数控机床维修之主轴伺服系统

主轴驱动系统就是在系统中完成主运动的动力装置部分。它带动工件或刀具作相应的旋转运动，从而能配合进给运动，加工出理想的零件。主轴驱动变速目前主要有两种形式：一是主轴电动机齿轮换档，目的在于降低主轴转速，增大传动比，放大主轴功率以适应切削的需要;二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。由于无需机械变速，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴箱实际上成了主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传动链的可靠性。

一、数控机床对主轴驱动系统的要求

主轴驱动系统是在数控系统中完成主运动的动力装置。主轴驱动系统通过传动机构转变成主轴上安装的刀具（如数控铣床、加工中心）或工件（如数控车床）的切削力矩和切削速度，配合进给运动加工出理想的零件。

1、调速范围宽并实现无级调速

2、恒功率范围宽

3、具有4象限驱动能力

4、具有位置控制能力

5、具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低

6、良好的抗振性和热稳定性

二、常用主轴驱动系统简介

1、FANUC公司主轴驱动系统

从20世纪80年代开始， FANUC公司已使用了交流主轴驱动系统，直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。目前三个系列交流主轴电动机为： S系列电动机，额定输出功率范围1.5~37kW; H系列电动机，额定输出功率范围1.5~22kW; 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的特点为：

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形;

3）具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。

2、SIEMENS公司主轴驱动系统

SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四个系列，与上述四个系列电动机配套的6RA24、6RA27系列驱动装置采用晶闸管控制。

80年代初期，该公司又推出了1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3~100kW。驱动装置为

6SC650系列交流主轴驱动装置或6SC611A（SIMODRIVE611A）主轴驱动模块，主回路采用晶体管SPWM变频控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用微处理器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。

三、主轴伺服系统常见故障形式及维修

1、外界干扰

由于受电磁干扰， 屏蔽和接地措施不良，主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判别有无干扰的方法是：当主轴转速指令为零时，主轴仍往复转动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。

2、过载

切削用量过大， 频繁正、反转等均可引起过载报警。具体表现为主轴电动机过热、主轴驱动张制显示过电流报警等。

3、主轴定位抖动

主轴准停用于刀具交换，精镗退刀以及齿轮换档等场合，有三种实现方式：

（1）机械准停控制

（2）磁性传感器的电气准停控制

（3）编码器型的准停控制

4、主轴转速与进给不匹配

当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进给，主轴仍继续运转的故障。要执行每转进给的指令，主轴必须有每转一个脉冲的反馈信号，一般情况下为主轴编码器有问题。可以用下列方法来确定：

1）CRT画面有报警显示。

2）通过CRT调用机床数据或I/0状态，观察编码器的信号状态，

3）用每分钟进给指令代替每转进给来执行程序，观察故障是否消失。

5、转速偏离指令值

当主轴转速超过技术要求所规定的范围时，要考虑：

1）电动机过载。

2）CNC系统输出的主轴转速模拟量（通常为0一+-10V）没有达到与转速指令对应的值。

3）测速装置有故障或速度反馈信号断线。

4）主轴驱动装置故障。

6、主轴异常噪声及振动

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。

1）在减速过程中发生一般是又驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障。

2）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3.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。

7、主轴电动机不转

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。

1）检查CNC系统是否有速度控制信号输出。

2）检查能使信号是否接通。通过CRT观察I/0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。

3）主轴驱动装置故障。

4）主轴电动机故障。

四、数控机床主轴伺服系统故障维修实例

故障现象

1.8m卧车主轴在停车时，发出巨大响声，但保险并未烧坏。

检查

用诊断板按照说明书中的步骤对系统参数重新调整，调整过程中，发现线时间应为15s，可是在故障时已调整为10s，另外增益电位器所调的位置也比要求的调得高，即使增益增大。

分析

所谓线时间是指系统的上升和下降时间。对于控制56kW的电动机的控制系统线时间由15s改成了10s，那么电机产生的机械惯性会在停车时在齿轮上发出巨大响声，从而使齿轮受到损害。

增大增益可以减少死区，使转速误差减小，但增益太大会使超调严重，给系统的暂态响应带来麻烦，加之线时间的减少，更加剧了机械的响声。

驱动系统中的各种参数都要进行严格的计算，并根据每台电机及机械的实际情况，反复进行调整而确定，尽管机床已运行多年，各参数有的也发生了变化，但这种变化是极微小的，在一般情况下，各电位器箭头的位置不应随意改动。

处理

（1）将线时间调整为15s（2）将增益调小。