第8章主軸控制系統故障分析8.1直流主軸控制系統與常見故障8.2交流主軸控制系統與常見故障8.3實

例

分

析8.1直流主軸控制系統與常見故障

8.1.1直流主軸控制系統的構成特點直流主軸控制系統，是由直流主軸控制單元與直流主軸電機組成的。直流主軸電機的結構，因為要求大功率輸出，所以與永磁式直流伺服電機不同，不能是永磁式，而與普通直流電機類似，是他勵式電動機。直流主軸電機的轉子與永磁式直流伺服電機相同，由電樞繞組和換向器組成。而直流主軸電機的定子上不但有主磁極繞組，還帶有補償繞組。因此，直流主軸電機一般都有過載能力。大多可以為過載150%(即連續額定電流的1.5倍)。而過載持續時間一般可在1～30min范圍內，具體視不同產品而不同。

直流主軸控制單元，也類似于直流伺服控制系統。一般是由速度環與電流環組成的雙環速度控制系統來控制直流主軸電機的電樞電壓，進行恒轉矩調速的。直流主軸控制系統是由主回路與磁場控制回路組成的。三相橋式全控直流主軸系統框圖，如圖8.1.1所示。圖中，上半部為磁場控制回路，而下半部為主回路。這是一個多環系統：電壓環、電流環與速度環三種反饋回路組成。常用測速發電機作為速度的檢測反饋元件。而由機外的開關控制可逆運轉。主回路中，多采用反并聯可逆整流電路。由于主軸電機的容量較大，因此所有的功率開關組件大多采用晶閘管。磁場控制回路，是用來控制主軸電機的激勵繞組(主磁極繞組)的電流大小，以完成恒功率控制的調速的。在磁場控制回路中，觸發器的觸發脈沖電路也大多采用晶閘管作為功率開關組件。

圖8.1.1三相橋式全控直流主軸系統

圖8.1.2所示，是有電樞反向和磁場控制的直流主軸調速系統。其中，觸發器與逆變器中也是具有電容器與晶閘管，可以成為故障的成因。其中，換向邏輯與電樞反向控制接觸器構成再生回路。它不僅可實現轉矩換向控制，而且，如果速度實際值超過調整值而引起轉矩反向時，傳動裝置再生制動，回收的能量通過運行在逆變器方式的晶閘管反饋給電網。上面段落中的變體字，正是直流主軸調速系統中可能出現故障的環節。

圖8.1.2

有電樞反向和磁場控制的直流主軸調速系統

8.1.2直流主軸控制系統的常見故障直流主軸控制系統的常見故障有：過熱報警、過流/斷路器跳閘報警、主軸速度不正常或偏差太大、主軸不轉、主軸突然停止或不能停止、主軸電機振動與噪聲大等現象。主軸電機過流報警發生過流的可能成因有：電流極限參數設定錯誤；同步脈沖紊亂；主軸電機電樞線圈層間短路等。

主軸電機過熱報警．一般先檢查主軸電機的冷卻風扇是否在轉動。如否，機床斷電，先檢查該風扇的保險絲，再查是風扇損壞還是風扇冷卻系統太臟(見例2.3.3)。(注意：還應該讓電機有足夠的時間去冷卻后再給機床通電。)．如果報警依舊，檢查主軸電機與控制單元之間的連接及其它。

·

與直流主軸電機相關的故障：①負載過大或由于電流均方根值大于額定輸出轉矩的電流平均值。②主軸電機電樞電流大于磁缸去磁前的最大允許電流值而造成磁缸發生不可逆的去磁。③帶有制動器的直流伺服電機內整流塊損壞或是制動器線圈斷線或氣隙不合適造成制動器不釋放。④由于油和電刷灰嵌入換向器的云母槽中而引起繞組內部短路或絕緣不良。

主軸電機斷路器跳閘報警這類報警需要根據機床使用期情況來分別重點檢查如下方面：．新/維修后的機床：電流極限參數設定錯誤、動力線及反饋線接線錯誤或相序錯誤等。

·

老機床先考慮阻力過大。可以是電刷、整流子、測速發電機碳刷磨損及碳粉阻塞、軸承與齒輪或電磁離合器磨損等所造成。

·

大功率管的擊穿、大功率執行組件或印刷板故障。

·

電流互感器的短路、電機的缺相或電樞的短路等問題。

·?反饋檢測系統松動或屏蔽接地不良等造成同步脈沖混亂。常見故障現象，有下面幾種。

主軸速度不正常應該根據速度環控制原理來分析各個環節可能出現的故障。而首先考慮常見故障：

·速度環中速度指令錯誤或未到達。

·主軸尾部測速發電機故障。

主軸速度偏差太大常見成因：D/A變換器故障(如果NC輸出的VCMD速度指令為數字信號時)及其接頭與線纜的接觸不良。而這類故障往往與信號的傳遞和阻力有關：

·

機械阻力造成的負荷過大；

·

主軸制動未充分釋放或機械故障；

·速度指令或反饋信號線接觸不良或斷線；沒有或未傳輸到零電流信號。

主軸突然停止①當出現在鉆孔/攻絲工況下，或主軸換向/反轉時，故障成因可能有：絲錐/鉆頭變鈍、孔徑過小、加工中潤滑不良、過淺的孔徑。此時，程序就可能出現要求：重新選擇螺紋或研磨來代替鉆孔/攻絲。

