第四章主轴驱动系统的故障诊断与维修.docx

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学****情境描描述:
数控机床的的主轴驱动动系统也就就是主传动动系统,它它的性能直直接决定了了加工工件件的表面质质量,它结结构复杂,机机、电、气气联动,故故障率较高高,它的可可靠性将直直接影响数数控机床的的安全和生生产率。因因此,在数数控机床的的维修和维维护中,主主轴驱动系系统显得很很重要。
维修人员根根据维修单单,到现场场进行故障障询问调查查,确定维维修方案、拟定维修工作计划、计划工时和费用;通过查阅数控机床PLC的相关显示界面和电路原理图、数控系统和就变频器说明书等维修资料,分析故障原因;使用通用工具及万用表,检测判断故障部位,在机床现场快速排除故障,填写维修记录并交接验收。
学****任务::
1、主轴不不能转动故故障维修
2、主轴速速度慢、主主轴振动等等故障维修修
3、变频器器故障维修修
学****目标::
1、学会数数控机床维维修方法::隔离法。
2、具备数数控机床主主轴系统的的故障诊断断能力和排排除故障能能力。
3、能使用用所配置的的主轴变频频器及参数数设置方法法,会检测测判断并修修理变频器器简单故障障。
4、在故障障诊断、检检测及更换换中能严格格执行相关关技术标准准规范和安安全操作规规程,有纪纪律观念和和团队意识识,以合作作方式拟定定诊断与修修理计划,并并具备环境境保护和文文明生产的的基本素质质。
5、能撰写写维修工作作报告,总总结、反思思、改进工工作过程。
学****内容::
1、学****主主轴系统的的基本构造造和运行特特点及工作作原理。
2、学****数数控机床主主轴相关变变频器的功功能及使用用方法、电电气原理图图、主轴装装配图、气气动系统图图。
3、学****主主轴相关梯梯形图并据据此分析说说明M、SS功能、主主轴正反转转、倍率调调节等工作作原理。
4、学****主主轴相关参参数含义及及设置。
5、学****主主轴故障维维修流程图图的画法。
完整的工作作过程:获获得信息(维维修任务单单、图纸、说说明书等)——制订计划(原因分析/确定流程/费用估算)——实施计划(检查与更换)——检查(自检、验收、总结与工作过程反馈);

