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1、主轴驱动系统常见故障及处理 作者：佚名 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2010-10-12 15:27:33 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，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。5.1 主轴驱动系统概述主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该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，配合进给运动，加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。5.1.1 数控机床对主轴驱动系统的要求机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。机床主
2、轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在 20 纪 60-70 年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。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极调速为保证加工时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。特别对于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
3、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 1100，恒功率调速范围也可达 130，一般过载 1.5倍时可持续工作达到 30min。主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，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及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。（2） 恒功率范围要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
4、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，常采用分级无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置） ，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 1 秒内从静止加速到 6000r/min。（4） 具有位置控制能力即进给功能（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、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。（5） 具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
5、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。应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提高主轴的组件的刚性。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，但加工需要专门的刀具和花键磨床。（6） 良好的抗振性和热稳定性。数控机床加工时，可能由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振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，严重时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件，使其
6、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。5.1.2 不同类型的主轴系统的特点和使用范围（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
7、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。（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。（3） 普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
8、有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100200 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。（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
9、 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 100200r/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。（5） 伺服主轴驱动系统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，当然价格也是最高的，通常是同功率变频器主轴驱动系统的 2-3 倍以上。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
10、、刚性攻丝、主轴 C 轴进给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工。（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。电主轴由于电机和主轴合二为一，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，而且功率还不能做得太大，一般在 10KW 以下。由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展，一般在 10000r/min 以上。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。5.1.3
11、常用的主轴驱动系统介绍1. FANUC（法那科）公司主轴驱动系统从 80 年代开始，该公司已使用了交流主轴驱动系统，直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。目前三个系列交流主轴电动机为：S 系列电动机，额定输出功率范围 1.537KW；H 系列电动机，额定输出功率范围 1.522KW；P 系列电动机，额定输出功率范围 3.737KW 。该公司交流主轴驱动系统的特点为：采用为处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。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。具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。2. SIEMENS（西门子）公司主轴驱动系统SIEMENS 公司生产的
12、直流主轴电动机有 1GG5、1GF5、1GL5 和 1GH5 四个系列，与这四个系列电动机配套的 6RA24、6RA27 系列驱动装置采用晶闸管控制。80 年代初期，该公司又推出了 1PH5 和 1PH6 两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3100KW。驱动装置为 6SC650 系列交流主轴驱动装置或 6SC611A（SIMODRIVE 611A）主轴驱动模块，主回路采用晶体管 SPWM 变频器控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用为处理器 80186 可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。同过选件实现 C 轴进给控制，在不需要 CNC 的帮助下，实现主轴的定位控制。3
13、. DANFOSS（丹佛斯）公司系列变频器该公司目前应用于数控机床上的变频器系列常用的有：VLT2800，可并列式安装方式，具有宽范围配接电机功率：0.37KW-7.5KW 200V/400；VLT5000，可在整个转速范围内进行精确的滑差补偿，并在 3ms 内完成。在使用串行通讯时， VLT 5000 对每条指令的响应时间为 0.1ms，可使用任何标准电机与 VLT 5000 匹配。4. HITACHI（日立）公司系列变频器HITACHI 公司的主轴变频器应用于数控机床上通常有：L100 系列通用型变频，额定输出功率范围为 0.2KW-7.5KW， V/f 特性可选恒转矩/降转矩，可手动/自
14、动提升转矩，载波频率 0.5HZ-16HZ 连续可调。日立 SJ100 系列变频器，是一种矢量型变频，额定输出功率范围为 0.2KW-7.5KW，载波频率在 0.5HZ-16HZ 内连续可调 ，加减速过程中可分段改变加减速时间 ，可内部/外部启动直流制动；日立 SJ200/300 系列变频器，额定输出功率范围为 0.75KW-132KW，具有 2 台电机同时无速度传感器矢量控制运行且电机常数在/离线自整定。5. HNC（华中数控）公司系列主轴驱动系统HSV-20S 是武汉华中数控股份有限公司推出的全数字交流主轴驱动器。该驱动器结构紧凑、使用方便、可靠性高。采用的是最新专用运动控制 DSP、大规
15、模现场可编程逻辑阵列（FPGA）和智能化功率模块（IPM）等当今最新技术设计，具有 025、050、075、100 多种型号规格，具有很宽的功率选择范围。用户可根据要求选配不同型号驱动器和交流主轴电机，形成高可靠、高性能的交流主轴驱动系统。5.1.4 主轴驱动系统的分类主轴驱动系统包括主轴驱动器和主轴电动机。数控机床主轴的无级调速则是由主轴驱动器完成。主轴驱动系统分为直流驱动系统和交流驱动系统，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴驱动系统即交流主轴电动机配备变频器或主轴伺服驱动器控制的方式。直流驱动系统在 20 世纪 70 年代初至 80 年代中期在数控机床上占据主导地位，这是由于直流电动机具
16、有良好的调速性能，输出力矩大，过载能力强，精度高，控制原理简单，易于调整。随着微电子技术的迅速发展，加之交流伺服电动机材料、结构及控制理论有了突破性的进展，80 年代初期推出了交流驱动系统，标志着新一代驱动系统的开始，由于交流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，所以目前直流驱动系统已逐步被交流驱动系统所取代。从 90 年代开始，交流伺服驱动系统已走向数字化，驱动系统中的电流环、速度环的反馈控制已全部数字化，系统的控制模型和动态补偿均由高速微处理器实时处理，增强了系统自诊断能力，提高了系统的快速性和精度。5.2 直流主轴伺服系统故障诊断与维修5.2.1 直流主轴驱动系统介绍直流主轴电动机驱动器有可控硅调速和脉宽调制 PWM 调速两种形式。由于脉宽调制 PWM 调速具有很好的调速性能，因而在对静动态性能要求较高的数控机床进给驱动装置上曾广泛使用。而三相全控可控硅调速装置则适于大功率应用场合。从原理上说，直流主轴驱动系统与通常的直流调速系统无本质的区别，决定了直流主轴驱动系统具有以
