2．主电路
数控机床直流主轴电机由于功率较大，且要求正、反转及停止迅速，故驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，这样在制动时，除了缩短制动时间外，还能将主轴旋转的机械能转换成电能送回电网。测速发电机作为速度的检测反馈元件。逻辑无环流可逆系统是利用逻辑电路，使一组晶闸管在工作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从而切断正、反两组晶闸管之间流通的电流(简单环流)。命令级电路的作用是防止正、反向两组晶闸管同时导通，它要检查调电枢电路的电流是否到达零值，判别旋转方向命令，向逻辑电路提供正组或反组晶闸管允许开通信号，这两个信号是互斥的，由逻辑电路保证不同时出现。逻辑电路必须保证系统满足下述条件：
（1）只允许向一组晶闸管提供触发脉冲。
(2)只有当工作的那一组晶闸管断流后才能撤销其触发脉冲，以防止晶闸管处于逆变 状态时，未断流就撤销触发脉冲，以致出现逆变颠覆现象，造成故障。
（3）只有当原先工作的那一组晶闸管完全关断后，才能向另一组晶闸管提供触发脉冲，以防止出现过大的电流。
（4）任何一组晶闸管导通时，要防止晶闸管输出电压与电动机电动势方向一致，导致电压相加，使瞬时电流过大。
逻辑无环流可逆调速系统除了用在数控机床直流主轴电动机的驱动外，还可用在功率较大的直流进给伺服电动机上。
9.5 主轴准停控制
主轴定向准停控制，实际上是在主轴速度控制基础上增加一个位置控制环。常采用位置编码器或磁性传感器作为检测元件。
当采用位置编码器作为位置检测器件时，由于安装不方便，主轴与编码器之间必须是l：l的传动或将编码器直接安装在主轴轴端。而采用磁性传感器作为位置检测器件时，磁性器件只能直接安装在主轴上，而磁性传感头则固定在主轴箱体上。与使用磁性传感器相比，采用编码器具有定位点在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。
1．主轴有无报警的故障 （1)主轴电机过流报警
发生过流的可能原因有：电流极限参数设置错误；同步脉冲紊乱；主轴电机电枢线圈层问短路，主轴负载过大或机械故障；长时间切削条件恶劣；直流主轴电动机的线圈电阻不正常，换向器太脏；动力线连接不牢；励磁线连接不牢；驱动器的控制励磁电源存在故障；电动机故障：驱动器故障等。
（2)主轴电机过热报警
这时驱动器的过热报警指示灯会亮。
一般先检查主轴电机的冷却风扇是否在转动。如否，机床断电，先检查该风扇的保险丝，再查是风扇损坏还是风扇冷却系统太脏(注意：还应该让电机有足够的时间去冷却后再给机床通电)。
如果报警依然存在，检查主轴电动机或反馈线断线或短路，用万用表测量输出端子，是否接通状况良好，确保连线正确。与直流主轴电机相关的故障主要有以下几种。负载过大或由于电流平方根值大于额定输出转矩的电流平均值。用手触摸电动机，感觉是否发热很厉害，如果发热很厉害，等冷却后再开机，看是否仍有报警，要改善切削条件，调整切削参数降低负载。主轴电机电枢电流大于磁缸去磁前的最大允许电流值而造成磁缸发生不可逆的去磁。带有制动器的直流伺服电机内整流块损坏或是制动器线圈断线或气隙不合适造成制动器不释放。由于油和电刷灰嵌入换向器的云母槽中而引起绕组内部短路或绝缘不
良。
（3)主轴电机断路器跳闸或保险丝熔断报警
这类报警需要根据机床使用期情况来分别重点检查如下方面：
新维修后的机床，电流极限参数设置错误、动力线及反馈线接线错误或相序错误 等：老机床先考虑阻力过大，可能是电刷、测速发电机碳刷磨损及碳粉阻塞、轴承与齿轮或电磁离合器磨损等所造成。大功率管的击穿、大功率执行组件或印刷板故障。主回路故障、控制板故障引起主回路电流过大，电流互感器的短路、电机的缺相、电枢线短路、电枢绕组短路或局部短路、电枢线对地短路等，要排除短路故障。伺服电动机或主回路绝缘不良，检查直流伺服电动机和主回路的绝缘，更换相应部件。反馈检测系统松动或屏蔽接地不良等造成同步脉冲混乱。输入电压太高，用万用表测量输入电压，控制电压在lO％～15％范围内。
