主轴驱动系统故障诊断与维修.doc

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1、项目2 主轴驱动系统故障诊断与维修一、实训要求1.了解主轴驱动系统的工作原理。2.掌握交流变频器的操作方法。3.能对变频器进行参数设置及故障排除。4.能分析和排除主轴常见故障。二、实训设备 4台FANUC 0i Mate-md数控维修铣床，2台GSK980TD数控维修车床，7台数控电气维修实验台。三、实训必备知识1. 主轴驱动系统的工作原理及接线 图2-1 GSK980TDA数控车主轴驱动变频器接线图 图2-2 FANUC 0I MATEMD数控铣主轴驱动变频器接线图l 变频器的原理 根据公式：n=60f/p 可知交流异步电机的转速与电源频率 f 成正比与电机的极对数成反比，因此，改变电机的频

2、率可调节电机的转速。通常我们为了保证在一定的调速范围内保持电动机的转矩不变，在调节电源频率 f 时，必须保持磁通不变，由公式 UE=4.44fWK可知，U/f 所以改变频率 f 时，同时改变电源电压 U，可以保持磁通不变。目前大部分变频器都采用了上述原理。用同时改变f和U 的方法来实现电机转速 n的调速控制，并使得输出扭矩在一定范围内保持不变。注：电机的极对数与转速V，U，W代表三相电机的每一相，电机内部共有3组线圈，每一组就是一相，出来两个线头，3相共出6个线头，分别按照一定的接法接到三相电源上。一组线圈或一相包含多个线圈，但不会是单数的，因为它要组成南北两个极，而且在电机内部是对称的，例如

3、图1，其中一相V,有两个线圈一个在上部一个在下部，两个线圈是串联的，通电时就产生两个磁极，图2的V相有4个线圈，也串联在一起，也是对称的，但它有4个极，这个图只是告诉大家线圈在电机内部的方位，和所谓的磁极对数。第一个图每一相有南北两个极，就是一对磁极，磁极对数是1，通常叫它2极电机，转速最快。极数越少，转速越快，对啊。因为交流电的频率是50Hz,是指每一相1秒钟方向往返50次，三相不是同时往返，有一个次序的问题，但时间间隔是相同的，书本上说的是空间角度相差120度。当这个三相交流电通入电机的时候，就造成电机3组线圈通电的顺序不同，可能U相线圈先通电，V第二，W第三然后又重复这样的排列，这就造成

4、了旋转磁场。那么快慢是怎样形成的呢，看图1，当三相通电一次时，磁场已经走过1圈了（正半周期走半圈，负半周期再走半圈），就是经过50分之1秒磁场已经走过一圈，经过1秒钟就走过50圈，经过1分钟就走过3000圈了。再看图2，它的磁极跨度只有图1的一半，那么通一次电的时候磁场所走过的路程只有图1的一半。所以旋转磁场的速度就慢，转子的转速就慢。多极数的电机因工艺复杂，价格也高。（是不是极数越少，转速越快；极数越多，转速越慢。为什么会这样呢？）改变电机的极对数就能改变电机转速 是因为极对数越少电机里的旋转磁场的转速越高 所以改变电机的极对数就能改变电机转速 4P就是电机里有四对磁极。2对的额定转速300

5、0转，实际转速2800转左右。4对的额定转速1500转，实际转速1400转左右。数控机床主轴驱动系统由主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴等组成。（参照数控系统接线说明书及电气原理图） l 变频器常识什么是变频器呢？我们在日常生活中经常听到，它一般是利用半导体器件的开关作用将工频电源变换为另一频率的电能的设备。变频器原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。可分为交交变频器，交直交变频器。交交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交直交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交

6、流电。通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。一般变频电源是变频

7、器价格的1520倍。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器。变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中，不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。PAM是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲

8、宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。想要了解变频器原理就必须先了解这两个东西。什么是变频器类型：分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。变频器的工作原理：把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。1. 整流器 ，它

9、与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。2. 中间电路，有以下三种作用：a. 使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。b. 通过开关电源为各个控制线路供电。c. 可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。3. 逆变器 ，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。 4. 控制电路 ，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是： a. 利用信号来开关逆变器的半导体器件。b. 提供操作变频器的各种控制信号。c. 监视变频器的工作状态，提供保护功能。l 三菱FR-D700 系列变频器（参照使用手册）

