項(xiàng)目6　主軸控制系統(tǒng)典型故障診斷

知識目標(biāo)

1.學(xué)習(xí)模擬交流主軸伺服系統(tǒng)和數(shù)字式（串行）主軸伺服系統(tǒng)的基本組成和控制原理；

2.以三菱FR-S500系列變頻器為例，學(xué)習(xí)變頻器的基本工作原理、功能設(shè)定和典型故障處理；

3.學(xué)習(xí)認(rèn)識FANUC系統(tǒng)電源模塊和串行數(shù)字模塊的組成、接口功能和連接要求；

4.學(xué)習(xí)串行數(shù)字主軸伺服系統(tǒng)參數(shù)的含義及設(shè)定。

技能目標(biāo)

1.掌握一種常用變頻器的使用方法；

2.正確實(shí)施模擬交流主軸伺服系統(tǒng)的連接和調(diào)試，能夠分析排除常見故障；

3.掌握FANUC系列電源模塊和主軸模塊的接口功能，能夠正確實(shí)施系統(tǒng)的連接；

4.初步掌握串行數(shù)字主軸伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定與調(diào)整過程。

數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動系統(tǒng)是主運(yùn)動的動力裝置部分，它的精度對零件的加工精度有較大的影響，在數(shù)控機(jī)床的故障診斷與維護(hù)中，主軸驅(qū)動系統(tǒng)是很重要的一部分。

數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動系統(tǒng)包括主軸驅(qū)動裝置（也稱主軸放大器）、主軸電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、主軸組件、主軸信號檢測裝置及主軸輔助裝置，圖6. 1為某加工中心主軸驅(qū)動系統(tǒng)的各組成部分。

圖6.1　加工中心主軸驅(qū)動系統(tǒng)組成

主軸放大器：接收系統(tǒng)發(fā)出的主軸轉(zhuǎn)速及功能控制信號，實(shí)施主軸電動機(jī)控制。它可以是變頻器也可以是系統(tǒng)專用的主軸放大器。

主軸電動機(jī)：主軸電動機(jī)是主軸驅(qū)動的動力來源，可以是普通型電動機(jī)、變頻專用型電動機(jī)及系統(tǒng)專用的主軸電動機(jī)。

主軸傳動機(jī)構(gòu)：數(shù)控機(jī)床主軸傳動主要有3種配置方式，即帶變速齒輪的主傳動方式、通過帶傳動的主傳動方式及由變速電動機(jī)直接驅(qū)動的主傳動方式。

主軸組件：主軸組件都是成套的標(biāo)準(zhǔn)組件。如加工中心主軸組件包括主軸套筒、主軸、主軸軸承、拉桿、蝶形彈簧、拉刀爪等。

主軸信號檢測裝置：主軸信號檢測裝置由于實(shí)現(xiàn)主軸速度和位置反饋，以及主軸功能（如主軸定向和剛性攻螺紋）的信號檢測，可以是主軸外置編碼器、主軸電動機(jī)內(nèi)裝傳感器及外接一轉(zhuǎn)信號配合電動機(jī)內(nèi)裝傳感器檢測裝置。

輔助裝置：主要包括刀具鎖緊/松開裝置、冷卻和潤滑裝置等。

數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動裝置根據(jù)主軸速度控制信號的不同分為模擬量控制的主軸驅(qū)動裝置和串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動裝置兩大類。模擬量控制的主軸驅(qū)動裝置采用變頻器實(shí)現(xiàn)主軸電動機(jī)的控制；串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動系統(tǒng)采用數(shù)控生產(chǎn)廠家專用數(shù)字驅(qū)動裝置驅(qū)動其專用的主軸電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

任務(wù)1　模擬主軸驅(qū)動系統(tǒng)典型故障診斷

由前面的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)按其功能劃分為主軸驅(qū)動系統(tǒng)和進(jìn)給伺服系統(tǒng)。明確了主軸驅(qū)動系統(tǒng)與進(jìn)給伺服系統(tǒng)各自的功能和相應(yīng)的要求。為了實(shí)現(xiàn)螺紋加工、恒線速度切削、準(zhǔn)停功能，則需要對主軸進(jìn)行位置檢測控制，主軸電動機(jī)裝配有編碼器或在主軸上安裝編碼器作為位置檢測裝置，這時的主軸驅(qū)動系統(tǒng)稱為主軸伺服系統(tǒng)。

數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)包括主軸驅(qū)動裝置、（主軸）電機(jī)、位置檢測裝置、傳動機(jī)構(gòu)及主軸。隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，主軸驅(qū)動裝置目前已從模擬控制逐步發(fā)展到全數(shù)字控制系統(tǒng)，并隨著系統(tǒng)硬件功能的軟件化，控制性能有了更多的提高。驅(qū)動元件從早期的可控硅（晶閘管）SCR、大功率晶體管GTR發(fā)展到目前的智能型功率元件IPM。

目前，在FANUC的主軸驅(qū)動系統(tǒng)中，主軸電動機(jī)主要的控制有兩種接口模擬（0-10VDC）和數(shù)字（串行傳送）輸出。模擬接口采用變頻器和三相異步電動機(jī)來驅(qū)動控制；數(shù)字串行口采用全數(shù)字驅(qū)動裝置控制伺服電動機(jī)。

子任務(wù)1　變頻器的認(rèn)識與功能預(yù)置

◎任務(wù)提出

由于數(shù)字SPWM變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)床的數(shù)控改造及一些低中檔數(shù)控機(jī)床的主軸控制中采用變頻器控制的比較多，為了實(shí)現(xiàn)采用變頻器對機(jī)床主軸實(shí)施控制，有必要了解掌握變頻器這一典型主軸驅(qū)動裝置的基本知識和常規(guī)使用，我們需要了解變頻器的功能和基本工作原理、典型變頻器的面板操作和功能設(shè)置等。

◎任務(wù)目標(biāo)

1.了解變頻器的功能和基本工作原理、明確變頻器的使用注意事項(xiàng)；

2.學(xué)習(xí)典型變頻器的操作和功能設(shè)置；

3.會用變頻器操作面板實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的啟動、正反轉(zhuǎn)控制。

◎相關(guān)知識

一、變頻調(diào)速的基本概念

根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n（r/ m）為：

式中　f——電源頻率；

　p——磁極對數(shù)；

　s——轉(zhuǎn)差率。

可知改變?nèi)喈惒诫妱訖C(jī)的電源頻率f，可以改變旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速的目的。電源頻率提高，電動機(jī)轉(zhuǎn)速提高；電源頻率下降，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降。若電源頻率可以做到勻速調(diào)節(jié)，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就能平滑改變。但在實(shí)際調(diào)速過程中，只改變電源頻率f是不夠的。這是因?yàn)橛呻姍C(jī)學(xué)原理可知：

若電源電壓U不變，當(dāng)降低電源頻率f1調(diào)速時，則磁通Φm將增加會造成磁路飽和，從而導(dǎo)致勵磁電流和鐵損耗的大量增加，電動機(jī)溫升過高等，這是不允許的。

因此在變頻調(diào)速的同時，應(yīng)同時改變電源電壓U，以保持磁通Φ不變，即使Ul/ f1或El/ f1為常數(shù)。

額定頻率稱為基頻，變頻調(diào)速時，可以從基頻向上調(diào)，也可以從基頻向下調(diào)。

1.從基頻向下調(diào)變頻調(diào)速

降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓。降低電源電壓U1，有以下兩種控制方法：

①保持El/ f1為常數(shù)。降低電源頻率f1時，保持El/ f1為常數(shù)，則Φm為常數(shù)，是恒磁通控制方式，也稱恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。降低電源頻率f1調(diào)速的人為機(jī)械特性，如圖6. 2（a）所示。

圖6.2　基頻向下變頻調(diào)速時的機(jī)械特性

降低電源頻率f1調(diào)速的人為機(jī)械特性特點(diǎn)為：同步速度n1與頻率f1成正比；最大轉(zhuǎn)矩不變；轉(zhuǎn)速降落Δn =常數(shù)，特性斜率不變（與固有機(jī)械特性平行）。這種變頻調(diào)速方法與他勵直流電動機(jī)降低電源電壓調(diào)速相似，機(jī)械特性較硬，在一定靜差率的要求下，調(diào)速范圍寬，而且穩(wěn)定性好。由于頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因此變頻調(diào)速為無級調(diào)速，平滑性好，另外，轉(zhuǎn)差功率Ps較小，效率較高。