對于圖8.1.2那樣的具有電樞反向和磁場控制的直流主軸調速系統，可以參考FADAL加工中心維修說明來分析，可能成因如下：②?可能是因為來自主軸逆變器的信號強度小于可接受的閾值。需要查相關的硬件故障。可能是：指令信號丟失——?指令信號電纜與端口或主控制器的輸出接口不良導致反饋信號的丟失：檢測到的信號頻率小于最低值。(具有主軸定向控制的主軸系統，主軸位置檢測器/主軸控制器沒有在額定時間內檢測到信號——等待超時。一般前者額定時間為5s，后者為10s。)電機故障停轉、傳動裝置問題、編碼器安裝及其本身損壞、反饋電纜與端口問題。換流逆變器故障。③?如果主軸控制器得到的編碼器的脈沖數過多超過期望值時，應該檢查屏蔽與接地不良，不能排除干擾、編碼器損壞。

主軸不能停止按主軸停止鍵后，在規定的時間內(FADAL規定為12s)不能停止現象。這時需要檢查主軸停止開關與主軸制動裝置等。

主軸不轉這類故障常見成因為：

·

印刷線路板太臟而出現故障，實際無速度指令輸出。

·

觸發脈沖電路故障——多見為晶閘管功率開關元件故障。

·

機床未給出主軸旋轉信號。(按鈕及其連線、＋24V電壓未加上等)。

·電機動力線斷線，或主軸控制單元與電機之間連接不良。

主軸不轉故障，可類似伺服電機不轉的分析思路進行分析：?

修前調查：→首先了解有無報警？有報警時：記錄下報警號并按說明來查故障相關內容(例FADAL加工中心會有軟件報警來顯示主軸逆變器所檢測到的故障信息)。一般必須檢查檢測與反饋回路。無報警時：需要了解主軸電機轉不轉？主軸傳動皮帶輪轉不轉？如果電機轉，皮帶不轉，檢查主軸傳動皮帶是否與皮帶輪完好接觸？并且了解：未斷電前檢查并記錄氣壓表數字正常？

如果主軸電機與傳動皮帶輪都不轉，采用觀察檢查法：先外后內、先輸入后負載地向下追查。→查面板指令鍵狀況：急停開關釋放？(若N，釋放之，再對伺服放大器復位。)主軸停釋放？主軸轉速比選擇？主軸旋轉方向指令鍵按下？→查：制動裝置釋放？夾緊裝置卡死？以手扳動主軸阻力？

?

調用參數畫面，檢查：→軟鍵設置與主軸倍率選擇正確？排除軟件問題后，則為硬件故障。即可故障大定位于主軸系統。→有關狀態參數是否正常。

?

再根據情況，檢查：→主軸電機電源是否正常？如正常，則斷電檢查：主軸控制器信號電纜、電源電纜與驅動電纜完好？如不正常，則斷電檢查：主軸電機保險絲熔斷、過載保護繼電器是否脫扣？如是，按其上的復位鍵(如不能復位，修復或換件)。→再查主軸電機。如果完好，向下繼續。→再查線路板污染？如是，清潔。在無危險檢查后重新通電。

?

如故障依舊，則采用信號追蹤法、隔離體法與獨立單元法、變量強制輸入法等，逐級檢查：磁場控制回路、主軸驅動器(尤其是晶閘管整流電路故障)、主軸控制器(其中觸發脈沖電路)。根據上述思路，請讀者自行勾畫判別流程圖。

例8.1.1

西門子3T系統的747MCNC四孔數控鏜床，出現主軸不轉故障。CRT顯示n＜nx。修前技術裝備此為直流主軸伺服系統。其工作原理類似于圖8.1.2系統框圖。軟件報警的意義為：速度給定值＜實際轉速值。修前調查故障發生前，曾因變電站事故而造成正在加工的機床突然失電，快速熔斷器出現熔斷現象。

故障特征：突然停電后不能啟動故障，軟件報警。

據理析象根據報警內容與停電事故，最可能的故障類型：軟件故障。但也不能排除停電可能對硬件的損壞。羅列成因注意到：電機未轉，實際轉速為零。報警內容只可能是速度給定值小于零或無給定值，或者是主控回路中電樞反向接觸器回路中接觸器的不動作或誤動作故障問題、速度指令輸出裝置無工作電壓或印刷板輸出接口故障、機床參數丟失。最可能成因：突然停電導致失電性參數混亂。

確定步驟

CRT可報警，可先查機床參數是否混亂→查電源與控制回路。調用參數畫面：發現參數混亂。排除故障將機床數據清零后重新輸入參數。故障排除。

//注：原案例是，先查速度指令電壓為零(應該是在±10V范圍內)，又查按鈕開關完好，再查各控制回路無故障后。然后向操作人員調查，再懷疑停電對CNC數據的影響。//

主軸異常噪聲與振動類似伺服電機的噪聲與振動分析方法。根據振動頻率高低、是否與轉速有關、是否有沖擊等來進行判斷(參見7.5.5節)。

①對于新機床：

·

振動與噪聲與轉速無關時，主軸控制單元的電源頻率開關設定錯誤(50/60Hz)。(對于交流主軸電機還需查電源相序不對、缺相或三相不平衡。)

·如是高頻自激振動，查控制單元增益電位器或電流反饋回路調整不良。

②

主軸電機旋轉時有較大的沖擊振動，其成因可能是：

·

測速發電機輸出電壓的突然降落。

·

測速發電機在1000rpm時，輸出電壓波紋峰－峰值大于2%。

·

電機線圈內部短路或不正常。

·

電機軸承或傳動軸承點缺陷、齒輪斷齒等故障。是低頻振動，與軸轉速有關。

③

主軸電機運轉時有較大的噪聲：

·

高頻電噪聲，電流環增益過高或RC設定問題，與軸速無關。

·

低頻噪聲當與主軸轉速有關時，除了類似伺服電機系統的機械故障外，還有主軸電機與主軸之間的離合器故障。主軸電機低速旋轉時有大的波紋(實際是小幅振動)，當主軸電機振動頻率與測速發電機振動頻率一致時，是測速機故障引起。當與轉速無關時，可能是切削液進入電刷。④