2．主轴无报警的故障
（1）主轴速度不正常或不稳定
应该根据速度环控制原理来分析各个环节可能出现的故障。 速度环中速度指令错误或未到达，速度指令电压不良或错误，D／A变换器故障， 通过测量从数控装置主轴接口输出过来的信号，要确保主轴控制信号正常。主轴尾部测速发电机故障，反馈线断线或接触不良，反馈装置损坏，测量反馈信号，保证接线正确，信号正常。电动机故障(如励磁丧失等)，驱动器故障，误差放大器故障，采取交换法判断是 否有故障，采取相应的措施。印刷线路板太脏，电动机负载过重，应清洁电路板，或更换放大器，或重新考虑负载条件，减轻负载。
（2）主轴速度偏差较大 常见成因：D／A变换器故障(如果NC输出的VCMD速度指令为数字信号时)及其接头与线缆的接触不良。而这类故障往往与信号的传递和阻力有关。机械阻力造成的负荷过大。主轴制动未充分释放或机械故障。速度指令或反馈信号线接触不良或断线：没有或未传输到零电流信号。晶闸管整流部分太脏，造成直流母线电压过低或绝缘性能降低。电动机磁体不正常，输出电压不正常，用万用表测量励磁电压，更换磁体或电动机。控制板的励磁回路故障，用交换法测试控制板。
（3）主轴突然停止
对于具有电枢反向和磁场控制的直流主轴调速系统，可以参考维修说明书来分析，可能原因有以下几种。
当出现在钻孔／攻丝工况下，或主轴换向反转时，故障原因可能有：丝锥／钻头变钝、孔径过小、加工中润滑不良、过浅的孔径。此时，程序就可能出现要求：重新选择螺纹或研磨来代替钻孔／攻丝。
可能是因为来自主轴逆变器的信号强度小于可接受的数值。需要查相关的硬件故障。可能是：指令信号丢失——指令信号电缆与端口或主控制器的输出接口不良导致反馈信号的丢失；检测到的信号频率小于最低值(具有主轴定向控制的主轴系统，主轴位置检测器／主轴控制器没有在额定时间内检测到信号一一等待超时。一般前者额定时间为5s，后者为10s)。如果主轴控制器得到的编码器的脉冲数过多超过期望值时，应该检查屏蔽与接地不良，不能排除干扰、编码器损坏。
（4）主轴不能停止或定向不停止
主轴不能停止，是指按主轴停止键后，在规定的时间内(12s)不能停止的现象。这时需要检查主轴停止开关与主轴制动装置等。主轴定向不停止是因为：编码器故障，没有输出零位信号或反馈回路故障，没有传入到系统致使主轴没接收到编码器信号；如果采用磁性传感器定位，检查相关的指示灯是否点亮，如果没亮，有故障，更换磁性传感器；如果主轴停在准停位，仍有报警，说明定向板上的继电器损坏，更换相应继电器。
（5）主轴不转
主轴不转即系统发出指令后，主轴伺服单元或直流主轴电动机不执行，这类故障常见原因如下：
驱动器印刷线路板表面太脏以致内部电路接触不良，实际无速度指令输出。触发脉冲电路故障，晶闸管无触发脉冲产生，属驱动器故障，采用交换法判断是否有故障，更换驱动器。机床未给出主轴旋转信号，(按钮及其连线、+24V电压未加上等)，通过PLC状态监测功能，查看主轴正／反转信号是否送出，主轴速度给定指令是否给出，从数控系统端找出故障，确保各指令正常。电机动力线接触不良，或主轴控制单元与电机之间连接不良，电动机励磁线短路，R、S、T线不正常。用万用表测量各连线端子的接通情况，确保各连接线正常。机械卡死或负载特别大，消除机械故障，减轻负载。机械连接脱落(如高／低挡齿轮切换啮合不良)，碳刷不好或严重磨损，控制板故障，电动机励磁回路或主回路阻值不正常。
（6）主轴异常噪声与振动
根据振动频率高低、是否与转速有关、是否有冲击等来进行判断。
1）对于新机床，振动与噪声与转速无关时，主轴控制单元的电源频率开关设置错误 (50，60Hz)。对于交流主轴电机还需查电源相序不对、缺相或三相不平衡。如是高频自激振动，查控制单元增益电位器或电流反馈回路调整不良。
2）主轴电机旋转时有较大的冲击振动。其成因可能是： ①测速发电机输出电压的突然降落；
