数控机床传动系统故故障浅析毕业论文
摘要
传动系统要求快速精密，不容许出现任何的故障，因其长时间的运行或人为误操作而使其精度下降导致其发生故障需进行排除，但我国数控业发展时间比制造业先进国家晚、维修水平也较低，维修人员综合技术技能较低，针对现阶段我国数控机床维修现状有必要深入研究数控机床的构造原理及其运行过程中可能发生的故障，以便更快、更好的提高数控机床的维修技能。
本文主要论述数控机床传动系统的故障及消除措施的相关内容。深入研究了数控机床主传动系统故障并对数控机床主传动系统的组成和进给传动系统的组成、及其工作原理进行了深入探究。并根据其组成结构和工作特点，分析了对数控传动系统长期运行或人为误操作而引发的各种常见故障。通过典型故障实例进一步论证其理论依据。
本文将对数控机床传动系统进行了较深入研究探讨，可能发生的故障进行理论论证。本文对数控机床维修业有一定的参考价值，对数控机床维修人员技能提高有一定的理论指导作用。
关键词：数控机床传动系统，故障，诊断，维修
目录
引言 (1)
第一章数控机床主传动系统主要部件的介绍及维护 (2)
1.1 主轴的介绍 (2)
1.2 主轴的结构 (3)
1.3 主轴的工作原理 (4)
1.4 FANUC系统模拟量主轴驱动装置与维护 (6)
1.5 FANUC系列串行数字主轴驱动系统与维护 (11)
本章小结 (13)
第二章数控机床主传动系统常见故障诊断与维修 (14)
2.1 数控机床主传动系统常见故障诊断与维修的一般步骤 (14)
2.2 数控机床主传动系统常见故障诊断与维修 (14)
2.3 常见故障实例分析 (15)
本章小结 (18)
第三章进给传动的故障诊断 (19)
3.1 进给系统的结构 (19)
3.2进给系统的工作原理 (20)
3.3进给驱动系统故障诊断 (20)
3.4 进给系统常见故障及排除 (25)
3.5进给系统故障实例 (35)
本章小结 (38)
结论 (39)
参考文献 (40)
谢词 (41)
引言
数控车床又称数字控制（Numerical control，简称NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。
数控车床是基于数字控制的，它与普通车床不同，因此数控车床机械结构上应具有以下特点：
1)．由于大多数数控车床采用了高性能的主轴，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化。
2)．为了适应数控车床连续地自动化加工，数控车床机械结构，具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。
3)．更多地采用高效传动部件，如滚动丝杆副等。CNC装置是数控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。
数控技术是现代机械制造工业的重要技术装备，也是先进制造技术的基础技术装备。随着电子技术的不断发展，数控机床在我国的应用越来越广泛，但由于数控机床系统及其复杂，又因大部分具有技术专利，不提供关键的图样和资料，所以数控机床的维修成为了一个难题。论文将涉及数控机床简单介绍、故障现象描述或给出典型实例、故障的成因的分析和论证、故障诊断过程及消除故障的措施等内容。
第一章数控机床主传动系统主要部件的介绍及维护
1.1 主轴的介绍
1.1.1 数控机床主传动系统大致可以分四类
(1)电主轴：
电主轴通常作为现代机电一体化的功能部件，装备在高速数控机床上。其主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；缺点是制造和维护困难且成本较高。数控机床电动机运转产生的热量直接影响主轴，主轴的热变形严重影响机床的加工精度，因此合理选用主轴轴承以及润滑、冷却装置十分重要。
(2)带有变速齿轮的主传动：
这种配置方式大、中型数控机床采用较多。数控机床它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无极变速，确保低速大转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求。
(3)经过一级变速的主传动：
一级变速目前多用V带或同步带来完成，其优点是结构简单安装调试方便，且在一定程度上能够满足转速与转矩输出要求，但主轴调速范围比仍与电动机一样，受电动机调速范围比的约束。
(4)电动机与主轴直联的主传动：
其优点是结构紧凑，但主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性一致，因而使用上受到一定限制