主軸電機在啟動、停車與調速時出現的斷續或振動現象，其成因往往與主軸電機線圈不良或脈沖編碼器不良(如果有脈沖編碼器的話)有關。

8.2交流主軸控制系統與常見故障

8.2.1交流主軸控制系統的構成特點交流主軸控制系統的系統框圖，可參考圖8.2.1。由圖可見，交流感應電機調速系統也是一個多環系統。其中變頻器內的濾波電容與大功率器件也是常見的故障組件。

圖8.2.1

交流感應電機主軸調速系統

交流主軸電動機均采用交流感應電動機，并且通常多采用不帶換向器的三相感應電動機。其定子由對稱的三相繞組組成。圓柱體的轉子鐵芯上是由均勻分布的斜槽、鑄鋁結構籠條與端部的金屬環構成的籠式轉子(故也稱籠式電動機)。定子的鐵芯具有軸向孔而無外殼以利通風(所以，交流電機往往是非封閉式的電機)。(為了提高輸出功率，防止主軸的熱變形，也有在電動機外殼與前端蓋中通有循環油路，實現液體冷卻繞組與主軸軸承。)

交流主軸控制單元，是一種轉差頻率矢量控制系統，用來控制交流感應電機的。

交流電機的尾部大多同軸安裝有脈沖編碼器或脈沖發生器。此時，速度反饋可以有兩種方式，如果主軸放大器是數字式，則可接受反饋。如果主軸放大器是模擬式，則直接反饋給CNC主軸伺服接口(這一點與采用測速發電機的圖8.2.1不同)。交流主傳動目前有三種配置(見圖8.2.2)。

圖8.2.2

數控機床主傳動的三種配置

(1)帶變速齒輪的主傳動是大、中型數控機床的常用配置，通過簡單的幾對齒輪減速來擴大輸出扭矩。其滑移齒輪大多采用液壓撥叉或直接液壓油缸來移動，而很少使用電磁離合器，以避免電刷磨損與摩擦、剩磁與發熱等影響變速可靠性、加工精度與主軸壽命。

(2)同步齒形皮帶傳動，常用于低扭矩特性的小型數控機床的主軸傳動，以避免齒輪傳動引起的噪聲與振動，又滿足主軸伺服功能。

(3)調速電機直接啟動的主傳動是小扭矩數控機床新發展的配置方法。主軸與其電動機制成一體。這種主軸電機的轉子軸就是機床的主軸，省去了齒輪傳動結構，而電機的定子裝于主軸頭內。它由空心軸轉子、帶繞組的定子和速度檢測器所組成。它簡化了結構并提高了主軸部件的剛度，但是電機發熱直接影響主軸精度。所以液體油路冷卻往往是需要的。

主軸軸承是對數控機床精度與加工質量直接影響的部件。主軸軸承的配置主要有三種形式。普遍使用的前軸承是由雙列短圓柱滾珠通常與60

角雙列向心推力球軸承組合；后軸承為成對向心推力球軸承。精密的、高速又輕載的數控機床前軸承采用高精度雙列向心推力球軸承。而中等精度、低速重載的數控機床的前后軸承則分別采用單列與雙列圓錐滾子軸承。除了主軸軸承的本身精度與安裝精度直接影響加工精度與主軸噪聲與振動外，軸承的溫升直接會引起主軸變形而影響加工精度。所以，通常采用潤滑油循環冷卻系統來帶走熱量。近些年采用封入高級油脂方式也獲得了較理想的效果。

8.2.2交流主軸控制系統的常見故障

保險絲熔斷交流輸入電路的保險絲熔斷，其成因大多是：

·

交流電源側的阻抗太高。例如當采用了自耦變壓器而不是隔離變壓器的情況，或保險絲管接觸不良。

·

交流電源輸入電路中浪涌吸收器損壞。

·

電源整流橋損壞。

·

逆變器內的晶閘管損壞。

·

控制單元的印刷線路板故障等。再生回路(在變頻器回路中)的保險絲熔斷，大多為主軸電機加速或減速頻率太高所致。

主軸電機速度超過額定值可能的成因：

·

新機床試用階段的設定錯誤。

·

所用軟件不匹配(只可能發生在更換印刷線路板后)。需要檢查主板上的ROM型號。

·

印刷線路板故障。

主軸電機不轉或轉速不正常

(可參考直流主軸電機相關故障成因分析)可能成因有：

·NC速度指令下達后，如出現報警，可按報警內容處理。

·

速度指令不正常。如果主軸伺服控制器的速度指令輸入為數字信號，應該先檢查該控制器內的D/A變換器故障；如果速度指令輸入為模擬信號，則應該先檢查NC及其輸出裝置故障。若速度指令正常，就向下檢查：

·加/減速過程中出現不正常，再生回路線路或回路內晶閘管故障。

·

恒速時的偏離指令值，可能是脈沖發生器故障、速度反饋線斷線或不良，以及速度單元印刷線路板故障。可以采用急停后以手扳動主軸，用示波器觀察脈沖發生器輸出信號波形是否隨扳動而變化。若無變化，則為脈沖發生器故障或速度反饋線斷線故障；否則為反饋線或印刷線路板不良。