②保持Ul/ f1為常數(shù)。降低電源頻率f1，保持Ul/ f1為常數(shù)，則Φm近似為常數(shù)，在這種情況下，當(dāng)降低頻率f1時，Δn不變。但最大轉(zhuǎn)矩會變小，特別在低頻低速時的機(jī)械特性會變壞，如圖6. 2（b）所示。其中虛線是恒磁通調(diào)速時為常數(shù)的機(jī)械特性，以示比較。保持Ul/ f1為常數(shù)，則低頻率調(diào)速近似為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。

圖6.3　基頻向上變頻調(diào)速時的機(jī)械特性

2.從基頻向上變頻調(diào)速

從基頻向上變頻調(diào)速，升高電源電壓是不允許的。因此，升高頻率向上調(diào)速時，只能保持電壓為不變，頻率越高，磁通Φm越低，是一種降低磁通升速的方法，類似他勵直流電動機(jī)弱磁升速情況，其機(jī)械特性如圖6. 3所示。保持電壓不變升速，近似為恒功率調(diào)速方式。隨著f1↑，T2↓，n↑，而p2近似為常數(shù)。因而該方法適合于帶恒功率負(fù)載。

二、變頻器基礎(chǔ)知識

工業(yè)控制中，為實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制，其關(guān)鍵控制部件為變頻器。變頻器是一種靜止的頻率變換器，是利用半導(dǎo)體器件的通斷作用將固定頻率（通常為工頻50 Hz）的交流電（三相或單相）變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電的電能控制裝置。

1.變頻器的種類

變頻器的種類很多，分類方法多種多樣，主要有以下幾種：

（1）按變換環(huán)節(jié)分類

1）交—交變頻器

交—交變頻器是把頻率固定的交流電直接變換成頻率和電壓連續(xù)可調(diào)的交流電。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，變換效率高，但連續(xù)可調(diào)頻率范圍較窄，通常為額定頻率的1/2以下，主要適用于電力牽引等容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。

2）交—直—交變頻器

交—直—交型是將工頻交流電源通過變頻器的電源接線端輸入到變頻器，利用其內(nèi)部的整流器把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)逆變電路輸出頻率、電壓均可控制的交流電，又稱為間接式變頻器。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍以及對改善變頻后的電動機(jī)的特性等方面，都有明顯的優(yōu)勢，是目前廣泛采用的變頻方式。

（2）按工作原理可分為V/ f控制變頻器、轉(zhuǎn)差率控制變頻器和矢量控制變頻器

1）V/ f控制變頻器

為了實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，常規(guī)定通用變頻器在變頻時使用電壓與頻率的比值V/ f保持不變而得到所需的轉(zhuǎn)矩特性，控制的基本特點(diǎn)是對變頻器輸出的電壓和頻率同時進(jìn)行控制。因?yàn)樵赩/ f系統(tǒng)中，由于電機(jī)繞組及連線的電壓降引起有效電壓的衰落而使電機(jī)的扭矩不足，尤其在低速運(yùn)行時更為明顯。一般采用的方法是預(yù)估電壓降并增加電壓，以補(bǔ)償?shù)退贂r扭矩的不足。采用V/ f控制的變頻器控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低，大多用于對精度要求不高的通用變頻器。

2）轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器

轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對V/ f控制的一種改進(jìn)，這種控制需要由安裝在電動機(jī)上的速度傳感器檢測出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，而變頻器的輸出頻率則由電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和決定。由于通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩和電流，與V/ f控制相比，轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器的加減速特性和限制過電流的能力均得到了提高。

3）矢量控制變頻器

矢量控制是一種高性能異步電動機(jī)控制方式。它的基本控制方法是：將異步電動機(jī)的定子電流分為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和與其垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流），并分別加以控制。由于在這種控制方式中必須同時控制異步電動機(jī)的定子電流的幅值和相位，即定子電流的矢量，因此，這種控制方式被稱為矢量控制方式。

（3）按用途分類

按用途變頻器分為通用變頻器和高性能專用變頻器。

1）通用變頻器

通用變頻器是指能與普通的籠型異步電動機(jī)配套使用，能適應(yīng)各種不同性質(zhì)的負(fù)載，并具有多種可供選擇功能的變頻器。

2）高性能專用變頻器

高性能專用變頻器主要應(yīng)用于對電動機(jī)的控制要求較高的系統(tǒng)。與通用變頻器相比，高性能專用變頻器大多采用矢量控制方式，驅(qū)動對象通常是變頻器生產(chǎn)廠家指定的專用電動機(jī)。

圖6.4　變頻器的構(gòu)成

2.變頻器的構(gòu)成

交—直—交型變頻器的構(gòu)成如圖6. 4所示，可分為主電路和控制電路兩大部分。主電路包括整流電路和逆變電路兩部分，整流電路是把交流電轉(zhuǎn)換為直流電；逆變電路是把直流電再逆變成交流電。控制電路主要用來完成對主電路的控制。

三、三菱FR-S500系列變頻器的使用

市場上的通用變頻器產(chǎn)品很多，如西門子的MicroMaster4（MM4）系列、日立SJ100系列、三菱的FR-S500系列等。

三菱的FR-S500變頻器是具有免測速機(jī)矢量控制的通用變頻器，它可計算出所需的電流和頻率的變化量以維持所期望的電機(jī)轉(zhuǎn)速，而不受負(fù)載條件變化的影響，并可通過數(shù)字操作面板或通過遠(yuǎn)程操作器方式。

1.變頻器操作面板說明及基本操作

圖6. 5為FR-S500系列變頻器操作面板的示意圖并給出各鍵的功能。

FR-S500系列變頻器的基本操作有：監(jiān)視器、頻率設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、報警履歷，如圖6. 6所示。

圖6.5　FR-S500系列變頻器操作面板說明

圖6.6　變頻器的基本操作

2.三菱變頻器基本功能參數(shù)說明

變頻器參數(shù)的設(shè)置對于變頻器的運(yùn)行十分重要，參數(shù)的正確設(shè)置基于對參數(shù)的準(zhǔn)確理解。FR-S500的基本參數(shù)如表6. 1所示。

下面對基本功能參數(shù)含義進(jìn)行闡述說明。

（1）上限頻率Pr. 1和下限頻率Pr. 2

上限頻率Pr. 1和下限頻率Pr. 2用于確定變頻器的運(yùn)行范圍。如要求某電機(jī)工作在10～50 Hz，則可設(shè)定為Pr. 1 =50，Pr. 2 =10，這樣電機(jī)就不能再低于10 Hz運(yùn)行。

圖6.7　上限頻率Pr. 1和下限頻率Pr. 2

圖6.8　加速時間Pr. 7和減速時間Pr. 8

表6.1　FR-S500變頻器基本參數(shù)

（2）基波頻率Pr. 3

基波頻率Pr. 3是指電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩時的基準(zhǔn)頻率。按照電動機(jī)的銘牌來設(shè)置，可在0～120 Hz范圍內(nèi)設(shè)定，一般國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的額定頻率為50 Hz，故出廠設(shè)置為50 Hz，使用時多不需改變。

（3）加減速時間（Pr. 7、Pr. 8、Pr. 20）

加速時間Pr. 7是指從0 Hz開始上升到加減速基準(zhǔn)頻率Pr. 20所設(shè)定的頻率時所需的加速時間；減速時間Pr. 8是指從加減速基準(zhǔn)頻率Pr. 20所設(shè)定的頻率開始減速到0 Hz時所需的減速時間。

Pr. 20為加減速基準(zhǔn)頻率，出廠設(shè)定為50 Hz。

（4）電子過流保護(hù)Pr. 9

電子過流保護(hù)Pr. 9是為保護(hù)電動機(jī)不過熱而設(shè)定的電流值。設(shè)定范圍為0～50 A，設(shè)定值為0時保護(hù)功能無效，通常設(shè)定為電動機(jī)的額定電流值，對于0. 4K、0. 75K的電機(jī)設(shè)定為電動機(jī)的額定電流值的85%。

