第9章 学习情境七 主轴驱动系统故障诊断与维修
数控机床的主轴驱动系统的性能直接决定了加工工件的表面质量，主轴控制只是一个 速度控制系统，实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，保证任意转速的调 节，完成在转速范围内无级变速。在具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为位置控制伺服系统。
9.1 主轴驱动系统概述
主轴驱动系统通过传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度， 完成主运动的动力装置部分，配合进给运动加工出合格的零件。主运动是零件加工的成形 运动，其精度对零件的加工精度影响较大。
数控机床主轴的工作运动通常是旋转运动，与进给轴的进给共同实现刀具与工件的快 速相对切削运动。早期的数控机床的主轴一般采用三相感应电动机，通过配多级齿轮变速 箱实现有级变速的驱动方式。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求。
1．调速范围宽并实现无级调速
为保证加工时能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， 特别是具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要 求，对主轴的调速范围要求更高，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，简化主轴箱。
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1：30，一般过载1．5倍时可持续工作30min。
主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速3种形式，其中有级变速仅用于经 济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调 速主轴一般用于普通型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。
2．恒功率范围宽
主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的 最大功率。由于主轴电动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，以扩大输出转矩。
3．具有4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／rnin。
4．具有位置控制能力
即具有进给功能(C轴功能)和定向功能(准停功能)，以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削及车削中心的某些加工工艺的需要。
5．有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低
数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性，最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。采用带传动时应采用齿型带。为提高主轴组件的刚性，应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但需要采用专门的刀具和花键磨床加工。
6．良好的抗振性和热稳定性
在长时间持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡及切削过程中的自振等引起冲击力和交变力，会使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，甚至损坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。因此，主轴组件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。
9.2 不同类型主轴系统的特点和使用范围
1．普通鼠笼式异步电动机配齿轮变速箱
这是最经济的一种主轴配置方式，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工的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属切削和需要频繁变换主轴速度的加工场合。
2．普通鼠笼式异步电动机配简易型变频器
可实现主轴的无级调速，主轴电机只有工作在500r/min以上时才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况；一般采用两档齿轮或皮带变速，主轴仍然只能工作在中高速范围。另外，因为受到普通电机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都无要求的场合。
3．普通鼠笼式异步电动机配通用变频器