1.1.2 数控机床主传动系统的的要求
数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统，它的性能直接决定了加工工件的表面质量，它结构复杂，机、电、气联动，故障率较高，它的可靠性将直接影响数控机床的安全和生产率。因此，在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得很重要数控机床主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统(CNC)的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。它包括主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削刀具旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类1.1.3 全功能数控机床的主传动系统大多采用无级变速
目前，无级变速系统根据控制方式的不同主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱
内的减速齿轮(以获得更大的转矩)带动主轴旋转。另外根据主轴速度控制信号的不同可分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类。模拟量控制的的主轴驱动装置采用变频器实现主轴电动机控制，有通用变频器控制通用电机和专用变频器控制专用电机两种形式。目前大部分的经济型机床均采用数控系统模拟量输出+变频器+感应（异步）电机的形式，性价比很高，这时也可以将模拟主轴称为变频主轴。串行主轴驱动装置一般由各数控公司自行研制并生产，如西门子公司的611系列，日本发那克公司的α系列等。
1.2主轴的结构
主轴部件是机床的关键部件，它包括主轴、主轴支承、传动件及刀具、工件夹紧机构等。机床工作时，由主轴夹持工件或刀具，直接参加表面成形运动，所以主轴部件的结构和性能对加工精度和生产率有重要的影响。
1.2.1 主轴轴承的配置
每一个传动轴均要轴向径向定位，合理配置主轴的轴承，对提高主轴部件的精度和刚度，降低支承温升，简化支承结构有很大的作用。主轴的前后支承均应有承受径向载荷的轴承，承受轴向力的推力轴承的配置，则主要根据主轴部件的工作精度、二刚度、温升和支承结构的复杂程度等因素考虑。
1.2.2 主轴部件常用滚动轴承的类型
机床主轴用的轴承，有滚动和滑动两大类。滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很
大的条件下稳定地工作；可在无间隙，甚至在预紧(有一定的过盈量)的条件下工作；摩擦因数小，有利于减少发热；润滑容易，可以用脂润滑；滚动轴承是由轴承厂生产的，可以外购。滚动轴承的缺点是：滚动体的数量有限，所以滚动轴承在旋转中的径
向刚度是变化的，这是引起振动的原因之一；滚动轴承的阻尼较低；滚动轴承的径向
尺寸比滑动轴承大。
数控机床的主轴多数采用滚动轴承。特别是立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润
滑以避免漏油。只有要求加工表面粗糙度数值很小，主轴又是水平的机床如外圆和平
面磨床、高精度机床等才用滑动轴承。主轴组件的抗振性主要决定于前轴承。因此，也有的主轴前支承用滑动轴承，后支承和推力轴承用滚动轴承。
主轴轴承，应根据精度、刚度和转速选择。为了提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应
该是可调的，这是主轴轴承主要的特点。线接触的滚子轴承，比点接触的球轴承刚度高，但一定温升下允许的转速较低
1.3 主轴的工作原理
采用直流或交流调速电动机的主运动无级变速系统中，主轴的正、反启动与停止制动是直接控制电动机来实现的，主轴转速的变换则由电动机转速的变换与齿轮有级变速机构的变换相配合来实现。为了获得主轴的某一转速，必须接通相应的分级变速级和电动机的调压变速或调磁变速。理论上说电动机的转速可以无级变换，但是，主轴转速的S二位代码最多只有99种，即使是使用S四位代码直接指定主轴转速，也只能分级递增，而且分级越多指令信号的个数越多，更难于实现。因此，实际上还是将主轴转速接等比数列分成若干级（一般最多不超过99级），根据主轴转速的S代码发出的调速信号来实现主轴的自动换速。电动机的调压或调磁变速，由电动机的驱动电路根据转速指令电压信号来变换。齿轮分级变速则采用液压或电磁离合器等自动变速机构实现
