第四章 主轴驱动系统的故障诊断与维修

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1、第四章主轴驱动系统的故障诊断与维修4.1概述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。

2、主轴驱动系统分类：一）直流主轴驱动系统二）主轴通用变频器控制系统三）交流主轴驱动系统对主轴传动系统的要求:一）调速范围宽为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量，特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围提出了更高的要求，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节。目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1：100，恒功率调速范围也可达1：30，过载1.5倍时仍可持续工作达30min。二

3、）恒功率范围要宽要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率，并尽可能在调速范围内提供主轴电机的最大功率。由于主轴电机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。三）具有四象限驱动能力要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1S内从静止加速到6000r/min。四）具有位置控制能力即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换

4、刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。4.2直流主轴驱动系统从原理上说，直流主轴驱动系统与通常的直流调速系统无本质的区别，但因为数控机床高速、高效、高精度的要求，决定了直流主轴驱动系统具有以下特点：1）调速范围宽。采用直流主轴驱动系统的数控机床通常只设置高、低两级速度的机械变速机构，电动机的转速由主轴驱动器控制，实现无级变速，因此，它必须具有较宽的调速范围。2）直流主轴电动机通常采用全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。3）主轴电控机通常采用特殊的热管冷却系统，能将

5、转子产生的热量迅速向外界发散。此外，为了使电动机发热最小，定子往往采用独特附加磁极，以减小损耗，提高效率。4）直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流，以实现四象限的运行。5）主轴控制性能好。为了便于与数控系统的配合，主轴伺服器一般都带有D/A转换器、“使能”信号输入、“准备好”输出、转速/转矩显示输出等信号接口。6）纯电气主轴定向准停控制功能。由于换刀、精密镗孔、螺纹加工等需要，数控机床的主轴应具有定向准停控制功能，而且应有电气控制系统自动实现，以进一步缩短定位时间，提高机床效率。主轴定向准停控制

6、，当采用位置编码器作为位置检测器件时，为了控制主轴位置，主轴与编码器之间必须是1：1传动或将编码器直接安装在主轴轴端。当采用磁性传感器作为位置检测器件时，磁性器件应直接安装在主轴上，而磁性传感头则应固定在主轴箱体上。采用编码器与使用磁性传感器的方式相比，具有定位点在0～360°范围内灵活可调，定位精度高，定位速度快等优点，而且还可以作为主轴同步进给的位置检测器件，因此其使用较广。4.2.1  直流主轴控制系统连接图4.2.2  直流主轴控制系统常见的故障1.主轴电动机不转造成这类故障的原因有：1）印制线路

7、板表面太脏或内部电路接触不良。2）触发脉冲电路故障，晶闸管无触发脉冲产生3）机床未给出主轴旋转信号、电动机动力线电线或主轴控制单元与电动机连线不良。4）机械连接脱落，如高/低档齿轮切换用的力和齿啮合不良。5）机床负载太大。6）控制信号为满足主轴旋转的条件，如转向信号、速度给定电压为输入。2.主轴速度不正常或不稳定造成这类故障的原因有：1）装在主轴尾部的测速发电机故障（断线或不良）。2）速度指令电压不良或错误。3）D/A变换器故障。4）电动机不良，如：励磁丧失等。5）电动机负载过重。6）驱动器不良。7)印刷

8、线路板太脏或其误差放大器故障。8）速度指令错误。3.主轴电动机振动或噪声过大造成这类故障的原因有：1）系统电源或相序不对（缺相、相序不正确或电压不正常）。2）电流反馈回路调整不当。3）驱动器上的增益调整电路或颤动调整电路的调整不当。4）驱动器上的电源开关设定错误（如50/60HZ切换开关设定错误等）。5）电动机轴承故障、主轴电动机和主轴之间离合器故障。6）主轴负荷过大等；4.发生过流报警造成这类故障的原因有：1）驱动器电流极限