②测速发电机在l 000rpm时，输出电压波纹峰一峰值大于2％： ③电机线圈内部短路或不正常；
④电机轴承或传动轴承点缺陷、齿轮断齿等故障。是低频振动，与轴转速有关。 3）主轴电机运转时有较大的噪声。高频噪声，电流环增益过高或RC设置问题，与轴转速无关。低频噪声，当与主轴转速有关时，除了类似伺服电机系统的机械故障外，还有主轴电机与主轴之间的离合器故障。主轴电机低速旋转时有大的波纹(实际是小幅振动)， 当主轴电机振动频率与测速发电机振动频率一致时，是测速机故障引起。当与转速无关时，可能是切削液进入电刷。
4）主轴电机在启动、停车与调速时出现的断续或振动现象，其成因往往与主轴电机线圈不良或脉冲编码器不良(如果有脉冲编码器的话)有关。
（7）电刷磨损严重或电刷面上有划痕 主轴连续长时间过载工作，主轴电动机换向器表面太脏或有伤痕，驱动器控制回路的设置、调整不当。要有计划地使用机床，依照参数说明书，设置好参数，同时清洁换向器，做好密封措施。
（8）过电压吸收器烧坏
通常情况下，是由于外加电压过高或瞬间电网电压干扰引起的。
9.6 VMC650交流伺服主轴驱动系统电路分析
１.主轴电路连接
该数控铣床的连接比较简单，如图9-5，经总电源QF1后，再经降压变压器TM11，就可直接连接到驱动器TB1接口进线电源上。考虑到驱动的散热问题，加装了两台轴流风扇，进行循环散热。TB2接口是用于连接主轴电机的输出电源，JYA2接口是连接主轴传感器Mi，MZi信号。
2.驱动器性能
Βi系列是一种可靠性强、性价比卓越的伺服系统。该系列用于机床的进给轴和主轴，具有充足的性能和功能。通过最新的控制即伺服HRV控制和主轴HRV控制，实现高速、高精度和高效率控制。FANUC BUILT-IN SPINDLE MOTOR BiI 系列和 BiS 系列用于简化机床
结构，实现高精度、低震动的主轴控制。
BiI 系列具有高速高功率的特点，适用于各种车床和加工中心
BiS 系列使用强力钕铁磁，可实现低速时的大扭矩，适用于车床和齿轮加工机床。 BiI 系列中的\表示\感应（Induction）\。
BiS 系列中的\表示 \钕铁磁强力（Strong）电机\。 BiI 系列特点：
使用转速范围切换控制可实现低速大扭矩、高速大功率 磁通量的优化控制可实现较低的电机温升
使用最新的绕组和铸造技术，实现低噪声、低震动和高可靠性 使用树脂铸造和冷却环（选择功能），有效散热，可获得更大转矩和更高功率 BiS 特点：
使用钕铁磁，更大转矩，体积更小 优化的磁路设计，减少扭矩波动 使用子模块SM，实现高速和高功率 使用树脂铸造和冷却环（选择功能），有效散热，可获得更大转矩和更高功率 主轴驱动器的接口见图９－６，具体作用和功能见表９－１ 有关FANUC series 0i mate－MC的主轴控制参数见附表。
QF1L1L2L3TM1RSTTB1SVPM-11iTB2JYA2UVW主轴风扇PC主轴伺服电机
图9-5 VMC650数控铣床的主轴连接
图９－６ 主轴伺服驱动器接口
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 表９－１ 主轴伺服驱动器接口与显示 名称 备注 STATUS1 状态显示LED主轴 STATUS2 状态显示LED伺服 CX3 主电源电磁接触器控制信号 CX4 急停信号（ESP） CXA2C DC24V电源输入 COP10B 伺服FSSB接口 CX5X 绝对脉冲编码器电池 JF1 脉冲编码器：L轴 JF2 脉冲编码器：M轴 JF3 脉冲编码器：N轴 JX6 断电后备模件 JY1 负载表、速度表模拟倍率 JA7B 主轴输入接口 JA7A 主轴输出接口 JYA2 主轴传感器Mi，MZi JYA3 a位置编码器 外部一次旋转信号 JYA4 （未使用） TB3 DC链路端子台 DC链路充电显示LED 见警告 TB1 用于连接主电源的端子台