（5）擴(kuò)展功能顯示選擇Pr. 30

當(dāng)設(shè)定Pr. 30 =0時，僅顯示基本功能參數(shù)；

當(dāng)設(shè)定Pr. 30 =1時，顯示全部參數(shù)。

（6）操作模式選擇Pr. 79

變頻器的操作模式可以用PU（旋鈕 、）操作，也可以用外部信號操作或組合使用。設(shè)定值可取0～4、7、8，在數(shù)控機(jī)床的調(diào)試和使用中多涉及的為：

當(dāng)設(shè)定Pr. 79 =0時，用 鍵可以切換PU（旋鈕 、）操作或外部信號操作；

當(dāng)設(shè)定Pr. 79 =1時，只能執(zhí)行PU（旋鈕 、）操作；

當(dāng)設(shè)定Pr. 79 =2時，只能執(zhí)行外部信號操作；

Pr. 79出廠設(shè)定為0。

（7）轉(zhuǎn)矩提升Pr. 0

圖6.9　轉(zhuǎn)矩提升Pr. 0

轉(zhuǎn)矩提升的使用場合是當(dāng)?shù)退俜秶鷷r，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足。圖6. 9中直線1表示V/ f特性，橫坐標(biāo)為運(yùn)行頻率，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的輸出電壓，100%表示變頻器輸出的最大電壓，也就是電源電壓。變頻器的運(yùn)行都有這樣的特性，就是在改變其輸出頻率時也改變輸出電壓，從V/ f特性線上可看出運(yùn)行頻率越低，變頻器輸出的電壓也越低，當(dāng)運(yùn)行頻率達(dá)到50 Hz時，輸出電壓等于電源電壓，而電機(jī)得到的輸入電壓越低，其輸出轉(zhuǎn)矩矩就越小，因此如果按照原有的V/ f特性運(yùn)行，當(dāng)頻率很低時，

變頻器輸出電壓也很低，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就很小，無法帶動負(fù)載，為了滿足電機(jī)在低頻運(yùn)行時也能帶動負(fù)載的要求，把V/ f曲線的起點(diǎn)進(jìn)行提高，稱之為轉(zhuǎn)矩提升。這樣就保證了在很低的頻率下運(yùn)行時，變頻器仍有一定的輸出電壓，從而使電機(jī)具有一定的輸出轉(zhuǎn)矩。

注意：轉(zhuǎn)矩提升并非越大越好，因?yàn)樵O(shè)定值大時，電機(jī)的電流也較大，會使電機(jī)過熱，同時變頻器的輸出電流較大，可能引起過電流斷路。

◎任務(wù)實(shí)施

基本任務(wù)1　使用變頻器操作面板改變變頻器參數(shù)

1.設(shè)定運(yùn)行頻率（例如設(shè)定為30 Hz運(yùn)行）

按照表6. 2中操作步驟進(jìn)行：

表6.2　用操作面板設(shè)定運(yùn)行頻率操作步驟

續(xù)表

注：變更設(shè)定頻率時，進(jìn)行上述3、4操作。

2.把參數(shù)Pr. 30的設(shè)定值由“0”改變?yōu)椤?”

按照表6. 3中操作步驟進(jìn)行：

表6.3　把參數(shù)Pr. 30的設(shè)定值由“0”改變?yōu)椤?”操作步驟

注：1.設(shè)定完成后，旋轉(zhuǎn)設(shè)定旋鈕 可讀出其他參數(shù)，按1次 ，再次顯示設(shè)定值；按兩次 ，則顯示下一個參數(shù)。
2.設(shè)定完成后，按1次 顯示報警履歷；按2次 ，則變?yōu)轭l率設(shè)定畫面。

基本任務(wù)2　用變頻器操作面板實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的啟動、正反轉(zhuǎn)控制

①按圖6. 10所示完成系統(tǒng)硬件接線，檢查電路正確無誤后，合上主電源總開關(guān)QF1及變頻器電源開關(guān)QF4。

圖6.10　變頻器控制電動機(jī)運(yùn)行接線圖

②按基本任務(wù)1中“設(shè)定運(yùn)行頻率”第1—4步驟內(nèi)容設(shè)定變頻器運(yùn)行頻率（如設(shè)定運(yùn)行頻率為30 Hz）；設(shè)定完成后，按下 啟動變頻器控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行。

③按 鍵停止變頻器。

④設(shè)定變頻器擴(kuò)展功能參數(shù)Pr. 17，進(jìn)行電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向選擇/切換，操作步驟如表6. 4所示。

表6.4　電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向選擇/切換操作步驟

續(xù)表

注：Pr. 17為擴(kuò)張功能參數(shù)，Pr. 30必須為“1”。

⑤按下 啟動變頻器控制電動機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

⑥選擇不同的運(yùn)行頻率控制電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行并用轉(zhuǎn)速測試表對實(shí)際運(yùn)行速度進(jìn)行測定。

◎思考題

1.電動機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行控制，要求穩(wěn)定運(yùn)行頻率為40 Hz，畫出變頻器外部接線圖，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、操作調(diào)試。

2.對變頻器的上、下限運(yùn)行頻率進(jìn)行設(shè)定，將上限頻率設(shè)定為40 Hz，將下限頻率設(shè)定為10 Hz。

子任務(wù)2　模擬主軸驅(qū)動系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

◎任務(wù)提出

由前已知，主軸驅(qū)動裝置目前已幾近全部采用交流伺服系統(tǒng)，根據(jù)主軸控制信號不同主軸驅(qū)動裝置分為：模擬量控制的主軸驅(qū)動裝置和串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動裝置兩大類。模擬量控制的主軸驅(qū)動方案采用變頻器實(shí)現(xiàn)主軸電動機(jī)控制。

圖6.11　FANUC 0i Mate MC數(shù)控系統(tǒng)的綜合連接圖

圖6. 11所示為FANUC 0i Mate MC數(shù)控系統(tǒng)的綜合連接圖方案之一，在該系統(tǒng)中主軸驅(qū)動采用了模擬量控制的主軸驅(qū)動方案，如圖中虛線部分所示。在此以在數(shù)控機(jī)床主軸控制中應(yīng)用較多的三菱的FR-S500系列變頻器為例學(xué)習(xí)掌握這一類主軸驅(qū)動裝置的控制原理和實(shí)現(xiàn)方式。

◎任務(wù)目標(biāo)

1.理解模擬主軸驅(qū)動裝置的工作原理；

2.明確數(shù)控機(jī)床CNC系統(tǒng)與變頻器之間的信號流程；

3.明確變頻器和控制系統(tǒng)（CNC）的連接、變頻器主電路的連接、控制信號的連接；

4.辨別硬件接口含義，達(dá)到正確接線。

◎相關(guān)知識

一、變頻器主電路的連接

數(shù)控機(jī)床主軸電動機(jī)的功率一般較大，為了減少感性負(fù)載對電網(wǎng)功率因數(shù)的影響，在變頻器電源進(jìn)線電路上安裝電抗器；由于變頻器會對周圍電氣元器件產(chǎn)生較大的電磁干擾，在電源進(jìn)線電路上安裝濾波器，如圖6. 12所示，主回路的輸入端子用L1/ L2/ L3標(biāo)志，輸出端子用U/ V/ W標(biāo)志，絕對不能接錯，否則會導(dǎo)致變頻器的燒毀。在電器元部件的安裝上，CNC等控制板、編碼器信號電纜等應(yīng)遠(yuǎn)離變頻器，變頻器到主軸電機(jī)的電纜應(yīng)與信號線電纜分開走線，且此電纜最好采用屏蔽電纜，并在電氣柜中的長度盡可能短。為進(jìn)一步減少干擾，提高數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可給變頻器加裝防護(hù)罩。

圖6.12　變頻器主電路連接示意圖

二、CNC系統(tǒng)與變頻器之間的信號流程

雖然通用變頻器型號規(guī)格眾多，但是命令信號來源大致相同，主要有以下幾種：面板控制、旋轉(zhuǎn)電位器控制、上位機(jī)指令控制。變頻器在數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是最后一種控制方式。CNC系統(tǒng)與變頻器之間的信號流程具體如下：

