《数控机床故障分析与维修》课件第8章

第8章主轴控制系统故障分析8.1直流主轴控制系统与常见故障8.2交流主轴控制系统与常见故障8.3实

例

分

析8.1直流主轴控制系统与常见故障

8.1.1直流主轴控制系统的构成特点直流主轴控制系统，是由直流主轴控制单元与直流主轴电机组成的。直流主轴电机的结构，因为要求大功率输出，所以与永磁式直流伺服电机不同，不能是永磁式，而与普通直流电机类似，是他励式电动机。直流主轴电机的转子与永磁式直流伺服电机相同，由电枢绕组和换向器组成。而直流主轴电机的定子上不但有主磁极绕组，还带有补偿绕组。因此，直流主轴电机一般都有过载能力。大多可以为过载150%(即连续额定电流的1.5倍)。而过载持续时间一般可在1～30min范围内，具体视不同产品而不同。

直流主轴控制单元，也类似于直流伺服控制系统。一般是由速度环与电流环组成的双环速度控制系统来控制直流主轴电机的电枢电压，进行恒转矩调速的。直流主轴控制系统是由主回路与磁场控制回路组成的。三相桥式全控直流主轴系统框图，如图8.1.1所示。图中，上半部为磁场控制回路，而下半部为主回路。这是一个多环系统：电压环、电流环与速度环三种反馈回路组成。常用测速发电机作为速度的检测反馈元件。而由机外的开关控制可逆运转。主回路中，多采用反并联可逆整流电路。由于主轴电机的容量较大，因此所有的功率开关组件大多采用晶闸管。磁场控制回路，是用来控制主轴电机的激励绕组(主磁极绕组)的电流大小，以完成恒功率控制的调速的。在磁场控制回路中，触发器的触发脉冲电路也大多采用晶闸管作为功率开关组件。

图8.1.1三相桥式全控直流主轴系统

图8.1.2所示，是有电枢反向和磁场控制的直流主轴调速系统。其中，触发器与逆变器中也是具有电容器与晶闸管，可以成为故障的成因。其中，换向逻辑与电枢反向控制接触器构成再生回路。它不仅可实现转矩换向控制，而且，如果速度实际值超过调整值而引起转矩反向时，传动装置再生制动，回收的能量通过运行在逆变器方式的晶闸管反馈给电网。上面段落中的变体字，正是直流主轴调速系统中可能出现故障的环节。

图8.1.2

有电枢反向和磁场控制的直流主轴调速系统

8.1.2直流主轴控制系统的常见故障直流主轴控制系统的常见故障有：过热报警、过流/断路器跳闸报警、主轴速度不正常或偏差太大、主轴不转、主轴突然停止或不能停止、主轴电机振动与噪声大等现象。主轴电机过流报警发生过流的可能成因有：电流极限参数设定错误；同步脉冲紊乱；主轴电机电枢线圈层间短路等。

主轴电机过热报警．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(见例2.3.3)。(注意：还应该让电机有足够的时间去冷却后再给机床通电。)．如果报警依旧，检查主轴电机与控制单元之间的连接及其它。

·

与直流主轴电机相关的故障：①负载过大或由于电流均方根值大于额定输出转矩的电流平均值。②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。③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。④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。

主轴电机断路器跳闸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：电流极限参数设定错误、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。可以是电刷、整流子、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。

·

电流互感器的短路、电机的缺相或电枢的短路等问题。

· 反馈检测系统松动或屏蔽接地不良等造成同步脉冲混乱。常见故障现象，有下面几种。

主轴速度不正常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。而首先考虑常见故障：

·速度环中速度指令错误或未到达。

·主轴尾部测速发电机故障。

主轴速度偏差太大常见成因：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。

主轴突然停止①当出现在钻孔/攻丝工况下，或主轴换向/反转时，故障成因可能有：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。

对于图8.1.2那样的具有电枢反向和磁场控制的直流主轴调速系统，可以参考FADAL加工中心维修说明来分析，可能成因如下：② 可能是因为来自主轴逆变器的信号强度小于可接受的阈值。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——等待超时。一般前者额定时间为5s，后者为10s。)电机故障停转、传动装置问题、编码器安装及其本身损坏、反馈电缆与端口问题。换流逆变器故障。③ 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。

