数控机床模拟主轴启动后不运转的故障诊断.docx
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数控机床模拟主轴启动后不运转的故障诊断
模拟主轴启动后不运转的故障诊断
【任务目标】
1、了解数控机床主轴控制方式；
2、掌握数控机床模拟主轴的控制原理；
3、掌握数控机床模拟主轴的常见故障及诊断方法；
4、能够排除模拟主轴启动后不运转的故障。
【任务描述】
有一台YL559数控车床，配备FANUC0iTD数控系统，主轴采用变频器控制，出现了主轴启动后不运转的故障，本次任务的工作是找出故障原因并能排除故障。
【资讯计划】
一、资料准备
要完成本任务，需要配备以下资料：
1、FANUC0iD数控系统硬件连接说明书；
2、FANUC0iD数控系统维修说明书；
3、YL559数控机床电气原理图；
4、故障记录单。
二、工具、材料准备
要完成本任务中的故障诊断及排除工作，需要配备以下工具和材料，具体见表5-1-1。
表5-1-1工具和材料清单
清单
名称
规格
单位
数量
工具
万用表
UT33B
块
1
内六角扳手
5mm、6mm、8mm、10mm、12mm
套
1
螺丝刀
一字
把
1
螺丝刀
十字
把
1
呆扳手
8mm╳10mm、
12mm╳14mm
电烙铁
ST
只
1
材料
焊锡
1mm2
卷
1
松香
盒装
盒
1
导线
1.5mm2
m
5
三、知识准备
1、主轴驱动系统概述
数控机床主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统（CNC）的S代码（速度）指令及M代码（辅助）功能指令，驱动主轴进行切削加工。
它由主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴等组成。
（1）主轴传动方式
常见的数控机床主轴传动方式有以下几种：
1普通三相异步电动机配置变速齿轮实现主轴传动
三相异步电动机转速公式为：
（式5-1-1）
其中：
是交流电源频率，
是电机转差率，
是电机极对数。
在工频情况下，电机转速恒定，主轴的调速只能通过齿轮变速换挡实现，主轴正转、反转和停止分别通过M03、M04和M05指令由PLC（PMC）编程控制实现。
当主轴需要调速时，可执行M00指令使加工程序暂停，然后手动进行换挡到加工工艺需要速度，再循环启动继续加工。
这是最经济的一种主轴传动方式，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。
2三相异步电动机配置变频器实现主轴传动
由式5-1-1可知，改变电机工作频率可以实现电机调速。
变频器的作用就是改变电机工作频率。
电机和主轴常使用同步带连接，主轴正转、反转和停止及调速是通过编制加工程序由PLC（PMC）编程控制实现的，S代码由CNC处理，将信号传输给变频器，再由变频器控制三相异步电动机调速，实现主轴无级调速。
这种情况下，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩输出，否则很容易出现堵转的情况。
这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都不要求的场合。
3三相异步电动机配置变频器以及变速齿轮箱实现主轴传动
这种主轴传动方式兼有上述两种传动方式的优点，主要是变速齿轮箱能在主轴低速时传递较大的转矩，避免了电机直接带动主轴时低速区输出转矩小的弊端。
由于是变频器驱动三相异步电动机，能实现电机的无级调速，从而能实现主轴无级调速，两者组合扩大了主轴调速范围，可满足不同加工工艺的需要，主轴的正转、反转以及停止通过M03、M04和M05指令实现控制。
齿轮换挡通过M41、M42和M43指令实现，S代码调速由变频器实现。
4主轴伺服电机配置主轴伺服放大器实现主轴传动
主轴伺服电机必须选用配套的主轴伺服放大器构成主轴伺服驱动系统。
主轴伺服电机用于主轴传动，具有刚性强、调速范围宽、响应快、速度高、过载能力强的特点。
主轴正转、反转以及停止和调速，通过指令M03、M04、M05和S编制相应的程序实现，价格比同功率变频器主轴驱动系统高。
使用主轴伺服电机还具有别的驱动系统所没有的优势，伺服主轴还可以实现主轴定向（主轴准停）、刚性攻丝、CS轮廓控制、主轴定位等主轴伺服特有功能，满足数控机床加工中特殊工艺需要。
5电主轴
电主轴是在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，把高速加工推向一个新时代。