1.3.1 普通笼型异步电动机配齿轮变速箱
这是最经济的一种方法主轴配置方式，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加工的要求。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，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。
1.3.2 普通笼型异步电动机配简易型变频器
可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上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，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，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不要求的场合，例如数控钻铣床。国内生产的简易型变频器较多。
1.3.3 通笼型异步电动机配通用变频器
目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，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—200转/分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。
1.3.4 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。以先马YPNC系列变频电动机为例，
电压：三相200V、220V、380V、400V可选；输出功率：1.5-18.5KW；变频范围2-200Hz；（最高转速r/min）；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，主轴传动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在100—200r/min左右时车、铣的重力切削。一些有定向功能的还可以应用与要求精镗加工的数控镗铣床，若应用在加工中心上，还不很理想，必须采用其他辅助机构完成定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求。
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，往往不用主轴驱动器。
就电气控制而言，机床主轴的控制是有别于机床伺服轴的。一般情况下，机床主轴的控制系统为速度控制系统，而机床伺服轴的控制系统为位置控制系统。换句话说，主轴编码器一般情况下不是用于位置反馈的（也不是用于速度反馈的），而仅作为速度测量元件使用，从主轴编码器上所获取的数据，一般有两个用途，其一是用于主轴转速显示；其二是用于主轴与伺服轴配合运行的场合（如螺纹切削加工，恒线速加工，G95转进给等）
1.3.5 数控机床对主轴控制的要求
随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足要求。现代数控机床对主传动提出了更高的要求：
(1)调速范围各种不同的机床对调速范围的要求不同。
(2)主轴的旋转精度和运动精度主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面圆跳动值。
(3)数控机床主轴的变速是依指令自动进行的，要求能在较宽的转速范围内进行无级调速，并减少中间传递环节，简化主轴箱。目前主轴驱动装置的调速范围已达1:100，这对中小型数控机床已经够用了。对于中型以上的数控机床，如要求调速范围超过1:100，则需通过齿轮换挡的方法解决。
(4)要求主轴在整个范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽。由于主轴电动机与驱动的限制，其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，以提高输出转矩。
(5)要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加减速控制，即要求具有四象限驱动能力，并且加减速时间短。
(6)为满足加工中心自动换刀以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有高精度的准停控制。