·

新機床主軸電機不能啟動，需要先檢查電機電纜的連接與相序是否正確等。

·主軸電機不能啟動，先檢查是否有準停信號輸入(可能與按鈕及其供電線路有關)、是否設定錯誤，或印刷線路板相關電位器調整不當。然后檢查主軸定向控制用的傳感器是否安裝不良，或印刷線路板不良。

交流主軸電機異常噪聲與振動這類故障應該分清是在何種情況下產生的。

·一般情況，應該檢查系統電源相序不對、缺相或三相不平衡。

·

若在加/減速過程中產生，則故障多發生于再生回路。應該檢查該回路的保險絲是否熔斷，以及晶閘管是否損壞。

·若在恒速下產生，則應該先檢查反饋電壓是否正常。然后，突然切斷指令，觀察電機在停機過程中是否有異常噪聲。若有噪聲，則故障在機械部分。否則，多是印刷線路板上故障。若反饋電壓不正常，則需要檢查振動周期是否與轉速有關。若有關，則可能是主軸傳動裝置故障、主軸電機軸承或其尾部的脈沖發生器故障(參照直流主軸電機相應故障成因)，或者與機械裝配不良(間隙、竄動與松動等)有關。若無關，則可能與速度調節器內印刷線路板上的相關電位器調節不良有關。另外，有些其它故障現象也與主軸系統故障成因相關。例如，系統工作正常，但在自動方式下不能執行螺紋切削功能。可能成因：①主軸電纜斷線、有虛焊或接觸不良。②主軸編碼器故障(脈沖相位、幅度不正常)。③主板主軸脈沖反饋檢測電路故障等。再如，車削螺紋亂扣或螺紋不準，可能成因：①

主軸電纜插頭未擰緊導致接觸不良。②

主軸反饋電纜連接不正確或斷線。③

主軸編碼器損壞。④

(如果①～③檢查都正常時)主板主軸脈沖反饋檢測電路故障。⑤

編程問題。

8.2.3三菱交流主軸系統的故障現象與成因

8.2.3.1

三菱CRT上有關交流主軸控制系統的警示信息三菱CRT上有關交流主軸控制系統的警示信息如表8.2.1所示。

表8.2.1三菱CRT上有關交流主軸控制系統的警示信息

續表

在CRT上有關警示信息畫面上能以黑體字顯示警示信息與警示號。顯示的四位警示號后有軸號顯示。如果沒有軸位(X、Y、Z、A、B、C等)顯示，則為主軸警示。如果同時發生多個警示，則在主軸監視畫面上也應該顯示最后的警示號和其它警示號，以便確認。主軸的警示，包括了主軸參數、主軸放大器、主軸電機和主軸脈沖編碼器故障。

有關主軸監視畫面上的警示信息如下：

另外，MCP警示中也有有關主軸無信號的警示：

8.2.3.2三菱FR-SE主軸控制器的故障報警

·

0001——電動機過熱。①若電機超載或電機啟/停過于頻繁，應該改變其工作狀態。②若電機內裝風扇已損壞，應更換。③若電機進氣口堵塞，應予以清理。④檢查熱保護繼電器和電機內裝溫度傳感器是否良好。⑤

若不是上述原因，需要檢查電機本身故障

·

0010?——速度誤差過大。報警條件：主軸轉速＝500rpm時，|?速度指令值－實際顯示速度值?|＞允許值，并持續12s。①首先檢查是否電機過載(例如，檢查是否同時有過載的硬件或軟件報警。) ②檢查速度檢測用的編碼器部分：連線是否接觸良好、機械傳動部分是否有間隙或松動。③

檢查印刷線路板SE-CPU1或SE-101板是否有故障。

·

0100?——斷路器跳開。①瞬間主軸控制器電源電壓低于額定值(180V)。適當提高其供電電壓。②整流/逆變(IOC)部分可能有問題(注：常見為濾波電容擊穿、功率管損壞或線路故障)。

(注意：實際成因遠不止這些。請參考前面所述內容。)

·

0101——?缺相。①缺相。檢查輸入電壓值。②

F1、F2、F3保險絲熔斷。需要檢查有無其它問題后，更換保險絲。

·

0110?——外部急停。當SW7-2開關接通時，有外部急停，可出現此報警。需要徹底檢查原因后排除故障，重新通電才返回正常工作狀態。當SW7-2開關斷開時，即使有外部急停，也不會出現此報警。

·

0111——超速。報警條件：電機轉速＝115%最大轉速時，觸發超速檢測電路后，此號報警燈才點亮。①最大轉速的設置不當(在印刷線路板上跳碼與設定開關設置)。參照機床原始資料來檢查SE-I01板的PIN1的設定是否正確；檢查SE-CPU板上SW7-4～8、SW6-7的設定是否合適。②

速度檢測器指令電路故障。更換備板法。需注意依次順序為CPU1板、CPU2板和SE-IO1板。

③速度檢測器故障。應檢查編碼器的輸出頻率。在1500rpm時其頻率為：(256×1500)/60＝6.4kHz測量是在CPU2板上的CH59與CH62端子間，以及CPU1板上的CH60與CH57端子間進行的。

·

1000——IOC(注：斷路器)(整流/逆變控制器)斷開，報警來自于逆變器部分。

·

1100——IOC(整流/逆變控制器)斷開，報警來自于整流器部分。上述兩個報警條件：都是因在報警裝置上有過電流通過所致。可能的成因如下：①

大功率組件的損壞。可斷開主軸控制器與電機之間的連接，在無負載的情況下讓主軸控制器工作。若IOC報警依舊，表明大功率器件損壞，予以更換。若報警消失，用信號追蹤法繼續向下追查成因。

