數(shù)控機(jī)床主軸反饋系統(tǒng)實(shí)用案例分析

楊 愷

（中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，黑龍江哈爾濱 150066）

0 引言

分析數(shù)控機(jī)床主軸反饋系統(tǒng)作用和主軸反饋系統(tǒng)故障實(shí)例，找出故障原因和維修方法。

1 主軸反饋系統(tǒng)作用

現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床通常需要對(duì)主軸位置進(jìn)行控制，區(qū)別于主軸電機(jī)的編碼器，安裝有獨(dú)立的編碼器，功能如下：①檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)速；②實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停；③實(shí)現(xiàn)主軸分度；④實(shí)現(xiàn)每分鐘進(jìn)給；⑤實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)進(jìn)給；⑥實(shí)現(xiàn)剛性攻絲[1]。

2 主軸反饋系統(tǒng)故障

2.1 主軸編碼器聯(lián)軸器松動(dòng)

STC-1000 五軸加工中心，數(shù)控系統(tǒng)是SIEMENS 840D PL，主軸獨(dú)立編碼器為HEIDENHAIN ROD1030。

自動(dòng)運(yùn)行程序時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)不到指令值（1000 r/min），并且顯示的轉(zhuǎn)速值波動(dòng)很大，機(jī)床并不報(bào)警，但程序不能向下執(zhí)行。

主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速由編碼器ROD1030 檢測(cè)，速度值波動(dòng)大，起初懷疑信號(hào)傳輸電纜有問題，打開電纜接頭，內(nèi)部很干凈，沒有污染。在各個(gè)速度下運(yùn)轉(zhuǎn)主軸，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速低于200 r/min 時(shí)，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速能達(dá)到指令值，高于200 r/min，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速逐漸波動(dòng)，并且與指令值差距越來越大。因此判斷編碼器沒有故障，只是存在“丟轉(zhuǎn)”的情況。檢查編碼器與主軸的連接情況，該編碼器通過一個(gè)彈性聯(lián)軸節(jié)與主軸旋轉(zhuǎn)部件連接，編碼器的軸插進(jìn)聯(lián)軸器的孔內(nèi)，徑向一個(gè)頂絲頂住編碼器軸。發(fā)現(xiàn)頂絲已經(jīng)松動(dòng)，擰緊后，主軸轉(zhuǎn)速顯示正常，程序運(yùn)行正常。

因?yàn)橹熬幋a器與主軸發(fā)生了不同步轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸定向位置已經(jīng)改變。不能進(jìn)行自動(dòng)換刀，通過調(diào)整主軸參數(shù)〔34090〕，恢復(fù)主軸正常定向位置。該故障是因?yàn)榫幋a器與主軸的連接不緊，低速時(shí)聯(lián)軸器與編碼器軸的摩擦力能夠保證編碼器不“丟轉(zhuǎn)”，一旦主軸速度提高，編碼器與主軸不能同步，就出現(xiàn)故障。

2.2 主軸編碼器光柵進(jìn)油污染

THK46100 加工中心，數(shù)控系統(tǒng)FANUC 18M，主軸獨(dú)立編碼器：FANUC Positioncoder Unit A860-0309-T302。

機(jī)床自動(dòng)換刀時(shí)主軸定向位置不正常，導(dǎo)致?lián)Q刀不能完成。機(jī)床多次執(zhí)行主軸定向指令，發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速度不正常，比較慢，而且主軸每次停止時(shí)的位置都不一樣。

首先懷疑編碼器與主軸連接不好，編碼器軸與主軸采用鍵連接，檢查沒有問題。反饋電纜外觀完好沒有破損，與電機(jī)動(dòng)力線距離較遠(yuǎn)，不太可能是電磁干擾。因此決定檢查一下編碼器本身，拆下編碼器后，打開外殼，發(fā)現(xiàn)編碼器內(nèi)部有大量的油，使用酒精徹底清潔后，安裝好編碼器，主軸定向功能正常。再使用NC 參數(shù)4077 調(diào)整定向位置，保證ATC（AUTO TOOL CHANGE，自動(dòng)換刀）功能順利完成。

該故障是因?yàn)橹鬏S編碼器受到污染，導(dǎo)致反饋信號(hào)不正常，主軸的定向功能不能正常執(zhí)行。多數(shù)主軸編碼器使使用光電原理工作的，對(duì)污染比較敏感，要注意防范。

2.3 主軸編碼器插頭進(jìn)切削液污染

數(shù)控車床CK6185，數(shù)控系統(tǒng)SIEMENS 810D，機(jī)床主軸發(fā)生不受控的轉(zhuǎn)動(dòng)，速度較慢。該機(jī)床的控制面板上有控制主軸正反轉(zhuǎn)的按鈕，起初懷疑是按鈕故障導(dǎo)致主軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過檢查，按鈕沒有問題。機(jī)床在手動(dòng)和使用指令控制主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，均能正常轉(zhuǎn)動(dòng)。故障現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)也沒有規(guī)律，只是速度較慢，且機(jī)床沒有報(bào)警。