主轴不能停止按主轴停止键后，在规定的时间内(FADAL规定为12s)不能停止现象。这时需要检查主轴停止开关与主轴制动装置等。

主轴不转这类故障常见成因为：

·

印刷线路板太脏而出现故障，实际无速度指令输出。

·

触发脉冲电路故障——多见为晶闸管功率开关元件故障。

·

机床未给出主轴旋转信号。(按钮及其连线、＋24V电压未加上等)。

·电机动力线断线，或主轴控制单元与电机之间连接不良。

主轴不转故障，可类似伺服电机不转的分析思路进行分析：►

修前调查：→首先了解有无报警？有报警时：记录下报警号并按说明来查故障相关内容(例FADAL加工中心会有软件报警来显示主轴逆变器所检测到的故障信息)。一般必须检查检测与反馈回路。无报警时：需要了解主轴电机转不转？主轴传动皮带轮转不转？如果电机转，皮带不转，检查主轴传动皮带是否与皮带轮完好接触？并且了解：未断电前检查并记录气压表数字正常？

如果主轴电机与传动皮带轮都不转，采用观察检查法：先外后内、先输入后负载地向下追查。→查面板指令键状况：急停开关释放？(若N，释放之，再对伺服放大器复位。)主轴停释放？主轴转速比选择？主轴旋转方向指令键按下？→查：制动装置释放？夹紧装置卡死？以手扳动主轴阻力？

►

调用参数画面，检查：→软键设置与主轴倍率选择正确？排除软件问题后，则为硬件故障。即可故障大定位于主轴系统。→有关状态参数是否正常。

►

再根据情况，检查：→主轴电机电源是否正常？如正常，则断电检查：主轴控制器信号电缆、电源电缆与驱动电缆完好？如不正常，则断电检查：主轴电机保险丝熔断、过载保护继电器是否脱扣？如是，按其上的复位键(如不能复位，修复或换件)。→再查主轴电机。如果完好，向下继续。→再查线路板污染？如是，清洁。在无危险检查后重新通电。

►

如故障依旧，则采用信号追踪法、隔离体法与独立单元法、变量强制输入法等，逐级检查：磁场控制回路、主轴驱动器(尤其是晶闸管整流电路故障)、主轴控制器(其中触发脉冲电路)。根据上述思路，请读者自行勾画判别流程图。

例8.1.1

西门子3T系统的747MCNC四孔数控镗床，出现主轴不转故障。CRT显示n＜nx。修前技术装备此为直流主轴伺服系统。其工作原理类似于图8.1.2系统框图。软件报警的意义为：速度给定值＜实际转速值。修前调查故障发生前，曾因变电站事故而造成正在加工的机床突然失电，快速熔断器出现熔断现象。

故障特征：突然停电后不能启动故障，软件报警。

据理析象根据报警内容与停电事故，最可能的故障类型：软件故障。但也不能排除停电可能对硬件的损坏。罗列成因注意到：电机未转，实际转速为零。报警内容只可能是速度给定值小于零或无给定值，或者是主控回路中电枢反向接触器回路中接触器的不动作或误动作故障问题、速度指令输出装置无工作电压或印刷板输出接口故障、机床参数丢失。最可能成因：突然停电导致失电性参数混乱。

确定步骤

CRT可报警，可先查机床参数是否混乱→查电源与控制回路。调用参数画面：发现参数混乱。排除故障将机床数据清零后重新输入参数。故障排除。

//注：原案例是，先查速度指令电压为零(应该是在±10V范围内)，又查按钮开关完好，再查各控制回路无故障后。然后向操作人员调查，再怀疑停电对CNC数据的影响。//

主轴异常噪声与振动类似伺服电机的噪声与振动分析方法。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(参见7.5.5节)。

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定错误(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：

·

测速发电机输出电压的突然降落。

·

测速发电机在1000rpm时，输出电压波纹峰－峰值大于2%。

·

电机线圈内部短路或不正常。

·

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：

·

高频电噪声，电流环增益过高或RC设定问题，与轴速无关。

·

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。

8.2交流主轴控制系统与常见故障

8.2.1交流主轴控制系统的构成特点交流主轴控制系统的系统框图，可参考图8.2.1。由图可见，交流感应电机调速系统也是一个多环系统。其中变频器内的滤波电容与大功率器件也是常见的故障组件。

图8.2.1

交流感应电机主轴调速系统

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(这一点与采用测速发电机的图8.2.1不同)。交流主传动目前有三种配置(见图8.2.2)。

图8.2.2

数控机床主传动的三种配置

(1)带变速齿轮的主传动是大、中型数控机床的常用配置，通过简单的几对齿轮减速来扩大输出扭矩。其滑移齿轮大多采用液压拨叉或直接液压油缸来移动，而很少使用电磁离合器，以避免电刷磨损与摩擦、剩磁与发热等影响变速可靠性、加工精度与主轴寿命。