1. CNC到變頻器的信號

①主軸正、反轉(zhuǎn)信號。通過PLC程序處理，用于手動操作（JOG）和自動狀態(tài)（M03、M04、M05）中，實(shí)現(xiàn)主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止控制。

②系統(tǒng)故障輸入信號。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過系統(tǒng)PMC發(fā)出信號控制變頻器停止輸出，實(shí)現(xiàn)主軸自動停止控制。

③系統(tǒng)復(fù)位信號。通過系統(tǒng)PMC控制，進(jìn)行變頻器復(fù)位。如變頻器受到干擾出現(xiàn)報警時，可以在不切斷系統(tǒng)電源的情況下，直接使用系統(tǒng)MDI鍵盤的復(fù)位鍵，＜RESET＞進(jìn)行復(fù)位。

④主軸電機(jī)速度模擬量信號。用來接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的主軸轉(zhuǎn)速信號（模擬電壓信號），實(shí)現(xiàn)主軸的速度控制。系統(tǒng)把程序中的S指令值與主軸倍率的乘積轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓（0～10 V）輸送到變頻器的模擬量電壓頻率給定端，從而實(shí)現(xiàn)主軸的速度控制。

2.變頻器到CNC的信號

①變頻器故障信號輸入。當(dāng)變頻器出現(xiàn)任何故障時，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)停止工作并發(fā)出相應(yīng)的報警。主軸故障信號由變頻器的輸出端發(fā)出，通過PMC處理，向系統(tǒng)發(fā)出信號，使系統(tǒng)停止工作。

②主軸速度到達(dá)信號。系統(tǒng)通過PMC檢測到頻率到達(dá)信號后，切削進(jìn)給才能開始，否則系統(tǒng)進(jìn)給指令一直處于待機(jī)狀態(tài)。

③主軸零速信號。當(dāng)數(shù)控車床的卡盤采用液壓控制（通過機(jī)床的腳踏開關(guān)）時，主軸零速信號用來實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)與液壓卡盤的連鎖控制，只有主軸速度為0時，液壓卡盤控制才有效；主軸轉(zhuǎn)動時，液壓卡盤控制無效。

注：選擇電流輸入時，應(yīng)將信號AU設(shè)定為ON，AU信號用Pr. 60～Pr. 63（輸入端子功能選擇）設(shè)定，具體可查看FR-S500變頻器使用手冊。

三、FR-S500系列變頻器外部端子說明

FR-S500系列變頻器的外部端子有3種類型：雙圓圈◎表示主回路端子，單圓圈○表示控制回路輸入端子，黑點(diǎn)●表示控制回路輸出端子。

圖6.13　FR-S500系列變頻器接線端子圖

1.主回路端子

L1，L2，L3：為變頻器外接三相電源輸入端，U，V，W為變頻器三相輸出端，也就是接電動機(jī)，輸入端與輸出端分別用不同字母表示，接線時務(wù)必分辨清楚，切勿接反，否則會燒毀變頻器。

P1和（+）：在這兩個端子之間接了一個短路片，在通常場合使用時，不可將短路片卸掉，卸掉直流母線就會斷開，變頻器不能工作；只有在需要接入提高功率因數(shù)用直流電抗器（FR-BEL選件）時，才將短路片卸掉，在這兩個端子之間接上直流電抗器。

注意：使用直流電抗器時布線的距離應(yīng)在5 m之內(nèi)，同時所用電纜應(yīng)與電源線一樣或更粗些，因?yàn)镻1和（+）是變頻器的直流母線，有大電流通過，連接電抗器的導(dǎo)線中也是有大電流通過。

接地：變頻器工作時，切記要將此端子接地。

2.控制回路信號輸入端子

PC：連接變頻器內(nèi)部24 V電壓的正端，24 V電壓的負(fù)端為輸入公共接點(diǎn)SD，如果用萬用表去測量在PC和SD之間的電壓為24 V，因此注意端子PC-SD間不可短路。

STF：正轉(zhuǎn)啟動STF信號為ON時為正轉(zhuǎn)，OFF時為停止指令。

STR：正轉(zhuǎn)啟動STR信號為ON時為反轉(zhuǎn)，OFF時為停止指令。

RH，RM，RL：為變頻器高速、中速、低速運(yùn)行的控制信號。

SD：輸入公共端，即端子STF，STR，RL，RM，RH的公共端子。

端子2：頻率設(shè)定（電壓信號）：輸入DC0～5 V（0～10 V）時，輸出成比例，輸入5 V（10 V）時，輸出為最高頻率。多采用這種頻率設(shè)定方式。

注：5 V/10 V切換用Pr. 730～5 V，0～10 V選擇，見后面任務(wù)。

端子4：頻率設(shè)定（電流信號）：輸入DC4～20 mA。出廠時設(shè)定為4 mA對應(yīng)0 Hz，20 mA對應(yīng)60 Hz，最大允許輸入電流為30 mA，輸入阻抗約250 Ω。

端子5：頻率設(shè)定公共端。

3.控制回路輸出端子

A，B，C：異常輸出，變頻器的保護(hù)功能動作，輸出停止的輸出端子。正常時B—C間導(dǎo)通（A—C間不導(dǎo)通）；報警時B—C間不導(dǎo)通（A—C間導(dǎo)通）。因此如果在A處接一個指示燈，就可作為報警指示燈。

RUN：變頻器運(yùn)行狀態(tài)輸出，當(dāng)變頻器運(yùn)行時，RUN有信號輸出，采用集電極開路輸出方式。

SE：為集電極開路輸出的公共端。

也就是說輸出端子RUN對應(yīng)一個輸出晶體管，晶體管的發(fā)射極接在SE端子，集電極從端子RUN輸出。

AM：為變頻器模擬信號輸出，輸出一個為0～5 V的電壓信號，該電壓信號隨變頻器輸出頻率的不同而不同，默認(rèn)設(shè)置變頻器輸出頻率為0 Hz時，AM輸出電壓為0 V，變頻器輸出頻率為50 Hz時，AM輸出電壓為5 V，該端子輸出的0～5 V電壓與變頻器的輸出運(yùn)行頻率0～50 Hz成線性正比關(guān)系。

◎任務(wù)實(shí)施

基本任務(wù)　FANUC 0i Mate MC系統(tǒng)主軸驅(qū)動控制的實(shí)現(xiàn)

變頻器采用三菱公司生產(chǎn)的FR-S500變頻器。接線時需拆下前蓋板和接線蓋，如圖6. 14所示。

圖6.14　拆下變頻器前蓋板和接線蓋

一、變頻器主回路連接

FR-S500變頻器電源及電機(jī)動力線接線端子排列如圖6. 15所示，變頻器電源接線位于變頻器的左下側(cè)，單相交流電AC220 V供電，接線端子L1，N及接地PE。

圖6.15　變頻器電源及電機(jī)動力線接線端子

變頻器電機(jī)接線位于變頻器的右下側(cè)，接線端子U，V，W及接地PE引線接三相電動機(jī)。在我們FANUC 0i Mate MC系統(tǒng)中具體如何連接的呢？從FANUC 0i Mate MC系統(tǒng)電氣原理圖中可知，變頻器電源的接通與切斷最終是受交流接觸器KM3的常開主觸頭控制的，因此將交流接觸器KM3常開主觸頭下端出線6L3、6N分別與變頻器電源進(jìn)線端子L1，N1相連接，并將電源接地線PE與變頻器的接地端PE可靠連接。

由變頻器的電機(jī)接線端子U，V，W及接地PE引線接三相電動機(jī)（接線標(biāo)號為U2，V2，W2及PE）。

圖6.16　FANUC 0i Mate MC系統(tǒng)模擬主軸驅(qū)動連接

（取自FANUC 0i MC系統(tǒng)電氣圖8/18）

二、控制回路的連接

FANUC 0i Mate MC系統(tǒng)其控制信號是從FANUC 0i C系統(tǒng)的JA40接口輸出模擬電壓用于模擬主軸的控制，通過PLC實(shí)現(xiàn)主軸的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行及速度控制。圖6. 17和圖6. 18分別為FANUC 0i C系統(tǒng)接口位置及功用圖和變頻器控制回路端子排列圖。