②檢查電機負載是否過大。③檢查主軸電機的連接是否松動。 ④檢查主軸電機繞組是否存在匝間短路或與地短路現象。正常情況，匝間絕緣電阻應該大于1M

。⑤檢查在主軸電機加速或減速時主軸控制器供電電壓值是否下降而低于180V。⑥

用示波器檢查在主軸電機加速或減速時主軸控制器電源電壓波形。若出現局部波形下降，其下降幅值只允許在2%～3%范圍內，而持續時間不得大于100

s。

⑦用示波器檢查主軸控制器電源電壓的頻率誤差不得超過±3%。⑧

電流檢測電路可能有故障。其整流器部分電壓檢測端子為CH30與AGA。逆變器部分電壓檢測端子為CH43A與AGA。如果電壓峰值達到10V則表明存在故障。

·

1001——控制裝置過熱。①環境溫度過高(超過55℃)。②冷卻風扇工作不正常或冷卻系統過臟而造成通風冷卻不良。③

主軸電機過載或啟停過于頻繁。應改變工作狀態。

·

1010?——欠電壓。報警條件：當主軸控制器電源電壓值為170～164V或更低，而持續時間超過25ms時。①如果僅在轉速變化或負載增大時出現報警，而復位后又可正常運轉，則設法提高供電電壓。②

如果復位后報警不消失，應該檢查電源電壓與控制電路的＋5V電壓是否正常。如果正常，則應該考慮SE-PW板故障。

·

1011——逆變器部分過電壓。報警條件：當逆變器內部濾波電容上的電壓值達到其上限安全值時，就出現該報警。①瞬時電壓波動或減速時存在電源故障。若LED17也點亮，則應該復位法來觀察具體變化。②

電壓檢測電路故障。應該更換SE-IO1板。

·

1101、1110或1111——CPU故障。故障成因：CPU內部邏輯電路故障或操作失誤所致。在重新復位后觀察CPU1板或CPU2板上的故障燈LED13～LED16是否點亮。若不亮則故障發生于CPU本身故障。此時需要更換相應的CPU板。若故障燈點亮，則為操作失誤。修正操作方法。注意：修前環境條件是否滿足系統要求是首要應該調查的內容。充分利用技術資料提供的診斷方法。但是資料上多是羅列了各種成因，還必須結合我們一再強調的診斷基本原則。正確的思路是提高診斷效率的金鑰匙。

8.2.3.3三菱主軸系統的無報警故障

·

電機不工作。①檢查是否有外部急停，或清零復位信號輸入。②檢查電機連接電纜是否斷開。③檢查交流電源輸入是否正常。④

檢查主軸控制器內部各電路板。SE-PW板上可直流電壓值是否正確。

⑤

檢查控制電路板是否有故障。將SW6-2處OFF位置(即隔離體法——斷開了作為其負載的速度環)。(缺省位置為ON)信號強制輸入法，增加指令轉速，在SE-IO1板上CH5與AGB間、CH4與AGB間檢查其輸出是否為標準正弦波形，以判定是否存在故障。

·

電機只能慢轉。①檢查電機是否按正確的相序與控制器的U、V及W端子連接。②檢查電機的三相電源輸入是否正常。③檢查轉速指令輸入是否正確。④

檢查轉速檢測用的編碼器或安裝故障。

·

電機轉速不隨指令變化，而只按一恒定轉速運轉。隔離主軸控制器，外接信號源的連續變化的速度指令輸入下，在主軸控制器的CH41與AGA端子間測量是否可在0～10V間作線性變化的輸出。以判斷故障是否在控制器。若輸出正常，則繼續追蹤可能成因。

·

無轉速到達信號。①?SE-IO1板上輸出電路故障。完成加/減速后SE-CPU板上LED7應點亮。否則應換SE-IO1板。②若LED7不亮，而其它運轉均正常卻無轉速到達信號時，則可能是轉速到達檢測電路有故障，也應更換SE-IO1板。

(無轉速達到信號，還可能產生無進給動作故障)

·

無零轉速檢測信號。在電機轉速低于25rpm或50rpm時，SE-CPU板上的LED10必點亮。①?LED10點亮，但無零轉速檢測信號。SE-IO1板上RA-1繼電器或板子本身故障。②

LED10不亮，表明檢測電路有故障。應該更換SE-CPU1板或SE-CPU2板。

·

振動及噪聲大。①電機絕緣電阻降低。檢查控制裝置主回路對地、控制電路COM端對地，以及主回路與控制電路的COM端子間(注：接地噪聲)的絕緣電阻均應大于20M

。②電機底座緊固螺栓是否松動。③電機自身是否存在動不平衡。需要調整。④電機軸向是否有竄動。⑤電機軸承是否有故障。⑥

SE-IO1板上CH5與AGA端子間、CH6與AGA端子間的電壓基準正弦波是否不平穩。

·

轉速控制正常，但主軸定向停有問題。確立的主軸定向轉速下電機不可停止，可能是接近開關與感應擋塊的間隙不當或位置編碼器的機械傳動不良等。如果執行了定向停動作，但是所停位置有誤差時，應參照維修手冊予以調整。

8.2.4FANUC交流主軸控制系統的故障報警主軸控制器的報警，傳統的多采用發光二極管或七段數碼顯示器來指示。以FANUC系統為例，常見的主軸控制器上的故障報警有下述幾種。

#1報警——電機過熱。可能成因：電機負載太大、冷卻不良，或控制單元的電纜連接不良。一般先檢查主軸電機的風扇是否在轉動。如否，機床斷電，檢查該風扇的保險絲。讓電機有足夠的時間去冷卻后再給機床通電。如果報警依舊，再類似伺服系統的過熱檢查步驟，檢查其它。

