数控机床主轴控制系统及故障诊断课件

1、第5章数控机床主轴控制系统及故障诊断5. 1概述5. 2变频调速驱动装置5. 3数控机床的主轴换挡5. 4主轴相关系统参数5.1概述机床的主轴驱动与进给驱动相比有着较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，而进给驱动需要丝杠或其他直线运动装置转换成往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给，实现刀具与工件的快速相对切削运动。5.1.1数控机床对主传动系统的要求1.调速范围宽为保证加工时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，特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围提出了更高的要求，要求主轴能在较宽的转速范围内

2、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。下一页返回5.1概述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30，过载1. 5倍时仍可持续工作达30 min。2.恒功率范围要宽要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率，并尽可能在调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(即常在低速段采用机械减速装置)，以扩大输出转矩。3.具有四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

3、止加速到6 000 r/min。上一页下一页返回5.1概述4.具有位置控制能力即进给功能(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、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。5.1.2数控机床主传动系统的配置形式机床主传动系统有时也称主轴系统。数控机床主传动系统是指主轴电动机至主轴的运动传动系统，主轴电动机作为原动力通过该传动系统变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度。1.普通异步电动机配齿轮变速箱与普通机床一样，数控机床采用普通异步电动机配齿轮变速箱来实现主轴速度的变换，电动机可以选用单速电动机也可以选用双速电动机。上一页下一页返回5.1概述通过变速箱上的变速

4、手柄来改变齿轮箱内不同齿轮组的啮合来实现速度粗调，通过系统特殊S代码来控制双速电动机的速度调换和齿轮箱内电磁离合器来实现有级调速(通常有四种变速)。这种配置方式，电动机转速工作在额定转速，主要应用于对主轴转速要求不高的普通型数控机床上。2.三相异步电动机配变频器三相异步电动机配变频器的配置方式通常采用带传动，经过带传动的减速来提高主轴的输出转矩，系统的调速是通过加工指令S代码、控制数控系统轴模拟量的输出作为变频器的速度控制指令，来实现主轴速度的变化。上一页下一页返回5.1概述主轴电动机速度是由变频实现调速，所以输出力矩在中高速时才比较满意，这种配置方式主要应用于需要无级调速但对低、高速要求都不

5、太高的普通型经济数控机床上。3.三相电动机配变频器与齿轮变速箱 三相电动机配变频器与齿轮变速箱的配置方式的电动机可以是普通三相异步电动机，也可以是变频器专用的变频电动机，主轴箱内齿轮啮合的变换是通过M换挡指令来实现(M40M43)的，电动机的速度变化是通过加工程序中的S指令，让系统输出轴控制模拟量作为变频器的速度调速电压，来实现电动机的速度调控。上一页下一页返回5.1概述这种配置方式不仅满足了低速大切削力的要求，而且也扩大了速度的调整范围，实现了主轴调速范围要宽的特性要求。这种配置主要应用于普及型数控机床上。4.伺服主轴系统伺服主轴系统配置是主轴驱动系统采用伺服驱动器和伺服电动机来实现主轴速度

6、的调整，伺服主轴驱动系统响应快，速度高且过载能力比较强，但是价格高，通常是同功效变频器调速的23倍，主轴速度通过加工程序的S代码实现无级调速。同时还可以方便地实现主轴定向、主轴分度、刚性攻丝、主轴进给等功能。上一页下一页返回5.1概述有的数控机床为了提高低速转矩、扩大速度输出范围，还配置了齿轮变速箱。这种配置主要应用在中/高档数控车床、数控铣床和加工中心上。5.高速电主轴高速电主轴是将电动机、传感器和高精密主轴结合在一起，它的应用简化了数控机床主传动结构，提高了传动精度，消除了由于机械传动而产生的噪声，电主轴的最高转速可以达到50 00060 000 r/min，真正实现了主轴的高速运行，主要

