主軸驅(qū)動系統(tǒng)故障診斷和維修

...wd......wd......wd...工程2主軸驅(qū)動系統(tǒng)故障診斷與維修一、實訓(xùn)要求1.了解主軸驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理。2.掌握交流變頻器的操作方法。3.能對變頻器進展參數(shù)設(shè)置及故障排除。4.能分析和排除主軸常見故障。二、實訓(xùn)設(shè)備4臺FANUC0iMate-md數(shù)控維修銑床，2臺GSK980TD數(shù)控維修車床，7臺數(shù)控電氣維修實驗臺。三、實訓(xùn)必備知識1.主軸驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理及接線圖2-1GSK980TDA數(shù)控車主軸驅(qū)動變頻器接線圖圖2-2FANUC0IMATEMD數(shù)控銑主軸驅(qū)動變頻器接線圖變頻器的原理根據(jù)公式：n=60f/p可知交流異步電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率f成正比與電機的極對數(shù)成反比，因此，改變電機的頻率可調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。通常我們?yōu)榱吮ＷC在一定的調(diào)速范圍內(nèi)保持電動機的轉(zhuǎn)矩不變，在調(diào)節(jié)電源頻率f時，必須保持磁通Φ不變，由公式U≈E=4.44fWKΦ可知，Φ∝U/f所以改變頻率f時，同時改變電源電壓U，可以保持磁通Φ不變。目前大局部變頻器都采用了上述原理。用同時改變f和U的方法來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速n的調(diào)速控制，并使得輸出扭矩在一定范圍內(nèi)保持不變。注：電機的極對數(shù)與轉(zhuǎn)速V，U，W代表三相電機的每一相，電機內(nèi)部共有3組線圈，每一組就是一相，出來兩個線頭，3相共出6個線頭，分別按照一定的接法接到三相電源上。一組線圈或一相包含多個線圈，但不會是單數(shù)的，因為它要組成南北兩個極，而且在電機內(nèi)部是對稱的，例如圖1，其中一相V,有兩個線圈一個在上部一個在下部，兩個線圈是串聯(lián)的，通電時就產(chǎn)生兩個磁極，圖2的V相有4個線圈，也串聯(lián)在一起，也是對稱的，但它有4個極，這個圖只是告訴大家線圈在電機內(nèi)部的方位，和所謂的磁極對數(shù)。第一個圖每一相有南北兩個極，就是一對磁極，磁極對數(shù)是1，通常叫它2極電機，轉(zhuǎn)速最快。極數(shù)越少，轉(zhuǎn)速越快，對啊。因為交流電的頻率是50Hz,是指每一相1秒鐘方向往返50次，三相不是同時往返，有一個次序的問題，但時間間隔是一樣的，書本上說的是空間角度相差120度。當(dāng)這個三相交流電通入電機的時候，就造成電機3組線圈通電的順序不同，可能U相線圈先通電，V第二，W第三然后又重復(fù)這樣的排列，這就造成了旋轉(zhuǎn)磁場。那么快慢是怎樣形成的呢，看圖1，當(dāng)三相通電一次時，磁場已經(jīng)走過1圈了〔正半周期走半圈，負(fù)半周期再走半圈〕，就是經(jīng)過50分之1秒磁場已經(jīng)走過一圈，經(jīng)過1秒鐘就走過50圈，經(jīng)過1分鐘就走過3000圈了。再看圖2，它的磁極跨度只有圖1的一半，那么通一次電的時候磁場所走過的路程只有圖1的一半。所以旋轉(zhuǎn)磁場的速度就慢，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就慢。多極數(shù)的電機因工藝復(fù)雜，價格也高。〔是不是極數(shù)越少，轉(zhuǎn)速越快；極數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越慢。為什么會這樣呢〕改變電機的極對數(shù)就能改變電機轉(zhuǎn)速是因為極對數(shù)越少電機里的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速越高所以改變電機的極對數(shù)就能改變電機轉(zhuǎn)速4P就是電機里有四對磁極。2對的額定轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)，實際轉(zhuǎn)速2800轉(zhuǎn)左右。4對的額定轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)，實際轉(zhuǎn)速1400轉(zhuǎn)左右。