數控機床主軸系統故障診斷與維修

◎蔣培軍 雷楠南

（三門峽職業技術學院 機電工程學院，河南 三門峽 472000）

數控機床主軸系統故障診斷與維修

◎蔣培軍 雷楠南

（三門峽職業技術學院 機電工程學院，河南 三門峽 472000）

主要研究了FANUC0i mate MD系統模擬主軸及串行主軸控制方式，并根據不同的主軸控制方式介紹了主軸故障維修的流程及方法。列舉了主軸常見故障及可能原因，針對每種故障原因提供了檢查方法及故障排除措施。

模擬主軸；串行主軸；故障；維修

FANUC數控系統主軸控制方式主要有模擬量控制與串行控制兩種。如經濟型數控機床主軸控制通常采用變頻調速控制；數控銑、加工中心主軸控制通常采用交流主軸驅動器來實現主軸串行控制。FANUC0i mate MD系統主軸串行控制通常配置專用的FANUC交流伺服驅動器及伺服電機來實現。數控機床主軸故障一般分為機械故障與電氣故障兩類。因為同一故障現象既有可能是電氣故障引起又有可能是機械故障引起，所以在主軸故障分析時，首先要確定故障類別（機械故障或電氣故障），然后再進一步查找故障點。本文主要研究由電氣故障導致的主軸故障現象，不管主軸控制是采用變頻器控制還是采用FANUC公司的專用主軸驅動器控制，對于主軸控制系統而言其維修均分為電路板級維修和芯片級維修。但在生產實踐中，對最終用戶而言，主要是進行電路板維修，也就是快速進行電路板故障診斷與維修處理[1]。

1 FANUC0i mate MD數控系統模擬主軸控制系統故障診斷與維修

1.1 通用變頻器調速系統故障診斷與維修

FANUC0i mate MD系統主軸控制接口有JA40和JA41兩個。其中，JA40接口用于模擬量控制，JA41接口用于串行主軸控制。在主軸采用模擬量控制時，最常用的是通過變頻器控制三相異步電動機實現，所以又稱為模擬主軸。模擬主軸控制系統在硬件連接方面主要是數控系統與變頻器及三相異步電動機的接線，以配備FANUC0i mate MD系統的亞龍559數控裝調實訓設備為例來介紹，接線圖如圖1所示。模擬主軸的控制功能主要是實現主軸的速度及正反轉控制。主軸的速度控制通過數控系統的模擬量輸出電壓實現，一般模擬量輸出電壓為0至10V。在系統參數設置正確情況下，主軸速度與模擬量輸出電壓成比例，速度可從0達到電機最高轉速。正反轉控制通過PMC程序來實現，可利用機床控制面板上的手動正反轉按鍵或程序中的正反轉指令來實現。

圖1 變頻器硬件接線圖

圖2 主軸不轉故障現象的維修流程

數控機床主軸故障現象比較多，對于模擬主軸而言，常見故障現象主要有：主軸不轉、主軸轉速慢、螺紋加工出現亂牙等[2]。從維修角度看，掌握主軸控制系統的硬件連接、控制原理是維修工作的基礎。此處，以主軸不轉故障現象為例，進行故障分析和維修。對模擬主軸不轉故障分析，總結故障可能原因如表1所示。觀察表1可知，當數控機床主軸出現故障時，導致故障的因素很多，在排故障時也有相應的處理方法。但是在排故障時如何逐步分析故障，進而確定故障點是比較困難的環節。只要確定了故障點，就可針對性地采用相應方法排除故障。為此特地設計出了針對主軸不轉故障維修的流程圖，如圖2所示，以便維修人員參考操作。

主軸不轉故障是最基本的故障，在生產實踐中還會出現更為復雜的故障如主軸轉速慢故障。主軸轉速慢故障是因為主軸轉速不符合生產實際需要，但是它仍然具備了數控機床主軸控制的基本功能，因此排除故障點難度相對較大。表2列舉了主軸轉速慢故障可能產生的原因及檢查方法，在排除故障時可采用相應的方法。

1.2 主軸驅動器調速系統故障診斷與維修

FANUC數控系統模擬主軸除了采用通用變頻器進行調速控制，在很多經濟型數控機床上也采用主軸驅動器配套同步電機進行控制。典型的硬件配置如FANUC0i mate MD系統驅動CTB主軸驅動器及同步電機，硬件連接圖如圖3所示[3]。采用主軸驅動器進行主軸控制時，故障維修方法與前述的通用變頻調速主軸系統類似，但又有所不同。以主軸不能運轉的故障現象為例進行說明。因為數控系統、主軸驅動器都提供了故障報警信息，所示在維修過程中要充分利用好這些報警信息幫助故障分析、排除。例如一臺XK7146數控銑床，開機后在MDI方式下運行機床主軸，發現主軸僅僅有一個微量的轉動動作，便停止運轉。觀察數控系統顯示屏，發現無報警信息，但機床操作面板上報警指示燈亮。為了進一步確定故障點，打開機床電氣控制柜，觀察發現CTB主軸驅動器顯示有報警信息。但是在查閱CTB驅動器使用手冊的故障代碼時，發現報警代碼在手冊中找不到。