#2報警——電機速度偏離指令值。可能成因：①轉速極限設定不當、電機過載。②加速或減速時的報警，查再生回路保險絲熔斷、回路中晶閘管損壞或回路線路不良。③正常運轉時的報警，可能是脈沖發生器故障、速度反饋線斷線或不良，以及速度單元印刷線路板故障。

#3報警——主軸伺服單元主回路的直流側回路上的保險絲熔斷。可能由功率管模塊損壞所致。

#4報警——主軸伺服單元主回路的直流輸入電路的保險絲熔斷。可能成因有：①交流電源側阻抗太高。(例如交流輸入端采用的是自耦變壓器。)②交流電源輸入電路中浪涌吸收器損壞。③主回路上整流用的二極管模塊損壞。④逆變器用的晶體管模塊損壞。

#5報警——印刷線路板上保險絲熔斷。可能是交流電源電壓不正常或印刷線路板故障引起的。

#6報警——電機速度超過最大額定速度值。可能成因有：①印刷線路板上設定開關設置不當，或相應可調電位器調整不良。②印刷線路板上ROM存儲器型號不對。③印刷線路板故障。

#7報警——電機速度超過最大額定速度(當采用數字檢測系統時)。可能成因同上。

#8報警——主軸伺服單元的直流電源＋24V電壓太高。主要成因為交流電源輸入電壓太高。

#9報警——大功率晶體管的散熱片過熱。可能成因：電機過載、冷卻條件不良。

#10報警——主軸伺服單元的直流電源＋15V電壓太低。主要成因為交流電源輸入電壓太低。

#11報警——主回路上的直流回路電壓太高。可能是交流輸入阻抗太高或印刷線路板不良。

#12報警——主回路上的直流回路中的電流太大。可能成因有：①主軸電機內繞組存在短路或輸出端有短路。②逆變器用的晶體管模塊損壞。③

印刷線路板故障。

#13報警——CPU故障。需要更換主軸伺服單元上的CPU芯片。

#14報警——ROM故障。可能為ROM供電線路故障、本身故障或其內存儲的程序編號錯誤。建議：對比直流與交流主軸系統的故障，歸納出共性的東西，并試著勾畫各個故障判別流程圖。

8.3實

例

分

析

例8.3.1MAZATROLCAM-2數控系統的VQC15/40加工中心，出現主軸超載與過流報警。故障現象加工程序主軸轉速指令＞150rpm，直接啟動時，主軸控制器FR-SE上斷路器CB1就跳閘，主軸控制器報警顯示為1100。修前技術準備

對有關報警查維修手冊，1100報警內容為主軸變頻器內主回路整流/逆變器部分檢測到了過電流(類似8.2.3.2節中的1100報警情況)。系統框圖如圖8.1.3所示。

修前調查

由于操作者失誤導致旋轉中的主軸與工作臺相撞。此后發生CB1跳閘與主軸控制器上1100報警。故障特征：撞車后硬件報警——過流報警。 據理析象過電流報警是撞車時出現的過載所致(過載導致的過流)。故障類型：過大電流流經之處的硬件故障。撞車造成過載，突然的阻抗增大引發大電流，根據感生電動勢原理，過大的電流應該是線圈內的感生電流。

羅列成因確定步驟根據系統框圖，可以查到：過流應該首先與主回路中電流檢測回路直接相關。由資料可知：主回路中的電流檢測器是由互感器與霍爾元件組成的(見圖8.3.1)。而其它硬件故障只是過電流后引發的次級后果。所以，確定步驟為：→互感器線圈燒毀？——外觀檢查與萬用表測量。→如否，需要故障定位于電機/主軸控制器：隔離主軸電機，作主軸旋轉，如報警消失，則電機繞組故障；如報警不消失，則為主軸控制器故障。

→追查主軸控制器上的故障元件：接好電機，手動操作進行主軸正反轉試驗。若主軸不轉，則查大功率組件損壞。若主軸可轉，以MDI方式逐一啟動作轉速試驗。若跳閘與報警依舊，則調整主軸電機前蓋內PLG與PCB板上(速度檢測傳感器與前置放大器參數調整用)電位器VR1～VR4，觀察在1300rpm下正傳與1800rpm下反轉的波形是否正常……

圖8.3.1帶有霍爾元件與電流互感器的電流檢測器

合理測試故障定位外觀檢查互感器有異味與變色，萬用表測得原線圈斷路。確定：撞車時主軸電機嚴重超載時引發的瞬間大電流燒毀了互感器RO-2。排除故障恢復設備更換相同型號的互感器，故障排除。

//注：原實例處理的診斷步驟是反過來進行的，最后才檢測互感器。多花了許多時間。顯然，修前技術準備、調查與據理析象后，找出最可能的故障成因，對于提高維修效率是十分重要的。//

例8.3.2

北京機床研究所生產的KT1400V立式加工中心主軸電機過熱報警。故障現象故障發生時，CRT上顯示“2001#SPDLSERVO.AL:409#SERVO.ALARM:(SERIACERR)”報警信息。同時，主軸伺服單元PCB上顯示：AL-01(主軸電機過熱報警)。修前技術準備

關于CRT的報警信息，技術資料上沒有說明。但是，這說明故障已引起檢測器到NC的反饋。從AL-01與CRT內容看，報警主要是主軸電機過熱。勾畫與報警相關的系統框圖，如圖8.3.2所示。