数控机床主主轴驱动系系统是数控控机床的大大功率执行行机构,其其功能是接接受数控系系统(CNNC)的SS码速度指指令及M码码辅助功能能指令,驱驱动主轴进进行切削加加工。它包包括主轴驱驱动装置、主主轴电动机机、主轴位位置检测装装置、传动动机构及主主轴。通常常主轴驱动动被加工工工件旋转的的是车削加加工,所对对应的机床床是车床类类;主轴驱驱动切削刀***旋转的的是铣削加加工,所对对应的机床床是铣床类类。
 主轴系统统分类及特特点
全功能数控控机床的主主传动系统统大多采用用无级变速速。目前,无无级变速系系统根据控控制方式的的不同主要要有变频主主轴系统和和伺服主轴轴系统两种种,一般采采用直流或或交流主轴轴电机,通通过带传动动带动主轴轴旋转,或或通过带传传动和主轴轴箱内的减减速齿轮((以获得更更大的转矩矩)带动主主轴旋转。另另外根据主主轴速度控控制信号的的不同可分分为模拟量量控制的主主轴驱动装装置和串行行数字控制制的主轴驱驱动装置两两类。模拟拟量控制的的的主轴驱驱动装置采采用变频器器实现主轴轴电动机控控制,有通通用变频器器控制通用用电机和专专用变频器器控制专用用电机两种种形式。目目前大部分分的经济型型机床均采采用数控系系统模拟量量输出+变变频器+感感应(异步步)电机的的形式,性性价比很高高,这时也也可以将模模拟主轴称称为变频主主轴。串行行主轴驱动动装置一般般由各数控控公司自行行研制并生生产,如西西门子公司司的6111系列,日日本发那克克公司的αα系列等。
1、普通笼笼型异步电电动机配齿齿轮变速箱箱
这是最经济济的一种方方法主轴配配置方式,但但只能实现现有级调速速,由于电电动机始终终工作在额额定转速下下,经齿轮轮减速后,在在主轴低速速下输出力力矩大,重重切削能力力强,非常常适合粗加加工和半精精加工的要要求。如果果加工产品品比较单一一,对主轴轴转速没有有太高的要
要求,配置置在数控机机床上也能能起到很好好的效果;;它的缺点点是噪音比比较大,由由于电机工工作在工频频下,主轴轴转速范围围不大,不不适合有色色金属和需需要频繁变变换主轴速速度的加工工场合。
2、普通笼笼型异步电电动机配简简易型变频频器
可以实现主主轴的无级级调速,主主轴电动机机只有工作作在约5000转/分分钟以上才才能有比较较满意的力力矩输出,否否则,特别别是车床很很容易出现现堵转的情情况,一般般会采用两两挡齿轮或或皮带变速速,但主轴轴仍然只能能工作在中中高速范围围,另外因因为受到普普通电动机机最高转速速的限制,主主轴的转速速范围受到到较大的限限制。
这种方案适适用于需要要无级调速速但对低速速和高速都都不要求的的场合,例例如数控钻钻铣床。国国内生产的的简易型变变频器较多多。
3、通笼型型异步电动动机配通用用变频器
目前进口的的通用变频频器,除了了具有U//f曲线调调节,一般般还具有无无反馈矢量量控制功能能,会对电电动机的低低速特性有有所改善,配配合两级齿齿轮变速,基基本上可以以满足车床床低速(1100—200转转/分钟)小小加工余量量的加工,但但同样受最最高电动机机速度的限限制。这是是目前经济济型数控机机床比较常常用的主轴轴驱动系统统。
4、专用变变频电动机机配通用变变频器
一般采用有有反馈矢量量控制,低低速甚至零零速时都可可以有较大大的力矩输输出,有些些还具有定定向甚至分分度进给的的功能,是是非常有竞竞争力的产产品。以先先马YPNNC系列变变频电动机机为例,电电压:三相相200VV、2200V、3880V、4400V可可选;输出出功率:-;变频频范围2--200HHz;(最最高转速rr/minn);300min1150%过过载能力;;支持V//f控制、VV/f+PPG(编码码器)控制制、无PGG矢量控制制、有PGG矢量控制制。提供通通用变频器器的厂家以以国外公司司为主,如如:西门子子、安川、富富士、三菱菱、日立等等。
中档数控机机床主要采采用这种方方案,主轴轴传动两挡挡变速甚至至仅一挡即即可实现转转速在1000—200rr/minn左右时车车、铣的重重力切削。一一些有定向向功能的还还可以应用用与要求精精镗加工的的数控镗铣铣床,若应应用在加工工中心上,还还不很理想想,必须采采用其他辅辅助机构完完成定向换换刀的功能能,而且也也不能达到到刚性攻丝丝的要求。
5、伺服主主轴驱动系系统
伺服主轴驱驱动系统具具有响应快快、速度高高、过载能能力强的特特点,还可可以实现定定向和进给给功能,当当然价格也也是最高的的,通常是是同功率变变频器主轴轴驱动系统统的2---3倍以上上。伺服主主轴驱动系系统主要应应用于加工工中心上,用用以满足系系统自动换换刀、刚性性攻丝、主主轴C轴进进给功能等等对主轴位位置控制性性能要求很很高的加工工。
6、电主轴轴
电主轴是主主轴电动机机的一种结结构形式,驱驱动器可以以是变频器器或主轴伺伺服,也可可以不要驱驱动器。电电主轴由于于电机和主主轴合二为为一,没有有传动机构构,因此,大大大简化了了主轴的结结构,并且且提高了主主轴的精度度,但是抗抗冲击能力力较弱,而而且功率还还不能做得得太大,一一般在100KW以下下。由于结结构上的优优势,电主主轴主要向向高速方向向发展,一一般在100000rr/minn以上。
安装电主轴轴的机床主主要用于精精加工和高高速加工,例例如高速精精密加工中中心。另外外,在雕刻刻机和有色色金属以及及非金属材材料加工机机床上应用用较多,这这些机床由由于只对主主轴高转速速有要求,因因此,往往往不用主轴轴驱动器。
就电气控制制而言,机机床主轴的的控制是有有别于机床床伺服轴的的。一般情情况下,机机床主轴的的控制系统统为速度控控制系统,而而机床伺服服轴的控制制系统为位位置控制系系统。换句句话说,主主轴编码器器一般情况况下不是用用于位置反反馈的(也也不是用于于速度反馈馈的),而而仅作为速速度测量元元件使用,从从主轴编码码器上所获获取的数据据,一般有有两个用途途,其一是是用于主轴轴转速显示示;其二是是用于主轴轴与伺服轴轴配合运行行的场合(如如螺纹切削削加工,恒恒线速加工工,G955转进给等等)。
注:当机机床主轴驱驱动单元使使用了带速速度反馈的的驱动装置置以及标准准主轴电机机时,主轴轴可以根据据需要工作作在伺服状状态。此时时,主轴编编码器作为为位置反馈馈元件使用用。

