浅谈数控机床主轴故障排除思路

李兆祥，周明锋

（河南工业技师学院，河南 郑州 450007）

当数控机床发生故障时，操作人员进行故障的确认是很有必要的。不该也不能让非专业人员随意开动机床，特别是出现故障后的机床，以免故障的进一步扩大。在充分调查现场掌握第一手材料的基础上 把故障问题正确地列出来。俗话说，能够把问题说清楚，就已经解决了问题的一半。

1 机床故障的排除整体思路

（1）确认故障现象，调查故障现场，充分掌握故障信息；

（2）根据所掌握故障信息，明确故障的复杂程度并列出故障部位的全部疑点；

（3）分析故障原因，制定排除故障的方案。分析故障原因时应注意以下几点：①思路一定要开阔，无论是数控系统，强电部分，还是机、液、气等，都要将有可能引起故障的原因以及每一种可能解决的方法全部列出来，进行综合、判断和筛选。②在对故障进行深人分析的基础上，预测故障原因并拟定检查的内容、步骤和方法，制定故障排除方案。③在分析故障过程中，应充分利用数控系统的自诊断功能，如系统的开机诊断、运行诊断、PLC的监控功能。根据需要随时检测有关部分的工作状态和接口信息。同时还应灵活应用数控系统故障检查的一些行之有效的方法，如交换法、隔离法等。

2 机床主轴的控制原理

数控机床对主轴要求在很宽范围内转速可调，恒功率范围宽。要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒功率加工等功能时，要对主轴提出相应的速度控制和位置控制要求。

一般情况下，主轴电动机与主轴并不是直连的，主轴电动机的内装传感器反馈信号并不是主轴速度和位置的直接反馈信号。要实现主轴的速度和位置的精确控制，必须安装独立编码器作为主轴的反馈信号。主轴位置编码器作用如下：

（1）实现主轴定向准停控制 。主要用于刀具交换，精镗进、退刀及齿轮换挡等场合。有以下3种实现方式：①机械准停控制。由带V形槽的定位盘和定位用的液压缸配合动作。②磁性传感器的电器准停控制。发磁体安装在主轴后端，磁传感器安装在主轴箱上，其安装位置决定了主轴的准停点，发磁体和磁传感器之间的间隙为（1.5±0.5）mm。③编码器佳的淮停控制。通过主轴电动机内置安装或在机床主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。上述准停均要经过减速的过程，如减速或增益等，如果参数设置不当，均可引起定位抖动。另外，机械准停控制准停方式中定位液压缸活塞移动的限位开关失灵，磁性传感器的电器准停控制准停方式中发磁体和磁传感器之间的间隙发生变化或磁传感器失灵均可引起定位抖动。

（2）实现主轴与进给轴的同步控制。数控车床车螺纹及数控铣床、加工中心攻螺纹时，为了满足切削螺距的需要，要求主轴每转一周，刀具准确移动一个螺距（导程）。系统通过主轴编码器的反馈脉冲信号实现主轴旋转与进给轴的插补功能，完成主轴位置编码器的计数与进给同步控制。

（3）实现主轴刚性攻螺纹控制。刚性攻螺纹不使用浮动卡头，它是在主轴上加装了位置编码器，把主轴旋转的角度位置反馈给数控系统形成位置闭环，同时与进给轴建立同步关系，这样就严格保证了主轴旋转角度与进给轴进给尺寸的线性比例关系。因为有了这种同步关系，即使由于惯量、加减速时间常数不同，负载波动而造成的主轴转动的角度或进给轴移动的位置变化也不影响加工精度，因为主轴转角与进给轴进给是同步的，在攻螺纹中不论任何一方受到干扰发生变化，则另一方也会相应变化，并永远维持线性比例关系。从电气控制的角度来看，数控系统只要具有主轴角度位置和同步功能，机床就能进行刚性攻螺纹，当然还需要在机床上加装反馈主轴角度的位置编码器。要正确地反映主轴的角度位置，最好把编码器与主轴同轴连接，如果局限于机械结构必须通过传动链连接时，要使用1：1的传动比，若用皮带，则必须选用同步带。