10、1）安装与接线2）端子接线图3）主电路端子规格4）主电路端子的端子排列与电源、电机的接线5）基本操作简单模式参数一览表l 变频器的两种启动方式 系统发出 0-10V 的模拟电压控制在系统中的 MDI 方式下编入指令 M03 S500，按下“循环启动”键后系统会根据参数#3741-#3744 换算成相对应的模拟电压(如下图所示)， 变频器再根据模拟电压输出对应的频率与电压，驱动三相异步电机。通过变频器“设定用旋钮”来控制l 西门子MICROMASTER420通用型变频器（参照使用手册）接线框图191. 改变方向 改变电动机转动的方向。用一个负号(-)或一个闪烁的小数点指示反向旋转。2. 启动变频

11、器 本按钮可以启动变频器。缺省状态下该按钮被禁止。如果要使能该按钮，请将P0700设置为1。3. 停止变频器 本按钮按照P1121设置的时间(斜坡下降时间)停止变频器。4. 电动机点动 当变频器没有输出时，本按钮可以按照预置的点动频率启动和运行电动机。释放该按钮时变频器停止。5. 访问参数 按下本按钮，允许用户按照选定的用户访问级别访问参数。6. 减少数值 按下本按钮可减少显示值。如果要通过BOP改变频率设置值，请设置P1000=1。7. 增加数值 按下本按钮可增加显示值。如果要通过BOP改变频率设置值，请设置P1000=1。8. 功能 本按钮可用于查看附加信息。请参阅MICROMASTER

12、420操作说明第44页的51.2 节。快速调试缺省设置变频器控制端子功能设定参数3.螺纹切削原理在数控机床上，编制一个正确的程序，可以很方便地加工出螺纹。切削螺纹时，刀具运动要与主轴运动主轴的旋转同步。在螺纹切削过程中，装在机床上的与主轴同步的主轴位置编码器，实时地读取主轴速度并转换为刀具的每分钟进给量，使机床移动。螺纹切削是在主轴上的位置编码器输出一转信号时启动的，所以总是能够在固定的点开始螺纹切削，在重复多次的螺纹切削时，工件上的刀具轨迹不会改变。需要注意的是：螺纹切削时，从粗加工到精加工，主轴速度必须保持恒定，否则会生成错误的导程。在螺纹加工时，进给速度倍率无效，主轴速度赔率无效。在螺纹

13、加工时，可能出现下列问题：（1）机床不能进行螺纹加工；（2）螺纹加工乱扣；（3）螺纹精度不对；造成原因如下：机床不能进行螺纹加工可能的出现的原因是：（1）系统无螺纹加工功能；（2）主轴位置编码器未安装或安装不规范；（3）主轴位置编码器有故障；（4）参数错误；（5）编程错误；（6）其他原因。螺纹加工乱扣，可能原因是：（1）主轴位置编码器安装不规范；（2）主轴位置编码器有故障；（3）参数错误；（4）其他原因。螺纹加工精度不对，可能出现原因是：（1）主轴位置编码器安装不规范；（2）主轴位置编码器有故障；（3）参数错误；（4）刀具原因；(5)其他原因。四、实训内容1.根据机床实际，找出主轴控制系统相关

14、硬件接线原理图。2.根据说明书，进行系统参数设定、变频器功能参数的设定，并进行调试。3.通用变频主轴系统常见故障及处理表1 通用变频主轴常见故常与处理故障现象可能原因处理方法电动机不运转CNC无速度信号输出检测速度给定信号，检查系统参数主轴驱动器故障1)是否有报警错误代码显示，如有报警，对照相关说明书解决（主要有过流、过、过压、欠压以及功率块故障等）。2)频率指定源和运行指定源的参数是否设置正确。 3)智能输入端子的输入信号是否正确。变频器输出端子U、V、W不能提供电源电源是否已提供给端子运行命令是否有效？RS（复位）功能或自由运行停车功能是否处于开启状态负载过重电动机负载是否太重主轴电动机故

15、障电机损坏电动机反转输出端子U/T1，V/T2和W/T3的连接是否正确使得电动机的相序与端子连接相对应，通常来说：正转（FWD）UVW，和反转（REV）UWV电动机正反转的相序是否与U/T1，V/T2和W/T3相对应控制端子（FW）和（RV）连线是否正确端子(FW）用于正转，（RV）用于反转电动机转速不能到达如果使用模拟输入，电流或电压“O”或“OI”检查连线检查电位器或信号发生器负载太重减少负载重负载激活了过载限定（根据需要不让此过载信号输出）系统参数设置错误检查相关参数转动不稳定负载波动过大增加电动机容量（变频器及电动机）电源不稳定解决电源问题该现象只是出现在某一特定频率下稍微改变输出频率

