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CZ2L CZ2M CZ2N TB2 ⊥ 伺服电机动力线：L轴 伺服电机动力线：M轴 伺服电机动力线：N轴 主轴电机动力线 用于凸缘接地的攻丝孔 9.7 主轴伺服系统常见故障及诊断方法
交流主轴驱动系统按信号形式又可分为交流模拟型主轴驱动单元和交流数字型主轴驱动单元。交流电机主轴系统的故障也可以分成报警与不报警两大类。由于近20年大多采用交流主轴控制系统，其故障报警能力也同步发展得愈来愈强。交流主轴控制也分成由 CNC直接处理的与主轴放大器独立处理的两种控制形式。如果是由CNC实现主轴控制， 则可以在CRT上的警示信息画面上以及主轴监视画面上显示主轴系统的报警信息。而主轴放大器上也是以七段数码管来显示故障代码的。可充分利用系统自诊断及其维修手册来进行故障定位。类似于直流主轴系统，交流主轴系统有下面几种故障现象。这些故障可能不报警，或者即使警示也未出示对策。
1．保险丝熔断熔断报警
三相220V交流电经整流桥整流到直流300V，经过一个保险后给晶体管模块，控制板检测此保险两端的电压，如果太大，则产生此报警。交流输入电路的保险丝熔断，其成因大多是：
交流电源侧的阻抗太高。例如当采用了自耦变压器而不是隔离变压器的情况，或保险丝管接触不良。
交流电源输入电路中浪涌吸收器损坏，输入电源存在缺相，可用万用表测量电压。 电源整流桥损坏，电动机电枢绕组短路或局部短路。
逆变器内的晶闸管损坏，连接不良，电动机电枢线短路，电动机电枢线对地短路，确保没有短路现象。
控制单元的印刷线路板故障等。
再生回路(在变频器回路中)的保险丝熔断，大多为主轴电机加速或减速频率太高所致。
2．主轴电机速度超过额定值 可能的原因如下：
新机床试用阶段的设置错误。
所用软件不匹配(只可能发生在更换印刷线路板后)，需要检查主板上的ROM型号。 印刷线路板故障。 3．过载报警 切削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载报警，具体表现为主轴过热、主轴驱动装置显示过电流报警等，导致此故障的原因：
（1）长时间开机后出现此报警可能是负载太大或频繁正、反转；
（2）开机后即出现此报警可能是热控开关（如图9-7）坏了或控制板有故障。
4．交流主轴电机异常噪音与振动
图9-7 温度检测开关
（1）电气驱动部分故障
首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气驱动部分。检查这类故障应该分清是在何种情况下产生的。一般情况下，对于电器部分故障，应该检查系统电源相序不对、缺相或三相不平衡；测量反馈信号是否正确，确保接线正确，且反馈装置正常；驱动器是否异常，如增益调整电路或颤动调整电路的调整，根据参数说明书，设置好相关参数。若在加／减速过程中产生，则故障多发生于再生回路。应该检查该回路的保险丝是否熔断，以及晶闸管是否损坏。若在恒速下产生，则应该先检查反馈电压是否正常。然后，突然切断指令，观察电机在停机过程中是否有异常噪声。若有噪声，则故障在机械部分。否则，多是印刷线路板上的故障。若反馈电压不正常，则需要检查振动周期是否与转速有关。若有关，则可能是主轴传动装置故障、主轴电机轴承或其尾部的脉冲发生器故障(参照直流主轴电机相应故障成因)，或者与机械装配不良(间隙、窜动与松动等)有关。若无关，则可能与速度调节器内印刷线路板上的相关电位器调节不良有关。
（2）机械部分故障
机械部分的故障主要由以下原因引起： 1）主轴负载过大，润滑不良。
2）主轴与主轴电动机的连接皮带过紧。
3）轴承故障、轴承预紧力不够或预紧螺钉松动、主轴和主轴电动机之间离合器故障。 4）主轴部件上动平衡不好(从最高速度向下时发生此故障)。 5）齿轮严重损伤，游隙、齿轮啮合间隙过大。
5．主轴不能转动，且无任何报警显示引起此故障的原因及排除见表9-2