进口的通用变频器，除了具有u／f曲线调节外，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善；配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速(100～200r／min)小加工余量的加工，但同样受电动机最高转速的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。
4．专用变频电动机配通用变频器
一般采用有反馈矢量控制，低速甚至零速时都可以有较大的力矩输出，有些还具有定向甚至分度进给的功能，是非常有竞争力的产品。以YPNC系列变频电动机为例：电压，三相200 V、220 V、380 V、400 V可选；输出功率1．5～18．5kW：变频范围2～200Hz：30min150％过载能力；支持V／f。控制、V／f+PG(编码器)控制、无PG矢量控制、有PG矢量控制。提供通用变频器的厂家以国外公司为主，如西门子、安川、富士、三菱、日立等。中档数控机床主要采用这种方案，主轴传动两档变速甚至仅一档即可实现转速在100～200r／min时车、铣的重力切削。一些有定向功能的还可以应用于要求精镗加工的数控镗铣床；若应用在加工中心上，必须采用其他辅助机构完成定向换刀的功能，也不能满足刚性攻丝的要求。
5．伺服主轴驱动系统
交流伺服主轴驱动系统保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电动机无需维护，便于制造，不受恶劣环境影响，目前直流伺服主轴驱动系统已逐步被交流电动机所取代。交流伺服主轴驱动系统通常采用感应电动机作为驱动电动机，由伺服驱动器实施闭环控制。交流主轴电动机均采用交流感应电动机，并且通常多采用不带换向器的三相感应电动机。其定子由对称的三相绕组组成。圆柱体的转子铁芯上是由均匀分布的斜槽、铸铝结构笼条与端部的金属环构成的笼式转子(故也称笼式电动机)。
定子的铁芯具有轴向孔而无外壳，以利通风，所以交流电机往往是非封闭式的电机)。为了提高输出功率，防止主轴的热变形，也有在电动机外壳与前端盖中通有循环油路，实现液体冷却绕组与主轴轴承。交流主轴控制单元，是一种转差频率矢量控制系统，用来控制交流感应电机的。交流电动机的尾部大多同轴安装有脉冲编码器或脉冲发生器。此时，速度反馈可以有两种方式，如果主轴放大器是数字式，则可接受反馈。如果主轴放大器是
模拟式，则直接反馈给CNC主轴伺服接口。采用永磁式同步交流伺服电动机作为驱动电动机，由伺服驱动器实现速度环的矢量控制，具有快速的动态响应特性，但其恒功率调速范围较小。
交流主轴驱动系统分模拟式和数字式两种，具有以下特点：
全数字式主轴驱动系统，可直接使用CNC的数字量输出信号控制驱动器，不需要经过D／A转换，转速控制精度高。主轴转速的提高不受换向器的限制，其最高转速通常比直流主轴的更高，可达到每分钟数万转。采用微处理器和现代控制理论进行控制，运行平稳、振动和噪声小。数字式主轴驱动系统中，可采用参数设置方法对系统进行静态调整与动态优化，系统设置灵活、调整准确。由于交流主轴无换向器，主轴通常不需要进行维修。 具有再生制动功能，在制动时，既可将能量反馈回电网，起节能效果，又能加快启动，制动速度。伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的特点，还可以实现定向和进给功能，通常价格是同功率变频器主轴驱动系统的2～3倍。伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、
主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要
图９－１主轴伺服电机
求很高的加工。如图９－１为主轴伺服电机。
6．电主轴
电主轴是主轴电动机的一种结构形式，驱动器可以是变频器或主轴伺服，也可以不要驱动器。由于电主轴将电动机和主轴合二为一，没有传动机构，因此大大简化了主轴的结构并且提高了主轴的精度，但是抗冲击能力较弱，而且功率还不能太大，一般在10 kw以下，如图９－２。由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展，一般在8000r／min以上，现在最高可达150 000r／min。安装电主轴的机床主要用于精加工和高速加工，例如高速精密加工中心。另外，在雕刻机和有色金属以及非金属材料加工机床上应用较多。这些机床由于只对主轴高
转速有要求，因此，往往
图９－２ 电主轴 不用主轴驱动器。
9.3 FANUC主轴驱动系统介绍
FANUC公司在从20世纪80年代开始已使用了交流主轴驱动系统，并逐步取代了直流
主轴驱动系统。目前有三大系列：s系列电动机，额定输出功率范围1．5～37 kW；H系列电动机，额定输出功率范围1．5～22 kW；P系列电动机，额定输出功率范围3．7～37kW。该公司交流主轴驱动系统有以下主要特点。
（1）采用微处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。 （2）主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机电流非常接近正弦波性。 （3）具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。