16、，使用调频设定将此有问题的频率跳过过流加速中过流检查电动机是否短路或局部短路，输出线绝缘是否良好延长加速时间变频器配置不合理，增大变频器容量减低转矩提升设定值恒速中过流检查电动机是否短路或局部短路，输出线绝缘是否良好检查电动机是否堵转，机械负载是否有突变变频器容量是否太小，增大变频器容量电网电压是否有突变减速中或停车时过流输出连线绝缘是否良好，电动机是否有短路现象延长减速时间更换容量较大的变频器直流制动量太大，减少直流制动量机械故障，送厂维修。短路对地短路检查电动机连线是否有短路检查输出线绝缘是否良好送修过压停车中过压l 延长减速时间，或加装刹车电阻 l 改善电网电压，检查是否有突变电压产生

17、加速中过压恒速中过压减速中过压低压检查输入电压是否正常检查负载是否突然有突变是否缺相变频器过热检查风扇是否堵转，散热片是否有异物环境温度是否正常通风空间是否足够，空气是否能对流变频器过载连续超负载150一分钟以上检查变频器容量是否配小，否则加大容量检查机械负载是否有卡死现象V/F曲线设定不良，重新设定电动机过载连续超负载150一分钟以上机械负载是否有突变电动机配用太小电动机发热绝缘变差电压是否波动较大是否存在缺相机械负载增大电动机过转矩机械负载是否有波动电动机配置是否偏小主轴转速与变频器不匹配参数设置不正确1）最大频率设定是否正确。2) 验证V/F设定值与主轴电机规格是否相匹配。3）确保所有比

18、例项参数设定正确。主轴与进给不匹配（螺纹加工时）主轴编码器有问题1）CRT画面有报警显示。2）通过PLC状态显示观察编码器的信号状态。3）用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，观察故障是否消失。4交流伺服主轴驱动系统及故障维修 1）交流伺服主轴驱动系统数控加工中心对主轴有较高的控制要求，首先要求在大力矩、强过载能力的基础上实现宽范围无级变速，其次要求在自动换刀动作中实现定角度停止(即准停)，这使加工中心主轴驱动系统比一般的变频调速系统或小功率交流伺服系统在电路设计和运行参数整定上具有更大的难度。主轴的驱动可以使用交流变频或交流伺服2种控制方式，交流变频主轴能够无级变速但不能准停，需要另外

19、装设主轴位置传感器，配合CNC系统PMC (指数控系统内置PLC)的逻辑程序来完成准停速度控制和定位停止；交流伺服主轴本身即具有准停功能，其自身的轴控PLC信号可直接连接至CNC系统的PMC，配合简捷的PMC逻辑程序即可完成准停定位控制，且后者的控制精度远远高于前者。交流伺服主轴驱动系统由主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴速度与位置的旋转编码器3部分组成，主要完成闭环速度控制，但当主轴准停时则完成闭环位置控制。由于数控机床的主轴驱动功率较大，所以主轴电动机采用鼠笼式感应电动机结构形式，旋转编码器可以在主轴外安装，也可以与主轴电动机做成一个整体，主轴驱动单元的闭环控制、矢量运算均由内部的高速信号

20、处理器及控制系统实现。与交流伺服驱动一样，交流主轴驱动系统也有模拟式和数字式两种型式 。2）交流伺服主轴驱动系统常见故障 交流主轴驱动系统按信号形式又可分为交流模拟型主轴驱动单元和交流数字型主轴驱动单元。交流主轴驱动除了有直流主轴驱动同样的过热、过载、转速不正常报警或故障外，还有另外的故障条目，总结如下。（1）主轴不能转动，且无任何报警显示。表2主轴不能动故障原因可能原因检查步骤排除措施机械负载过大尽量减轻机械负载主轴与电动机连接皮带过松在停机的状态下，查看皮带的松紧程度调整皮带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)有的机床会设置敏感元件的反馈信号，检查次反馈信号是否到

