏，输入电源存在缺相，可用万用表测量电压。 电源整流桥损坏，电动机电枢绕组短路或局部短路。

逆变器内的晶闸管损坏，连接不良，电动机电枢线短路，电动机电枢线对地短路，确保没有短路现象。

控制单元的印刷线路板故障等。

再生回路(在变频器回路中)的保险丝熔断，大多为主轴电机加速或减速频率太高所致。

2．主轴电机速度超过额定值 可能的原因如下：

新机床试用阶段的设置错误。

所用软件不匹配(只可能发生在更换印刷线路板后)，需要检查主板上的ROM型号。 印刷线路板故障。 3．过载报警 切削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载报警，具体表现为主轴过热、主轴驱动装置显示过电流报警等，导致此故障的原因：

（1）长时间开机后出现此报警可能是负载太大或频繁正、反转；

（2）开机后即出现此报警可能是热控开关（如图9-7）坏了或控制板有故障。

4．交流主轴电机异常噪音与振动

图9-7 温度检测开关

（1）电气驱动部分故障

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。检查这类故障应该分清是在何种情况下产生的。一般情况下，对于电器部分故障，应该检查系统电源相序不对、缺相或三相不平衡；测量反馈信号是否正确，确保接线正确，且反馈装置正常；驱动器是否异常，如增益调整电路或颤动调整电路的调整，根据参数说明书，设置好相关参数。若在加／减速过程中产生，则故障多发生于再生回路。应该检查该回路的保险丝是否熔断，以及晶闸管是否损坏。若在恒速下产生，则应该先检查反馈电压是否正常。然后，突然切断指令，观察电机在停机过程中是否有异常噪声。若有噪声，则故障在机械部分。否则，多是印刷线路板上的故障。若反馈电压不正常，则需要检查振动周期是否与转速有关。若有关，则可能是主轴传动装置故障、主轴电机轴承或其尾部的脉冲发生器故障(参照直流主轴电机相应故障成因)，或者与机械装配不良(间隙、窜动与松动等)有关。若无关，则可能与速度调节器内印刷线路板上的相关电位器调节不良有关。

（2）机械部分故障

机械部分的故障主要由以下原因引起： 1）主轴负载过大，润滑不良。

2）主轴与主轴电动机的连接皮带过紧。

3）轴承故障、轴承预紧力不够或预紧螺钉松动、主轴和主轴电动机之间离合器故障。 4）主轴部件上动平衡不好(从最高速度向下时发生此故障)。 5）齿轮严重损伤，游隙、齿轮啮合间隙过大。

5．主轴不能转动，且无任何报警显示引起此故障的原因及排除见表9-2

表9-2 主轴不能转动故障的原因及排除 故障原因 机械负载过大 主轴与电动机连接过松 主轴中的拉杆未拉紧夹持刀具的拉钉 系统处于急停状态 机械准备信号断路 主轴动力线断线 电源缺相 正反转信号同时输入 无正反转信号 没有速度控制信号输出 使能信号没有接通 主轴驱动装置故障 主轴电动机故障 检查步骤 在停机的状态下，查看皮带的松紧程度 有的机床会设置敏感元件的反馈信号，检查此反馈信号是否到位 检查主轴单元的主交流接触器是否吸合 用万用表测量动力线电压 利用PLC监查功能查看相应信号 通过PLC监视画面，观察正反转指示信号是否发出 测量输出的信号是否正常 通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图，以确定主轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满足 若有条件，利用交换法确定是否有故障 排除故障 尽量减轻机械负载 调整皮带 重新装夹好刀具或工件 根据实际情况，解除急停 排查机械准备信号电路 确保电源输入正常 一般为数控装置的输出的问题，排查系统的主轴信号输出端子 检查外部启动的条件是否符合 更换主轴驱动装置 更换电动机 6．主轴速度指令无效，转速仅有1~2r/min故障的原因及排除见表9-3

表9-3主轴速度指令无效故障的原因及排除 故障原因 动力线连接错误 CNC模拟量输出（D/A）转换电路故障 检查步骤 排除措施 检查主轴伺服与电动机之间的U、确保连线对应 V、W连线 用交换法判断是否有故障 更换相应的电路板 CNC速度输出模拟量与驱动器连接不良或断线 主轴器参数设置不当 反馈线连接不正常 反馈信号不正常 测量相应信号，是否有输出且是否正常 查看驱动器参数是否正常 查看反馈连线 检查反馈信号的波形 更换指令发送口或更换数控装置 依照参数说明书，正确设置参数 确保反馈连线正确 调整波形至正确或更换编码器 7．速度偏差过大