例如，FANUC S系列主轴单元伺服系统的基本配置。S系列主轴单元伺服系统的连接
方法如图9—3所示，其中K1为从变压器副边输出的AC200V的三相电，电源电缆应接到主轴伺服单元的R、S、T和G端。K2为从主轴单元的U、V、W和G端输出到电动机的动力线，应与接线盒内的指示相符。K3为主轴伺服单元的端子T上的：R0、S0和T0 输出到主轴风扇电动机的动力线，应使风扇向外排风。K4．为主轴电动机的编码器反馈电缆，其中PA、PB、RA、RB用作速度反馈信号，OHl、OH2为电动机的温控开关接点，SS为屏蔽线。K5为从NC和PMC输出到主轴伺服单元的控制信号电缆，接到主轴伺服单元的50芯插座CNl，其中的信号含义见表9-1。K6电缆从主轴伺服单元的20芯插座CN3输出主轴故障识别信号。该信号由AL8、AL4、AL2、ALl以及COM组成，由它们产生的16种二进制状态表示相应的故障类型，这些信号进入PMC后，由相应的译码程序理后显示在CRT上。
CN1电器柜CN3 交流OM 主轴SM1 伺服LM1 单元RSTG反馈信号线K4动力线K2风扇线K33PB6RB9OH2UV2PA5RA8SS1+5V4主轴0V编码7OH1器主轴WG电机风扇电机三相交流380V伺服变压器380V/220VROSOTO 图9—３ 主轴伺服驱动器
表9-1 K5接口主轴信号表 插头信号 1，2 3，4 5 6 7，8 9，10 11，12 13 14 15，16 17 18 19，20 21 信号名称 SAR1，2 SST1，2 TLML OT MRDY1，2 TLM5，6 ALM1，2 OR OS STD1，2 CTH OM ARST1，2 TLMH 功能 主轴速度到达信号（输出） 主轴零速信号（输出） 主轴扭矩限制信号（输出） TLML\\TMLH信号地线 主轴速运行准备信号（输出） 主轴扭矩限制信号（输出） 主轴故障（输出） 主轴故障报警公共线 主轴速度连续修调，正反转信号地线 主轴速度检测信号（输出） 主轴高速挡信号（输入） 主轴转速表／功率表地线 主轴报警复位信号（输入） 主轴扭矩限制信号（大扭矩）（输入） 22，23 24 25，26 27，28 29 30，31 45 46 47，48 49 50 ORAR1，2 CTM ORCM1，2 OVR1，2 +15 DA2，E SFR SRV EPS1，2 LM1 SM1 主轴定向完成信号（输出） 主轴中挡信号（输入） 主轴定向命令信号（输入） 主轴速度连续修调命令（信号） ＋１５V电源 主轴速度命令（模拟电压）（输入） 主轴正转命令（输入） 主轴反转命令（输入） 主轴急停命令（输入） 主轴功率表信号（输出） 主轴转速表信号（输出）
9.4 主轴电动机驱动方式
1．控制电路
控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭环调速系统，其中内环是电流环，外环是速度环。主轴电动机为他励式直流电动机，励磁绕组与电枢绕组无连接关系，由另一路直流电源供电。
双闭环调速系统的特点是，速度调节器的输出作为电流调节器的给定信号来控制电动机的电流和转矩。其优点在于：可以根据速度指令的模拟电压信号与实际转速反馈电压的差值及时控制电动机的转矩，在速度差值大时，电动机转矩大，速度变化快，以便尽快地使电动机的转速达到给定值；而当转速接近给定值时，又能使电动机的转矩自动地减小，这样可以避免过大的超调，使转速很快达到给定值，保证转速稳态无静差。电流环的作用是，当系统受到外来干扰时，能迅速做出抑制干扰的响应，保证系统具有最佳的加速和制动的时间特性。另外，双闭环调速系统以速度调节器的输出作为电流调节器的输入给定值，速度调节的输出限幅值就限定了电流环中的电流。在电动机启动或制动过程中，电动机转矩和电枢电流急剧增加，电枢电流达到限定值，使电动机以最大转矩加速，转速直线上升。当电动机的转速达到甚至超过了给定值时，导致速度反馈电压大于速度给定电压，速度调节器的输出从限幅值降下来，作为电流调节器的输入给定值将使电枢电流下降，随之电动机的转矩也将下降，开始减速。当电动机的转矩小于负载转矩时，电动机又会加速，直到重新回到速度给定值，因此双闭环直流调速系统对主轴的快速启停，保持稳定运行等功能是很重要的。
磁场控制回路由励磁电流设置回路、电枢电压反馈回路及励磁电流反馈回路组成，前两者的输出信号经比较后控制励磁电流。以FANUC直流主轴电动机为例，当电枢电压低于210V，电枢反馈电压低于6.2V时，磁场控制回路中电枢电压反馈相当于开路不起作用，只有励磁电流反馈起作用，维持励磁电流不变，实现调压调速；当电枢电压高于210V，电枢反馈电压高于6．2V时，此时励磁电流反馈相当于开路不起作用而引入电枢反馈电压。随着电枢电压的提高，调节器即对磁场电流进行弱磁升速，使转速上升。这样，通过速度指令，电动机转速从最小值到额定值对应电动机电枢的调压调速，实现恒转矩控制；从额定值到最大值对应电动机励磁电流减小的调磁调速，实现恒功率控制。
直流主轴驱动装置一般具有速度到达、零速检测等辅助信号输出，同时还具有速度反馈消失、速度偏差过大、过载及失磁等多项报警保护措施，以确保系统安全可靠工作。