數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)由主軸驅(qū)動裝置、主軸電動機、主軸位置檢測裝置、傳動機構(gòu)及主軸等組成?！矃⒄諗?shù)控系統(tǒng)接線說明書及電氣原理圖〕變頻器常識什么是變頻器呢我們在日常生活中經(jīng)常聽到，它一般是利用半導(dǎo)體器件的開關(guān)作用將工頻電源變換為另一頻率的電能的設(shè)備。變頻器原理是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置?？煞譃榻弧蛔冾l器，交——直——交變頻器。交——交變頻器可直接把交流電變成頻率和電壓都可變的交流電；交——直——交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，再經(jīng)過逆變器把這個直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。通常，把電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器〞。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電〔DC〕，這個過程叫整流。把直流電〔DC〕變換為交流電〔AC〕的裝置，其科學(xué)術(shù)語為“inverter〞(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設(shè)備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進展整理，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價格的15－－20倍。由于變頻器設(shè)備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter〞，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter〞，即：變頻器。變頻器也可用于家電產(chǎn)品。使用變頻器的家電產(chǎn)品中，不僅有電機〔例如空調(diào)等〕，還有熒光燈等產(chǎn)品。用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。PAM是英文PulseAmplitudeModulation(脈沖幅度調(diào)制)縮寫，是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖幅度，以調(diào)節(jié)輸出量值和波形的一種調(diào)制方式。PWM是英文PulseWidthModulation(脈沖寬度調(diào)制)縮寫，按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)值方式。想要了解變頻器原理就必須先了解這兩個東西。什么是變頻器類型：分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容;電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。變頻器的工作原理：把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進展平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進展轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。1.整流器，它與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動的直流電壓。2.中間電路，有以下三種作用：a.使脈動的直流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變器使用。b.通過開關(guān)電源為各個控制線路供電。c.可以配置濾波或制動裝置以提高變頻器性能。3.逆變器，將固定的直流電壓變換成可變電壓和頻率的交流電壓。4.控制電路，它將信號傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時它也接收來自這些局部的信號。其主要組成局部是：輸出驅(qū)動電路、操作控制電路。主要功能是：a.利用信號來開關(guān)逆變器的半導(dǎo)體器件。b.提供操作變頻器的各種控制信號。c.監(jiān)視變頻器的工作狀態(tài)，提供保護功能。