一、主轴变变频器
随着交流调调速技术的的发展,目目前数控机机床的主轴轴驱动多采采用交流主主轴电动机机配变频器器控制的方方式。目前前作为主轴轴驱动装置置市场上流流行的变频频器有德国国西门子公公司、日本本三肯、安安川等。下下面以西门门子(MMM420)为为例,讲解解模拟量控控制主轴运运动装置的的工作原理理、端部接接线、功能能参数的设设定等。
MM4200西门子的的供电电源源电压为三三相交流(3380V至至480VV)或单相相交流(2200V至
至240VV),具有有现场总线线接口的选选件,功率率范围:~111KW ;控制::线性v//f控制特特性,多点点设定的vv/f控制制特性,FFCC(磁磁通电流控控制)。过过程控制::内置PII控制器。输输入:3个个数字输入入,1个模模拟输入。输输出:1个个模拟输出出,1个继继电器输出出。与自动动化系统的的接口:是是SIMAATIC S7-2200,SSIMATTIC S7-3300/4400(TTIA)或或 SIMOOTIONN自动化系系统的理想想配套设备备。MM4420变频频器接线方方框图如下下:
图4-1MMM4200变频器接接线方框图图
1、变频器器主电路
主电路的功功能是将固固定频率(550-600HZ)的的交流电转转换成频率率连续可调调(0-4400HZZ)的三相相交流电,包包括交-直直电路、制制动单元电电路及直交交电路。MMM4200变频器主主电路输入入端子有三三相或单相相可选,为为L、N或或L1、LL2、L33,输出端端子为U、VV、W。
2、变频器器控制回路路功能及端端子接线
掌握变频器器控制回路路接线端子子功能在维维修中是非非常重要的的,西门子子变频器的的控制端子子有开关量量输入控制制端子(55、6、77、8),主主要用于控控制电机的的正反向运运行等功能能;模拟量量输入端子子(3、44),主要要用于控制制接受0--10V的的模拟量信信号;报警警信号输出出(10、111)。其其中多功能能端子5、66、7的具具体功能是是分别由变变频器参数数P07001、P00702、PP07033等设定,以以数控系统统802CC为例,根根据西门子子802CCPLCC程序的主主轴控制输输出特点,其其相应的端端子功能设设定如下表表:

3、变频器器输入接线线实际使用用注意事项项:
(1)根据据变频器输输入规格选选择正确的的输入电源源。
(2)变频频器输入侧侧采用断路路器(不宜宜采用熔断断器)实现现保护,其其断路器的的整定值应应按变频器器的额定电电流选择而而不应按电电动机的额额定电流来来选择。
(3)变变频器三相相电源实际际接线无需需考虑电源源的相序。
(4)面板板上的SDDP有两两个LEED,用于于显示变频频器当前的的运行状态态
变频器输出出接线实际际使用注意意事项:
(1)输出出侧接线须须考虑输出出电源的相相序。若相相序错误,将将会造成主主轴电机反反转,机床床不能正常常加工而报报警。
(2)实际际接线时,,决不允许许把变频器器的电源线线接到变频频器的输出出端。若接接反了,会会烧毁变频频器。
(3)一般般情况下,,变频器输输出端直接接与电动机机相连,无无需加接触触器和热继继电器。
4、通用变变频器常见见报警及保保护
为了保证驱驱动器的安安全,可靠靠的运行,在在主轴伺服服系统出现现故障和异异常等情况况时,设置置了较多的的保护功能能,这些保保护功能与与主轴驱动动器的故障障检测与维维修密切相相关。当驱驱动器出现现故障时,可可以根据保保护功能的的情况,分分析故障原原因。
接地保护
在伺服驱动动器的输出出线路以及及主轴内部部等出现对对地短路时时,可以通通过快速熔熔断器间切切断电源,对对驱动器进进行保护。
过载保护
当驱动器、负负载超过额额定值时,安安装在内部部的热开关关或主回路路的热继电电器将动作作,对进行行过载保护护。
速度偏差过过大报警
当主轴的速速度由于某某种原因,偏偏离了指令令速度且达达到一定的的误差后,将将产生报警警,并进行行保护。
瞬时过电流流报警
当驱动器中中由于内部部短路、输输出短路等等原因产生生异常的大大电流时,驱驱动器将发发出报警并并进行保护护。
速度检测回回路断线或或短路报警警
当测速发电电动机出现现信号断线线或短路时时,驱动器器将产生报报警并进行行保护。
速度超过报报警
当检测出的的主轴转速速超过额定定值的1115%是,驱驱动器将发发出报警并并进行保护护。
励磁监控
如果主轴励励磁电流过过低或无励励磁电流,为为防止飞车车,驱动器器将发出故故障并进行行保护。
短路保护
当主回路发发生短路时时,驱动器器可以通过过相应的快快速熔断器器进行短路路保护。
相序报警
当三相输入入电源相序序不正确或或缺相状态态时,驱动动器将发出出报警。
 
