3数控机床故障诊断与维修

数控机床故障诊断与维修项目三主轴驱动系统的故障诊断与维修•【技能目标】•能够分析主轴驱动系统典型故障的原因并能排除故障。•【知识目标】•熟悉通用变频器常见故障的原因及排除方法。•熟悉串行主轴系统的报警号及故障处理。•熟悉主轴准停控制功能的常见故障诊断。•掌握主轴驱动系统典型故障的原因及诊断方法•【项目导入】•主轴驱动系统也称为主传动系统，是数控系统中完成主运动的动力装置。主轴驱动系统的性能直接决定加工工件的表面质量。主轴驱动系统一旦出现故障，可能会造成工件报废，甚至会造成撞车事件，因此，其可靠性直接影响数控机床的安全和生产效率。•主轴驱动系统故障在数控机床故障中占的比例较大，因此，应掌握主轴驱动系统的典型故障现象，合理运用所学的故障诊断方法对主轴驱动系统故障进行处理。•任务：请根据数控机床主轴驱动系统的故障现象分析故障的可能原因，确定诊断方案并排除故障。•【项目实施及相关知识】•主轴驱动系统包括主轴驱动器和主轴电动机。主轴驱动系统可分为直流主轴驱动系统和交流主轴驱动系统。目前数控机床的主轴驱动系统多采用交流主轴驱动系统，其控制方式有模拟量控制（即变频主轴）和串行数字控制（即伺服主轴）两种。•一、通用变频器及其故障诊断•数控机床常用变频主轴的配置有普通鼠笼异步电动机配变频器（参见图3-1）和三相异步电动机配齿轮箱及变频器（参见图3-2）。图3-1鼠笼异步电动机配变频器图3-2三相异步电动机配齿轮箱及变频器•（一）通用变频器的组成及端子功能•目前作为主轴驱动装置的通用变频器主要有安川变频器、日立变频器、三菱变频器、富士变频器、西门子变频器、台达变频器和艾默生变频器等。下面以多功能型安川变频器为例进行介绍。•变频器主要由主电路和控制电路组成。•1．变频器的主电路•安川变频器的主电路主要包括交-直变换电路、制动单元电路及直-交变换电路，如图3-3所示。•（1）交-直变换电路•（2）直-交变换电路•（3）制动单元电路图3-3安川变频器的主电路及其端子排列图•2．变频器的控制电路•变频器的控制电路与主电路相对应，为主电路提供所需的驱动信号。安川变频器的控制电路端子有开关量输入控制端子（1、2、3、4、5、6、7、8、11）、模拟量输入控制端子（13、14、16、17）、继电器输出控制端子（18、19、20、9、10）、开路集电极输出控制端子（25、26、27）及模拟量输出控制端子（21、23、22），如图3-4所示。•（二）数控机床CNC系统与变频器的连接•下面以CKA6150数控车床配FANUC0TC数控系统为例，来说明数控系统、数控机床与变频器的连接及信号流程和功能。如图3-5所示为CKA6150数控车床主轴驱动装置（安川变频器）的接线图。图3-4安川变频器控制回路端子的功能连接图图3-5CKA6150数控车床主轴驱动装置的接线图•1．CNC到变频器的信号•（1）主轴正转信号（1-11）、主轴反转信号（2-11）•（2）系统故障输入（3-11）•（3）系统复位信号（4-11）•（4）主轴电动机速度模拟量信号（13-17）•（5）主轴点动信号（7-11）•2．变频器到CNC的信号（通过系统的PMC）•（1）变频器故障输入信号（19-20）•（2）主轴达到信号（26-27）•（3）主轴零速信号（25-27）•3．变频器到机床侧的信号•（1）主轴速度表的信号•（2）主轴负载表的信号•（三）变频器报警代码及故障原因•当变频器检测出故障时，会在数字操作器上显示该报警内容，并停止变频器的输出。变频器故障信号发出时，可以根据变频器的报警信息判定故障的产生原因。•1．电压故障•（1）主回路低电压故障UV1（DCBusUnderVolt）•（2）控制电路低电压故障UV2（CTLPsUnderVolt）•（3）浪涌电压保护回路故障UV3（MCAnswerback）•（4）过电压故障OV（OverVoltage）•（5）瞬时停电检查中UV（UnderVoltage）•2．电流故障•（1）过电流故障OC（OverCurrent）•（2）输出侧对地短路故障GF（GroundFault）•（3）输出侧短路故障SC（ShortCircuit）•（4）主回路熔断器故障PUF（DCBusFluesOpen）•3．散热片过热故障OH（HeatSinkOverTmp）•4．电动机过载故障OL1（MotorOverLoaded）•5．功能参数设定错误报警•6．外部端子3～8异常信号输入故障EF3～EF8（ExternalFault3～8）•7．变频器本身硬件或软件故障•二、交流伺服主轴驱动系统及其故障诊断•下面以FANUC的α系列伺服主轴驱动系统为例，说明串行数字控制主轴驱动装置的组成及故障诊断与维修。•（一）串行数字控制的主轴驱动装置及其连接•FANUCα系列伺服主轴驱动系统采用的是模块化结构，伺服驱动模块与主轴驱动模块共用电源模块，模块与模块、驱动器与CNC之间通过I/OLink总线连接。•1．主轴模块•FANUCα系列主轴模块（SPM）的结构如图3-6所示。•2．