三菱FR-D700系列變頻器〔參照使用手冊〕1〕安裝與接線2〕端子接線圖3〕主電路端子規(guī)格4〕主電路端子的端子排列與電源、電機的接線5〕根本操作簡單模式參數(shù)一覽表變頻器的兩種啟動方式①系統(tǒng)發(fā)出0-10V的模擬電壓控制在系統(tǒng)中的MDI方式下編入指令M03S500，按下“循環(huán)啟動〞鍵后系統(tǒng)會根據(jù)參數(shù)#3741-#3744換算成相對應(yīng)的模擬電壓(如以以下圖所示)，變頻器再根據(jù)模擬電壓輸出對應(yīng)的頻率與電壓，驅(qū)動三相異步電機。②通過變頻器“設(shè)定用旋鈕〞來控制西門子MICROMASTER420通用型變頻器〔參照使用手冊〕接線框圖1.改變方向改變電動機轉(zhuǎn)動的方向。用一個負(fù)號(-)或一個閃爍的小數(shù)點指示反向旋轉(zhuǎn)。2.啟動變頻器本按鈕可以啟動變頻器。缺省狀態(tài)下該按鈕被禁止。如果要使能該按鈕，請將P0700設(shè)置為1。3.停頓變頻器本按鈕按照P1121設(shè)置的時間(斜坡下降時間)停頓變頻器。4.電動機點動當(dāng)變頻器沒有輸出時，本按鈕可以按照預(yù)置的點動頻率啟動和運行電動機。釋放該按鈕時變頻器停頓。5.訪問參數(shù)按下本按鈕，允許用戶按照選定的用戶訪問級別訪問參數(shù)。6.減少數(shù)值按下本按鈕可減少顯示值。如果要通過BOP改變頻率設(shè)置值，請設(shè)置P1000=1。7.增加數(shù)值按下本按鈕可增加顯示值。如果要通過BOP改變頻率設(shè)置值，請設(shè)置P1000=1。8.功能本按鈕可用于查看附加信息。請參閱MICROMASTER420《操作說明》第44頁的51.2節(jié)?？焖僬{(diào)試缺省設(shè)置變頻器控制端子功能設(shè)定參數(shù)3.螺紋切削原理在數(shù)控機床上，編制一個正確的程序，可以很方便地加工出螺紋。切削螺紋時，刀具運動要與主軸運動主軸的旋轉(zhuǎn)同步。在螺紋切削過程中，裝在機床上的與主軸同步的主軸位置編碼器，實時地讀取主軸速度并轉(zhuǎn)換為刀具的每分鐘進給量，使機床移動。螺紋切削是在主軸上的位置編碼器輸出一轉(zhuǎn)信號時啟動的，所以總是能夠在固定的點開場螺紋切削，在重復(fù)屢次的螺紋切削時，工件上的刀具軌跡不會改變。需要注意的是：螺紋切削時，從粗加工到精加工，主軸速度必須保持恒定，否則會生成錯誤的導(dǎo)程。在螺紋加工時，進給速度倍率無效，主軸速度賠率無效。在螺紋加工時，可能出現(xiàn)以下問題：〔1〕機床不能進展螺紋加工；〔2〕螺紋加工亂扣；〔3〕螺紋精度不對；造成原因如下：機床不能進展螺紋加工可能的出現(xiàn)的原因是：〔1〕系統(tǒng)無螺紋加工功能；〔2〕主軸位置編碼器未安裝或安裝不標(biāo)準(zhǔn)；〔3〕主軸位置編碼器有故障；〔4〕參數(shù)錯誤；〔5〕編程錯誤；〔6〕其他原因。螺紋加工亂扣，可能原因是：〔1〕主軸位置編碼器安裝不標(biāo)準(zhǔn)；〔2〕主軸位置編碼器有故障；〔3〕參數(shù)錯誤；〔4〕其他原因。螺紋加工精度不對，可能出現(xiàn)原因是：〔1〕主軸位置編碼器安裝不標(biāo)準(zhǔn)；〔2〕主軸位置編碼器有故障；〔3〕參數(shù)錯誤；〔4〕刀具原因；(5)其他原因。四、實訓(xùn)內(nèi)容1.根據(jù)機床實際，找出主軸控制系統(tǒng)相關(guān)硬件接線原理圖。2.根據(jù)說明書，進展系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、變頻器功能參數(shù)的設(shè)定，并進展調(diào)試。3.通用變頻主軸系統(tǒng)常見故障及處理表1通用變頻主軸常見故常與處理故障現(xiàn)象可能原因處理方法電動機不運轉(zhuǎn)CNC無速度信號輸出檢測速度給定信號，檢查系統(tǒng)參數(shù)主軸驅(qū)動器故障1)是否有報警錯誤代碼顯示，如有報警，對照相關(guān)說明書解決〔主要有過流、過、過壓、欠壓以及功率塊故障等〕。2)頻率指定源和運行指定源的參數(shù)是否設(shè)置正確。3)智能輸入端子的輸入信號是否正確。