电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件，具体有：
电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。
电动机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是机座，并且配合其他零部件，实现电动机与机床的“零传动”。
图5-1-1电主轴
2、FANUC数控系统主轴控制方式
FANUC数控系统主轴控制主要有两大类：
模拟主轴控制和串行主轴控制。
模拟主轴控制即为传统的模拟量控制，从CNC单元输出0～±10V的模拟电压控制主轴电动机的转速及转向。
而串行主轴控制是指从CNC单元输出的控制指令（数据）控制主轴电动机的转速及转向。
（1）模拟主轴控制
模拟主轴控制是FANUC数控系统输出模拟电压控制主轴，主轴调速由变频器调速控制，主轴电机一般选用普通三相异步电动机或变频电机，实现主轴的正转、反转、停止及调速等。
图5-1-2模拟主轴控制原理
数控装置的接口JA40输出0～±10V的模拟电压，输送到模拟主轴放大器（通常是变频器），模拟主轴放大器控制电机以一定的转速和转向转动。
主轴的转速和转向是否达到控制要求，是由位置编码器来检测的。
位置编码器把反馈信号输送到JA41接口。
根据反馈结果，数控系统判断有没有达到控制要求，如果没有达到控制要求，系统JA40会发出信号进一步控制，直至满足控制要求。
图5-1-3变频主轴控制接线图
（2）串行主轴控制
图5-1-4串行主轴控制原理
从CNC单元输出的控制指令（数据）控制主轴电动机的转速及转向，转向控制也由相应的参数决定。
3、变频器基本知识
变频器即电压频率变换器，是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。
目前，通用变频器几乎都是交—直—交型变频器。
交—直—交变频器首先将频率固定的交流电整流成直流电，经过滤波，再将平滑的直流电逆变成频率连续可调的交流电。
由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围内，以及改善频率后电动机的特性等方面都有明显的优势，目前，此种变频器已得到普及。
下面以欧姆龙变频器3G3JZ-A4007为例，介绍变频器的使用方法。
（1）变频器铭牌
图5-1-5变频器铭牌
（2）变频器型号
图5-1-6变频器型号
（3）变频器的接线原理图
图5-1-7变频器接线原理图
需要注意的是：
控制回路端子显示为初始设定的NPN配线，可通过时序输入方法切换SW的设定变更为PNP输入。
频率指令输入Al初始为电压输入，可通过模拟输入选择方法切换SW和参数设定变更为电流输入。
（4）数字操作器
图5-1-8变频器操作器
表5-1-2变频器操作键介绍
图示
名称
功能
数据显示部
显示频率指令值、输出频率数值及参数常数设定值等相关数据。
频率指令旋钮
通过旋钮设定频率时使用。
旋钮的设定范围可在0Hz～最高频率之间变动。
运转显示
运转状态下LED亮灯。
运转指令OFF时在减速中闪烁。
正转显示
正转指令时LED亮灯。
从正转移至反转时，LED闪烁。
反转显示
反转指令时LED亮灯。
从反转移至正转时，LED闪烁。
停止显示
停止状态下LED亮灯。
运转中低于最低输出频率时LED闪烁。
（进位显示）
在参数等显示中显示5位数值的前4位时亮灯。
状态键
按顺序切换变频器的监控显示。
在参数常数设定过程中按此键则为跳过功能。
输入键
在监控显示的状态下按下此键的话进入参数编辑模式。
在决定参数N0．显示参数设定值时使用。
另外，在确认变更后的参数设定值时按下。
减少键
减少频率指令、参数常数N0．的数值、参数常数的设定值。
增加键
增加频率指令、参数常数N0．的数值、参数常数的设定值。
RUN键
启动变频器（但仅限于用数字操作器选择操作／运转时）。
STOP／RESET键
使变频器停止运转（只在参数n2.01设定为“STOP键有效”时停止）
另外，变频器发生异常时可作为复位键使用。
要进行各种操作模式的切换，可按下模式键（
）切换数据显示。
接通电源后，连续按下模式键后，“数据显示部”会按照按图5-1-9所示顺序切换。
图5-1-9操作模式切换
（5）变频器参数设定
参数n2.00为“频率指令选择”，设定为0，代表操作器的增量/减量键输入有效；设定为1，代表操作器的频率指令旋钮有效；设定为2，代表频率指令输入A1端子（电压输入0-10V）有效。