(2)同步齿形皮带传动，常用于低扭矩特性的小型数控机床的主轴传动，以避免齿轮传动引起的噪声与振动，又满足主轴伺服功能。

(3)调速电机直接启动的主传动是小扭矩数控机床新发展的配置方法。主轴与其电动机制成一体。这种主轴电机的转子轴就是机床的主轴，省去了齿轮传动结构，而电机的定子装于主轴头内。它由空心轴转子、带绕组的定子和速度检测器所组成。它简化了结构并提高了主轴部件的刚度，但是电机发热直接影响主轴精度。所以液体油路冷却往往是需要的。

主轴轴承是对数控机床精度与加工质量直接影响的部件。主轴轴承的配置主要有三种形式。普遍使用的前轴承是由双列短圆柱滚珠通常与60

角双列向心推力球轴承组合；后轴承为成对向心推力球轴承。精密的、高速又轻载的数控机床前轴承采用高精度双列向心推力球轴承。而中等精度、低速重载的数控机床的前后轴承则分别采用单列与双列圆锥滚子轴承。除了主轴轴承的本身精度与安装精度直接影响加工精度与主轴噪声与振动外，轴承的温升直接会引起主轴变形而影响加工精度。所以，通常采用润滑油循环冷却系统来带走热量。近些年采用封入高级油脂方式也获得了较理想的效果。

8.2.2交流主轴控制系统的常见故障

保险丝熔断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。

·

电源整流桥损坏。

·

逆变器内的晶闸管损坏。

·

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。

主轴电机速度超过额定值可能的成因：

·

新机床试用阶段的设定错误。

·

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。

主轴电机不转或转速不正常

(可参考直流主轴电机相关故障成因分析)可能成因有：

·NC速度指令下达后，如出现报警，可按报警内容处理。

·

速度指令不正常。如果主轴伺服控制器的速度指令输入为数字信号，应该先检查该控制器内的D/A变换器故障；如果速度指令输入为模拟信号，则应该先检查NC及其输出装置故障。若速度指令正常，就向下检查：

·加/减速过程中出现不正常，再生回路线路或回路内晶闸管故障。

·

恒速时的偏离指令值，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。可以采用急停后以手扳动主轴，用示波器观察脉冲发生器输出信号波形是否随扳动而变化。若无变化，则为脉冲发生器故障或速度反馈线断线故障；否则为反馈线或印刷线路板不良。

·

新机床主轴电机不能启动，需要先检查电机电缆的连接与相序是否正确等。

·主轴电机不能启动，先检查是否有准停信号输入(可能与按钮及其供电线路有关)、是否设定错误，或印刷线路板相关电位器调整不当。然后检查主轴定向控制用的传感器是否安装不良，或印刷线路板不良。

交流主轴电机异常噪声与振动这类故障应该分清是在何种情况下产生的。

·一般情况，应该检查系统电源相序不对、缺相或三相不平衡。

·

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。另外，有些其它故障现象也与主轴系统故障成因相关。例如，系统工作正常，但在自动方式下不能执行螺纹切削功能。可能成因：①主轴电缆断线、有虚焊或接触不良。②主轴编码器故障(脉冲相位、幅度不正常)。③主板主轴脉冲反馈检测电路故障等。再如，车削螺纹乱扣或螺纹不准，可能成因：①

主轴电缆插头未拧紧导致接触不良。②

主轴反馈电缆连接不正确或断线。③

主轴编码器损坏。④

(如果①～③检查都正常时)主板主轴脉冲反馈检测电路故障。⑤

编程问题。

8.2.3三菱交流主轴系统的故障现象与成因

8.2.3.1

三菱CRT上有关交流主轴控制系统的警示信息三菱CRT上有关交流主轴控制系统的警示信息如表8.2.1所示。

表8.2.1三菱CRT上有关交流主轴控制系统的警示信息

续表

在CRT上有关警示信息画面上能以黑体字显示警示信息与警示号。显示的四位警示号后有轴号显示。如果没有轴位(X、Y、Z、A、B、C等)显示，则为主轴警示。如果同时发生多个警示，则在主轴监视画面上也应该显示最后的警示号和其它警示号，以便确认。主轴的警示，包括了主轴参数、主轴放大器、主轴电机和主轴脉冲编码器故障。