變頻器輸出端子U、V、W不能提供電源電源是否已提供應(yīng)端子運行命令是否有效RS〔復(fù)位〕功能或自由運行停車功能是否處于開啟狀態(tài)負(fù)載過重電動機負(fù)載是否太重主軸電動機故障電機損壞電動機反轉(zhuǎn)輸出端子U/T1，V/T2和W/T3的連接是否正確使得電動機的相序與端子連接相對應(yīng)，通常來說：正轉(zhuǎn)〔FWD〕＝U－V－W，和反轉(zhuǎn)〔REV〕＝U－W－V電動機正反轉(zhuǎn)的相序是否與U/T1，V/T2和W/T3相對應(yīng)控制端子〔FW〕和〔RV〕連線是否正確端子(FW〕用于正轉(zhuǎn)，〔RV〕用于反轉(zhuǎn)電動機轉(zhuǎn)速不能到達如果使用模擬輸入，電流或電壓“O〞或“OI〞檢查連線檢查電位器或信號發(fā)生器負(fù)載太重減少負(fù)載重負(fù)載激活了過載限定〔根據(jù)需要不讓此過載信號輸出〕系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置錯誤檢查相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定負(fù)載波動過大增加電動機容量〔變頻器及電動機〕電源不穩(wěn)定解決電源問題該現(xiàn)象只是出現(xiàn)在某一特定頻率下稍微改變輸出頻率，使用調(diào)頻設(shè)定將此有問題的頻率跳過過流加速中過流檢查電動機是否短路或局部短路，輸出線絕緣是否良好延長加速時間變頻器配置不合理，增大變頻器容量減低轉(zhuǎn)矩提升設(shè)定值恒速中過流檢查電動機是否短路或局部短路，輸出線絕緣是否良好檢查電動機是否堵轉(zhuǎn)，機械負(fù)載是否有突變變頻器容量是否太小，增大變頻器容量電網(wǎng)電壓是否有突變減速中或停車時過流輸出連線絕緣是否良好，電動機是否有短路現(xiàn)象延長減速時間更換容量較大的變頻器直流制動量太大，減少直流制動量機械故障，送廠維修。短路對地短路檢查電動機連線是否有短路檢查輸出線絕緣是否良好送修過壓停車中過壓延長減速時間，或加裝剎車電阻改善電網(wǎng)電壓，檢查是否有突變電壓產(chǎn)生加速中過壓恒速中過壓減速中過壓低壓檢查輸入電壓是否正常檢查負(fù)載是否突然有突變是否缺相變頻器過熱檢查風(fēng)扇是否堵轉(zhuǎn)，散熱片是否有異物環(huán)境溫度是否正常通風(fēng)空間是否足夠，空氣是否能對流變頻器過載連續(xù)超負(fù)載150％一分鐘以上檢查變頻器容量是否配小，否則加大容量檢查機械負(fù)載是否有卡死現(xiàn)象V/F曲線設(shè)定不良，重新設(shè)定電動機過載連續(xù)超負(fù)載150％一分鐘以上機械負(fù)載是否有突變電動機配用太小電動機發(fā)熱絕緣變差電壓是否波動較大是否存在缺相機械負(fù)載增大電動機過轉(zhuǎn)矩機械負(fù)載是否有波動電動機配置是否偏小主軸轉(zhuǎn)速與變頻器不匹配參數(shù)設(shè)置不正確1〕最大頻率設(shè)定是否正確。2)驗證V/F設(shè)定值與主軸電機規(guī)格是否相匹配。3〕確保所有比例項參數(shù)設(shè)定正確。主軸與進給不匹配〔螺紋加工時〕主軸編碼器有問題1〕CRT畫面有報警顯示。2〕通過PLC狀態(tài)顯示觀察編碼器的信號狀態(tài)。3〕用每分鐘進給指令代替每轉(zhuǎn)進給指令來執(zhí)行程序，觀察故障是否消失。4．交流伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)及故障維修1〕交流伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控加工中心對主軸有較高的控制要求，首先要求在大力矩、強過載能力的根基上實現(xiàn)寬范圍無級變速，其次要求在自動換刀動作中實現(xiàn)定角度停頓(即準(zhǔn)停)，這使加工中心主軸驅(qū)動系統(tǒng)比一般的變頻調(diào)速系統(tǒng)或小功率交流伺服系統(tǒng)在電路設(shè)計和運行參數(shù)整定上具有更大的難度。主軸的驅(qū)動可以使用交流變頻或交流伺服2種控制方式，交流變頻主軸能夠無級變速但不能準(zhǔn)停，需要另外裝設(shè)主軸位置傳感器，配合CNC系統(tǒng)PMC(指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC)的邏輯程序來完成準(zhǔn)停速度控制和定位停頓；交流伺服主軸本身即具有準(zhǔn)停功能，其自身的軸控PLC信號可直接連接至CNC系統(tǒng)的PMC，配合簡捷的PMC邏輯程序即可完成準(zhǔn)停定位控制，且后者的控制精度遠遠高于前者。交流伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)由主軸驅(qū)動單元、主軸電動機和檢測主軸速度與位置的旋轉(zhuǎn)編碼器3局部組成，主要完成閉環(huán)速度控制，但當(dāng)主軸準(zhǔn)停時則完成閉環(huán)位置控制。