表9-2 主轴不能转动故障的原因及排除 故障原因 机械负载过大 主轴与电动机连接过松 主轴中的拉杆未拉紧夹持刀具的拉钉 系统处于急停状态 机械准备信号断路 主轴动力线断线 电源缺相 正反转信号同时输入 无正反转信号 没有速度控制信号输出 使能信号没有接通 主轴驱动装置故障 主轴电动机故障 检查步骤 在停机的状态下，查看皮带的松紧程度 有的机床会设置敏感元件的反馈信号，检查此反馈信号是否到位 检查主轴单元的主交流接触器是否吸合 用万用表测量动力线电压 利用PLC监查功能查看相应信号 通过PLC监视画面，观察正反转指示信号是否发出 测量输出的信号是否正常 通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图，以确定主轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满足 若有条件，利用交换法确定是否有故障 排除故障 尽量减轻机械负载 调整皮带 重新装夹好刀具或工件 根据实际情况，解除急停 排查机械准备信号电路 确保电源输入正常 一般为数控装置的输出的问题，排查系统的主轴信号输出端子 检查外部启动的条件是否符合 更换主轴驱动装置 更换电动机 6．主轴速度指令无效，转速仅有1~2r/min故障的原因及排除见表9-3
表9-3主轴速度指令无效故障的原因及排除 故障原因 动力线连接错误 CNC模拟量输出（D/A）转换电路故障 检查步骤 排除措施 检查主轴伺服与电动机之间的U、确保连线对应 V、W连线 用交换法判断是否有故障 更换相应的电路板 CNC速度输出模拟量与驱动器连接不良或断线 主轴器参数设置不当 反馈线连接不正常 反馈信号不正常 测量相应信号，是否有输出且是否正常 查看驱动器参数是否正常 查看反馈连线 检查反馈信号的波形 更换指令发送口或更换数控装置 依照参数说明书，正确设置参数 确保反馈连线正确 调整波形至正确或更换编码器 7．速度偏差过大
指主轴电动机的实际速度与指令速度的误差值超过允许值，一般是启动时电动机没有转动或速度上不去。引起此故障的原因及排除见表9—4。
表9-4 速度偏差过大故障的原因及排除 故障原因 反馈连接不良 反馈装置故障 动力线连接不正常 动力电压不正常 机床切削负荷太大，切削条件恶劣 机械传动系统不良 制动器未松开 驱动器故障 电流调节器控制板故障 电动机故障 检查步骤 不启动主轴，用手盘动主轴使主轴电动机，以较快速度转起来，估计电动机的实际速度，监视反馈的实际转速 用万用表或兆欧表检查电动机或动力线是否正常（包括相序是否正确） 查明制动器未松开的原因 利用交换法判断是否有故障 排除措施 确保反馈连线正确 更换反馈装置 确保动力线连接正确 确保动力线电压正常 重新考虑负载条件，减轻负载，调整切削参数 改善机械传动系统条件 确保制动电路正常 更换故障单元 8．主轴在加／减速时工作不正常 故障原因：（1）电动机加／减速电流预先设置、调整不当：（2）加／减速回路时间常数设置不当；（3）反馈信号不良；（4）电机／负载间的惯量不匹配；（5）机械传动系统不良。
9．外界干扰下主轴转速出现随机和无规律性的波动 具体故障原因：（1）屏蔽和接地措施不良；（2）主轴转速指令信号受到干扰；（3）反馈信号受到干扰。
10．主轴不能进行变速 故障原因：（1）CNC参数设置不当；（2）加工程序编程错误；（3）D／A转换电路故障；（4）主轴驱动器速度模拟量输入电路故障。
例1 一台配置FANNC 0I系统的数控铣床，主轴在低速时(低于80r／min)时S指令无效，主轴固定以80r／min转速运转。
故障分析：由于主轴在低速时固定以80r／min转速运转，可能的原因是主轴驱动器以80r／min的转速模拟量输入，或是主轴驱动器控制电路存在不良状况。为了判定故障原因，检查CNC内部s代码信号状态，发现它与s指令值一对应：但测量主轴驱动器的数模转换输出(测两端CH2)，发现在S为0时，D／A转换器虽然无数字输入信号，但其输出仍然为0．5 V左右的电压。
由于本机床的最高转速为8000 r／min，对照机床说明书，当D／A转换器输出电压为0．5 V左右时，转速应为80r／min左右，因此可以判定故障原因是D／A转换器(型号：DAC80)损坏引起的。更换同型号的集成电路后，机床恢复正常。
11．主轴出力不足的故障排除，见表9－4
表9－4主轴出力不足的故障排除
故障原因 齿形皮带调节过松 主轴刚性差 主轴电动机故障 检查步骤 在停机状态下，打开保护盖后，可观察 一般为新机床，可能出现此问题 有条件可用交换法测试 排除故障 调整皮带间隙 更换好的电动机 12．FANUC交流主轴控制系统的故障报警，报警显示如图9-８，内容见表9-5。
图9-8 主轴故障报警显示图 表9-5 STATUS显示状态和内容