(7)在车削中心上，还要求主轴具有旋转进给轴（C轴）的控制功能。为满足上述要求，数控机床常采用直流主轴驱动系统。但由于直流电动机受机械换向的影响，其使用和维护都比较麻烦，并且其恒功率调速范围小。
1.4 FANUC系统模拟量主轴驱动装置与维护
模拟量控制的主轴驱动装置常采用变频器实现控制。数控车床主轴驱动以及普通机床的改造中多采用变频器控制。作为主轴驱动装置用的变频器种类很多，下面以安川变频器为例进行介绍。
1.4.1 安川变频器端子接线
主电路的功能是把固定频率（50/60Hz）的交流电转换成频率连续可调（0~400Hz）的三相交流电。主电路主要包括交-直电路、制动单元电路、直-交电路。
安川变频器上的R、S、T三个端子为变频器的三相交流电输入端子。变频器输入接线实际使用注意事项如下：
根据变频器输入规格选择正确的输入电源。
①变频器输入侧采用断路器(不宜采用熔断器)实现保护，其断路器的整定值应按变频器的额定电流选择而不应按电动机的额定电流来选择。
②变频器三相电源实际接线无需考虑电源的相序。
③ 1和2用来接直流电抗器(为选件)，如果不接时，必须把1和2短接(出厂时,1和2用短接片短接)。
安川变频器上的U、V、W三个端子为变频器的输出端子，这些端子直接与电动机相连接。变频器输出接线实际使用注意事项如下：
①输出侧接线须考虑输出电源的相序。
②实际接线时，决不允许把变频器的电源线接到变频器的输出端。
③一般情况下，变频器输出端直接与电动机相连，无需加接触器和热继电器。
B1和B2端子用于外接制动电阻，外接制动电阻的功率与阻值应根据电动机的额定电流来选择。
1.4.2 CNC系统与安川变频器的信号流程
图3为某数控车床主轴驱动装置的接线图，以该图为例具体说明CNC系统，数控机床与变频器的信号流程与功能。
图3某数控车床主轴驱动装置的接线图
（1）CNC到变频器的信号
①主轴正转信号(1-11)、主轴反转信号(2-11)
用于手动操作(JOG状态)和自动状态(自动加工M03、M04、M05)中，实现主轴的正转、反转及停止控制。系统在点动状态时，利用机床面板上的主轴正转和反转按钮发出主轴正转或反转信号，通过系统PMC控制KA8、KA9的通断，向变频器发出信号，实现主轴的正反转控制，此时主轴的速度是由系统存储的S值与机床主轴的倍率开关决定的。系统在自动加工时，通过对程序辅助功能代码M03、M04、M05的译码，利用系统的PMC实现继电器KA8和KA9的通断控制，从而达到主轴的正反转及停止控制，此时的主轴速度是由系统程序中的S指令值与机床的倍率开关决定的。
②系统故障输入(3-11)
当数控机床系统出现故障时，通过系统PMC发出信号控制KAl3获电动作，使变频器停止输出，实现主轴自动停止控制，并发出相应的报警信息。如机床自动加工时，进给驱动系统突然出现故障，主轴也能自动停止旋转，从而防止打刀事故的发生。
③系统复位信号(4-11)
当系统复位时，通过系统PMC控制KA14获电动作，进行变频器的复位控制。如变频器受到干扰出现报警时，可以通过系统MDI键盘的复位键(RESET)进行复位，而不用切断系统电源再重新上电进行复位。
④主轴电动机速度模拟量信号(13-17)
用来接收系统发出的主轴速度信号(模拟量电压信号)，实现主轴电动机的速度控制。在
FANUC 0-TD系统中，系统把程序中的S指令值与主轴倍率的乘积转换成相应的模拟量压(0～10V)，通过系统存储板接口M26的7-20，输送到变频器13-17的模拟量电压频率给定端，从而实现主轴电动机的速度控制。
⑤主轴点动信号(7-11)
系统在点动状态时，通过机床面板的主轴点动按钮实现主轴点动修调控制，此时主轴点动的速度是由变频器功能参数H1-05设定。
（2）变频器到CNC的信号(通过系统的PMC)
①变频器故障输入信号(19-20)
当变频器出现任何故障时，数控系统也停止工作并发出相应的报警(机床报警灯亮及发出相应的报警信息)。主轴故障信号是通过变频器的输出端19-20(正常时为“通”，故障时为“断”)发出，再通过PMC向系统发出急停信号，使系统停止工作。
②主轴速度到达信号(26-27)
数控机床自动加工时，主轴速度到达信号实现切削进给开始条件的控制。当系统的功能参数(主轴速度到达检测)设定为有效时，系统执行进给切削指令(如G01、G02、G03等)要进行主轴速度到达信号的检测，即系统通过PMC检测来自变频器输出端26-27发出的频率到达信号，系统只有检测到该信号，切削进给才能开始，否则系统进给指令一直处于待机状态。
③主轴零速信号(25-27)