有关主轴监视画面上的警示信息如下：

另外，MCP警示中也有有关主轴无信号的警示：

8.2.3.2三菱FR-SE主轴控制器的故障报警

·

0001——电动机过热。①若电机超载或电机启/停过于频繁，应该改变其工作状态。②若电机内装风扇已损坏，应更换。③若电机进气口堵塞，应予以清理。④检查热保护继电器和电机内装温度传感器是否良好。⑤

若不是上述原因，需要检查电机本身故障

·

0010 ——速度误差过大。报警条件：主轴转速＝500rpm时，| 速度指令值－实际显示速度值 |＞允许值，并持续12s。①首先检查是否电机过载(例如，检查是否同时有过载的硬件或软件报警。) ②检查速度检测用的编码器部分：连线是否接触良好、机械传动部分是否有间隙或松动。③

检查印刷线路板SE-CPU1或SE-101板是否有故障。

·

0100 ——断路器跳开。①瞬间主轴控制器电源电压低于额定值(180V)。适当提高其供电电压。②整流/逆变(IOC)部分可能有问题(注：常见为滤波电容击穿、功率管损坏或线路故障)。

(注意：实际成因远不止这些。请参考前面所述内容。)

·

0101—— 缺相。①缺相。检查输入电压值。②

F1、F2、F3保险丝熔断。需要检查有无其它问题后，更换保险丝。

·

0110 ——外部急停。当SW7-2开关接通时，有外部急停，可出现此报警。需要彻底检查原因后排除故障，重新通电才返回正常工作状态。当SW7-2开关断开时，即使有外部急停，也不会出现此报警。

·

0111——超速。报警条件：电机转速＝115%最大转速时，触发超速检测电路后，此号报警灯才点亮。①最大转速的设置不当(在印刷线路板上跳码与设定开关设置)。参照机床原始资料来检查SE-I01板的PIN1的设定是否正确；检查SE-CPU板上SW7-4～8、SW6-7的设定是否合适。②

速度检测器指令电路故障。更换备板法。需注意依次顺序为CPU1板、CPU2板和SE-IO1板。

③速度检测器故障。应检查编码器的输出频率。在1500rpm时其频率为：(256×1500)/60＝6.4kHz测量是在CPU2板上的CH59与CH62端子间，以及CPU1板上的CH60与CH57端子间进行的。

·

1000——IOC(注：断路器)(整流/逆变控制器)断开，报警来自于逆变器部分。

·

1100——IOC(整流/逆变控制器)断开，报警来自于整流器部分。上述两个报警条件：都是因在报警装置上有过电流通过所致。可能的成因如下：①

大功率组件的损坏。可断开主轴控制器与电机之间的连接，在无负载的情况下让主轴控制器工作。若IOC报警依旧，表明大功率器件损坏，予以更换。若报警消失，用信号追踪法继续向下追查成因。

②检查电机负载是否过大。③检查主轴电机的连接是否松动。 ④检查主轴电机绕组是否存在匝间短路或与地短路现象。正常情况，匝间绝缘电阻应该大于1M

。⑤检查在主轴电机加速或减速时主轴控制器供电电压值是否下降而低于180V。⑥

用示波器检查在主轴电机加速或减速时主轴控制器电源电压波形。若出现局部波形下降，其下降幅值只允许在2%～3%范围内，而持续时间不得大于100

s。

⑦用示波器检查主轴控制器电源电压的频率误差不得超过±3%。⑧

电流检测电路可能有故障。其整流器部分电压检测端子为CH30与AGA。逆变器部分电压检测端子为CH43A与AGA。如果电压峰值达到10V则表明存在故障。

·

1001——控制装置过热。①环境温度过高(超过55℃)。②冷却风扇工作不正常或冷却系统过脏而造成通风冷却不良。③

主轴电机过载或启停过于频繁。应改变工作状态。

·

1010 ——欠电压。报警条件：当主轴控制器电源电压值为170～164V或更低，而持续时间超过25ms时。①如果仅在转速变化或负载增大时出现报警，而复位后又可正常运转，则设法提高供电电压。②

如果复位后报警不消失，应该检查电源电压与控制电路的＋5V电压是否正常。如果正常，则应该考虑SE-PW板故障。

·

1011——逆变器部分过电压。报警条件：当逆变器内部滤波电容上的电压值达到其上限安全值时，就出现该报警。①瞬时电压波动或减速时存在电源故障。若LED17也点亮，则应该复位法来观察具体变化。②