7、适合于高速精加工场合。这种配置主要应用在高速精密加工中心及五轴联动数控机床上。上一页返回5. 2变频调速驱动装置5.2.1通用变频器的结构交流主轴电动机多为三相感应电动机，其转速为:由式中可以看出要调节电动机的转速可采用三种方法:变极调速(改变极对数以改变同步转速来调速)、变频调速(改变电源频率以改变同步转速来调速)、变转差率调速(改变转差率来调速)。下一页返回5. 2变频调速驱动装置其中变频调速发展迅速，其调速优点是机械特性硬，转速稳定性好，调速范围广，可实现双向平滑调速。从基频以下调速时磁通恒定，所以转矩恒定，其调速属于恒转矩调速;从基频以上调速时，同步转速随频率升高，气隙磁动势减弱，最大

8、转矩减小，输出功率基本不变，其调速属于恒功率调速。变频器按其工作原理可以分为:v/f控制的变频器，转差频率控制变频器，矢量控制变频器和直接转矩控制的变频器。变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的变换器。与外界的联系基本上分为三部分:一是主电路接线端，包括工频电网的输入端(一般R、S、T)，接电动机的输出端(一般U、 V、 W) 。上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置二是控制端子，包括外部信号控制变频器的端子，变频器工作状态指示端子，变频器与外界的通信接口。三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘。变频器的工作原理如图5-1所示。1.整流、逆变单元整流器和逆变器是变频器的两个

9、主要功率变换单元。电网电压由输入端输入变频器，经整流器整流成直流电压，整流器通常是由二极管构成的三相桥式整流，直流电压由逆变器变成交流电压，交流电压的频率和电压大小受基极驱动信号控制，由输出端输出到交流电动机。上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置2.驱动控制单元(LSI)驱动控制单元主要包括PWM信号分配电路，输出信号电路等。主要作用是产生符合系统控制要求的驱动信号，LSI受中央处理单元(CPU)的控制。3.中央处理单元(CPU)中央处理单元包括控制程序、控制方式等部分，是变频器控制核心。外部控制信号(如频率设定、正转信号、反转信号等)、内部检测信号(如整流器输出的直流电压、逆变器输出的交

10、流电压等)、用户对变频器的参数设定信号等送到CPU，经CPU处理后，对变频器进行相关控制。上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置4.保护及报警单元变频器通常都有故障自诊断功能和自保护功能。当变频器出现故障输入、输出信号异常时，由CPU控制LSI，改变驱动信号，使变频器停止工作，实现自我保护功能。5.参数设定和监视单元 参数设定和监视单元主要由操作面板组成，用于对变频器的参数设定和监视变频器当前的运行状态。 6.制动电阻三相变频器直流母线电压正常时一般为530 V左右，最高不能超过760 V(不同品牌可能稍有不同)，超过这个值变频器可能会损坏，因此到760 V变频器会进行保护(显示OU)。上一

11、页下一页返回5. 2变频调速驱动装置如果在运行时由于某种原因，电机的运行频率高于变频器的指令频率，这时电机就处于再生(即发电)状态，比如起重机的重物下放、大惯性负载的减速、外力的拖动，等等，由于通用变频器的交流部一般均为不可控整流，其产生的能量不能回馈给电网，只能对变频器的直流部电容器充电，制动电阻的作用就是将这部分能量消耗在制动电阻上，使直流母线电压保持在正常值。5.2.2主轴驱动装置的接口图5 -2所示为西门子变频器MM75 2基本接口电路图，采用二相交流220 V电源供电;速度指令由3, 4脚输入(图中通过电位器获得，在数控机床上一般由数控装置或PLC的模拟量输出接口输入)，指令电压范围

12、是直流010V;上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置主轴电动机的启动/停止以及旋转方向由外部开关DIN1和DIN2(智能端子性能由参数设定)控制，当DIN1闭合时电动机正转，当DIN2闭合时电动机反转，若DIN1和DIN2同时都断开或闭合则电动机停止，也可以定义为DIN1控制电动机的启动和停止，DIN2控制电动机的旋转方向。变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电源，控制电动机旋转。相对于进给驱动装置，主轴驱动装置上的接口具有如下特点:(1)输入电源。变频器通常电源电压范围比较宽，如交流230 400 V，进给驱动装置电源电压一般要求是固定的。(2)电动机运行指令。