当数控车床的卡盘采用液压控制(通过机床的脚踏开关)时，主轴零速信号用来实现主轴旋转与液压卡盘的连锁控制。只有主轴速度为零时，液压卡盘控制才有效；主轴旋转时，液压卡盘控制无效。
（3）变频器到机床侧的信号
①主轴速度表的信号
变频器把实际输出频率转换成模拟量电压信号(0～10V)，通过变频器输出接口(22-21)输出到机床操作面板上的主轴速度表(模拟量表或数显表)，实现主轴速度的监控。
②主轴负载表的信号
变频器把实际输出电流转换成模拟量电压信号(0～10V)，通过变频器输出接口(22-23)输出到机床操作面板上的主轴负载表(模拟量表或数显表)，实现主轴负载的监控。
1.4.3 变频器参数的设定
（1）安川变频器为多功能变频器，按其功能不同，参数分为9个功能组，A组参数为环境设定功能参数；B组为应用功能参数；C组为调整功能参数；D组为频率指令
取样功能参数；E组为电动机功能参数；F组为变频器选择功能参数；H组为外部端子功能参数；L组为保护功能参数；O组为操作器功能参数。下面具体说明变频器参数的含义及设定，没有提到的功能参数按出厂时的标准设定。
①A组参数
主要用来选择操作器的语种显示、参数存取级别、控制方式、参数初始化的方式等。A1-00显示语种选择：“0”为英语，“1”为日语。实际设定为“0”。
A1-01参数存/取选择：“0”为监控专用参数，“1”为用户选择参数，“2”为试运行参数，“3”为通常使用参数，“4”为所有参数。实际设定为“4”。
Al-02控制方式选择：“0”为U/F控制，“1”为带反馈的U/F控制，“2”为开环矢量控制，“3”为(带反馈)闭环矢量控制。目前，数控机床可以设定为“0”不带速度反馈的U/F控制和设定为“2”的不带速度反馈的矢量控制两种控制方式。开环矢量控制时，必须正确设定电动机的相关参数(电动机的空载电流、定子绕组的电阻、定子回路的阻抗等)，才能准确实现电动机的矢量控制。
Al-03参数初始化功能：“0”为参数初始化结束；“1110”为用户参数初始化；“2220”为2线制的初始化（恢复变频器出厂值的设定）；“3330”为3线制的初始化。此功能参数应用于实际变频器出现软件不良时进行参数初始化操作。
②B组参数
主要用于应用功能选择，如变频器的频率给定方式选择、启动和停止方式的选择、PID控制方式的设定、节能方式等。
B1-01频率指令选择：“0”为面板给定(通过面板的增加和减少键给定频率)，“1”为外部端子给定(由模拟量电压给定频率)。实际设定为“1”，变频器的输出频率是由输入端13-17的模拟电压（0~10V）调整的。
B1-02运行指令选择：“0”为面板控制(由面板的RUN和STOP键控制)，“1”为端子控制(由输入端子1-11和2-11控制)。实际设定为“1”。
B1-03停止方式选择：“0”为减速停止，“1”为自由停止，“2”为直流制动停止。实际设定为“0”。
B1-04反转禁止选择：“0”为可以反转，“1”禁止反转。实际设定为“0”。
③C组参数
主要用来设定电动机的加/减速时间、加减速方式、转差补偿频率等。
C1-01加速时间设定：设定范围为0.1-600.0 s。根据电动机的负载惯性来调整设定，如果加速时间设定过短，将会引起过电流报警。实际设定为1 s。
C1-02减速时间设定：设定范围为0.1-600.0 s。根据电动机的负载惯性来调整设定，如果减速时间设定过短，将会引起过电压报警。实际体设定为1 s。④E组参数
主要用来设定电动机U/F控制功能的有关参数、电动机技术参数等。
④L组参数
主要用来设定电动机的保护功能。
L1-01电动机的电子热保护功能选择：“0”为电动机电子热保护无效，“1”为电动机电子热保护有效。实际设定为“1”。
L1-02电动机电子热保护动作时间：设定范围为0.1～5.0min。实际设定为l min。（2）变频器编程器的操作
变频器编程器不仅可以进行功能参数的设定及修改，而且可以显示报警信息、故障发生时的状态（如故障时的输出电压、频率、电流等）及报警履历等，这些内容都是通过编程进行显示的。图4为安川变频器的编程器面板。其操作键的功能简介如下：
图4变频器操作面板
【LOCAL REMOTE】为运行方式选择键，用来切换面板操作（LOCAL）运行和回路端子控制（REMOTE）运行。
【MENU】为菜单键，显示各种工作方式。
【ESC】为返回键，回到当前画面的前一个画面。
【JOG】为点动键，当面板操作有效时，实现电动机的点动控制。
【DATA ENTER】为数据输入键，实现各种方式、功能、参数及设定值的读出与写入。【FWD REV】为正转/反转切换键，当面板操作有效时，用来切换电动机的正反转控制。【∧】为增加键，用来实现各种方式、功能、参数组的翻页，设定值的增加控制。【∨】为减少键，用来实现各种方式、功能、参数组的翻页，设定值的减少控制。
