主轴伺服系统故障诊断与维修

邱德琴

【摘要】本文通过对数控机床主轴伺服系统的介绍，阐述了主轴伺服系统的故障所产生的形式、不同的故障点主要产生的原因，以及根据不同故障所表现形式去分析、解决问题。通过对主轴伺服系统维修实例的讲解，为我们今后在生产一线提供一些解决问题的思路。

【关键词】主轴伺服系统  故障诊断  主轴编码器  CNC

主轴驱动系统就是在系统中完成主运动的动力装置部分。它带动工件或刀具作相应的旋转运动，从而能配合进给运动，加工出理想的零件。主轴驱动变速目前主要有两种形式：一是主轴电动机齿轮换档，目的在于降低主轴转速，增大传动比，放大主轴功率以适应切削的需要;二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。由于无需机械变速，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴箱实际上成了主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传动链的可靠性。

1、主轴伺服系统故障诊断

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。当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，就要对主轴提出相应的进给控制和位置控制要求。此时，主轴驱动系统也可称为主轴伺服系统，相应的主轴电动机装配有编码器作为主轴位置检测;另一种方法就是在主轴上直接安装外置式的编码器，这在机床改造和经济型数控车床中用得较多。当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息;二是在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障;三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障有：

1.1过载

原因：切削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载报警。 具体表现为：主轴电动机过热主轴驱动装置显示过电流报警等。

1.2主轴不能转动

电气系统原因：1）检查CNC系统是否有速度控制信号输出。2）检查使能信号是否接通。通过CNC显示器观察I/O状态，分析机床PLC梯形图（或流程图），以确定主轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满足。3）主轴电动机动力线断裂或主轴控制单元连接不良。4）机床负载过大。5）主轴驱动装置故障。6）主轴电机故障。

机械故障原因，在机械方面，主轴不转常发生在强力切削下，可能原因有：1）主轴与电机连接皮带过松或皮带表面有油，造成打滑。2）主轴中的拉杆未拉紧夹持刀具的拉钉（在车床上就是卡盘未夹紧工件）。

1.3 主轴转速异常或转速不稳定

当主轴转速超过技术要求所规定的范围时，要考虑：1）CNC系统输出的主轴转速模拟量（通常为0～±10v）没有达到与转速指令对应的值，或速度指令错误。2）CNC系统中D/A变换器故障。3）主轴转速模拟量中有干扰噪声。4）测速装置有故障或速度反馈信号断线。5）电动机过载。6）电动机不良（包括励磁丧失）。7）主轴驱动装置故障。

1.4 主轴转动时振动或噪声太大

首先要区别噪声及振动发生在主轴机械部分还是电器部分。检查方法有：1）在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障。2）在恒转速时，可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别，如存在，则主轴机械部分有问题。3）检查振动的周期是否与转速有关，如无关，一般是主轴驱动装置未调整好;如有关，应检查主轴机械部分是否 良好，测速装置是否不良。

电器方面可能的原因：1）电源缺相或电源电压不正常。2）控制单元上的电源开关设定（50/60Hz切换）错误。3）伺服单元上的增益电路和颤抖电路调整不好（或设置不当）。4）电流反馈回路未调整好。5）三相输入的相序不对。

机械方面的原因：1）主轴箱与床身的连接螺钉松动。2）轴承预紧力不够或预紧螺钉松动，游隙过大，使之产生轴向窜动，应重新调查。3）轴承损坏，应更换轴承。4）主轴部件上动平衡不好，应重新调整动平衡。5）此轮有严重损伤，或此轮啮合间隙过大，应更换此轮或调整啮合间隙。6）润滑不良，因油不足，应改善润滑条件，使润滑油充足。7）主轴与主轴电机的连接皮带过紧，应移动电机座调整皮带使松紧度合适。8）连接主轴与电机的连轴器故障。9）主轴负荷太大。

1.5主轴加/减速时工作不正常

造成此故障的原因有下述几种：1）减速极限电路调整不良。2）电流反馈回路不良。3）加/减速回路时间常数设定和负载贯量不匹配。4）驱动器再生制动电路故障。5）传动带连接不良。