指主轴电动机的实际速度与指令速度的误差值超过允许值，一般是启动时电动机没有转动或速度上不去。引起此故障的原因及排除见表9—4。

表9-4 速度偏差过大故障的原因及排除 故障原因 反馈连接不良 反馈装置故障 动力线连接不正常 动力电压不正常 机床切削负荷太大，切削条件恶劣 机械传动系统不良 制动器未松开 驱动器故障 电流调节器控制板故障 电动机故障 检查步骤 不启动主轴，用手盘动主轴使主轴电动机，以较快速度转起来，估计电动机的实际速度，监视反馈的实际转速 用万用表或兆欧表检查电动机或动力线是否正常（包括相序是否正确） 查明制动器未松开的原因 利用交换法判断是否有故障 排除措施 确保反馈连线正确 更换反馈装置 确保动力线连接正确 确保动力线电压正常 重新考虑负载条件，减轻负载，调整切削参数 改善机械传动系统条件 确保制动电路正常 更换故障单元 8．主轴在加／减速时工作不正常 故障原因：（1）电动机加／减速电流预先设置、调整不当：（2）加／减速回路时间常数设置不当；（3）反馈信号不良；（4）电机／负载间的惯量不匹配；（5）机械传动系统不良。

9．外界干扰下主轴转速出现随机和无规律性的波动 具体故障原因：（1）屏蔽和接地措施不良；（2）主轴转速指令信号受到干扰；（3）反馈信号受到干扰。

10．主轴不能进行变速 故障原因：（1）CNC参数设置不当；（2）加工程序编程错误；（3）D／A转换电路故障；（4）主轴驱动器速度模拟量输入电路故障。

例1 一台配置FANNC 0I系统的数控铣床，主轴在低速时(低于80r／min)时S指令无效，主轴固定以80r／min转速运转。

故障分析：由于主轴在低速时固定以80r／min转速运转，可能的原因是主轴驱动器以80r／min的转速模拟量输入，或是主轴驱动器控制电路存在不良状况。为了判定故障原因，检查CNC内部s代码信号状态，发现它与s指令值一对应：但测量主轴驱动器的数模转换输出(测两端CH2)，发现在S为0时，D／A转换器虽然无数字输入信号，但其输出仍然为0．5 V左右的电压。

由于本机床的最高转速为8000 r／min，对照机床说明书，当D／A转换器输出电压为0．5 V左右时，转速应为80r／min左右，因此可以判定故障原因是D／A转换器(型号：DAC80)损坏引起的。更换同型号的集成电路后，机床恢复正常。

11．主轴出力不足的故障排除，见表9－4

表9－4主轴出力不足的故障排除

故障原因 齿形皮带调节过松 主轴刚性差 主轴电动机故障 检查步骤 在停机状态下，打开保护盖后，可观察 一般为新机床，可能出现此问题 有条件可用交换法测试 排除故障 调整皮带间隙 更换好的电动机 12．FANUC交流主轴控制系统的故障报警，报警显示如图9-８，内容见表9-5。

图9-8 主轴故障报警显示图 表9-5 STATUS显示状态和内容

编号 1 ALM ERR STATUS 无显示 内容 控制电源未接通 电源电路不良 控制电源接通后 在大约1秒钟内显示主轴软件系列。 50 显示软件系列的后2位数。 例如）“50”：软件类型 9D50 显示主轴软件版本 大约1秒钟 04 01，02，03，?对应A,B,C,?。 例如）“04”：软件版本“D”版 CNC电源未接通 — —闪烁 等待串行通信以及参数加载的结束 — —点亮 参数加载结束。电机没有被激活。 00 电机没有被激活。 报警状态 显示01~ SVPM无法正常运行 IV.2请参阅报警显示及其内容 错误状态 显示01~ 顺序不合适或参数设定有误。 2 3 4 5 6 7 8 点亮 点亮 主轴控制器的报警，传统的多采用发光二极管或七段数码显示器来指示，如图9-8。具体状态显示和内容详见表9-5。