【RESET】为数据移位、复位键，作为参数的数值设定时的移位或当出现故障时作为复位键使用。
【RUN】为运行键，当面板操作有效时，启动变频器的运行。
【STOP】为停止键，当面板操作有效时，停止变频器的运行。
1.4.4 安川变频器报警代码及维修技术
?当变频器检测出故障时，在数字操作器上显示该报警内容，并停止变频器的输出。
数控机床主轴(模拟量控制)故障信号发出时，可以根据变频器的报警信息判定故障的产生原因。
(1)电压故障报警
?①主回路低电压故障UVl(DC Bus Under Volt)
?②控制回路低电压故障UV2(CTL Ps Under Volt)
?③浪涌电压保护回路动作故障UV3(MC Answerback)
?④过电压故障OV(Over Voltage)
?⑤瞬时停电检查中UV(Under Voltage
（2）电流故障报警
?①过电流故障OC(Over Current)
?②变频器输出对地短路故障GF(Ground Fault)
?③输出侧短路故障SC(Short Circuit)
?④主回路熔断器故障PUF(DC Bus Flues Open)
（3）电动机过载故障OLl(Motor Over Loaded)
（4）功能参数设定错误报警
（5）外部端子3～8异常信号输入故障EF3～EF8(External Fault 3～8)
（6）变频器本身硬件或软件故障
1.5 FANUC系列串行数字主轴驱动系统与维护
FANUC/i系列主轴驱动系统采用的是模块化结构，伺服驱动与主轴驱动共用电源模块，模块与模块、驱动器与CNC之间通过I/O LINK总线连接。
1.5.1 FANUC系列电源模块结构及维修
(1) FANUC系列电源模块结构
?① DCLink盒：直流电源(DC300V)输出端。该接口与主轴模块、伺服模块的直流输入端连接。
?② STATUS状态指示灯(2位数码管)：用于表示电源模块的状态。正常时为“00”，故障时为“##”报警号。PIL(绿色)表示控制电源正常，ALM(红色)表示电源模块故障。
?③ CX1A：控制电路电源电压(输入)，交流200V 3.5A。
?④ CX1B：200V交流输出接口。该端口与主轴模块的CX1A端口连接。
?⑤ CX2A、CX2B：DC24V输出接口。⑥直流母排电压显示(充电指示灯)：该指示灯完全熄灭后，方可对模块电缆进行各种操作，否则有触电危险。
?⑦ JX1B：模块之间的连接接口。⑧ CX3：主电源MCC(常开点)控制信号接口。
?⑨ CX4：*ESP急停信号接口。
（2）FANUC系列电源模块维修技术
电源模块的报警信息及产生的故障原因如表1所示。
表1
1.5.2 FANUC系列主轴驱动装置及连接
①P、N：DC Link端口。该端口与电源模块的直流电源输出端、伺服模块的直流输入端连接。
②STATUS：主轴模块状态显示窗口。
③CX1A/CX1B：200V交流控制电路的电源输入/输出接口。
④CX2A/CX2B：24V输入/输出及急停信号接口。CX2A与电源模块的CX2B连接；CX2B与
伺服模块CX2A连接。
⑤DC LINK充电灯。
⑥JX4：主轴伺服信号检测板接口。
⑦JXlA/JXlB：模块之间信息输入/输出接口。JXlA与电源模块的JXlB连接；JXlB与伺服模块的JX1A连接。
⑧JYl：外接主轴负载表和速度表的连接器。
1.5.3 主轴模块标准参数的初始化
①系统急停状态，打开电源。
②将主轴电动机型号的代码：设定在系统串行主轴电动机代码参数中。
③将自动设定串行数字主轴标准值的参数(LDSP)置为“1”。
④将电源关断，再打开，主轴标准参数被写入。
本章小结
本章主要介绍了主轴的分类与工作原理，FANUC系统系统模拟量主轴驱动装置的连接、工作原理以及其出现的故障、故障检测以及解决方法和FANUC系列串行数字主轴驱动装置的连接与工作原理及其出现的故障、故障检测以及解决方法。
第二章数控机床主传动系统常见故障诊断与维修
2.1 数控机床主传动系统常见故障诊断与维修的一般步骤
2.1.1 故障调查
主要对机床的系统、变频器、电机进行检查，看有没有异常的声音、味道等。看故障发生时报警号和报警提示，是在手动还是自动的方式下运行主轴。
2.1.2 故障测试与排除
首先观测主轴电机旋转情况，电机不转。观察变频器上电正常，查看系统PLC输出状态正常，查看变频器正反转控制信号，发现正转信号线断落。接回后，主轴正常旋转。
2.2 数控机床主传动系统常见故障诊断与维修
