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数控机床主轴驱动系统跟维修资料

第五章数控机床主轴驱动系统与维修

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。

本章主要内容：

——介绍数控机床主轴驱动系统组成及特点、分类等；

——介绍了通用变频器及典型系统变频主轴的连接线路、相关参数等；

——简介了通用变频主轴、伺服主轴的主要故障及处理方法，并介绍了一些维修实例。

5．1概述

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。

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 主轴系统分类及特点

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、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。

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、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。

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。

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、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。

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）。

注：

当机床主轴驱动单元使用了带速度反馈的驱动装置以及标准主轴电机时，主轴可以根据需要工作在伺服状态。

此时，主轴编码器作为位置反馈元件使用。

5.2通用变频主轴驱动装置及维修

随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴电动机配变频器控制的方式。

目前作为主轴驱动装置市场上流行的变频器有德国西门子公司、日本三肯、安川等。

下面以西门子（MM420）为例，讲解模拟量控制主轴运动装置的工作原理、端部接线、功能参数的设定、相关数控系统参数的设定及维修技术。

MM420西门子的供电电源电压为三相交流（380V至480V）或单相交流（200V至240V），具有现场总线接口的选件，功率范围：

0.12KW～11KW ；控制：

线性v/f控制特性，多点设定的v/f控制特性，FCC（磁通电流控制）。

过程控制：

内置PI控制器。

输入：

3个数字输入，1个模拟输入。

输出：

1个模拟输出，1个继电器输出。

与自动化系统的接口：

是SIMATIC　S7-200,SIMATIC S7-300/400（TIA）或 SIMOTION自动化系统的理想配套设备。

MM420变频器接线方框图如下：

图5-1MM420变频器接线方框图

1）变频器主电路

主电路的功能是将固定频率（50-60HZ）的交流电转换成频率连续可调（0-400HZ）的三相交流电，包括交-直电路、制动单元电路及直交电路。

MM420变频器主电路输入端子有三相或单相可选，为L、N或L1、L2、L3，输出端子为U、V、W。

2）变频器控制回路功能及端子接线

掌握变频器控制回路接线端子功能在维修中是非常重要的，西门子变频器的控制端子有开关量输入控制端子（5、6、7、8），主要用于控制电机的正反向运行等功能；模拟量输入端子（3、4），主要用于控制接受0-10V的模拟量信号；报警信号输出（10、11）。

其中多功能端子5、6、7的具体功能是分别由变频器参数P0701、P0702、P0703等设定，以数控系统802C为例，根据西门子802CPLC程序的主轴控制输出特点，其相应的端子功能设定如下表：

表5.1变频器控制端子功能设定参数

3）变频器输入接线实际使用注意事项:

（1）根据变频器输入规格选择正确的输入电源。

（2）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。

（3）变频器三相电源实际接线无需考虑电源的相序。

（4）面板上的SDP有两个LED，用于显示变频器当前的运行状态

变频器输出接线实际使用注意事项：

（1）输出侧接线须考虑输出电源的相序。

若相序错误，将会造成主轴电机反转，机床不能正常加工而报警。

（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。

若接反了，会烧毁变频器。

（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。

4）通用变频器常见报警及保护

为了保证驱动器的安全，可靠的运行，在主轴伺服系统出现故障和异常等情况时，设置了较多的保护功能，这些保护功能与主轴驱动器的故障检测与维修密切相关。

当驱动器出现故障时，可以根据保护功能的情况，分析故障原因。

∙接地保护

在伺服驱动器的输出线路以及主轴内部等出现对地短路时，可以通过快速熔断器间切断电源，对驱动器进行保护。

∙过载保护

当驱动器、负载超过额定值时，安装在内部的热开关或主回路的热继电器将动作，对进行过载保护。

∙速度偏差过大报警

当主轴的速度由于某种原因，偏离了指令速度且达到一定的误差后，将产生报警，并进行保护。

∙瞬时过电流报警

当驱动器中由于内部短路、输出短路等原因产生异常的大电流时，驱动器将发出报警并进行保护。

∙速度检测回路断线或短路报警

当测速发电动机出现信号断线或短路时，驱动器将产生报警并进行保护。

∙速度超过报警

当检测出的主轴转速超过额定值的115%是，驱动器将发出报警并进行保护。

∙励磁监控

如果主轴励磁电流过低或无励磁电流，为防止飞车，驱动器将发出故障并进行保护。

∙短路保护

当主回路发生短路时，驱动器可以通过相应的快速熔断器进行短路保护。

∙相序报警

当三相输入电源相序不正确或缺相状态时，驱动器将发出报警。

变频器出现保护性的故障时（也叫报警），首先通过变频器自身的指示灯以报警的形式反映出内容，具体说明见表8.2。

表5.2变频器常见报警

报警名称

报警时的

LED显示

动作内容

对地短路

对地短路故障

检测到变频器输出电路对地短路时动作（一般为≥30kW）。

而对≤22kW变频器发生对地短路时，作为过电流保护动作。

此功能只是保护变频器。

为保护人身和防止火警事故等应采用另外的漏电保护继电器或漏电短路器等进行保护。

过电压

加速时过电压

由于再生电流增加，使主电路直流电压达到过电压检出值（有些变频器为800VDC）时，保护动作。

（但是：

如果由变频器输入侧错误地输入控制电路电压值时，将不能显示此报警）

减速时过电流

恒速时过电流

欠电压

电源电压降低等使主电路直流电压低至欠电压检出值（有点变频器为400VDC）以下时，保护功能动作。

注意：

当电压低至不能维持变频器控制电路电压值时，将不显示报警。

电源缺相

连接的3相输入电源L1/R、L2/S、L3/T中任何1相缺时，有点变频器能在3相电压不平衡状态下运行，但可能造成某些器件（如：

主电路整流二极管和主滤波电容器损坏），这种情况下，变频器会报警和停止运行。

过热

散热片过热

如内部的冷却风扇发生故障，散热片温度上升，则产生的保护动作

变频器内部过热

如变频器内通风散热不良等，则其内部温度上升，保护动作

制动电阻过热

当采用制动电阻且使用频度过高时，会使其温度上升，为防止制动电阻烧损（有点会有“叭”的很大的爆炸声），保护动作

外部报警

当控制电路端子连接控制单元、制动电阻、外部热继电器等外部设备的报警常闭接点时，按这些节点的信号动作。

过载

电动机过负载

当电动机所拖动的负载过大使超过电子热继电器的电流超过设定值时，按反时限性保护动作。

变频器过负载

此报警一般为变频器主电路半导体元件的温度保护，按变频器输出电流超过过载额定值时保护动作。

通讯错误

RS通信错误

当通信时出错，则保护动作。

5.3西门子数控系统与主轴装置的连接

802C系统的ENC最多控制3个模拟坐标轴和一个模拟主轴。

1、西门子802C数控系统和MM420变频器的连接

图5-2西门子802C数控系统和MM420变频器的连接

802C系统通过X7轴接口中的A04/GND4模拟量输出端口可控制主轴转速，当系统接受主轴旋转指令后，在输出口输出0-10V的模拟量电压，同时PLC输出Q0.0、Q0.1控制主轴装置的正反转及停止，一般定义高电平有效，这样当Q0.0输出高电平时可控制主轴装置正转,Q0.0、Q0.1同时为高电平时,主轴装置反转,二者都为低电平时,主轴装置停止停转。

数控系统X5口接受主轴编码器反馈回来的信号，主要用来速度检测和螺纹切削加工，对于普通主轴变频器和系统的连接除了硬件上接线外，系统和变频器的参数设置也非常重要。

2、802D数控系统中变频器与611U伺服驱动的连接

802D数控系统配置变频主轴时,变频器0-10V的指令电压是通过611UE的X411端口上的75.A和15给出的,正反转指令是通过X453端口上的Q0.A和Q1.A给出的，具体接线如下：