13、上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置(3)驱动装置及电动机运行状态控制。主轴驱动装置都提供控制电动机正/反转的开关量接口，而进给驱动装置一般不提供。采用脉冲信号作为指令的进给驱动装置，当脉冲指令类型为“脉冲+方向”时，可以把方向信号理解为改变电动机方向的控制接口，而且主轴驱动装置的方向控制接口是和速度模拟指令接口一起出现，多是DC24 V开关量接口;进给驱动装置的“方向”控制接口常和“脉冲”信号一起出现，多是DCS V数字信号。主轴驱动装置一般都提供单极性模拟电压信号，进给驱动装置提供的模拟控制接口多是双极性的。(4)反馈接口。上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置主轴驱动装置一般不具备

14、绝对式编码器接口和第二编码器接口。图5-3所示为主轴变频器的外形。 采用有反馈矢量控制的变频器与主轴伺服驱动器接口基本相同，图5 -4所示为有反馈矢量控制的变频器的典型接口。进给驱动装置和主轴驱动装置有相互融合的趋势，即主轴驱动装置的位置控制功能和精度开始接近进给驱动装置，另一方面进给驱动装置的动态特性、高速特性开始接近主轴驱动装置。5.2.3变频器常见故障及诊断1.变频器无输出电压上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置变频器无输出电压的原因为:(1)主回路不通。重点检查主回路通道中所有开关、熔断器、接触器及电力电子器件是否完好，导线接头有无接触不良或松脱。(2)控制回路接线错误，变频器未正

15、常启动。2.电动机不能升速电动机不能升速的主要原因为:(1)交流电源或变频器输出缺相。(2)频率或电流设定值偏小。(3)调速电位器接触不良或相关元件损坏，使频率给定值不能升高。上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置3.转速不稳或不能平滑调节转速不稳或不能平滑调节故障一般受外界条件变化的影响，故障出现无规律且多为短暂性故障，主要影响源为:(1)电源电压不稳定。(2)负载有较大的波动。(3)外界噪声干扰使设定频率起变化。可通过检测找到故障点和采取相应的解决措施。 4.过电流故障过电流故障为较常见的故障，可从电源、负载、变频器、振荡干扰等方面找原因。上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置(l)电

16、源电压超限或缺相。(2)负载过重或负载侧短路。(3)变频器设定值不适当。一是电压频率特性曲线中电压提升大于频率提升，破坏了V/f的比例关系，造成低频高压而过流。二是加速时间设定过短，需要转矩过大而造成过流。三是减速制动时间设定过短，机组迅速再生发电回馈给中间回路，造成中间回路电压过高和制动回路过流。(4)振荡过流。一般只在某转速(频率)下运行时发生。其主要发生原因有两个:一是电气频率与机械频率发生共振;二是纯电气回路所引起。找出发生振荡的频率范围后，可利用跳跃频率功能跳过(回避)该共振频率。上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置5.过电压故障过电压故障常发生在机组减速制动时，过压原因大都与中

17、间回路及制动环节有关，主要是:(1)电源电压过高，一般超过10%以上。(2)制动电阻阻值过大或损坏，无法及时释放回馈的能量而造成过电压。(3)中间回路滤波电容失效(容量变小)或检测电路故障。应认真检查电容器有无异味、变色，安全阀是否胀出，箱体有无变形及漏液。此电容器一般应5年更换一次。(4)减速时间设定过短。上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置 6.低电压故障低电压故障等主要问题在电源方面。(1)交流电源电压过低或缺相。(2)供电变压器容量缩小，线路阻抗过大，带载后变压器及线路压降过大而造成变频器输入电压偏低。(3)变频器整流桥二极管损坏使整流电压降低。7.过热故障过热故障的原因为:(1)

18、环境温度过高。上一页下一页返回5. 2变频调速驱动装置(2)内部冷却风扇损坏或运转不正常。(3)通风口罩栅被杂物堵塞。(4)负载过重。对上述各种故障的诊断，其发生概率的高低基本符合所列的先后次序，通过检测分析，一般均可较快找到故障点。上一页返回5. 3数控机床的主轴换挡5.3.1数控机床主轴换挡主轴换挡是指通过改变主轴电动机至主轴的传动比来获得更宽的主轴转速范围以及更高的转矩输出的过程。1.主轴换档方式主轴变速分为有级变速、分段无级变速和无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床采用分段无级变速或无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则