电压检测电路故障。应该更换SE-IO1板。

·

1101、1110或1111——CPU故障。故障成因：CPU内部逻辑电路故障或操作失误所致。在重新复位后观察CPU1板或CPU2板上的故障灯LED13～LED16是否点亮。若不亮则故障发生于CPU本身故障。此时需要更换相应的CPU板。若故障灯点亮，则为操作失误。修正操作方法。注意：修前环境条件是否满足系统要求是首要应该调查的内容。充分利用技术资料提供的诊断方法。但是资料上多是罗列了各种成因，还必须结合我们一再强调的诊断基本原则。正确的思路是提高诊断效率的金钥匙。

8.2.3.3三菱主轴系统的无报警故障

·

电机不工作。①检查是否有外部急停，或清零复位信号输入。②检查电机连接电缆是否断开。③检查交流电源输入是否正常。④

检查主轴控制器内部各电路板。SE-PW板上可直流电压值是否正确。

⑤

检查控制电路板是否有故障。将SW6-2处OFF位置(即隔离体法——断开了作为其负载的速度环)。(缺省位置为ON)信号强制输入法，增加指令转速，在SE-IO1板上CH5与AGB间、CH4与AGB间检查其输出是否为标准正弦波形，以判定是否存在故障。

·

电机只能慢转。①检查电机是否按正确的相序与控制器的U、V及W端子连接。②检查电机的三相电源输入是否正常。③检查转速指令输入是否正确。④

检查转速检测用的编码器或安装故障。

·

电机转速不随指令变化，而只按一恒定转速运转。隔离主轴控制器，外接信号源的连续变化的速度指令输入下，在主轴控制器的CH41与AGA端子间测量是否可在0～10V间作线性变化的输出。以判断故障是否在控制器。若输出正常，则继续追踪可能成因。

·

无转速到达信号。① SE-IO1板上输出电路故障。完成加/减速后SE-CPU板上LED7应点亮。否则应换SE-IO1板。②若LED7不亮，而其它运转均正常却无转速到达信号时，则可能是转速到达检测电路有故障，也应更换SE-IO1板。

(无转速达到信号，还可能产生无进给动作故障)

·

无零转速检测信号。在电机转速低于25rpm或50rpm时，SE-CPU板上的LED10必点亮。① LED10点亮，但无零转速检测信号。SE-IO1板上RA-1继电器或板子本身故障。②

LED10不亮，表明检测电路有故障。应该更换SE-CPU1板或SE-CPU2板。

·

振动及噪声大。①电机绝缘电阻降低。检查控制装置主回路对地、控制电路COM端对地，以及主回路与控制电路的COM端子间(注：接地噪声)的绝缘电阻均应大于20M

。②电机底座紧固螺栓是否松动。③电机自身是否存在动不平衡。需要调整。④电机轴向是否有窜动。⑤电机轴承是否有故障。⑥

SE-IO1板上CH5与AGA端子间、CH6与AGA端子间的电压基准正弦波是否不平稳。

·

转速控制正常，但主轴定向停有问题。确立的主轴定向转速下电机不可停止，可能是接近开关与感应挡块的间隙不当或位置编码器的机械传动不良等。如果执行了定向停动作，但是所停位置有误差时，应参照维修手册予以调整。

8.2.4FANUC交流主轴控制系统的故障报警主轴控制器的报警，传统的多采用发光二极管或七段数码显示器来指示。以FANUC系统为例，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。如果报警依旧，再类似伺服系统的过热检查步骤，检查其它。

#2报警——电机速度偏离指令值。可能成因：①转速极限设定不当、电机过载。②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。③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：①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。)②交流电源输入电路中浪涌吸收器损坏。③主回路上整流用的二极管模块损坏。④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：①印刷线路板上设定开关设置不当，或相应可调电位器调整不良。②印刷线路板上ROM存储器型号不对。③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。

#11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。可能成因有：①主轴电机内绕组存在短路或输出端有短路。②逆变器用的晶体管模块损坏。③

印刷线路板故障。

#13报警——CPU故障。需要更换主轴伺服单元上的CPU芯片。

#14报警——ROM故障。可能为ROM供电线路故障、本身故障或其内存储的程序编号错误。建议：对比直流与交流主轴系统的故障，归纳出共性的东西，并试着勾画各个故障判别流程图。

8.3实

例

分

析

例8.3.1MAZATROLCAM-2数控系统的VQC15/40加工中心，出现主轴超载与过流报警。故障现象加工程序主轴转速指令＞150rpm，直接启动时，主轴控制器FR-SE上断路器CB1就跳闸，主轴控制器报警显示为1100。修前技术准备