在数控机床在加工时，可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以切削过程中的自振动等原因引起冲击力和交变力，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能破坏刀具主轴系统中的零件，使其无法工作。主轴系统的发热使其中所有零件产生热变形，降低传动效率，破坏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，主轴部件组要具有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合精度，并要进行循环润滑。
主轴发热主轴轴承预紧力过大，造成主轴回转时摩擦过大，引起主轴温度急剧升高。可以通过重新调整主轴轴承预紧力加以排除；主轴轴承研伤或损坏，也会造成主轴回转时摩擦过大，引起主轴温度急剧升高。可以通过更换新轴承加以排除；主轴润滑油脏或有杂质，也会造成主轴回转时阻力过大，引起主轴温度升高。通过清洗主轴箱，重新换油加以排除；主轴轴承润滑油脂耗尽或润滑油脂过多，也会造成主轴回转时阻力、摩擦过大，引起主轴温度升高。通过重新涂抹润滑脂加以排除。
主轴强力切削时停转主轴电动机与主轴连接的传动带过松，造成主轴传动转矩过小，强力切削时主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。通过重新调整主轴传动带的张紧力，加以排除；主轴电动机与主轴连接的传动带表面有油，造成主轴传动时传动带打滑，强力切削时主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。通过用汽油或酒精清洗后擦干净加以排除；主轴电动机与主轴连接的传动带使用过久而失效，造成主轴电动机转矩无法传动，强力切削时主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。通过更换新的主轴传动带加以排除；主轴传动机构中的离合器、联轴器连接、调整过松或磨损，造成主轴电动机转矩传动误差过大，强力切削时主轴振动强烈。产生报警，数控机床自动停机。通过调整、更换离合器或联轴器加以排除。
主轴工作时噪声过大是主轴部件动平衡不良，使主轴回转时振动过大，引起工作噪声。需要机床生产厂家的专业人员对所有主轴部件重新进行动平衡检查与调试；主轴传动齿轮磨损，使齿轮啮合间隙过大，主轴回转时冲击振动过大，引起工作噪声。需要机床生产厂家的专业人员对主轴传动齿轮进行检查、维修或更换；主轴支承轴承拉毛或损坏，使主轴回转间隙过大，回转时冲击、振动过大，引起工作噪声。需要机床生产厂家的专业人员对轴承进行检查、维修或更换；主轴传动带松弛或磨损，使主轴回转时摩擦过大，引起工作噪声。通过调整或更换传动带加以排除。
刀具无法夹紧是碟形弹簧位移量太小，使主轴抓刀、夹紧装置无法到达正确位置，刀具无法夹紧，通过调整碟形弹簧行程长度加以排除；弹簧夹头损坏，使主轴夹紧装置无法夹紧刀具，通过更换新弹簧夹头加以排除；碟形弹簧失效，使主轴抓刀、夹紧装置无法运动到达正确位置，刀具无法夹紧，通过更换新碟形弹簧加以排除；刀柄上拉钉过长，顶撞到主轴抓刀、夹紧装置，使其无法运动到达正确位置，刀具无法夹紧，通过调整或更换拉钉，并正确安装加以排除。
刀具夹紧后不能松开是松刀液压缸压力和行程不够，通过调整液压力和行程开关位置加以排除；碟形弹簧压合过紧，使主轴夹紧装置无法完全运动到达正确位置，刀具无法松开，通过调整碟形弹簧上的螺母，减小弹簧压合量加以排除。
齿轮和轴承损坏是变挡压力过大，齿轮受冲击产生破损。按液压原理图，调整到适当的压力和流量；变档机构损坏或固定销脱落，修复或更换零件；轴承预紧力过大或无润滑。重新调整预紧力，并使之润滑充足。
2.3 常见故障实例分析
例1：故障现象：一台西门子802C系统数控车床，台达VFD-B变频器，主轴运行突然停止，变频器面板上出现OC-C报警。
分析与处理过程：台达变频器OC-C报警的含义是过电流，造成过电流的原因可能是变频器内部、外部有短路或过载。经查交流主轴驱动器主回路，发现再生制动回路、主回路的熔断器均熔断，经更换后机床恢复正常。但机床正常运行数天后，再次出现同样故障。
由于故障重复出现，证明该机床主轴系统存在问题，根据报警现象，分析可能存在的主要原因有：
1）电机与变频器间的连线是否有搭壳短路现象
2）主轴驱动器控制板不良。
3）电动机连续过载。
4）电动机绕组存在局部短路。
在以上几点中，根据现场实际加工情况，电动机过载的原因可以排除。考虑到换上元器件后，驱动器可以正常工作数天，故主轴驱动器控制板不良的可能性已较小。因此，故障原因可能性最大的是电动机绕组存在局部短路。