FANUC系统常见的主轴控制器上的故障报警有下述几种：

#1报警——电机过热。可能成因：电机负载太大、冷却不良，或控制单元的电缆连 接不良。一般先检查主轴电机的风扇是否在转动，如否，机床断电，检查该风扇的保险丝，让电机有足够的时间去冷却后再给机床通电。如果报警依然存在，再类似伺服系统的过热检查步骤，检查其他。

#2报警——电机速度偏离指令值。可能成因：

转速极限设置不当、电机过载。加速或减速时的报警，查再生回路保险丝熔断、回路中晶闸管损坏或回路线路不良。正常运转时的报警，可能是脉冲发生器故障、速度反馈线断线或不良，以及速度单元印刷线路板故障。

#3报警——主轴伺服单元主回路的直流侧回路上的保险丝熔断。可能由功率管模块 损坏所致。

#4报警——主轴伺服单元主回路的直流输入电路的保险丝熔断。可能成因有： 交流电源侧阻抗太高(例如交流输入端采用的是自耦变压器)。 交流电源输入电路中浪涌吸收器损坏。 主回路上整流用的二极管模块损坏。 逆变器用的晶体管模块损坏。

#5报警——印刷线路板上保险丝熔断。可能是交流电源电压不正常或印刷线路板故 障引起的。

#6报警——电机速度超过最大额定速度值。可能成因有：

印刷线路板上设置开关设置不当，或相应可调电位器调整不良。 印刷线路板上ROM存储器型号不对。 印刷线路板故障。

#7报警——电机速度超过最大额定速度(当采用数字检测系统时)。可能成因同上。

#8报警——主轴伺服单元的直流电源+24v电压太高。主要成因为交流电源输入电压 太高。

#9报警——大功率晶体管的散热片过热。可能成因：电机过载、冷却条件不良。

#10报警——主轴伺服单元的直流电源+15v电压太低。主要成因为交流电源输入电 压太低。

#ll报警——主回路上的直流回路电压太高。可能是交流输入阻抗太高或印刷线路板 不良。

#12报警——主回路上的直流回路中的电流太大。可能成因是主轴电机内绕组存在短路或输出端有短路。

例2 在VMC650数控铣床中，在加工过程中，发现在加工时表面出现周期性振纹。 故障分析：数控铣床表面加工时，表面出现振纹的原因很多，在机械方面，如刀具、丝杠、主轴等部件的安装不良、机床的精度不足等都可能产生以上问题。但该机床周期性出现上述问题，且有一定规律；根据通常的情况，应与主轴的位置监测系统有关，但仔细检查机床主轴各部分，却未发现任何不良状况。仔细观察振纹与x轴的丝杠螺距相对应情况，维修时再次针对X轴进行检查。检查该机床的机械传动装置，其结构是伺服与滚珠丝杠问通过齿形带进行连接，位置反馈编码器采用的是分离型布置。检查发现x轴的分离式编码器安装位置与丝杠不同心，存在偏心，即编码器轴心线与丝杠中心不在同一直线上，从而造成了x轴移动过程中的编码器的旋转不均匀，反映到加工中，则出现周期性波纹。重新安装、调整编码器后，机床恢复正常。

例３ 在数控铣床VMC650的主轴运行过程中，驱动器STATUS1出现报警代码12，主轴停止，查找有关维修说明书，为电流过大或过载。

故障分析：由于数控机床是在加工状态下，估计参数设置没有问题，主要是检查电机的连线及绝缘情况，松开电机的动力线接头，检查绕组电阻和绕阻对外壳的绝缘电阻，发现阻值均正常，再测输出端任两相之间的电阻，阻值几乎为零，说明逆变模块已经被击穿，拆下功率元件（IPM）检查，证实确实损坏。购回新的同规格元件，安装完试机，故障排除。

练习与思考题

１.主轴驱动系统由哪几部分构成？简述各部分的功能。 ２．主轴驱动系统可分为哪几类？简述各自的特点． ３.交流主轴伺服系统的特点是什么？

４.列举交流伺服主轴驱动系统的主要故障．

５.主轴伺服系统出现故障时，通常以何种形式表现出来? 6．主轴伺服系统常见的故障形式有哪些？

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