对有关报警查维修手册，1100报警内容为主轴变频器内主回路整流/逆变器部分检测到了过电流(类似8.2.3.2节中的1100报警情况)。系统框图如图8.1.3所示。

修前调查

由于操作者失误导致旋转中的主轴与工作台相撞。此后发生CB1跳闸与主轴控制器上1100报警。故障特征：撞车后硬件报警——过流报警。 据理析象过电流报警是撞车时出现的过载所致(过载导致的过流)。故障类型：过大电流流经之处的硬件故障。撞车造成过载，突然的阻抗增大引发大电流，根据感生电动势原理，过大的电流应该是线圈内的感生电流。

罗列成因确定步骤根据系统框图，可以查到：过流应该首先与主回路中电流检测回路直接相关。由资料可知：主回路中的电流检测器是由互感器与霍尔元件组成的(见图8.3.1)。而其它硬件故障只是过电流后引发的次级后果。所以，确定步骤为：→互感器线圈烧毁？——外观检查与万用表测量。→如否，需要故障定位于电机/主轴控制器：隔离主轴电机，作主轴旋转，如报警消失，则电机绕组故障；如报警不消失，则为主轴控制器故障。

→追查主轴控制器上的故障元件：接好电机，手动操作进行主轴正反转试验。若主轴不转，则查大功率组件损坏。若主轴可转，以MDI方式逐一启动作转速试验。若跳闸与报警依旧，则调整主轴电机前盖内PLG与PCB板上(速度检测传感器与前置放大器参数调整用)电位器VR1～VR4，观察在1300rpm下正传与1800rpm下反转的波形是否正常……

图8.3.1带有霍尔元件与电流互感器的电流检测器

合理测试故障定位外观检查互感器有异味与变色，万用表测得原线圈断路。确定：撞车时主轴电机严重超载时引发的瞬间大电流烧毁了互感器RO-2。排除故障恢复设备更换相同型号的互感器，故障排除。

//注：原实例处理的诊断步骤是反过来进行的，最后才检测互感器。多花了许多时间。显然，修前技术准备、调查与据理析象后，找出最可能的故障成因，对于提高维修效率是十分重要的。//

例8.3.2

北京机床研究所生产的KT1400V立式加工中心主轴电机过热报警。故障现象故障发生时，CRT上显示“2001#SPDLSERVO.AL:409#SERVO.ALARM:(SERIACERR)”报警信息。同时，主轴伺服单元PCB上显示：AL-01(主轴电机过热报警)。修前技术准备

关于CRT的报警信息，技术资料上没有说明。但是，这说明故障已引起检测器到NC的反馈。从AL-01与CRT内容看，报警主要是主轴电机过热。勾画与报警相关的系统框图，如图8.3.2所示。

图8.3.2与报警相关的系统框图

修前调查机床环境与外观正常，正常加工而无过载重切削。主轴电机温度正常，无异味。故障特征：Z轴下移时而主轴未动，发生主轴伺服系统软件报警与主轴电机过热硬件报警。据理析象判断类型

已不是单纯的电机过热。必须分析主轴电机过热报警机理。

由第5章中可知，热继电器的工作原理是热元件受热温升形变而产生断开动作。是热元件受载电流的热效应：热量

电流

电阻平方

时间。足够的热量才能使热元件变形动作。但是，热继电器可能发生误动作。一般必须与其它的短路保护器(熔断器、接触器、断路器与漏电保护装置)一起使用。但是本例的修前调查得知：熔断器与断路器未动作，电机又未超载且不热。最可能是受强烈的冲击振动或负载效应——阻抗过大——导致误动作。所以，应该是冲击振动与接线不良引起的阻抗过大，造成热继电器的误动作。故障类型：硬件故障。

罗列成因确定步骤

由报警机理分析可见，此现象为热继电器误动作，其可能成因：只可能来自于电网突然波动或机床轴动作或Z轴移动时的冲击振动与接线不良。由修前调查知(Z轴下移而主轴未动)，最可能的成因为移动电缆的连接不良。

合理测试故障定位打开电机接线盒，检查热继电器电缆线时发现：其中一根电缆松动而脱落。检查松动原因是电缆线的长度未给移动留出足够的余量，所以Z轴上下移动，电缆长期受张力而松动以致脱落。该电缆正是热继电器触头信号电缆。该电缆的脱落模拟了热继电器开关断开动作，导致过热报警。排除故障恢复设备