19、用于中、高档数控机床。对于采用变频器等主轴驱动装置的主轴电动机，可实现主轴的无级调速。下一页返回5. 3数控机床的主轴换挡数控机床常采用1 4挡齿轮变速与无级调速相结合的方式，即分段无级变速方式，同时满足低速转矩和最高主轴转速的要求。电动机的扭矩、功率和转速有如下的关系：对采用有级变速、分段无级变速的主轴传动系统，就需要轴换挡功能。(1)手动换挡。(2)液压拨叉换挡。液压拨叉换挡是一种有效的办法，但需要附加一套液压装置，将电信号转换为电磁阀动作，再将压力油分至相应的液压缸，因而增加了其结构的复杂性。上一页下一页返回5. 3数控机床的主轴换挡(3)电磁离合器自动换挡。电磁离合器是应用电磁效应接通

20、或切断运行的元件，便于实现自动化操作。主轴的自动换挡由M41M44代码或S指令根据速度范围启动更换相应的挡位，自动换挡控制的具体实现一般由PLC来完成。对换挡时出现的“顶齿”现象，现代数控系统均采用由数控系统控制主轴电动机低速转动或摆动的方法，实现齿轮的顺利啮合。2. CAK6150Di数控车床主轴自动换档图5 -5所示为CAK6150Di数控车床主轴箱齿轮传动示意图。CAK6150Di数控车床配备FANUC-0i Mate TC数控系统。上一页下一页返回5. 3数控机床的主轴换挡主轴电动机动力通过传动带传到主轴箱，再经过主轴齿轮换挡传到主轴，加工程序主轴挡位指令是:M41主轴低速挡, M42

21、为主轴中速挡，M43主轴高速挡，M40主轴空挡。(1)主轴高速传动路线。主轴电动机动力通过传动带传到轴I，通过齿轮啮合实现主轴的高速控制。图5 -5所示中齿轮在高速挡位，两个电磁离合器都不通电。(2)主轴中速传动路线。(3)主轴低速传动路线。(4)主轴空转(脱档手动旋转)。图5 -6为沈阳数控车床CAK6150Di主轴箱齿轮自动换挡结构。上一页下一页返回5. 3数控机床的主轴换挡3.数控车床主轴齿轮自动换档控制流程(1)系统发出主轴换挡指令信号(2)通过挡位检测信号的判别，发出换挡请求指令(3)执行换挡控制(4)主轴换挡切换完成信号输出(5)输入系统挡位确认信号(6)系统发出主轴速度信息(7)

22、主轴放大器驱动主轴电动机实现主轴的速度控制。上一页下一页返回5. 3数控机床的主轴换挡5.3.2数控机床主轴自动换挡控制的常见故障及诊断换档后机床的主轴指令速度与实际速度不符(1)程序换挡速度M代码和主轴挡位实际速度不符，在程序编制时，用低速挡位M代码，速度指令S却是高速速度值。(2)系统参数设定与机械传动实际参数不符，变频器的最高频率设定不正确等。(3)主轴速度反馈装置，如电动机内装传感器故障或主轴独立编码器故障。(4)主轴放大器故障或系统主板不良故障。上一页下一页返回5. 3数控机床的主轴换挡2.主轴换档不能完成(主轴一直在摆动)而发出换档超时报警(1)主轴换挡机械故障，如滑移齿轮移动阻力过大或滑移齿轮损坏。(2)电磁离合器线圈故障，挡位信号输出故障，控制电路故障。(3)主轴放大器不良或系统主板不良。3.主轴不能执行换档控制(1)系统主板故障导致换挡M代码信号未输出，通过系统PMC信号的动态跟踪，检查系统是否发出换挡指令。(2)换挡驱动控制电路故障，PMC输出接口损坏、电磁离合器线圈或控制电路故障。(3)机械换挡故障，如电磁离合器损坏或换挡拨叉损坏等。上一页返回5. 4主轴相关系统参数5.4.1 FANUC 0i Mate-TC数控系统主轴相关参数CAK615