圖6.17　FANUC 0i C系統(tǒng)接口位置及功用圖

前已述及，頻率設(shè)定信號可采用直流電壓信號或電流信號，在此采用DC0～5 V信號，由FANUC 0i Mate C系統(tǒng)的JA40接口連接電纜至變頻器的頻率信號給定端2和公共端5。

圖6.18　變頻器控制回路端子排列及接線

變頻主軸的正、反轉(zhuǎn)控制是通過PLC控制實(shí)現(xiàn)。變頻器正、反轉(zhuǎn)啟動、停止信號STF和STR來自于PLC的輸出繼電器KA3，KA4（見圖6. 19、圖6. 16）。將KA3的一組常開觸頭的兩端分別與變頻器正轉(zhuǎn)啟動端子STF（接線標(biāo)號為65）和公共端SD（接線標(biāo)號為68）相連，將KA4的一組常開觸頭的兩端分別與變頻器反轉(zhuǎn)啟動端子STR（接線標(biāo)號為66）和公共端SD（接線標(biāo)號為68）相連。

圖6.19　FANUC 0i Mate MC系統(tǒng)模擬主軸驅(qū)動連接（取自FANUC 0i MC系統(tǒng)電氣圖14/18）

◎思考題

1.采用變頻器改造數(shù)控車床主軸驅(qū)動，CNC系統(tǒng)與變頻器之間的信號有哪些？這些信號的作用是什么？

2.在采用變頻器主軸驅(qū)動控制方案的FANUC 0i Mate MC系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)主軸的轉(zhuǎn)向和速度控制？

3.在采用變頻器主軸驅(qū)動控制方案的FANUC 0i Mate MC系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)首次連接好后應(yīng)對變頻器的哪些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定？

子任務(wù)3　典型故障診斷處理

◎任務(wù)提出

在采用變頻主軸驅(qū)動控制的數(shù)控機(jī)床中，有時會出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與指令不符、電動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)、電機(jī)轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定、電動機(jī)過載、變頻器過電流/過電壓等故障。對于這些故障如何進(jìn)行處理呢？

◎任務(wù)目標(biāo)

1.了解變頻器本身典型故障報警的含義及故障排查方向；

2.能夠利用萬用表對變頻器主回路元件進(jìn)行檢測；

3.掌握變頻主軸驅(qū)動控制中常見故障的成因及排除思路；

◎相關(guān)知識

一、變頻器的基本組成及工作原理

變頻器按其工作原理分為交—交型和交—直—交型。

交—交型是將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換為頻率、電壓可控制的交流，又稱為直接型變頻器；交—直—交型是將工頻交流電源通過變頻器的電源接線端輸入到變頻器，利用其內(nèi)部的整流器把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)逆變電路輸出頻率、電壓均可控制的交流電，又稱為間接式變頻器。控制中多采用交—直—交型變頻器。下面以交—直—交變頻器為例，學(xué)習(xí)變頻器的基本組成及主電路工作原理。

交—直—交型變頻器的組成可分為主電路和控制電路兩大部分。變頻器主電路部分包含整流部分、中間部分和逆變部分，如圖6. 20所示。

圖6.20　變頻器主電路控制原理圖

1.整流部分

圖6. 20中R，S，T為三相交流電的輸入端，由VD1—VD6 6個二極管構(gòu)成的整流橋?qū)⑤斎氲慕涣麟娮優(yōu)橹绷?；RL為緩沖電阻，它由晶閘管或繼電器SL的觸點(diǎn)進(jìn)行控制，當(dāng)變頻器剛剛接通電源運(yùn)行時，通常晶閘管不導(dǎo)通或SL是斷開的，這時緩沖電阻RL串聯(lián)在電路中，起到一個限流作用，限制電流迅速增加，當(dāng)變頻器運(yùn)行一段時間后晶閘管導(dǎo)通或SL接通，將緩沖電阻RL短接掉。

2.中間環(huán)節(jié)

CF1，CF2為濾波電容，經(jīng)過整流后是一個脈動的直流，經(jīng)過濾波電容濾波成為平滑的直流電，由于整流后加在母線上的直流電壓比較高，一個濾波電容器的耐壓不易達(dá)到要求，通常采用兩個電容器串聯(lián)來提高耐壓，由于電容器制造參數(shù)不同，在兩個電容器上的分壓會不均勻，為此在每一個電容器上并聯(lián)一個電阻R1和R2，稱為分壓電阻，選擇R1和R2的阻值一致，這樣就使得電容器CF1，CF2上的分壓一致。

HL為變頻器電源指示燈，整流電源接通后HL點(diǎn)亮，當(dāng)R，S，T電源切斷后，電源指示燈仍然會維持點(diǎn)亮一段時間，是因?yàn)殡娙輹蛑甘緹舴烹?，因此在維修變頻器，特別是主電路接線時，在切斷電源后一定要等到該電源指示燈熄滅再進(jìn)行操作，否則很可能造成觸電。

VB是一個大功率晶體管（IGBT），和制動電阻RB構(gòu)成內(nèi)部制動單元，制動單元的作用是防止電動機(jī)在減速或制動過程中變頻器出現(xiàn)過電壓。由于電動機(jī)是電感性負(fù)載，在減速或制動過程中會放電，通過續(xù)流二極管放到直流母線上，從而提升直流母線上的電壓，當(dāng)電壓過高時會將逆變管或整流管擊穿，為了避免這種情況發(fā)生，在變頻器內(nèi)設(shè)計了制動單元，當(dāng)電動機(jī)減速或制動時將VB導(dǎo)通，將電動機(jī)放電產(chǎn)生的電流通過這一回路在放電電阻RB上消耗掉。如果電機(jī)功率比較大，電機(jī)經(jīng)常處于正、反轉(zhuǎn)和剎車的工作情況下，需要外加制動電阻，RB2為外加制動電阻，外加制動電阻一端接在變頻器直流母線的正端（+），另一端PR連與制動晶體管，即與內(nèi)部制動電阻RB并聯(lián)，電阻并聯(lián)阻值減小消耗放電更快。故（+）和RP端是由于接外加制動電阻的，如無外加制動電阻，就靠內(nèi)部制動電阻來工作。

直流母線的正端（+）和P1之間通常用一短路片連接，將短路片去掉，直流母線就會斷開，這時可在直流母線的正端（+）和P1之間接入一外加的直流電抗器來改善電路的功率因素，如不用外加的直流電抗器，直流母線的正端（+）和P1之間必須用短路片連接，短路片切不可拆除，否則直流母線就斷開了。

濾波、電源指示和制動單元為主電路的中間環(huán)節(jié)。

3.逆變部分

V1，V3，V5，V2，V4，V6 6個大功率晶體管（IGBT）構(gòu)成了逆變部分，變頻器的控制電路就是控制V1，V3，V5和V2，V4，V6 6個大功率晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而將直流逆變成交流。

假設(shè)某一瞬間V1，V2，V6是導(dǎo)通的而其他是斷開的，電流沿直流母線正端（+）經(jīng)V1到達(dá)U，通過電動機(jī)內(nèi)部繞組，一路經(jīng)V，V6返回負(fù)端，另一路經(jīng)W，V2返回負(fù)端，這樣電動機(jī)內(nèi)部繞組就有電產(chǎn)生磁場。

圖6.21　變頻器逆變原理示意圖

下一時刻切換為V3，V2，V4是導(dǎo)通的而其他是斷開的，這時電流沿直流母線正端（+）經(jīng)V3到達(dá)V，通過電動機(jī)內(nèi)部繞組，一路經(jīng)U，V4返回負(fù)端，另一路經(jīng)W，V2返回負(fù)端……將V1—V6 6個IGBT輪流切換，就使得通過電動機(jī)繞組的電流發(fā)生變化，只要按照一定的規(guī)律切換，加在電機(jī)繞組上的就是交流電，這就是逆變——將直流轉(zhuǎn)換為交流。