圖8.3.2與報警相關的系統框圖

修前調查機床環境與外觀正常，正常加工而無過載重切削。主軸電機溫度正常，無異味。故障特征：Z軸下移時而主軸未動，發生主軸伺服系統軟件報警與主軸電機過熱硬件報警。據理析象判斷類型

已不是單純的電機過熱。必須分析主軸電機過熱報警機理。

由第5章中可知，熱繼電器的工作原理是熱元件受熱溫升形變而產生斷開動作。是熱元件受載電流的熱效應：熱量

電流

電阻平方

時間。足夠的熱量才能使熱元件變形動作。但是，熱繼電器可能發生誤動作。一般必須與其它的短路保護器(熔斷器、接觸器、斷路器與漏電保護裝置)一起使用。但是本例的修前調查得知：熔斷器與斷路器未動作，電機又未超載且不熱。最可能是受強烈的沖擊振動或負載效應——阻抗過大——導致誤動作。所以，應該是沖擊振動與接線不良引起的阻抗過大，造成熱繼電器的誤動作。故障類型：硬件故障。

羅列成因確定步驟

由報警機理分析可見，此現象為熱繼電器誤動作，其可能成因：只可能來自于電網突然波動或機床軸動作或Z軸移動時的沖擊振動與接線不良。由修前調查知(Z軸下移而主軸未動)，最可能的成因為移動電纜的連接不良。

合理測試故障定位打開電機接線盒，檢查熱繼電器電纜線時發現：其中一根電纜松動而脫落。檢查松動原因是電纜線的長度未給移動留出足夠的余量，所以Z軸上下移動，電纜長期受張力而松動以致脫落。該電纜正是熱繼電器觸頭信號電纜。該電纜的脫落模擬了熱繼電器開關斷開動作，導致過熱報警。排除故障恢復設備

從電氣控制柜中將主軸電機電纜拉出一段，以保證它具有足夠的移動余量。重新焊接好脫落的接頭。故障排除。

例8.3.3

FANUC-6M系統XH754臥式加工中心AC主軸無法啟動，無報警顯示。修前技術準備來自NC的速度指令為數字信號。根據主軸工作原理，可勾畫與故障相關的系統框圖，如圖8.3.3所示。修前調查老機床。外觀、環境與電源正常。顯示器正常，但無論手動還是自動方式均不可啟動主軸。在MDI方式時，CYCLE與START燈點亮，但也不能啟動主軸。故障特征：正常使用期的機床，任何方式都不可啟動主軸，無報警顯示。

圖8.3.3與交流主軸不轉相關的系統框圖

據理析象判斷類型

無報警成因：NC裝置故障而不可檢測，或報警內容超越報警內容。

NC不能檢測的軟件成因是NC參數設置問題。若參數設置正常，需要了解實時信號參數畫面上NC是否發出了速度指令，(由MDI方式顯示的指示燈表明NC裝置基本完好)以判定是否可大定位于NC裝置及其輸出裝置的硬件故障。

若NC完好，可能是存在問題已超出了NC報警范疇，故不可報示故障是定位于機床側或是主軸伺服系統。機床側包括面板輸入鍵、鍵盤的＋24V供電、連接，以及主軸電機及其傳動裝置。由關于主軸伺服系統可報警內容可見(見FANUC系統報警內容)，NC完好而無主軸報警，則可排除主軸伺服供電問題、主軸伺服單元主回路及速度調節與驅動故障，但無法檢測D/A轉換器的輸出。由于任何方式都不能啟動主軸，應該首先查實時輸入信號參數中急停/準停信號，及其面板上急停鍵狀態。由于無突然停電事故，基本可排除參數故障。又因為是用久的老機床，判定故障類型：硬件故障。

羅列成因確定步驟分析后，可羅列故障成因及其診斷步驟如下：急停鍵實際狀態→電機是否卡死→主軸參數設定是否正確→實時輸入信號畫面上急停/準停與實際速度指令是否正常→指令傳送是否通達：D/A轉換器故障→NC輸出裝置及其連線故障→電機及其電纜連接故障等。現場觀察時，急停鍵位正常，手扳動主軸無卡死現象——先外后內。調用NC參數設置畫面，參數正常。調用實時輸入信號參數畫面，急停/準停輸入為0。面板主軸正反轉按鈕按下時，實際速度指令正常。排除了NC故障的可能。由于NC裝置正常，無主軸系統報警，則可故障定位：D/A轉換器。

故障點測試手動方式時，以萬用表測得D/A輸出信號始終為0。停電，拔下D/A轉換芯片DAC80-0B1，發現有一插腳蝕斷。 排除故障重新小心地用不帶電的烙鐵焊接以修復插腳，清潔芯片插腳后將其插好。機床恢復正常。

//注：充分利用機床報警信息技術資料與實時信號畫面，先外后內、先軟后硬地進行故障大定位。老機床上器件的銹蝕是常見現象。//

例8.3.4

JCS-018立式加工中心出現劇烈抖動，CRT上有#01報警。修前技術準備與調查查使用手冊知：#01報警為交流主軸伺服報警。機床電控柜中的主軸伺服驅動單元上有AL-04報警。查得：交流耦合電路中F1、F2與F3熔斷器熔斷。據理析象判斷類型

故障特征：三相熔斷器熔斷與劇烈振動。故障大定位：交流主軸伺服交流側電源回路中硬件故障。

羅列成因確定步驟故障成因參見8.2.2節中有關主軸電機振動與交流輸入電路的保險絲熔斷可能成因。主軸電機振動的一般成因可能是系統電源相序不對、缺相或三相不平衡。而保險絲熔斷第一成因：交流電源側的阻抗太高。最可能的成因：保險絲管的接觸不良與輸入阻抗過大，可造成三相的不平衡輸入，從而可以導致電機的振動。首查交流輸入電源回路三相電壓及接頭。

