交流主軸控制系統(tǒng)故障分析

楊光明 張靜 趙敏

摘 要： 本文著重從對交流主軸控制系統(tǒng)的構(gòu)成特點，常見的幾類故障進行分析，以實際生產(chǎn)中設(shè)備的故障現(xiàn)象，進行系統(tǒng)的故障分析，現(xiàn)場驗證，到最后的故障排除。運用主軸的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，報警參數(shù)，機械調(diào)試，科學(xué)系統(tǒng)的排除設(shè)備故障，提高設(shè)備的有效利用率。

關(guān)鍵詞： 主軸；控制系統(tǒng)；故障實例

1.交流主軸控制系統(tǒng)的構(gòu)成特點

交流主軸控制的交流感應(yīng)電機調(diào)速系統(tǒng)也是一個多環(huán)系統(tǒng)。其中變頻器內(nèi)的濾波電容與大功率器件也是常見的故障組件。

交流主軸電動機均采用交流感應(yīng)電動機，并且通常多采用不帶喚向器的三相感應(yīng)電動機。其定子由對稱的三相繞組組成。圓柱體的轉(zhuǎn)子鐵芯上是由均勻發(fā)分布的斜槽、鑄鋁結(jié)構(gòu)籠條與端部的金屬環(huán)構(gòu)成的籠式轉(zhuǎn)子（故也可稱籠式電動機）。定子的鐵芯具有軸向孔而無外殼以利通風(fēng)（所以，交流電機往往是非封閉式的電機）。（為了提高輸出功率，防止主軸的熱變形，也有在電動機外殼與前端蓋中通有循環(huán)油路，實現(xiàn)液體冷卻繞組與主軸軸承。）交流主軸控制單元，是一種轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)，用來控制交流感應(yīng)電機的。

交流電機的尾部大多同軸安裝有編碼器或脈沖發(fā)生器。此時，速度反饋可以有兩種方式，如果主軸放大器是數(shù)字式，則可接受反饋。如果主軸放大器是模擬式，則直接反饋給CNC主軸伺服接口。

另外，主軸的端部安裝有笨重的卡盤、加緊油缸或自動換刀/自動換工件裝置以及準(zhǔn)停裝置，安裝精度與潤滑維護直接影響主軸精度、振動與噪聲。

2.交流主軸控制系統(tǒng)的常見故障

交流電機主軸系統(tǒng)的故障也可以分成報警與不報警兩大類。交流主軸控制也分成由CNC直接處理的與主軸放大器獨立處理的兩種控制形式。如果是由CNC實現(xiàn)主軸控制，則可以在CRT上的警示信息畫面上以及主軸監(jiān)視畫面上顯示主軸系統(tǒng)的報警信息。而主軸放大器上也是以七段數(shù)碼管來顯示故障代碼的。可充分利用系統(tǒng)自診斷及其維修手冊來進行故障定位。

交流主軸系統(tǒng)有下面幾種故障現(xiàn)象。這些故障可能不報警，或者即使報警也未出示對策。

2.1.保險絲熔斷

交流輸入電路的保險絲熔斷，其成因大多是：

交流電源側(cè)的阻抗太高。例如當(dāng)采用了自耦變壓器而不是隔離變壓器的情況，或保險絲管接觸不良。

交流電源輸入電路中浪涌吸收器損壞。

電源整流橋損壞。

逆變器內(nèi)的晶閘管損壞。

控制單元的印刷板故障等。

再生回路（在變頻器回路中）的保險絲熔斷，大多為主軸電機加速或減速頻率太高所致。

2.2.主軸電機速度超過額定值

可能的成因：

新機床試用階段的設(shè)定錯誤。

所用軟件不匹配（只可能發(fā)生在更換印刷電路板后）。需要檢查主板上的ROM型號。

印刷線路板故障。

2.3.主軸電機不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速不正常

可能成因有：

NC速度指令下達后，如出現(xiàn)報警，可按報警內(nèi)容處理。

速度指令不正常。如果主軸伺服控制器的速度指令輸入為數(shù)字信號，應(yīng)該先檢查該控制器內(nèi)的D/A變換器故障；如果速度指令輸入為模擬信號，則應(yīng)先檢查NC及其輸出裝置故障。若速度指令正常，則向下檢查：