圖6.21　變頻器逆變原理示意圖（續(xù)）

為了對IGBT起保護(hù)作用，在每個IGBT上并聯(lián)一個續(xù)流二極管和阻容吸收回路，電動機(jī)在剎車時其電感線圈會對外放電，如無續(xù)流二極管，就會將IGBT反向擊穿，有了續(xù)流二極管放電電流就會經(jīng)續(xù)流二極管加在直流母線上，直流母線通過制動單元將這一部分能量消耗掉。

二、三菱FR-S500系列變頻器常見報警代碼及維修處理

變頻器面板上的指示燈和顯示器，可以指示變頻器的工作狀態(tài)、故障代碼和報警信息。當(dāng)變頻器檢測出故障時，典型故障會在操作面板上以故障代碼的形式予以顯示，雖然不同品牌的變頻器顯示的故障代碼各不相同，但就同一類故障而言，其故障成因大體相同，因此了解一種常用品牌變頻器的常見故障報警及其可能的故障原因，對于處理變頻器的一些典型故障具有借鑒作用。表6. 5給出了三菱FR-S500系列變頻器常見報警代碼、故障含義、可能故障成因和排查方法。

表6.5　三菱FR-S500系列變頻器常見故障

續(xù)表

◎任務(wù)實(shí)施

基本任務(wù)1　變頻器主回路元件檢測

如果變頻器出現(xiàn)故障，斷電以后不能馬上進(jìn)行檢修，因?yàn)殡娫撮_關(guān)剛斷開時，變頻器的電源輸入線、直流回路端子和電機(jī)端子上仍然可能帶有危險電壓，因此，斷開電源開關(guān)以后還必須等待5 min，保證電路放電完畢后，再進(jìn)行操作。變頻器主回路元件的檢測主要是整流模塊和逆變模塊的檢測，檢測方法和步驟如下：

①拆下與外連接的電源線（R，S，T）及和電動機(jī)的連線（U，V，W）；

②將萬用表設(shè)置為1 Ω擋或二極管測量擋；

③在變頻器的接線端子R，S，T，U，V，W和P1（+）和“-”之間交換萬用表極性，測定它們的導(dǎo)通狀態(tài)，便可判斷是否良好。

注意：①測量時必須確認(rèn)平波電容放電以后才能進(jìn)行；②不導(dǎo)通時，通常顯示為無窮大，但由于平波電容的影響會瞬間導(dǎo)通，導(dǎo)通瞬間可能不顯示無窮大；導(dǎo)通時顯示幾十或幾百Ω，其數(shù)值的大小取決于模塊的種類和萬用表的型號等，種類等不同顯示的數(shù)值可能會有不同，但同類型號模塊如所測量的數(shù)值幾乎相同，即可確認(rèn)此模塊是沒問題的。表6. 6給出了整流模塊中二極管和逆變模塊中IGBT正常狀態(tài)下的測量值。如果不符合表中給出的狀態(tài)，可判斷該元件損壞。

表6.6　變頻器整流二極管和逆變IGBT的檢測

基本任務(wù)2　變頻主軸驅(qū)動系統(tǒng)常見故障排除

1.電動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)

①檢查變頻器操作面板是否為故障顯示（如OC1等），如有，依據(jù)相關(guān)知識中介紹的“三菱FR-S500系列變頻器常見報警代碼及維修處理”逐一進(jìn)行排查。

②檢查確認(rèn)主軸電機(jī)三相動力線是否正確連接，無脫落，檢查變頻器輸出端子是否提供電源，用萬用表檢測三相輸出電源U，V，W是否正常；如三相輸出電壓正常，則為電機(jī)故障，否則從變頻器及控制電路方面進(jìn)行如下方面的檢查。

③檢查變頻器P1和+之間的導(dǎo)體是否脫落。

④檢查確認(rèn)變頻器得電（Y1. 7有輸出→繼電器KA2吸合→KM3吸合→變頻器得電），檢查變頻器電源輸入端子L1，N1輸入電壓是否正常。

⑤檢查確認(rèn)運(yùn)轉(zhuǎn)信號是否輸入：觀察檢測中間繼電器KA5、KA6的吸合情況。

⑥檢查確認(rèn)頻率設(shè)定信號正常：檢測變頻器頻率設(shè)定端子2，5之間的電壓是否在0～5 V之間，如為“0”，檢查電路連接，如排除線路連接故障，檢查系統(tǒng)基本單元的模擬量主軸速度接口JA40到主軸變頻器的指令輸入端的信號是否正常。

⑦檢查變頻器參數(shù)設(shè)定：檢查運(yùn)行模式選擇是否正常（Pr. 78應(yīng)為0或者2）；檢查上限頻率設(shè)定（Pr. 1）應(yīng)是否為零；檢查是否選擇了反轉(zhuǎn)限制（Pr. 78 =1），此時不可執(zhí)行反轉(zhuǎn)。

⑧檢查負(fù)荷是否太重；是否實(shí)施機(jī)床鎖住，即按下機(jī)床鎖住按鈕。

2.電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向與指令方向相反

①檢查變頻器輸出端子與電動機(jī)的連線是否正確，查看電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的相序是否與U，V，W相對應(yīng)。通常：正轉(zhuǎn)（FWD）= U—V—W，反轉(zhuǎn)（REV）= U—W—V。

②檢查變頻器控制端子STF和STR連線是否正確，STF用于正轉(zhuǎn)控制，STR用于反轉(zhuǎn)控制，查看變頻器連接電路圖中正、反轉(zhuǎn)控制端子及相應(yīng)繼電器的線路連接是否一致。

3.電機(jī)轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定

①檢查輸入電源是否有波動，如輸入電源長期不穩(wěn)定，可增加穩(wěn)壓電源。

②檢查負(fù)載波動是否過大，在工藝許可的情況下減少負(fù)載波動，必要時可考慮增加變頻器及電機(jī)容量。

③檢查調(diào)速信號是否受干擾，如果頻率設(shè)定信號輸出線與變頻器的主回路線相互靠近，運(yùn)行中就會出現(xiàn)干擾，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動。整理控制線路走線，讓控制線路與動力線嚴(yán)格分開，控制信號線一定要屏蔽良好，并將屏蔽層一端良好接地。

④如該現(xiàn)象只是出現(xiàn)在某一特定頻率下，可稍稍改變輸出頻率，使用頻率跳躍功能（Pr. 31、Pr. 32）將有此問題的頻率跳過去。

◎思考題

1.如何判斷變頻器的自身故障？

2.如果主軸電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)不到指令設(shè)定值，如何進(jìn)行故障原因排查？

3.電機(jī)轉(zhuǎn)速與指令不符，如何進(jìn)行故障原因排查？

4.查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)分析查找主軸振動和噪音異常的故障原因。

任務(wù)2　串行數(shù)字控制主軸驅(qū)動裝置及常見故障診斷

子任務(wù)1　串行數(shù)字控制主軸驅(qū)動裝置的連接

◎任務(wù)提出

前已述及，數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動裝置根據(jù)主軸速度控制信號的不同分為模擬量控制的主軸驅(qū)動裝置和串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動裝置兩大類。模擬量控制的主軸驅(qū)動裝置采用變頻器實(shí)現(xiàn)主軸電動機(jī)的控制；串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動系統(tǒng)采用數(shù)控生產(chǎn)廠家專用數(shù)字驅(qū)動裝置驅(qū)動其專用的主軸電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。各生產(chǎn)商的技術(shù)策略和實(shí)現(xiàn)方案各不相同。

圖6. 22（a）及（b）分別為FANUC 0i MA數(shù)控系統(tǒng)和FANUC 0i Mate MC數(shù)控系統(tǒng)的綜合連接圖，在系統(tǒng)中主軸驅(qū)動采用了串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動方案，如圖中虛線部分所示。在此以在數(shù)控機(jī)床主軸控制中應(yīng)用較多的FANUC α系列和αi系列主軸模塊為例，學(xué)習(xí)掌握這一類主軸驅(qū)動裝置的控制原理和實(shí)現(xiàn)方式。

圖6.22　FANUC 0i Mate MC數(shù)控系統(tǒng)主軸模塊連接圖

◎任務(wù)目標(biāo)