主轴模块的连接•如图3-7所示为FANUCα系列电源模块和主轴模块的连接图。图3-6FANUCα系列主轴模块（SPM）图3-7FANUCα系列电源模块和主轴模块的连接•（二）串行数字控制主轴驱动装置的报警代码及故障处理•在FANUCα系列主轴模块SPM上，安装有两只7段数码管，用于显示主轴驱动器的报警。当主轴驱动系统出现报警时，红色报警灯ALM亮，同时LED数码管显示报警号。•（三）串行主轴系统的报警号及故障处理•当主轴驱动系统出现故障时，CNC系统就会显示相应的报警号及诊断信息，据此可以确定故障原因及故障部位。•1．串行主轴通信错误报警•2．串行主轴回路启动不良报警•3．主轴故障报警•4．串行主轴的系统诊断号•（四）数控机床主轴的速度和位置控制装置及故障处理•1．串行数字控制主轴电动机的速度检测装置•如图3-8所示为FANUCα系列主轴电动机和主轴放大器的速度反馈信号连接。•2．数控机床主轴位置编码器的作用及信号连接•（1）主轴位置编码器的作用•（2）主轴位置编码器的信号及连接•主轴位置编码器的信号及接线如图3-9所示。•3．数控机床主轴位置检测装置的常见故障及维修•（1）不执行螺纹加工•（2）螺纹加工出现“乱扣”现象•（3）螺纹加工出现螺距不稳现象•（4）主轴定向准停不能完成•（5）加工中心换刀过程掉刀图3-8FANUCα系列主轴电动机和主轴放大器的速度反馈信号连接图3-9主轴位置编码器的信号及接线图•（五）数控机床的主轴准停控制功能及常见故障处理•数控机床的主轴准停控制功能非常重要，现单独对其进行详细介绍。•1．主轴准停功能的主要用途•在自动换刀的数控铣镗类机床中，为保证自动换刀，主轴必须停止在某一固定的位置上（刀柄上的键槽必须与主轴的凸键对准相配），如图3-10所示。•2．主轴准停控制形式•主轴准停的常见控制形式有以下几种。•①通过主轴位置编码器实现主轴准停控制，适用于主轴电动机与主轴传动比为任意传动比（如带齿轮变挡控制主轴传动）及要求主轴具有刚性攻丝功能时，如图3-11所示•②通过主轴电机内装编码器实现主轴准停控制，适用于主轴电动机与主轴直连或1∶1连接时，如图3-12所示。•③通过主轴外装主轴一转信号（接近开关）和电动机内装传感器实现主轴准停控制，适用于主轴电动机与主轴传动比为任意传动比时，如图3-13所示。•数控机床主轴准停控制常用的检测装置如图3-14所示。图3-10主轴准停图3-11使用位置编码器方式准停图3-12使用有MZ/MZiSensor的主轴电动机准停图3-13使用安装在主轴上的外部一转信号准停图3-14常用的准停控制装置•3．主轴准停的常见故障诊断•主轴定向准停控制的常见故障有以下几种。•（1）主轴不能定向准停•1）主轴手动控制准停有效而自动（M19）无效•通过系统梯形图查看主轴准停信号G70.6/G229.6是否为1及M19执行条件是否正确。•2）手动和自动均不能实现主轴准停控制•（2）主轴慢转、“定向准停”不能完成•（3）主轴准停角度出现偏差（固定偏差或随机偏差）•【知识扩展】•一、主轴准停故障的诊断与维修实例•故障现象（一）：某配套FS0的立式加工中心，在更换了主轴编码器后，出现主轴定位时不断震荡、无法完成定位的故障。•1．故障分析与诊断•2．故障排除•故障现象（二）：某采用FS0的加工中心，配套α系列主轴驱动器，在执行主轴定位指令时，发现主轴存在明显的位置超调，定位位置正确，系统无报警。•1．故障分析与诊断•2．故障排除•故障现象（三）：一台配套FANUC11A系统的卧式加工中心，当执行M06换刀指令时，在主轴定向过程中，主轴驱动器发生AL-02报警。•1．故障分析•2．故障诊断•3．故障排除故障现象（四）：某采用SIEMENS810M的立式加工中心，配套6SC6502主轴驱动器，在调试时，出现主轴定位点不稳定的故障。•1．故障分析•2．故障诊断•3．故障排除•二、主轴驱动系统的常见故障与维修实例•故障现象（一）：一台配套FANUC21系统的立式加工中心，在加工过程中，主轴运行突然停止，系统显示ALM2001、ALM409报警，交流主轴驱动器显示AL-01报警。•1．故障分析•2．故障诊断•3．故障排除•故障现象（二）：一台配套FS0T的二手数控车床，采用S系列主轴驱动器，开机后，主轴驱动器无报警显示，但不论输入S**M03或S**M04指令，主轴仅仅出现低速旋转，转速无法达到指令值。•1．故障分析•2．故障诊断•3．故障排除•故障现象（三）：一台配套FS0M的加工中心，采用S系列主轴驱动器，开机后，不论输入S**M03或S**M04指令，主轴仅仅出现低速旋转，实际转速无法达到指令值。•1．故障分析•2．故障诊断•3．故障排除•故障现象（四）：某配套FS0TD系统的数控车床，在自动加工时，发现机床不执行螺纹加工程序。•1．故障分析•2．故障诊断•3．故障排除•故障现象（五）：某配套FANUC0TD系统的数控车床，使用安川变频器作为主轴驱动装置，输入指令SXXM03后，主轴旋转，但转速不能改变。•1．故障分析•2．故障诊断•3．故障排除