数控机床主轴反馈系统实用案例分析

杨 恺

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150066）

0 引言

分析数控机床主轴反馈系统作用和主轴反馈系统故障实例，找出故障原因和维修方法。

1 主轴反馈系统作用

现在的数控机床通常需要对主轴位置进行控制，区别于主轴电机的编码器，安装有独立的编码器，功能如下：①检测主轴转速；②实现主轴准停；③实现主轴分度；④实现每分钟进给；⑤实现每转进给；⑥实现刚性攻丝[1]。

2 主轴反馈系统故障

2.1 主轴编码器联轴器松动

STC-1000 五轴加工中心，数控系统是SIEMENS 840D PL，主轴独立编码器为HEIDENHAIN ROD1030。

自动运行程序时，主轴转速达不到指令值（1000 r/min），并且显示的转速值波动很大，机床并不报警，但程序不能向下执行。

主轴的实际转速由编码器ROD1030 检测，速度值波动大，起初怀疑信号传输电缆有问题，打开电缆接头，内部很干净，没有污染。在各个速度下运转主轴，发现转速低于200 r/min 时，实测转速能达到指令值，高于200 r/min，实测转速逐渐波动，并且与指令值差距越来越大。因此判断编码器没有故障，只是存在“丢转”的情况。检查编码器与主轴的连接情况，该编码器通过一个弹性联轴节与主轴旋转部件连接，编码器的轴插进联轴器的孔内，径向一个顶丝顶住编码器轴。发现顶丝已经松动，拧紧后，主轴转速显示正常，程序运行正常。

因为之前编码器与主轴发生了不同步转动，主轴定向位置已经改变。不能进行自动换刀，通过调整主轴参数〔34090〕，恢复主轴正常定向位置。该故障是因为编码器与主轴的连接不紧，低速时联轴器与编码器轴的摩擦力能够保证编码器不“丢转”，一旦主轴速度提高，编码器与主轴不能同步，就出现故障。

2.2 主轴编码器光栅进油污染

THK46100 加工中心，数控系统FANUC 18M，主轴独立编码器：FANUC Positioncoder Unit A860-0309-T302。

机床自动换刀时主轴定向位置不正常，导致换刀不能完成。机床多次执行主轴定向指令，发现主轴转动的速度不正常，比较慢，而且主轴每次停止时的位置都不一样。

首先怀疑编码器与主轴连接不好，编码器轴与主轴采用键连接，检查没有问题。反馈电缆外观完好没有破损，与电机动力线距离较远，不太可能是电磁干扰。因此决定检查一下编码器本身，拆下编码器后，打开外壳，发现编码器内部有大量的油，使用酒精彻底清洁后，安装好编码器，主轴定向功能正常。再使用NC 参数4077 调整定向位置，保证ATC（AUTO TOOL CHANGE，自动换刀）功能顺利完成。

该故障是因为主轴编码器受到污染，导致反馈信号不正常，主轴的定向功能不能正常执行。多数主轴编码器使使用光电原理工作的，对污染比较敏感，要注意防范。

2.3 主轴编码器插头进切削液污染

数控车床CK6185，数控系统SIEMENS 810D，机床主轴发生不受控的转动，速度较慢。该机床的控制面板上有控制主轴正反转的按钮，起初怀疑是按钮故障导致主轴旋转，经过检查，按钮没有问题。机床在手动和使用指令控制主轴旋转时，均能正常转动。故障现象出现时也没有规律，只是速度较慢，且机床没有报警。

该机床主轴安装有独立编码器，用于主轴定位，德国海德汉产品ROD486。使用仪器检测编码器，信号指标正常。我们断开编码器与后续电缆的连接插头，发现插头内部进入了切削液。使用压缩空气吹干插头内的切削液，重新连接，机床的故障没再出现。

海德汉的编码器的电缆通常不是一根电缆直接连到电气柜内部，一般都有一个圆形接头，见图1。

该接头有一定的防水能力，但长时间浸泡，液体还是会进入接头内部。电缆可能是12芯或17 芯，有直流5 V的电源线，很多是低压高频的数据线，这些线之间的短路或对地的短路，会造成比较奇怪的故障现象，短路的情况不同，故障现象也不一致，通常让维修人员难以理解。检查数据电缆接头进水是比较简单易行的，可以在类似的故障发生时先进行，避免维修过程走弯路，耽误时间。

图1 电缆接头

2.4 主轴编码器损坏

（1）VDF800 数控车，数控系统是SIEMENS 810M，主轴编码器在一次事故中碰撞损坏，机床报警：2260 Control loop spindle hardware.损坏的编码器为西门子6FX2001-2CB02 PPR1024。因为没有同型号编码器更换，采用西门子6FX2001-2CF00 PPR5000 替代。2 个编码器的外形尺寸完全一样。

安装新编码器后，机床报警消除，但运转时主轴的实际转速与指令要求不一致。这是因为2 个编码器的PPR 值（每转脉冲数）不一致，机床参数与新编码器不匹配导致。更改机床参数4590 和4591。

改参数步骤：①按操作键；②输入密码：1111；③按下软键［DIAGNOSIS］；④按向右扩展键〉；⑤按下软键［NC MD］；⑥按下软键［SPINDLE DATE］；⑦使用方向键找到参数4590、4591；⑧2 个参数原值是1024，改成5000。改完参数后，机床恢复正常。

（2）SIP5000 机床是一台立式镗床，数控系统是SIEMENS 840D PL，在一次故障中，主轴编码器损坏，编码器是HEIDENHAIN ROD486 1024，因为没有同型号备件，我们用HEIDENHAIN ROD486 2500 更换。2 个编码器的外形尺寸完全一样。

因为损坏的编码器每转脉冲数（PPR）是1024，而替换编码器是2500，所以需要更改相应的参数。

在START UP 菜单里找到主轴参数，参数31020[1]：1024 改为2500；参数36918 ：1024 改为2500。重新启动机床，参数生效，转动主轴没有问题。但是主轴定向位置不正，不能换刀，需要通过主轴参数34090 调整定向位置。完成定向调整后，机床恢复正常。

2.5 更换主轴编码器注意事项

（1）替代编码器与原编码器的信号类型必须一致，否则数控系统不能接受。上述2 个故障中编码器的信号类型一致，都是1 VSS，这是替代件能使用的最重要的前提。

（2）替代编码器的外形尺寸与原编码器最好完全一样，这样在安装上就非常容易。如果使用尺寸不一样的替代件，工作量会增加很多。

（3）2 个故障都用每转脉冲数（PPR）多的编码器替代PPR少的编码器，每转脉冲数（PPR）代表编码器的检测分辨率，脉冲数多的分辨率高。用精度高的编码器代替精度低的编码器可以保证机床精度没有损失（前提是编码器适合数控系统），如果用精度低的编码器代替精度高的，就要考虑是否合适。

（4）更换编码器后相关参数要做调整，必要时主轴定向要重新校正。

3 结束语

数控机床主轴反馈系统的故障通常都伴随着与主轴相关的报警，或者主轴的控制状态异常。掌握主轴控制环路的构成、编码器的原理以及各个数控系统的相关参数，才能高效的完成维修工作。