由于數(shù)控機床的主軸驅(qū)動功率較大，所以主軸電動機采用鼠籠式感應(yīng)電動機構(gòu)造形式，旋轉(zhuǎn)編碼器可以在主軸外安裝，也可以與主軸電動機做成一個整體，主軸驅(qū)動單元的閉環(huán)控制、矢量運算均由內(nèi)部的高速信號處理器及控制系統(tǒng)實現(xiàn)。與交流伺服驅(qū)動一樣，交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)也有模擬式和數(shù)字式兩種型式。2〕交流伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)常見故障交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)按信號形式又可分為交流模擬型主軸驅(qū)動單元和交流數(shù)字型主軸驅(qū)動單元。交流主軸驅(qū)動除了有直流主軸驅(qū)動同樣的過熱、過載、轉(zhuǎn)速不正常報警或故障外，還有另外的故障條目，總結(jié)如下?！?〕主軸不能轉(zhuǎn)動，且無任何報警顯示。

表2主軸不能動故障原因可能原因檢查步驟排除措施機械負(fù)載過大

盡量減輕機械負(fù)載主軸與電動機連接皮帶過松在停機的狀態(tài)下，查看皮帶的松緊程度調(diào)整皮帶主軸中的拉桿未拉緊夾持刀具的拉釘(在車床上就是卡盤未夾緊工件)有的機床會設(shè)置敏感元件的反響信號，檢查次反響信號是否到位重新裝夾好刀具或工件系統(tǒng)處在急停狀態(tài)檢查主軸單元的主交流接觸器是否吸合更具實際情況下，松開急停；機械準(zhǔn)備好信號斷路排查機械準(zhǔn)好信號電路主軸動力線斷線用萬用表測量動力線電壓確保電源輸入正常電源缺相正反轉(zhuǎn)信號同時輸入利用PLC監(jiān)查功能查看相應(yīng)信號

無正反轉(zhuǎn)信號通過PLC監(jiān)視畫面，觀察正反轉(zhuǎn)指示信號是否發(fā)出一般為數(shù)控裝置的輸出有問題，排查系統(tǒng)的主軸信號輸出端子使能信號沒有接通通過CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機床PLC梯形圖〔或流程圖〕，以確定主軸的啟動條件，如潤滑、冷卻等是否滿足；檢查外部啟動的條件是否符合主軸驅(qū)動裝置故障有條件的話，利用交換法，確定是否有故障更換主軸驅(qū)動裝置主軸電動機故障更換電動機〔2〕主軸速度指令無效，轉(zhuǎn)速僅有1～2r/min?？赡茉驒z查步驟排除措施動力線接線錯誤檢查主軸伺服與電動機之間的UVW連線確保連線對應(yīng)CNC模擬量輸出〔D/A〕轉(zhuǎn)換電路故障用交換法判斷是否有故障更換相應(yīng)電路板CNC速度輸出模擬量與驅(qū)動器連接不良或斷線測量相應(yīng)信號，是否有輸出且是否正常更換指令發(fā)送口或更換數(shù)控裝置主軸驅(qū)動器參數(shù)設(shè)定不當(dāng)查看驅(qū)動器參數(shù)，是否正常依照說明書，正確設(shè)置參數(shù)反響線連接不正常查看反響連線確保反響連線正常反響信號不正常檢查反響信號的波形調(diào)整波形至正確或更換編碼器〔3〕速度偏差過大指的是主軸電機的實際速度與指令速度的誤差值超過允許值，一般是啟動時電機沒有轉(zhuǎn)動或速度上不去。引起此故障的原因見表4。表4速度偏差過大報警綜述可能原因檢查步驟排除措施反響連線不良不啟動主軸，用手盤動主軸使主軸電動機以較快速度轉(zhuǎn)起來，估計電機的實際速度，監(jiān)視反響的實際轉(zhuǎn)速確保反響連線正確反響裝置故障更換反響裝置動力線連接不正常用萬用表或兆歐表檢查電動機或動力線是否正常〔包括相序不正?！炒_保動力線連接正常動力電壓不正常確保動力線電壓正常機床切削負(fù)荷太重，切削條件惡劣

重新考慮負(fù)載條件，減輕負(fù)載，調(diào)整切削參數(shù)機械傳動系統(tǒng)不良

改善機械傳動系統(tǒng)條件制動器未松開查明制動器為松開的原因確保制動電路正常驅(qū)動器故障利用交換法，判斷是否有故障更換出錯單元電流調(diào)節(jié)器控制板故障電動機故障(4)過載報警。削用量過大，頻繁正、反轉(zhuǎn)等均可引起過載報警。具體表現(xiàn)為主軸過熱、主軸驅(qū)動裝置顯示過電流報警等造成此故障的可能原因見表5?？赡茉驒z查步驟排除措施長時間開機后再出現(xiàn)此故障負(fù)載太大檢查機械負(fù)載調(diào)整切削參數(shù)，干山切削條件，減輕負(fù)載頻繁正、反轉(zhuǎn)

減少頻繁正、翻轉(zhuǎn)次數(shù)(5)主軸振動或噪聲過大首先要區(qū)別異常噪聲及振動發(fā)生在