参数n2.01为“运行指令选择”，设定为0，代表操作器的RUN/STOP键有效；设定为1，代表控制回路端子有效，操作器的RUN/STOP键也有效；设定为2，代表控制回路端子有效，操作器的RUN/STOP键无效。
4、模拟主轴参数设定
（1）主轴速度参数：
在3741中设定10V对应的主轴速度。
例如：
3741设定为2000，当程序执行Sl000时，JA40上输出电压为5V。
（2）主轴控制电压极性参数。
系统提供的主轴模拟控制电压必须与连接的变频器的控制极性相匹配。
当使用单极性变频器时可通过参数3706#7（TCW）、3706#6（CWM）来控制主轴输出时的电压极性。
（3）速度误差调整。
当主轴的实际速度和理论速度存在误差时，往往是由于主轴倍率不正确或者输出电压存在零点漂移而引起的。
如是后者的原因则可通过相关参数进行调整。
第一步：
设定标准设定值1000。
第二步：
指定成为主轴速度模拟输出最大电压（10V）的主轴速度。
第三步：
测量输出电压。
第四步：
在参数3730中设定下式的值。
设定值=[10（V）/测量电压（V）]×1000
第五步：
在设定完参数后，再次指定主轴速度模拟输出成为最大电压的主轴速度，确认输出电压已被设定为10V。
（4）主轴速度到达检测。
当使用模拟主轴时无主轴速度到达信号。
注意3708#0（SAR）信号需为l。
5、YL559数控车床模拟主轴电气控制原理
YL559数控车床主轴采用模拟主轴控制，电气控制原理图见图5-1-10。
FANUC数控系统对模拟主轴的控制，主要包含速度与方向控制，速度控制的来源是由系统根据速度指令转化为的模拟电压，该电压通过CNC装置的JA40接口输出给变频器的模拟量控制接口A1、AC；而主轴旋转的方向，是由PMC根据指令来控制正反转继电器KA5和KA6吸合来完成的。
比如，执行指令M03后，首先由PMC进行译码，输出一个信号给继电器，继电器吸合后，闭合变频器上的正转端子，完成主轴正转的控制。
图5-1-10YL559数控车床模拟主轴电气控制原理图
6、模拟主轴不转的故障分析
模拟主轴如果出现不转的故障，原因往往是多方面的，可能是机械传动方面的问题，或者是电气接线存在问题，或者是数控系统参数设置存在问题等，表5-1-3给出了模拟主轴不转的故障原因及相应的处理方法。
表5-1-3模拟主轴不转故障分析与处理
故障原因
处理方法
机械传动故障引起
检查皮带传动有无断裂或机床是否挂放在空档。
供给主轴的三相电源缺相
检查电源，接好电源线。
数控系统参数设定错误
查阅说明书，了解参数并更改。
系统与变频器的线路连接错误
查阅系统与变频器的连线说明书，确保连线正确。
模拟电压输出不正常
用万用表检查系统输出的模拟电压是否正常；检查模拟电压信号线连接是否正确或接触不良，变频器接收的模拟电压是否匹配。
强电控制部分断路或元器件损坏
检查主轴供电线路各触点连接是否可靠，线路有否断路，继电器是否损坏，保险管是否烧坏。
变频器参数未调好
变频器内含有控制方式选择，分为变频器面板控制主轴方式、NC系统控制主轴方式等。
若不选择NC系统控制方式，则无法用系统控制主轴，修改这一参数；检查相关参数设置是否合理。
【任务实施】
根据诊断思路，进行诊断，步骤如表5-1-4所示。
表5-1-4诊断步骤
序号
操作步骤
图示
1
查看变频器的状态是否正常。
正常情况下，变频器接收到正反转信号后，RUN灯会亮起。
但实际观察发现，RUN灯不亮。
2
检查模拟电压输出是否正常。
执行“S600M03”，测量变频器模拟量控制接口A1、AC的电压为3.83V，电压正常。
3
查看正转继电器，从而确定PMC的输出是否正常。
通过诊断发现，启动主轴正转后，正转继电器指示灯亮，工作正常。
4
检查正转继电器触点线路，发现正反转控制端子SC的接线松脱。
故障确定后，按照如下步骤进行维修，如表5-1-5所示。
表5-1-5维修步骤
序号
操作步骤
图示
1
按下急停按钮，关闭数控系统电源
2
重新连接端子SC
3
开机，主轴能够正常启动。
【任务拓展】
有一台YL559数控车床，配备FANUC0iTD数控系统，主轴采用变频器控制，主轴启动后主轴转速不受控制，请分析可能的故障原因。
相关专业英语词汇
analogspindle—模拟主轴
VVVF—VariableVoltageandVariableFrequency变频器
SAR—speedarrival速度到达信号
CW—clockwise正转
CCW—counterclockwise反转
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