21、位重新装夹好刀具或工件系统处在急停状态检查主轴单元的主交流接触器是否吸合更具实际情况下，松开急停；机械准备好信号断路排查机械准好信号电路主轴动力线断线用万用表测量动力线电压确保电源输入正常电源缺相正反转信号同时输入利用PLC监查功能查看相应信号无正反转信号通过PLC监视画面，观察正反转指示信号是否发出一般为数控装置的输出有问题，排查系统的主轴信号输出端子使能信号没有接通通过CRT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；检查外部启动的条件是否符合主轴驱动装置故障有条件的话，利用交换法，确定是否有故障更换主轴驱动装置主轴电动机故障更换电动机（

22、2）主轴速度指令无效，转速仅有12r/min。可能原因检查步骤排除措施动力线接线错误检查主轴伺服与电动机之间的UVW连线确保连线对应CNC模拟量输出（D/A）转换电路故障用交换法判断是否有故障更换相应电路板CNC速度输出模拟量与驱动器连接不良或断线测量相应信号，是否有输出且是否正常更换指令发送口或更换数控装置主轴驱动器参数设定不当查看驱动器参数，是否正常依照说明书，正确设置参数反馈线连接不正常查看反馈连线确保反馈连线正常反馈信号不正常检查反馈信号的波形调整波形至正确或更换编码器（3）速度偏差过大指的是主轴电机的实际速度与指令速度的误差值超过允许值，一般是启动时电机没有转动或速度上不去。引起此故

23、障的原因见表4。 表4 速度偏差过大报警综述可能原因检查步骤排除措施反馈连线不良不启动主轴，用手盘动主轴使主轴电动机以较快速度转起来，估计电机的实际速度，监视反馈的实际转速确保反馈连线正确反馈装置故障更换反馈装置动力线连接不正常用万用表或兆欧表检查电动机或动力线是否正常（包括相序不正常）确保动力线连接正常动力电压不正常确保动力线电压正常机床切削负荷太重，切削条件恶劣重新考虑负载条件，减轻负载，调整切削参数机械传动系统不良改善机械传动系统条件制动器未松开查明制动器为松开的原因确保制动电路正常驱动器故障利用交换法，判断是否有故障更换出错单元电流调节器控制板故障电动机故障(4)过载报警。 削用量过大

24、，频繁正、反转等均可引起过载报警。具体表现为主轴过热、主轴驱动装置显示过电流报警等造成此故障的可能原因见表5 。可能原因检查步骤排除措施长时间开机后再出现此故障负载太大检查机械负载调整切削参数，干山切削条件，减轻负载频繁正、反转减少频繁正、翻转次数(5)主轴振动或噪声过大首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气驱动部分。 检查方法： 若在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障； 若在恒转速时产生，可通过观察主轴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； 检查振动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；如有关系，应检

25、查主轴机械部分是否良好，测速装置是否不良。 表6 主轴振动或噪声过大的故障综述故障部位可能原因检查步骤排除措施电气部分故障系统电源缺相、相序不正确或电压不正常测量输入的系统电源确保电源正确反馈不正确测量反馈信号确保接线正确，且反馈装置正常驱动器异常，如：增益调整电路或颤动调整电路的调整不当根据参数说明书，设置好相关参数三相输入的相序不对用万用表测量输入电源确保电源正确机械部分故障主轴负荷过大重新考虑负载条件，减轻负载润滑不良是否缺润滑油，加注润滑油是否润滑电路或电机故障，检修润滑电路是否润滑漏油更换润滑导油管主轴与主轴电动机的连接皮带过紧在停机的情况下，检查皮带松紧程度调整皮带的连接轴承故障、

26、主轴和主轴电动机之间离合器故障目测，可判断这个机械连接是否正常调整轴承，轴承拉毛或损坏可拆开相关机械结构后目测更换轴承齿轮有严重损伤更换齿轮主轴部件上动平衡不好（丛最高速度向下时发生次此故障）当主轴电机最高速度时，关掉电源，惯性运转时是否仍有声音校核主轴部件上的动平衡条件，调整机械部分轴承预紧力不够或预紧螺钉松动调紧预紧螺钉游隙过大或齿轮啮合间隙过大调整机床间隙，五、实训步骤1.测绘机床电路，完成主轴控制系统的接线。2.使用变频操作面板修改参数，具体步骤见变频器说明书。3.用NC和变频器操作面板分别对进行控制，正转、反转、停止、改变电机转速等，具体步骤见设备操作说明书。 4.模拟主轴故障。5.填写实训报告。六、思考题1.如何判断变频器自身故障？2.如何修改变频器的参数？ 3.阐述电机的两种启动方式。