维修时仔细测量电动机绕组的各项电阻，发现其中一相相对地绝缘电阻较小，证明该相存在局部对地短路。
拆开电动机检查发现，电动机内部绕组与引出线的连接处绝缘套已经老化；经重新连接后，对地电阻恢复正常。
再次更换元器件后，机床恢复正常，故障不再出现。
例2：主轴高速出现异常振动的故障维修
故障现象：配套某系统的数控车床，当主轴在高速（3000r/min以上）旋转时，机床出现异常振动。
分析与处理过程：数控机床的振动与机械系统的设计、安装、调整以及机械系统的固有频率、主轴驱动系统的固有频率等因素有关，其原因通常比较复杂。
但在本机床上，由于故障前交流主轴驱动系统工作正常，可以在高速下旋转；且主轴在超过3000r/min时，在任意转速下振动均存在，可以排除机械共振的原因。
经仔细检查机床的主轴驱动系统连接，最终发现该机床的主轴驱动器的接地线连接不良，将接地线重新连接后，机床恢复正常。
例3：不执行螺纹加工的故障维修
故障现象：配套某系统的数控车床，在自动加工时，发现机床不执行螺纹加工程序。
分析与处理过程：数控车床加工螺纹，其实质是主轴的转角与Z轴进给之间进行的插补。主轴的角度位移是通过主轴编码器进行测量。
在本机床上，由于主轴能正常旋转与变速，分析故障原因主要有以下几种：
1）主轴编码器与主轴驱动器之间的连接不良。
2）主轴编码器故障。
3）主轴驱动器与数控装置之间的位置反馈信号电缆连接不良。
4）主轴编码器方向设置错误。
经查主轴编码器与主轴驱动器的连接正常，故可以排除第1项；且通过CRT的显示，可以正常显示主轴转速，因此说明主轴编码器的A、-A、B、-B信号正常；在利用示波器检查Z、-Z信号，可以确认编码器零脉冲输出信号正确。
根据检查，可以确定主轴位置监测系统工作正常。根据数控系统的说明书，进一步分析螺纹加工功能与信号的要求，可以知道螺纹加工时，系统进行的是主轴每转进给动作，因此它与主轴的速度到达信号有关。
在FANUC 0-TD系统上，主轴的每转进给动作与参数PRM24．2的设定有关，当该位设定为“0”时，Z轴进给时不监测“主轴速度到达”信号；设定为“1”时，Z轴进给时需要检测“主轴速度到达”信号。
在本机床上，检查发现该位设定为“1”，因此只有“主轴速度到达”信号为“1”时，才能实现进给。
通过系统的诊断功能，检查发现当实际主轴转速显示置与系统的指令指一致时，才能实现进给。
通过系统的诊断功能，检查发现当实际主轴转速显示值与系统的指令值一致时，“主轴速度到达”信号仍然为“0”。
进一步检查发现，该信号连接线断开；重新连接后，螺纹加工动作恢复正常。
例4：变频器出现过压报警的维修
故障现象：配套某系统的数控车床，主轴电动机驱动采用三菱公司的E540变频器，在加工过程中，变频器出现过压报警。
分析与处理过程：仔细观察机床故障产生的过程，发现故障总是在主轴启动、制动时发生，因此，可以初步确定故障的产生与变频器的加/减速时间设定有关。当加/减速时间设定不当时，如主电动机起/制动频繁或时间设定太短，变频器的加/减速无法在规定的时间内完成，则通常容易产生过电压报警。
修改变频器参数，适当增加加/减速时间后，故障消除。
例5：安川变频主轴在换刀时出现旋转的故障维修
故障现象：配套某系统的数控车床，开机时发现，当机床进行换刀动作时，主轴也随之转动。
分析与处理过程：由于该机床采用的是安川变频器控制主轴，主轴转速是通过系
统输出的模拟电压控制的。根据以往的经验，安川变频器对输入信号的干扰比较敏感，因此初步确认故障原因与线路有关。
为了确认，再次检查了机床的主轴驱动器与刀架控制的原理图于实际接线，可以判定在线路连接、控制上两者相互独立，不存在相互影响。
进一步检查变频器的输入模拟量屏蔽电缆布线与屏蔽线连接，发现该电缆的布线位置与屏蔽线均不合理，将电缆重新布线并对屏蔽线进行重新连接后，故障消失。
例6：主轴定位出现超调的故障维修
故障现象：某加工中心，配套611A主轴驱动器，在执行主轴定位指令时，发现主轴存在明显的位置超调，定位位置正确，系统无故障。
分析与故障处理：由于系统无报警，主轴定位动作正确，可以确认故障是由于主轴驱动器或系统调整不良引起的。
解决超调的方法有很多种，如：减小加减速时间、提高速度环比例增益、降低速度环积分时间等等。检查本机床主轴驱动器参数，发现驱动器的加减速时间设定为2s，此值明显过大；更改参数，设定加减速时间为0．5s后，位置超调消除。
本章小结
本章主要论述数控机床主传动系统常见故障诊断与维修的一般步骤，主传动系统在运行中出现的故障、故障检测以及排除你，故障的解决方法，常见故障的举例及解决方法