合理測試故障定位測量交流主軸伺服裝置的電源輸入端電壓：R相與S相都為220V，而T相為120V。向前測量配電變壓器輸出的三相也不平衡；再向前查機床總電源輸入也如此。追蹤檢查機床三相斷路器的輸出而打開斷路器發現，低壓的一相熔斷器接線螺絲松動，它成為三相電源不平衡的真實原因。排除故障

更換已熔斷的熔斷器、擰緊松動的斷路器接線螺絲后故障排除。

例8.3.5

CWK800臥式加工中心在停車時，其西門子6SC6508交流變頻調速系統裝置上出現F41報警。修前技術準備查報警內容為：“中間電路過電壓”。修前調查

本例故障特征為：停車時中間電路過電壓報警。加速時正常。

據理析象判斷類型

交-直-交變頻器(見圖7.1.14)是由整流全橋、再生回路與逆變器組成的。所謂的中間電路即是指再生回路。再生回路，是應用電容濾波——即吸收網絡來吸收脈動電流，將電網波動引起的無功功率與電動機感應再生電能一起反饋給電網而具有再生機能的回路。再生回路中的電容的失效將導致濾波與饋能功能的喪失。電機制動時會造成過電壓。制動時間過短，則過電壓更高。所以，故障類型：硬件故障，但也與參數設置有關。

羅列成因確定步驟最可能的成因是制動時間參數的設置與再生回路中濾波電容的擊穿。先查系統出廠的參數設置：主軸電機啟動與制動時間參數P16與P17均為0。過小的過程時間，易造成過大的感生電動勢超過電容器的電壓容量而導致電容器擊穿。

合理測試故障定位再生回路中，先檢查得熔斷器F7(125A/660V)熔斷。用萬用表測試得再生回路中電容器C100與C101(22P/1000V)擊穿而短路。可以斷定為：P16與P17時間參數設置過小，以致在制動時會擊穿電容器。電容器的擊穿電路造成熔斷器的熔斷。排除故障恢復設備修改P16與P17參數為4s，更換電容器與熔斷器，故障排除。例8.3.6

一臺采用三菱MELDAS520ALR數控系統及其主軸控制器的數控車床，在主軸定位時出現飛車現象，CRT顯示“S01伺服報警0023S”。報警內容為：主軸伺服報警。分析故障可能成因：主軸參數設定不當、主軸編碼器設不當定或故障、主軸編碼器反饋不良或主軸控制器故障。

現場工作：→從故障發生時，主軸實時工作畫面得知：主軸定位運轉時指令速度與編碼器反饋速度相同，排除了反饋不良與編碼器故障。→調出主軸參數設置畫面：查定位回路標準增益參數SP002＝100，正確；查編碼器定位參數SP037bit2=1，正確；查編碼器的定位極性SP097bit5＝0。→考慮飛車現象與編碼器定位極性接反相關，修改SP097bit5＝1——即反轉定位極性。→重新上電，進行主軸定位操作，故障排除。

例8.3.7

一臺美國DYNAPATH數控系統的加工中心，一次出現：在主軸伺服上電后，主軸在無輸入指令情況下自行按M04(逆時針方向)以100rpm的轉速旋轉現象。修前技術準備

故障特征：主軸失控。故障大定位：必與反饋檢測系統有關。該主軸系統具有速度反饋與定向反饋。查PLC梯形圖得知：主軸系統上電后，必須先自行執行主軸定向，以便更換刀具。故可將故障大定位于主軸定位系統。由PLC初始化程序分析方法，畫出與故障現象相關的系統框圖，如圖8.3.4所示。

圖8.3.4

主軸定向的反饋控制

修前調查此為二手機床——老機床。發生上述現象后，再鍵入M03、M04或S**轉速代碼后，系統不予執行，也不報警。機床環境與電網正常。據理析象判斷類型主軸失控自行旋轉，故故障大定位：其定向反饋控制系統。

故障類型：硬件故障。由于是年久失修的老機床，電器的老化與接點的銹蝕當是主要成因。

羅列成因確定步驟采用排他法分析故障現象：主軸可以旋轉，表明指令已經到達主軸控制器，電機與主軸伺服的主控回路應該是完好的。最可能故障：在定向的反饋檢測回路。確定：信號追蹤法始于檢測元件。

合理測試故障定位停電狀態，手扳動，用示波器測試旋轉變壓器的輸出波形正常(獨立單元分析法)。萬用表測試旋轉變壓器輸出電纜完好。查主軸伺服單元8號板為反饋接插口時，發現插座銅片嚴重氧化，該印刷線路板插腳都嚴重氧化。對應旋轉變壓器信號線的雙運放CA747模塊已燒毀。致使在無反饋信號補償的情況下，主軸控制器始終發出相同的控制指令，主軸電機旋轉不停的失控現象。排除故障恢復設備

換件，清潔模板的接插件與電纜接頭，故障排除。

例8.3.8

FANUC-BESK7CM系統的JCS-013臥式加工中心，出現在自動加工中主軸突然停止現象。修前技術準備自動加工中應用了機械手。由于是加工程序中斷，可采用PLC程序法。查PLC程序中相關的程序模塊備用，并了解機械手動作流程。修前調查加工的是老程序。機床環境與電網正常。機床停止發生在機械手移向主軸的動作之前。由資料得知，該動作的發生先決條件為：Y、Z軸完成回零→機械手架升至最高點位→主軸定向之后。故障特征：程