3 常见故障原因分析及处理

（1）主轴定向不停止，出现超时报警（机床厂设置的报警）故障。①故障现象：主轴定向不停止，出现超时报警。②故障原因：主轴单元没有收到编码器信号或CNC系统没有收到定向完成信号。③处理方法：a.用手转动主轴或使主轴以一定速度旋转，在主轴诊断画面上观察主轴速度是否正常，如果没有显示，更换位置编码器或编码器反馈线。b.检查位置编码器的皮带是否松或断开。c.如果显示正常，更换主轴模块检测板。

（2）螺纹加工出现“乱扣”的故障。①系统工作原理：一般的螺纹加工需要经过多次切削才能完成，每次重复切削时，开始进刀的位置必须相同。为了保证重复切削不乱扣，数控系统在接收到主轴编码器的一转信号才能开始螺纹切削的计算。②故障原因及处理方法：当系统得到的一转信号不稳定时，就会出现“乱扣”的故障。产生故障的原因是主轴编码器的连接不良、主轴编码器的一转信号或信号电缆不良。主轴编码器内部有脏东西或编码器本身问题。如果以上故障排除后系统还乱扣，则需检查系统或主轴放大器。

（3）加工中心换刀过程的掉刀故障及原因分析。①系统工作原理：加工中心换刀时，为了使机械手对准刀柄实现准确换刀，主轴必须停止在固定的径向位置。换刀过程中出现掉刀现象说明主轴准停不准或定位位置偏移。②故障原因及处理方法：产生该故障的可能原因是主轴位置编码器一转信号不良、主轴机械调整不当。

4 典型案例分析

配置FANUC 0i系统的数控加工中心，执行G01的加工程序不动，在G00可以正常运行，LCD有主轴速度显示数值，该机床无任何报警。

分析与处理过程：作为铣床或加工中心，执行G01时一定是“进给吃刀”的过程，从工艺上此时必须有主轴S转速的指令。如果在加工过程主轴转速掉下来，机床继续吃刀进给，则会给工件造成严重的损坏。因此数控系统提供一个制约功能，当主轴速度没有达到指令转速时，会限制G01方式进给，但是G00运行不受此限制。

对于FANUC 0i系统，设置机床参数3708#0是1，表示检测主轴速度到达信号（SAR），为0，表示不检测主轴速度到达信号（SAR）。如果是FANUC 0系统主轴的每转进给动作与参数PRM24.2的设定有关，当该位设定为“0”时，轴进给时不监测“主轴速度到达”信号；设定为“1”时，主轴进给时需要检测“主轴速度到达”信号。现在为判断故障，修改机床参数3708#0为“0”，再执行程序发现完全可以运行。从而可以判断速度反馈信号不正常，速度反馈值与S指令值误差过大。

该机床主轴速度反馈装置使用磁传感器。磁传感器使用较长时间后电气特性会有所改变，例如外界强磁场、强电场的干扰导致磁传感器参数下降，这时候需要调整磁传感器与测速齿轮的间隙，通常是减少它们之间的间隙。标准间隙量在0.5mm左右，但是磁开关参数的降低，数值还可以减少。调整它们之间的间隙，直到主轴放大器能够正常接收到速度反馈信号。这时再执行G01程序工作正常。

操作人员必须注意：

（1）电机速度反馈信号是从电机尾部的磁传感器输出到主轴放大器的端子JY2，机械主轴反馈脉冲是从位置编码器输出，脉冲信号进入主轴放大器的端子JY4。此时LCD显示器所显示的“S”数值应该是位置编码器输出的机械主轴转速。所以容易产生一种假象，主轴实际转速显示良好，但是实际上主轴电机JY2的电机速度反馈信号没有检测到。

（2）注意主轴速度到达检测信号：该信号是为限制伺服轴进给而设置的，对于车床如果主轴没有到达程序指令的速度，进给切削（G01、G02、G03、G32、G33 等）不执行。对于铣床或加工中心，通过设置机床参数3708#0为1，防止0转速挤刀。该信号是从PMC发出的通知给CNC，所以当该信号置1时一定是PMC程序处理的结果。其在PMC的诊断地址G29.4。

#1（SAT）开始执行螺纹切削程序段，对主轴速度到达信号SAR的检测

0：按照#0位的设定

1：必须进行校验

#0（SAR）

0：不检测主轴速度到达信号SAR

1：检测主轴速度到达信号SAR