1.6 外界干扰

主轴转速出现随机和无规律性的波动。由于受电磁干扰，屏蔽或接地措施不良，主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判别有无干扰的方法是：当主轴转速指令为零时，主轴仍往复摆动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。

1.7 主轴速度指令无效，转速仅有1～2r/min

原因：1）CNC模拟量输出（D/A）转换电路故障。2）CNC速度输出模拟量与驱动器连接不良或断线。3）主轴转向控制信号极性与主轴转向输入信号不一致。4）主轴驱动器参数设定不当。

1.8 主轴不能进行变速

造成主轴不能转速主要有以下原因：1）CNC参数设置不当或编程错误造成主轴转速控制信号输出为某一固定值。2）D/A转换电路故障。3）主轴驱动器速度模拟量输入电路故障。

1.9 螺纹加工出现“乱牙”故障

数控车床加工螺纹，其实质是主轴的角位移与Z轴进给之间进行插补，主轴的角位移是通过主轴编码器进行测量的，一般螺纹加工时，系统进行的是主轴每转进给动作，要执行每转进给的指令，主轴必须有每转一个脉冲的反馈信号，“乱牙”往往是由于主轴与Z轴进给不能实现同步引起的，此外，还有以下原因：1）主轴编码器或Z轴“零位脉冲”不良或受到干扰。2）主轴编码器或连轴器松动（断裂）。3）主轴编码器信号线接地或屏蔽不良，被干扰。4）主轴转速不稳，有抖动。5）主轴转速尚未稳定，就执行了螺紋加工指令（G32），导致了主轴与Z轴进给不能实现同步，造成“乱牙”。 采用“G32”前加G04延时指令或更改螺纹加工程序的起始点，使其离开工件一段距离，保证在主轴速度平稳后，再开始螺纹加工，即可实现正常的螺纹加工

除了以上描述外，还有一些常见的主轴系统故障，比如：主轴定位点不稳定、主轴定位时出现振荡、主轴不能定位、主轴定位不准等在这里不再一一赘述。

2、维修实例

例1 某立式加工中心，在加工时主轴运行突然停止，驱动器显示过电流报警。

分析：  经查交流主轴驱动器主回路，发现再生制动回路、主回路的熔断器均熔断，经更换后机床恢复正常。但机床正常运行数天后，再次出现同样故障。

分析可能存在的主要原因有：1）主轴驱动器控制板不良。2）电动机连续过载。3）电动机绕组存在局部短路。

在以上几点中，根据现场实际加工情况，电机过载的原因可以 排除。考虑到换上元器件后，驱动器可以正常工作数天，故主轴驱动器控制板不良的可能性很小。因此可能性最大的是电动机绕组存在局部短路。维修时仔细测量电动机绕组的各相电阻，发现U相对地绝缘电阻较小，证明该相存在局部对地短路。拆开电动机检查发现，电动机内部绕组与引出线的连接处绝缘套已经老化;经重新连接后，对地电阻恢复正常。更换元器件后，机床恢复正常，故障不再出现。

例2  DM4600加工中心，在更换了主轴编码器后，出现主轴定位时不断振荡，无法完成定位的故障。

分析：由于该机床更换了主轴位置编码器，机床在执行主轴定位时减速动作正确，分析故障原因应与主轴位置反馈极性有关，当位置反馈极性设定错误时，必然引起以上现象。   更换主轴编码器极性可以通过交换编码器的输出信号Ua1/Ua2， Ua1/Ua2进行，当编码器定位由CNC控制时，也可以通过修改CNC机床参数进行，在本机床上通过修改主轴位置反馈极性参数（硬件配置参数中主轴编码器的部件号），主轴定位恢复正常。

3、结束语

我们日常进行数控机床的维护维修时，应该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。分析故障时，维修人员不应局限于CNC部分，而是要对机床强电、机械、液压、气动等方面都作详细的检查，并进行综合判断，制定出故障排除的方案，达到快速确诊和高效率排除故障的目的。

参考文献：

[1]杨克冲 数控机床电气控制 华中科技大学出版社 武汉2007.2

[2]华中数控股份有限公司 HNC-21M参数说明书 武汉2005.1

[3]廖兆榮 机床电气自动控制[M] 北京 化学工业出版社2003.