1.理解串行數(shù)字主軸伺服系統(tǒng)的基本構(gòu)成；

2.明確FANUC系統(tǒng)電源模塊和串行數(shù)字主軸模塊的組成、接口功能和連接要求；

3.能夠正確實(shí)施系統(tǒng)的連接；

4.初步掌握串行數(shù)字主軸伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定與調(diào)整過程。

◎相關(guān)知識

一、FANUC系統(tǒng)電源模塊

電源模塊的功能是為主軸模塊和伺服模塊提供直流主回路電源（標(biāo)準(zhǔn)型為DC300V，高壓型為DC600 V）、控制回路電源（DC24 V）及電源模塊本身內(nèi)部的直流電源；電動機(jī)再生能量通過電源模塊反饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)回饋制動?，F(xiàn)在的電源模塊已經(jīng)將整流、逆變及保護(hù)電路集成一體，成為智能模塊IPM。表6. 7為FANUC α系列和αi系列電源模塊接口功能說明，將α系列和αi系列電源模塊集于一表以便于對照。

表6.7　FANUC α系列和αi系列電源模塊接口功能說明

續(xù)表

二、FANUC系統(tǒng)主軸模塊

主軸模塊的作用是實(shí)現(xiàn)主軸速度控制、主軸位置反饋及主軸控制功能的控制。按電壓等級分為標(biāo)準(zhǔn)型（主電路輸入電壓為DC300V）和高壓型（主電路輸入電壓為DC600V）。表6. 8 為FANUC α系列和αi系列主軸模塊接口功能說明，將α系列和αi系列主軸模塊集于一表以便于對照。

表6.8　FANUC α系列和αi系列主軸模塊接口功能說明

續(xù)表

◎任務(wù)實(shí)施

基本任務(wù)1　串行數(shù)字控制主軸驅(qū)動裝置的連接實(shí)施

實(shí)訓(xùn)設(shè)備：FANUC 0i MA數(shù)控系統(tǒng)、FANUC α系列電源模塊、主軸模塊及主軸電動機(jī)。

1.電源模塊的連接

①CX1A為AC200V控制電源輸入接口，是電源模塊風(fēng)扇電源，與機(jī)床控制變壓器AC200V輸出端連接；CX1B為AC200V輸出接口，連接到主軸模塊的CX1A。

②CX2A/ CX2B為電源模塊DC24V輸出接口，將CX2A與機(jī)床面板的I/ O卡的DC24V輸入連接；將CX2B與主軸模塊CX2A連接。

③將CX3與控制電源模塊三相交流電源接通的主接觸器MCC的線圈串聯(lián)。

④CX4為機(jī)床*ESP急停信號接口，與機(jī)床操作面板急停開關(guān)常閉點(diǎn)相連接。

2.主軸模塊的連接

①確認(rèn)已將主軸模塊的CX1A連接到電源模塊的CX1B，由于系統(tǒng)只有1個主軸模塊，所以主軸模塊的CX1B不接。

②CX2A為DC24V輸入接口，確認(rèn)已將CX2A連接到電源模塊的CX2B；CX2B為DC24V輸出接口，將其連接到伺服模塊的CX2A。

③JA7B為串行數(shù)字主軸信息接口，將其連接到系統(tǒng)單元的JA7A端子。

3.主軸電動機(jī)的連接

①將主軸電動機(jī)的動力線連接到主軸模塊的輸出端U，V，W上，連接時注意輸出電源相序。

②將主軸電動機(jī)內(nèi)裝速度傳感器信號和電動機(jī)繞組溫度檢測信號與主軸模塊的JY2連接；主軸電動機(jī)風(fēng)扇電源與機(jī)床伺服變壓器輸出端連接。

4.模塊間信號的連接

將電源模塊的JX1B與主軸模塊的JX1A相連，然后將主軸模塊的JX1B與第一個伺服模塊的JX1A相連，再將第一個伺服模塊的JX1B與下一伺服模塊的JX1A相連，將最后一個伺服模塊的JX1B用短接盒（5，6腳短接）將模塊間的使能信號短接。

圖6.23　FANUC系統(tǒng)α系列電源模塊和主軸模塊的實(shí)際連接

基本任務(wù)2　FANUC α/αi系列電源模塊常見故障分析

電源模塊啟動過程首先是控制電路端輸入交流電源200 V，如電源模塊內(nèi)部電路正常及后續(xù)模塊正常，電源模塊控制電路工作，此時接通電源模塊的主電路，完成電源模塊的啟動。電源模塊的故障主要表現(xiàn)為啟動未就緒和電源模塊報警。

1.電源模塊不啟動（狀態(tài)窗口無顯示）故障檢測排查

首先檢查排除機(jī)床外部控制電路故障，檢查確認(rèn)是否因機(jī)床外部控制電路故障導(dǎo)致沒有提供電源模塊控制電路的AC200V輸入。

如確實(shí)無電源模塊控制電路的AC200V輸入，則檢查機(jī)床強(qiáng)電控制回路，找出故障點(diǎn)，確保電源模塊控制電路的AC200V輸入正常。

如電源模塊的AC200V輸入正常，則是電源模塊控制電路本身故障，即電源模塊控制電路板上的開關(guān)穩(wěn)壓電源故障，需將電源模塊送檢。

2.電源模塊啟動不就緒故障檢測排查

狀態(tài)窗口有指示狀態(tài)：α系列電源模塊為“- -”，αi系列電源模塊為“-”。

①檢查電源模塊是否有急停信號輸入，檢查急停信號輸入接口CX4是否正常。

②檢查電源模塊內(nèi)部就緒繼電器MCC是否故障，必要時更換。

③檢查是否后續(xù)模塊異常，通過封鎖伺服放大器或使能信號短接進(jìn)行排除。

④如上述方法均不能奏效，需將電源模塊送檢。

3.電源模塊報警代碼及處理

針對電源模塊的主要報警代碼，表6. 9給出了對應(yīng)的處理方法，可依此進(jìn)行排查。

表6.9（a）　α系列電源模塊報警代碼

表6.9（b）　αi系列電源模塊報警代碼

◎思考題

1.模擬量控制主軸和串行數(shù)字控制主軸驅(qū)動裝置控制原理有何不同？

2. FANUC串行數(shù)字控制主軸驅(qū)動系統(tǒng)中電源模塊出現(xiàn)“02”（風(fēng)扇）報警，應(yīng)如何檢查處理？

3. FANUC串行數(shù)字控制主軸驅(qū)動系統(tǒng)中主軸模塊出現(xiàn)“01”（電動機(jī)過熱）報警，應(yīng)如何檢查處理？

子任務(wù)2　串行數(shù)字控制的主軸系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定及初始化操作

◎任務(wù)提出

雖然系統(tǒng)出廠時已把串行數(shù)字電動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)控制參數(shù)存儲在系統(tǒng)中，通過主軸參數(shù)初始化操作即可選擇與實(shí)際主軸電動機(jī)相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。但在主軸參數(shù)初始化時，還需進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)功能參數(shù)的設(shè)定，因?yàn)橹鬏S參數(shù)初始化就是將主軸的設(shè)定參數(shù)（數(shù)控系統(tǒng)廠家設(shè)定的初始值）按實(shí)際選用的FANUC標(biāo)準(zhǔn)主軸電機(jī)型號進(jìn)行重新覆蓋，還不是機(jī)床廠家主軸實(shí)際調(diào)整后的參數(shù)，還需按照機(jī)床的實(shí)際情況設(shè)定機(jī)床廠家的相關(guān)主軸參數(shù)。

那么與串行數(shù)字主軸相關(guān)的功能參數(shù)有哪些？主軸參數(shù)初始化的操作任何進(jìn)行呢？

◎任務(wù)目標(biāo)

1.理解主軸參數(shù)初始化的作用；

2.了解與串行主軸相關(guān)的功能參數(shù)及含義；

3.能夠正確實(shí)施主軸參數(shù)初始化操作。

◎相關(guān)知識

一、串行主軸參數(shù)設(shè)定、調(diào)整和監(jiān)控畫面

1.主軸伺服畫面顯示參數(shù)