从电气控制柜中将主轴电机电缆拉出一段，以保证它具有足够的移动余量。重新焊接好脱落的接头。故障排除。

例8.3.3

FANUC-6M系统XH754卧式加工中心AC主轴无法启动，无报警显示。修前技术准备来自NC的速度指令为数字信号。根据主轴工作原理，可勾画与故障相关的系统框图，如图8.3.3所示。修前调查老机床。外观、环境与电源正常。显示器正常，但无论手动还是自动方式均不可启动主轴。在MDI方式时，CYCLE与START灯点亮，但也不能启动主轴。故障特征：正常使用期的机床，任何方式都不可启动主轴，无报警显示。

图8.3.3与交流主轴不转相关的系统框图

据理析象判断类型

无报警成因：NC装置故障而不可检测，或报警内容超越报警内容。

NC不能检测的软件成因是NC参数设置问题。若参数设置正常，需要了解实时信号参数画面上NC是否发出了速度指令，(由MDI方式显示的指示灯表明NC装置基本完好)以判定是否可大定位于NC装置及其输出装置的硬件故障。

若NC完好，可能是存在问题已超出了NC报警范畴，故不可报示故障是定位于机床侧或是主轴伺服系统。机床侧包括面板输入键、键盘的＋24V供电、连接，以及主轴电机及其传动装置。由关于主轴伺服系统可报警内容可见(见FANUC系统报警内容)，NC完好而无主轴报警，则可排除主轴伺服供电问题、主轴伺服单元主回路及速度调节与驱动故障，但无法检测D/A转换器的输出。由于任何方式都不能启动主轴，应该首先查实时输入信号参数中急停/准停信号，及其面板上急停键状态。由于无突然停电事故，基本可排除参数故障。又因为是用久的老机床，判定故障类型：硬件故障。

罗列成因确定步骤分析后，可罗列故障成因及其诊断步骤如下：急停键实际状态→电机是否卡死→主轴参数设定是否正确→实时输入信号画面上急停/准停与实际速度指令是否正常→指令传送是否通达：D/A转换器故障→NC输出装置及其连线故障→电机及其电缆连接故障等。现场观察时，急停键位正常，手扳动主轴无卡死现象——先外后内。调用NC参数设置画面，参数正常。调用实时输入信号参数画面，急停/准停输入为0。面板主轴正反转按钮按下时，实际速度指令正常。排除了NC故障的可能。由于NC装置正常，无主轴系统报警，则可故障定位：D/A转换器。

故障点测试手动方式时，以万用表测得D/A输出信号始终为0。停电，拔下D/A转换芯片DAC80-0B1，发现有一插脚蚀断。 排除故障重新小心地用不带电的烙铁焊接以修复插脚，清洁芯片插脚后将其插好。机床恢复正常。

//注：充分利用机床报警信息技术资料与实时信号画面，先外后内、先软后硬地进行故障大定位。老机床上器件的锈蚀是常见现象。//

例8.3.4

JCS-018立式加工中心出现剧烈抖动，CRT上有#01报警。修前技术准备与调查查使用手册知：#01报警为交流主轴伺服报警。机床电控柜中的主轴伺服驱动单元上有AL-04报警。查得：交流耦合电路中F1、F2与F3熔断器熔断。据理析象判断类型

故障特征：三相熔断器熔断与剧烈振动。故障大定位：交流主轴伺服交流侧电源回路中硬件故障。

罗列成因确定步骤故障成因参见8.2.2节中有关主轴电机振动与交流输入电路的保险丝熔断可能成因。主轴电机振动的一般成因可能是系统电源相序不对、缺相或三相不平衡。而保险丝熔断第一成因：交流电源侧的阻抗太高。最可能的成因：保险丝管的接触不良与输入阻抗过大，可造成三相的不平衡输入，从而可以导致电机的振动。首查交流输入电源回路三相电压及接头。

合理测试故障定位测量交流主轴伺服装置的电源输入端电压：R相与S相都为220V，而T相为120V。向前测量配电变压器输出的三相也不平衡；再向前查机床总电源输入也如此。追踪检查机床三相断路器的输出而打开断路器发现，低压的一相熔断器接线螺丝松动，它成为三相电源不平衡的真实原因。排除故障