编号 1 ALM ERR STATUS 无显示 内容 控制电源未接通 电源电路不良 控制电源接通后 在大约1秒钟内显示主轴软件系列。 50 显示软件系列的后2位数。 例如）“50”：软件类型 9D50 显示主轴软件版本 大约1秒钟 04 01，02，03，?对应A,B,C,?。 例如）“04”：软件版本“D”版 CNC电源未接通 — —闪烁 等待串行通信以及参数加载的结束 — —点亮 参数加载结束。电机没有被激活。 00 电机没有被激活。 报警状态 显示01~ SVPM无法正常运行 IV.2请参阅报警显示及其内容 错误状态 显示01~ 顺序不合适或参数设定有误。 2 3 4 5 6 7 8 点亮 点亮 主轴控制器的报警，传统的多采用发光二极管或七段数码显示器来指示，如图9-8。具体状态显示和内容详见表9-5。
FANUC系统常见的主轴控制器上的故障报警有下述几种：
#1报警——电机过热。可能成因：电机负载太大、冷却不良，或控制单元的电缆连 接不良。一般先检查主轴电机的风扇是否在转动，如否，机床断电，检查该风扇的保险丝，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，再类似伺服系统的过热检查步骤，检查其他。
#2报警——电机速度偏离指令值。可能成因：
转速极限设置不当、电机过载。加速或减速时的报警，查再生回路保险丝熔断、回路中晶闸管损坏或回路线路不良。正常运转时的报警，可能是脉冲发生器故障、速度反馈线断线或不良，以及速度单元印刷线路板故障。
#3报警——主轴伺服单元主回路的直流侧回路上的保险丝熔断。可能由功率管模块 损坏所致。
#4报警——主轴伺服单元主回路的直流输入电路的保险丝熔断。可能成因有： 交流电源侧阻抗太高(例如交流输入端采用的是自耦变压器)。 交流电源输入电路中浪涌吸收器损坏。 主回路上整流用的二极管模块损坏。 逆变器用的晶体管模块损坏。
#5报警——印刷线路板上保险丝熔断。可能是交流电源电压不正常或印刷线路板故 障引起的。
#6报警——电机速度超过最大额定速度值。可能成因有：
印刷线路板上设置开关设置不当，或相应可调电位器调整不良。 印刷线路板上ROM存储器型号不对。 印刷线路板故障。
#7报警——电机速度超过最大额定速度(当采用数字检测系统时)。可能成因同上。
#8报警——主轴伺服单元的直流电源+24v电压太高。主要成因为交流电源输入电压 太高。
#9报警——大功率晶体管的散热片过热。可能成因：电机过载、冷却条件不良。
#10报警——主轴伺服单元的直流电源+15v电压太低。主要成因为交流电源输入电 压太低。
#ll报警——主回路上的直流回路电压太高。可能是交流输入阻抗太高或印刷线路板 不良。
#12报警——主回路上的直流回路中的电流太大。可能成因是主轴电机内绕组存在短路或输出端有短路。
例2 在VMC650数控铣床中，在加工过程中，发现在加工时表面出现周期性振纹。 故障分析：数控铣床表面加工时，表面出现振纹的原因很多，在机械方面，如刀具、丝杠、主轴等部件的安装不良、机床的精度不足等都可能产生以上问题。但该机床周期性出现上述问题，且有一定规律；根据通常的情况，应与主轴的位置监测系统有关，但仔细检查机床主轴各部分，却未发现任何不良状况。仔细观察振纹与x轴的丝杠螺距相对应情况，维修时再次针对X轴进行检查。检查该机床的机械传动装置，其结构是伺服与滚珠丝杠问通过齿形带进行连接，位置反馈编码器采用的是分离型布置。检查发现x轴的分离式编码器安装位置与丝杠不同心，存在偏心，即编码器轴心线与丝杠中心不在同一直线上，从而造成了x轴移动过程中的编码器的旋转不均匀，反映到加工中，则出现周期性波纹。重新安装、调整编码器后，机床恢复正常。
例３ 在数控铣床VMC650的主轴运行过程中，驱动器STATUS1出现报警代码12，主轴停止，查找有关维修说明书，为电流过大或过载。
故障分析：由于数控机床是在加工状态下，估计参数设置没有问题，主要是检查电机的连线及绝缘情况，松开电机的动力线接头，检查绕组电阻和绕阻对外壳的绝缘电阻，发现阻值均正常，再测输出端任两相之间的电阻，阻值几乎为零，说明逆变模块已经被击穿，拆下功率元件（IPM）检查，证实确实损坏。购回新的同规格元件，安装完试机，故障排除。
练习与思考题
１.主轴驱动系统由哪几部分构成？简述各部分的功能。 ２．主轴驱动系统可分为哪几类？简述各自的特点． ３.交流主轴伺服系统的特点是什么？
４.列举交流伺服主轴驱动系统的主要故障．
５.主轴伺服系统出现故障时，通常以何种形式表现出来? 6．主轴伺服系统常见的故障形式有哪些？