图5-3802D数控系统中变频器与611U伺服驱动的连接

3、802C系统主轴相关参数设置

根据不同的机床类型，通过设定主轴参数，使机床具有各种丰富的功能。

主轴参数正确与否，直接影响机床的正常运行如果。

采用交流电机加变频器，或者采用伺服主轴；在加工螺纹或每转进给编程时，则机床数据MD30130设为1。

MD30134为1时，Q0.0=伺服使能，Q0.1=负方向运行，也就是当Q0.0=1时主轴正转，Q0.0=1、Q0.1=1时，主轴反转。

当MD30134=2时，Q0.0=伺服使能正方向运行，Q0.1=伺服使能负方向运行。

表5.3802C系统主轴相关参数

轴参数号

参数名

单位

轴

值

参数定义

30130

CTRLOUT-TYPE

1/0

有/无-10V~10V模拟量输出

30134

IS-UNIPOLAR-OUTPUT

双极性主轴Q0.0和Q0.1可以由PLC使用

单极性主轴Q0.0和Q0.1不可以由PLC使用

30200

NUM-ENCS

主轴有/无编码器反馈

30240

ENC-TYPE

主轴带测量系统类型

31020

ENC-RESOL

1024

编码器每转脉冲数

32260

RATEDVELO

RPM

3000

主轴额定转速

36200

AXVELOLIMIT

MM/MIN

33000

主轴最大监控速度

36300

MAENCFPEQLIMIT

55000

主轴监控频率

除了这些主轴相关参数外，还有与主轴机械换档相关的参数设置，这里不一一表述，具体内容参看调试说明书。

5.4华中世纪星HNC-21TF系统主轴的连接

华中世纪星HNC-21TF系统的XS9为主轴控制接口，包括主轴速度模拟电压指令输出和主轴编码器反馈输入，其信号定义如下表图1-1。

图5-4HNC-21TF系统主轴接口

表5.4主轴接口引脚说明

信号名

说明

SA+、SA-

主轴编码器A相位反馈信号

SB+、SB-

主轴编码器B相位反馈信号

SZ+、SZ-

主轴编码器Z脉冲反馈

+5V、-5V地

DC5V电源

AOUT1

主轴模拟量指令-10V~+10V输出

AOUT2

主轴模拟量指令0~+10V输出

GND

模拟量输出地

系统与变频器的连接如下：

图5-5主轴变频器与CNC（华中世纪星）系统连接图

系统通过XS9主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速，其中AOUT1的输出范围为-10V+10V，用于双极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用使能信号控制主轴的启停；AOUT2的输出范围为0+10V，用于单极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用主轴正转、主轴反转信号控制主轴的正反转，负载电流：

最大10mA；主轴编码器连接通过主轴接口XS9，可外接主轴编码器用于螺纹切割攻丝等，本数控装置可接入两种输出类型的编码器，差分TTL方波或单极性TTL方波，一般建议使用差分编码器从而确保长的传输距离的可靠性及提高抗干扰能力，主轴编码器接口电源输出：

+5V最大200mA。

1、主轴启停

主轴启停控制由PLC承担，标准铣床PLC程序和标准车床PLC程序中关于主轴启停控制的信号如下表所示。

表5.5主轴启停PLC接口信号

信号说明

标号（X/Y地址）

所有借口

信号名

脚号

铣

车

输入开关量

主轴速度到达

X3.1

XS11

I25

主轴零速

X3.2

I26

输出开关量

主轴正转

Y1.0

XS20

008

主轴反转

Y1.1

009

利用Y1.0Y1.1输出即可控制主轴装置的正、反转及停止，一般定义接通有效，这样当Y1.0接通时可控制主轴装置正转,Y1.1接通时,主轴装置反转,二者都不接通时,主轴装置停止旋转。

在使用某些主轴变频器或主轴伺服单元时也用Y1.0Y1.1作为主轴单元的使能信号。

2、主轴速度控制

HNC-21通过XS9主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速，其中AOUT1的输出范围为-10V+10V用于双极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用使能信号控制主轴的启、停；AOUT2的输出范围为0+10V，用于单极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用主轴正转、主轴反转信号控制主轴的正、反转和停止。

3、主轴换档控制

主轴自动换档通过PLC控制完成,标准铣床PLC程序和标准车床PLC程序中关于主轴换档控制的信号如下表所示。

表5.6自动换档PLC接口信号

信号说明

标号（X/Y地址）

所有借口

信号名

脚号

铣

车

输入开关量

主轴一档到位

X2.0

XS10

I16

主轴二档到位

X2.1

I17

主轴三档到位

X2.2

I18

主轴四档到位

X2.3

I19

输出开关量

主轴一档到位

Y1.4

XS20

012

主轴二档到位

Y1.5

013

主轴三档到位

Y1.6

014

主轴四档到位

Y1.7

015

5.5FANUC0iMate数控系统主轴驱动的连接

FANUC0iMate系统主轴控制可分为主轴串行输出/主轴模拟输出（Spindleserialoutput/Spindleanalogoutput）。

用模拟量控制的主轴驱动单元（如变频器）和电动机称为模拟主轴，主轴模拟输出接口只能控制一个模拟主轴。

按串行方式传送数据（CNC给主轴电动机的指令）的接口称为串行输出接口；主轴串行输出接口能够控制两个串行主轴，必须使用FANUC的主轴驱动单元和电动机。

1、FANUC0iMateC数控系统模拟主轴的连接如下图：

图5-6802C系统与变频器的连接

系统与主轴相关的系统接口有：

JA40：

模拟量主轴的速度信号接口（0~10V），CNC输出的速度信号（0-10V）与变频器的模拟量频率设定端连接，控制主轴电机的运行速度。

JA7A：

串行主轴/主轴位置编码器信号接口，当主轴为串行主轴时，与主轴变频器的JA7B连接，实现主轴模块与CNC系统的信息传递；当主轴为模拟量主轴时，该接口又是主轴位置编码的主轴位置反馈接口。

2、FANUCOiMate主轴相关参数

表5.7FANUCOiMate主轴相关参数

参数号

符号

意义

0i-Mate

3701/1

ISI

使用串行主轴

3701/4

SS2

用第二串行主轴

3705/0

ESF

S和SF的输出

3705/1

GST

SOR信号用于换挡/定向

3705/2

SGB

换挡方法A，B

3705/4

EVS

S和SF的输出

3706/4

GTT

主轴速度挡数（T/M型）

3706/6,7

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