更换已熔断的熔断器、拧紧松动的断路器接线螺丝后故障排除。

例8.3.5

CWK800卧式加工中心在停车时，其西门子6SC6508交流变频调速系统装置上出现F41报警。修前技术准备查报警内容为：“中间电路过电压”。修前调查

本例故障特征为：停车时中间电路过电压报警。加速时正常。

据理析象判断类型

交-直-交变频器(见图7.1.14)是由整流全桥、再生回路与逆变器组成的。所谓的中间电路即是指再生回路。再生回路，是应用电容滤波——即吸收网络来吸收脉动电流，将电网波动引起的无功功率与电动机感应再生电能一起反馈给电网而具有再生机能的回路。再生回路中的电容的失效将导致滤波与馈能功能的丧失。电机制动时会造成过电压。制动时间过短，则过电压更高。所以，故障类型：硬件故障，但也与参数设置有关。

罗列成因确定步骤最可能的成因是制动时间参数的设置与再生回路中滤波电容的击穿。先查系统出厂的参数设置：主轴电机启动与制动时间参数P16与P17均为0。过小的过程时间，易造成过大的感生电动势超过电容器的电压容量而导致电容器击穿。

合理测试故障定位再生回路中，先检查得熔断器F7(125A/660V)熔断。用万用表测试得再生回路中电容器C100与C101(22P/1000V)击穿而短路。可以断定为：P16与P17时间参数设置过小，以致在制动时会击穿电容器。电容器的击穿电路造成熔断器的熔断。排除故障恢复设备修改P16与P17参数为4s，更换电容器与熔断器，故障排除。例8.3.6

一台采用三菱MELDAS520ALR数控系统及其主轴控制器的数控车床，在主轴定位时出现飞车现象，CRT显示“S01伺服报警0023S”。报警内容为：主轴伺服报警。分析故障可能成因：主轴参数设定不当、主轴编码器设不当定或故障、主轴编码器反馈不良或主轴控制器故障。

现场工作：→从故障发生时，主轴实时工作画面得知：主轴定位运转时指令速度与编码器反馈速度相同，排除了反馈不良与编码器故障。→调出主轴参数设置画面：查定位回路标准增益参数SP002＝100，正确；查编码器定位参数SP037bit2=1，正确；查编码器的定位极性SP097bit5＝0。→考虑飞车现象与编码器定位极性接反相关，修改SP097bit5＝1——即反转定位极性。→重新上电，进行主轴定位操作，故障排除。

例8.3.7

一台美国DYNAPATH数控系统的加工中心，一次出现：在主轴伺服上电后，主轴在无输入指令情况下自行按M04(逆时针方向)以100rpm的转速旋转现象。修前技术准备

故障特征：主轴失控。故障大定位：必与反馈检测系统有关。该主轴系统具有速度反馈与定向反馈。查PLC梯形图得知：主轴系统上电后，必须先自行执行主轴定向，以便更换刀具。故可将故障大定位于主轴定位系统。由PLC初始化程序分析方法，画出与故障现象相关的系统框图，如图8.3.4所示。

图8.3.4

主轴定向的反馈控制

修前调查此为二手机床——老机床。发生上述现象后，再键入M03、M04或S**转速代码后，系统不予执行，也不报警。机床环境与电网正常。据理析象判断类型主轴失控自行旋转，故故障大定位：其定向反馈控制系统。

故障类型：硬件故障。由于是年久失修的老机床，电器的老化与接点的锈蚀当是主要成因。

罗列成因确定步骤采用排他法分析故障现象：主轴可以旋转，表明指令已经到达主轴控制器，电机与主轴伺服的主控回路应该是完好的。最可能故障：在定向的反馈检测回路。确定：信号追踪法始于检测元件。

合理测试故障定位停电状态，手扳动，用示波器测试旋转变压器的输出波形正常(独立单元分析法)。万用表测试旋转变压器输出电缆完好。查主轴伺服单元8号板为反馈接插口时，发现插座铜片严重氧化，该印刷线路板插脚都严重氧化。对应旋转变压器信号线的双运放CA747模块已烧毁。致使在无反馈信号补偿的情况下，主轴控制器始终发出相同的控制指令，主轴电机旋转不停的失控现象。排除故障恢复设备

换件，清洁模板的接插件与电缆接头，故障排除。

例8.3.8

FANUC-BESK7CM系统的JCS-013卧式加工中心，出现在自动加工中主轴突然停止现象。修前技术准备自动加工中应用了机械手。由于是加工程序中断，可采用PLC程序法。查PLC程序中相关的程序模块备用，并了解机械手动作流程。修前调查加工的是老程序。机床环境与电网正常。机床停止发生在机械手移向主轴的动作之前。由资料得知，该动作的发生先决条件为：Y、Z轴完成回零→机械手架升至最高点位→主轴定向之后。故障特征：程