該機(jī)床主軸安裝有獨(dú)立編碼器，用于主軸定位，德國(guó)海德漢產(chǎn)品ROD486。使用儀器檢測(cè)編碼器，信號(hào)指標(biāo)正常。我們斷開編碼器與后續(xù)電纜的連接插頭，發(fā)現(xiàn)插頭內(nèi)部進(jìn)入了切削液。使用壓縮空氣吹干插頭內(nèi)的切削液，重新連接，機(jī)床的故障沒再出現(xiàn)。

海德漢的編碼器的電纜通常不是一根電纜直接連到電氣柜內(nèi)部，一般都有一個(gè)圓形接頭，見圖1。

該接頭有一定的防水能力，但長(zhǎng)時(shí)間浸泡，液體還是會(huì)進(jìn)入接頭內(nèi)部。電纜可能是12芯或17 芯，有直流5 V的電源線，很多是低壓高頻的數(shù)據(jù)線，這些線之間的短路或?qū)Φ氐亩搪罚瑫?huì)造成比較奇怪的故障現(xiàn)象，短路的情況不同，故障現(xiàn)象也不一致，通常讓維修人員難以理解。檢查數(shù)據(jù)電纜接頭進(jìn)水是比較簡(jiǎn)單易行的，可以在類似的故障發(fā)生時(shí)先進(jìn)行，避免維修過程走彎路，耽誤時(shí)間。

圖1 電纜接頭

2.4 主軸編碼器損壞

（1）VDF800 數(shù)控車，數(shù)控系統(tǒng)是SIEMENS 810M，主軸編碼器在一次事故中碰撞損壞，機(jī)床報(bào)警：2260 Control loop spindle hardware.損壞的編碼器為西門子6FX2001-2CB02 PPR1024。因?yàn)闆]有同型號(hào)編碼器更換，采用西門子6FX2001-2CF00 PPR5000 替代。2 個(gè)編碼器的外形尺寸完全一樣。

安裝新編碼器后，機(jī)床報(bào)警消除，但運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令要求不一致。這是因?yàn)? 個(gè)編碼器的PPR 值（每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)）不一致，機(jī)床參數(shù)與新編碼器不匹配導(dǎo)致。更改機(jī)床參數(shù)4590 和4591。

改參數(shù)步驟：①按操作鍵；②輸入密碼：1111；③按下軟鍵［DIAGNOSIS］；④按向右擴(kuò)展鍵〉；⑤按下軟鍵［NC MD］；⑥按下軟鍵［SPINDLE DATE］；⑦使用方向鍵找到參數(shù)4590、4591；⑧2 個(gè)參數(shù)原值是1024，改成5000。改完參數(shù)后，機(jī)床恢復(fù)正常。

（2）SIP5000 機(jī)床是一臺(tái)立式鏜床，數(shù)控系統(tǒng)是SIEMENS 840D PL，在一次故障中，主軸編碼器損壞，編碼器是HEIDENHAIN ROD486 1024，因?yàn)闆]有同型號(hào)備件，我們用HEIDENHAIN ROD486 2500 更換。2 個(gè)編碼器的外形尺寸完全一樣。

因?yàn)閾p壞的編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（PPR）是1024，而替換編碼器是2500，所以需要更改相應(yīng)的參數(shù)。

在START UP 菜單里找到主軸參數(shù)，參數(shù)31020[1]：1024 改為2500；參數(shù)36918 ：1024 改為2500。重新啟動(dòng)機(jī)床，參數(shù)生效，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸沒有問題。但是主軸定向位置不正，不能換刀，需要通過主軸參數(shù)34090 調(diào)整定向位置。完成定向調(diào)整后，機(jī)床恢復(fù)正常。

2.5 更換主軸編碼器注意事項(xiàng)

（1）替代編碼器與原編碼器的信號(hào)類型必須一致，否則數(shù)控系統(tǒng)不能接受。上述2 個(gè)故障中編碼器的信號(hào)類型一致，都是1 VSS，這是替代件能使用的最重要的前提。

（2）替代編碼器的外形尺寸與原編碼器最好完全一樣，這樣在安裝上就非常容易。如果使用尺寸不一樣的替代件，工作量會(huì)增加很多。

（3）2 個(gè)故障都用每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（PPR）多的編碼器替代PPR少的編碼器，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（PPR）代表編碼器的檢測(cè)分辨率，脈沖數(shù)多的分辨率高。用精度高的編碼器代替精度低的編碼器可以保證機(jī)床精度沒有損失（前提是編碼器適合數(shù)控系統(tǒng)），如果用精度低的編碼器代替精度高的，就要考慮是否合適。

（4）更換編碼器后相關(guān)參數(shù)要做調(diào)整，必要時(shí)主軸定向要重新校正。

3 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床主軸反饋系統(tǒng)的故障通常都伴隨著與主軸相關(guān)的報(bào)警，或者主軸的控制狀態(tài)異常。掌握主軸控制環(huán)路的構(gòu)成、編碼器的原理以及各個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，才能高效的完成維修工作。