加/減速過程中出現(xiàn)不正常，再生回路線路或回路內(nèi)晶閘管故障。

新機床主軸電機不能啟動，需要先檢查電機電纜的連接與相序是否正確等。

主軸電機不能啟動，先檢查是否有準(zhǔn)停信號輸入（可能與按扭及其供電線路有關(guān)）、是否設(shè)定錯誤，或印刷線路板相關(guān)電位器調(diào)整不當(dāng)。然后檢查主軸定向控制用的傳感器是否安裝不良，或印刷線路板不良。

2.4.交流主軸電機異常噪聲與振動

一般情況，應(yīng)該檢查系統(tǒng)電源相序不對、缺相或三相不平衡。

若在加/減速過程中產(chǎn)生，則故障多發(fā)生于再生回路。應(yīng)該檢查該回路的保險絲是否熔斷，以及晶閘管是否損壞。

若在恒速下產(chǎn)生，則應(yīng)該先檢查反饋電壓是否正常。然后，突然切斷指令，觀察電機在停機過程中是否有異常噪聲。若有噪聲，則故障在機械部分。否則，多是印刷線路板上故障。若反饋電壓不正常，則需要檢查振動周期是否與轉(zhuǎn)速有關(guān)。若有關(guān)，則可能是主軸傳動裝置故障、主軸電機軸承或其尾部的脈沖發(fā)生器故障（參照直流主軸電機相應(yīng)故障成因），或者與機械裝配不良（間隙、竄動與松動等）有關(guān)。若無關(guān)，則可能與速度調(diào)節(jié)器內(nèi)印刷線路板上的相關(guān)電位器調(diào)節(jié)不良有關(guān)。

3.實例分析

參照西門子交流主軸系統(tǒng)的報警處理方法，分析一個例子。

例 313廠的SINUMERIK 810D數(shù)控系統(tǒng)的TH6363B加工中心，出現(xiàn)主軸編碼器硬件故障報警。

故障現(xiàn)象 機床啟動后，主軸箱發(fā)出刺耳轟鳴聲，聲響很大，主軸轉(zhuǎn)速愈高噪聲愈大，主軸轉(zhuǎn)速低于500rpm， 甚至50rpm時也有噪聲。

修前技術(shù)準(zhǔn)備 對有關(guān)報警查維修手冊，報警內(nèi)容為主軸編碼器硬件故障。編碼器故障。

修前調(diào)查 前幾次也出現(xiàn)過同類報警，對編碼器進行清洗。安裝后報警消除。但前幾次沒有很大的噪聲。再次檢查編碼器，編碼器沒有故障。

故障分析 主軸在低速下，有時有噪聲，有時正常，高速時噪聲很大。推斷是主軸箱內(nèi)的齒輪或軸承損壞。主軸變速齒輪目測完好。停車后，手扳動主軸很費力，在一周內(nèi)有明顯的卡位。在關(guān)機狀態(tài)，手動退開高低速變速齒輪，主軸手扳正常。

查看“主軸箱機械圖”，箱內(nèi)有好幾幅軸承，齒輪有高低速變速齒輪，傳動齒輪，油泵齒輪。齒輪出現(xiàn)故障的情況很小?？赡苁瞧渲械妮S承損壞。

故障定位 退開變速齒輪后，手盤主軸，旋轉(zhuǎn)正常，說明變速齒輪以下部件軸承沒有損壞。綜合分析判斷可能是主軸電機中的軸承損壞，也有可能是主軸箱上部軸承損壞。

最后決定拆主軸電機，打開電機的后端蓋，在安裝編碼器端的軸承嚴重損壞，軸承支架斷裂，滾珠擠向一邊，主軸端發(fā)藍，由于高溫摩擦以致主軸端軸退火。

故障排除 更換電機后端軸承，清晰編碼器及主軸冷卻風(fēng)扇，安裝。調(diào)整機床定位參數(shù)，即Y軸定位點，主軸旋轉(zhuǎn)定位塊的定位。

先調(diào)整Y軸，修改34090（1）參數(shù)，直到Y(jié)軸回到換刀點；再調(diào)整AP軸（AP軸參數(shù)修改一次后，必須要“CNK復(fù)位”后數(shù)據(jù)才生效），直到定位塊到達換刀位置。

調(diào)試好后，試換刀幾次，換刀正常。開啟機床主軸后噪聲消除，變換主軸轉(zhuǎn)速主軸旋轉(zhuǎn)正常。機床工作正常。故障排除。