表1 主軸不轉故障原因

表2 主軸轉速慢故障原因

經過咨詢廠家維修技術人員，在故障排除時逐一做了如下工作。第一步，將數控系統關機并斷開主電路，然后對系統重新上電；第二步，打開機床電氣控制柜，觀察CTB主軸驅動器的顯示信息，發現驅動器顯示F.0，可以判斷驅動器上電后正常；第三步，在MDI方式下運行機床主軸，發現主軸微量轉動后停止，系統顯示屏無報警。再觀察主軸驅動器發現有報警提示，但報警代碼無法在CTB手冊中找到。第四步，從系統中找到PMC梯形圖程序，觀察正轉G70.4（或反轉G70.5）信號有無輸出，發現系統能正常輸出。由此可初步判斷系統無故障；第五步，分析驅動器及主軸電機故障。因為主軸有編碼器進行速度反饋，所以通過手動轉動主軸并觀察系統顯示屏發現無速度顯示。由此先判斷編碼器及編碼器電纜有無故障。利用萬用表檢測編碼器電路發現電纜導通良好，更換了一個新的編碼器后，在MDI方式下運行機床主軸時，故障現象如前。經過該步操作，可初步判斷編碼器及電纜無故障。經過上面一系列操作步驟，最后確定故障點可能在驅動器。因為機床是在使用過程中突然出現的故障，所以不存在參數設置等問題。為了確定驅動器故障點，將驅動器發送到驅動器生產廠家進行檢測，發現驅動器主板損壞。經廠家維修，重新安裝后主軸能夠正常運轉。

2 FANUC0i mate MD數控系統串行主軸控制系統故障診斷與維修

FANUC串行主軸控制系統選用的主軸驅動器與伺服電機都是FANUC公司的專業產品，CNC與主軸驅動器之間通過串行總線進行數據交換。串行主軸控制系統的硬件連接如圖4所示。對于串行主軸控制而言，主軸驅動器是作為硬件芯片集成度很高的控制部件，既有硬件電路又有軟件算法，因此利用普通的儀器、儀表無法對其進行故障檢測。在主軸放大器維修過程中，必須借助于廠家提供的維修手冊來判斷故障點位置，從而有針對性地排故障。

2.1 通過數控系統主軸監控頁面報警信息排除故障

FANUC數控系統串行主軸為了維護維修方便，提供了多方面的維護和維修手段。常用的技術手段是通過主軸監控頁面進行故障診斷。主軸監控頁面可通過按下數控系統功能鍵[SYSTEM]后，再按下數控系統顯示器下方的擴展軟鍵，找到并按下 [SP設定]軟鍵后即可出現如圖5所示界面。

主軸報警信息欄提供了當主軸報警時即時顯示的主軸及主軸電機等的報警信息。在串行主軸維修過程中，通過主軸監控頁面，可以直觀地了解主軸驅動器、主軸電機、主軸編碼器反饋等相關故障診斷信息，然后通過查閱維修手冊有針對性的排除故障。

2.2 通過數控系統診斷頁面信息排除故障

FANUC數控系統除了提供的主軸報警信息外，還在系統診斷頁面提供了主軸故障診斷信息。在系統診斷頁面相關的診斷號具體指出了主軸實際運行數據情況，包括主軸轉速、主軸負載顯示、在線主軸位置、編碼器信息等，還顯示了錯誤和報警代碼及原因等。涉及主軸報警的系統診斷號從400開始，當主軸發生錯誤和故障時，可以根據CNC提供的具體診斷信息進行綜合分析故障原因，以便維修。故障診斷頁面的進入方法：在MDI方式下，按下[SYSTEM]軟鍵數次，出現[診斷]軟鍵后，再按下[診斷]軟鍵即可進入診斷頁面。為了快速查找主軸故障診斷信息，可根據提示輸入400，再單擊[搜索]軟鍵即可快速找到400號診斷頁面信息，而后可依次檢查其他診斷號。

圖3 主軸驅動器硬件接線圖

圖4 數控裝置與伺服放大器的連接

2.3 通過主軸驅動器上的主軸報警和錯誤代碼排除故障

FANUC公司在主軸驅動器上利用七段LED數碼管和指示燈來反映主軸驅動器及主軸電機運行情況和故障狀態等信息。因此，在主軸故障排除過程中要充分利用主軸驅動器本體上提供的報警和錯誤信息，幫助排除故障。主軸驅動器不管是哪種系列類別，一般在放大器上都有主軸報警和錯誤代碼顯示信息，因此當主軸出現故障時也可借助于驅動器上的報警信息和錯誤代碼信息查閱驅動器手冊，利用手冊中提供的故障分析處理方法進行故障排除。

圖5 主軸監控畫面

3 結論

文中針對FANUC數控系統模擬主軸控制與串行主軸控制方式分別介紹了數控機床主軸故障分析與維修的方法。在生產實踐中，數控機床主軸故障現象可能是唯一的，但是引起同一故障現象的因素卻是多種的，甚至很多故障現象在維修手冊中也找不到，這就要求維修人員必須掌握主軸控制方式的硬件連接及系統控制原理。文中系統地介紹了FANUC數控系統主軸故障分析與維修的方法，可有效地服務于廣大數控機床維修維護人員。

[1]李宏勝.FANUC數控系統維護與維修[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]關薇.數控機床裝調與維修[M].北京：北京交通大學出版社，2013.

[3]交流伺服主軸驅動器說明書[Z].北京：北京超同步科技有限公司，2012.

（責任編輯 卞建寧）

Faultdiagnosisandmaintenanceof CNCspindlesystem

JIANG Peijun LEI Nannan
（Mechanical and Electrical engineering department,Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia 472000,China）

The control modes of analog spindle and serial spindle with the FANUC Oi system have been researched mainly in this paper and the maintenance process and methods of the spindle fault were introduced according to different spindle control methods.The common faults and the possible reasons of the spindle are enumerated,and the checking methods and the trouble shooting measures are provided for each fault.

Analog spindle；Serial spindle；Fault；Maintenance

TG659

B

1671-9123（2016）03-0144-05

2016-05-26

蔣培軍（1981-），男，河南滎陽人，三門峽職業技術學院機電工程學院教師。