变频器出现现保护性的的故障时(也也叫报警),首首先通过变变频器自身身的指示灯灯以报警的的形式反映映出内容,。

报警名称
报警时的
LED显示示
动作内容
对地短路
对地短路故故障
检测到变频频器输出电电路对地短短路时动作作(一般为为≥30kWW)。而对对≤22kWW变频器发发生对地短短路时,作作为过电流流保护动作作。此功能能只是保护护变频器。为为保护人身身和防止火火警事故等等应采用另另外的漏电电保护继电电器或漏电电短路器等等进行保护护。
过电压
加速时过电电压
由于再生电电流增加,使使主电路直直流电压达达到过电压压检出值(有有些变频器器为8000VDC)时时,保护动动作。(但但是:如果果由变频器器输入侧错错误地输入入控制电路路电压值时时,将不能能显示此报报警)
减速时过电电流
恒速时过电电流
欠电压
欠电压
电源电压降降低等使主主电路直流流电压低至至欠电压检检出值(有有点变频器器为4000VDC)以以下时,保保护功能动动作。注意意:当电压压低至不能能维持变频频器控制电电路电压值值时,将不不显示报警警。
电源缺相
电源缺相
连接的3相相输入电源源L1/RR、L2//S、L33/T中任任何1相缺缺时,有点点变频器能能在3相电电压不平衡衡状态下运运行,但可可能造成某某些器件(如如:主电路路整流二极极管和主滤滤波电容器器损坏),这这种情况下下,变频器器会报警和和停止运行
行。
过热
散热片过热热
如内部的冷冷却风扇发发生故障,散散热片温度度上升,则则产生的保保护动作
变频器内部部过热
如变频器内内通风散热热不良等,则则其内部温温度上升,保保护动作
制动电阻过过热
当采用制动动电阻且使使用频度过过高时,会会使其温度度上升,为为防止制动动电阻烧损损(有点会会有“叭”的很大的的爆炸声),保保护动作
外部报警
外部报警
当控制电路路端子连接接控制单元元、制动电电阻、外部部热继电器器等外部设设备的报警警常闭接点点时,按这这些节点的的信号动作作。
过载
电动机过负负载
当电动机所所拖动的负负载过大使使超过电子子热继电器器的电流超超过设定值值时,按反反时限性保保护动作。
变频器过负负载
此报警一般般为变频器器主电路半半导体元件件的温度保保护,按变变频器输出出电流超过过过载额定定值时保护护动作。
通讯错误
RS通信错错误
当通信时出出错,则保保护动作。
 二、主轴轴电机
三、主轴编编码器
四、主轴箱箱

一、、西门门子8022C数控系系统和MMM420变变频器的连连接
图4-2西门门子8022C数控系系统和MMM420变变频器的连连接
802C系系统通过XX7轴接口口中的A004/GNND4模拟拟量输出端端口可控制制主轴转速速,当系统统接受主轴轴旋转指令令后,在输输出口输出出0-100V的模拟拟量电压,同同时PLCC输出Q0..0、,一般定义义高电平有效效,,、Q0..1同时为高高电平时,,主轴装置置反转,二二者都为低低电平时,,主轴装置置停止停转。
数控系统XX5口接受受主轴编码码器反馈回回来的信号号,主要用用来速度检检测和螺纹纹切削加工工,对于普普通主轴变变频器和系系统的连接接除了硬件件上接线外外,系统和和变频器的的参数设置置也非常重重要。
二、8022D数控系系统中变频频器与6111U伺服服驱动的连连接
802D数数控系统配配置变频主主轴时,变变频器0--10V的的指令电压压是通过6611UEE的X4111端口上上的75..A和155给出的,,..A给出的的,具体接接线如下::