為了顯示主軸伺服畫面，需要將主軸伺服畫面顯示參數(shù)（SPS）設(shè)置為“1”，F(xiàn)ANUC 16/ 16i/18/18i/21/21i/0i/0i Mate系統(tǒng)的參數(shù)為3111#1。

2.主軸畫面顯示操作

在FANUC 16/16i/18/18i/21/21i/0i/0i Mate系統(tǒng)，執(zhí)行下面操作即可顯示主軸伺服畫面：

3.主軸伺服畫面

主軸伺服畫面包含主軸參數(shù)設(shè)定畫面、主軸調(diào)整畫面和主軸監(jiān)控畫面。通過系統(tǒng)軟件選擇相應(yīng)的主軸伺服畫面。［SP. SET］為主軸參數(shù)設(shè)定畫面軟鍵；［SP. TUN］為主軸調(diào)整畫面軟鍵；［SP. MON］為主軸監(jiān)控畫面軟鍵。

（1）主軸參數(shù)設(shè)定畫面

在主軸伺服畫面中，按主軸參數(shù)設(shè)定軟鍵［SP. SET］，顯示如圖6. 24所示。

GEAR SELECT（齒輪選擇）：顯示機(jī)床側(cè)的主軸齒輪選擇狀態(tài)，有1，2，3，4擋顯示（1為主軸第1擋，2為主軸第2擋，以此類推）。

SPINDLE（主軸）：選擇對應(yīng)某一主軸的數(shù)據(jù)，S1為第1主軸放大器，S2為第2主軸放大器。

GEAR RATIO（齒輪比）：與主軸齒輪擋位相對應(yīng)的齒輪比參數(shù)（系數(shù)是0. 01）。

圖6.24　主軸設(shè)定畫面

圖6.25　主軸調(diào)整畫面

MAX SPINDLE SPEED：主軸最高轉(zhuǎn)速。

MAX MOTOR SPEED：主軸電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速。

MAX C AXIS SPEED：主軸作為C軸控制時，C軸最高轉(zhuǎn)速。

（2）主軸調(diào)整畫面

在主軸伺服畫面中，按主軸參數(shù)設(shè)定軟鍵［SP. TUN］，顯示如圖6. 25所示。

OPERATION（運(yùn)行方式）：主軸運(yùn)行方式有速度控制方式、主軸定向方式、主軸同步方式、剛性攻螺紋方式、主軸恒線速度控制方式等。

PROP. GAIN：比例增益（一般是電動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)）。

INT. GAIN：積分增益（一般是電動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)）。

MOTOR VOLT：電動機(jī)電壓（一般是電動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)）。

REGEN. PW：再生能量（一般是電動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)）。

MOTOR：主軸電動機(jī)速度顯示。

SPINDLE：主軸速度顯示。

（3）主軸監(jiān)控畫面

在主軸伺服畫面中，按主軸參數(shù)設(shè)定軟鍵［SP. MON］，顯示如圖6. 26所示。

圖6.26　主軸監(jiān)控畫面

ALARM：主軸報警。當(dāng)主軸系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，顯示主軸放大器的報警號及報警內(nèi)容。

LOAD METER：主軸負(fù)載表。顯示主軸電動機(jī)瞬時電流是電動機(jī)額定電流的百分比。

CONTROL INPUT：顯示主軸當(dāng)前輸入的控制信號，如SFR為主軸正轉(zhuǎn)信號、SRV為主軸反轉(zhuǎn)信號、*ESP為主軸急停信號、ORCM為主軸定向信號、TLML為轉(zhuǎn)矩限制信號（低速）、ARST為報警復(fù)位信號等。

CONTROL OUTPUT：顯示主軸當(dāng)前輸出的控制信號，如SST為主軸速度零速信號、SDT為主軸速度檢測信號、SAR為主軸速度到達(dá)信號、ORAR為主軸定向結(jié)束信號、ALM為主軸報警信號等。

二、串行數(shù)字主軸相關(guān)功能參數(shù)

雖然系統(tǒng)出廠時已把串行數(shù)字電動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)控制參數(shù)存儲在系統(tǒng)中，通過主軸參數(shù)初始化操作選擇與實(shí)際主軸電動機(jī)相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，但在主軸參數(shù)初始化時，還需進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)功能參數(shù)的設(shè)定，那么與串行數(shù)字主軸相關(guān)的功能參數(shù)有哪些？

1.串行數(shù)字主軸控制功能選擇參數(shù)及串行主軸個數(shù)選擇參數(shù)

FANUC 16/16i/18/18i/21/21i/0i/0i Mate系統(tǒng)串行主軸控制功能選擇參數(shù)為3701#1，設(shè)定為“0”為串行數(shù)字控制主軸，“1”為模擬量控制串行主軸。

串行主軸個數(shù)選擇參數(shù)為3701#4，“0”為1個串行主軸，“1”為2個串行主軸。

2.主軸位置編碼器控制功能選用參數(shù)

FANUC 16/16i/18/18i/21/21i/0i/0i Mate系統(tǒng)主軸位置編碼器控制功能選用參數(shù)4002#1，設(shè)置為“0”為不使用外接編碼器作為主軸位置反饋，設(shè)置為“1”為使用外接編碼器作為主軸位置反饋。

參數(shù)4002#0設(shè)置為“1”為使用電動機(jī)內(nèi)裝傳感器作為主軸位置反饋。

3.主軸與位置編碼器的傳動比參數(shù)

FANUC 16/16i/18/18i/21/21i/0i/0i Mate系統(tǒng)主軸與位置編碼器的傳動比參數(shù)為3706#0、3706#1（二進(jìn)制代碼組合設(shè)定，分別為1∶1，1∶2，1∶4，1∶8），通常設(shè)定為“00”，即為1∶1。

4.主軸速度到達(dá)檢測功能參數(shù)

FANUC 16/16i/18/18i/21/21i/0i/0i Mate系統(tǒng)主軸速度到達(dá)檢測功能參數(shù)為3708#0，“0”為不檢測主軸到達(dá)速度，設(shè)置為“1”為檢測主軸到達(dá)速度。如果設(shè)定為“1”，系統(tǒng)PMC控制中還需編制程序?qū)崿F(xiàn)切削進(jìn)給的開始條件。

5.主軸齒輪擋位傳動比參數(shù)

FANUC 16/16i/18/18i/21/21i/0i/0i Mate系統(tǒng)的主軸齒輪擋位傳動比參數(shù)為4 056～4 059。

6.主軸齒輪擋位的最高速度參數(shù)

FANUC 16/16i/18/18i/21/21i/0i/0i Mate系統(tǒng)的主軸齒輪擋位最高速度參數(shù)為3 741～3 744。

7.主軸電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速設(shè)定參數(shù)

FANUC 16/16i/18/18i/21/21i/0i/0i Mate系統(tǒng)的主軸電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速設(shè)定參數(shù)為4 020。

◎任務(wù)實(shí)施

基本任務(wù)　主軸模塊標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的初始化實(shí)施

主軸模塊標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的初始化，就是將主軸的設(shè)定參數(shù)（數(shù)控系統(tǒng)廠家設(shè)定的初始值）按實(shí)際選用的FANUC標(biāo)準(zhǔn)主軸電機(jī)型號進(jìn)行重新覆蓋。按照下述步驟實(shí)施主軸模塊標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的初始化：

①將系統(tǒng)設(shè)置急停狀態(tài)，打開電源。

②將主軸電動機(jī)型號的代碼（見表6. 10）設(shè)定在系統(tǒng)串行主軸電動機(jī)代碼參數(shù)中，F(xiàn)ANUC 16/16i/18/18i/21/21i/0i/0i Mate系統(tǒng)為4133。如果在參數(shù)手冊上查不到，則輸入最接近的電機(jī)代碼。

表6.10　主軸電動機(jī)型號的代碼

③將自動設(shè)定串行數(shù)字主軸標(biāo)準(zhǔn)值的參數(shù)（LDSP）置為“1”。16/16i/18/18i/21/21i/0i/ 0i Mate系統(tǒng)為PRM4019#7，即將參數(shù)PRM4019#7置為“1”。

④將系統(tǒng)斷電再重新上電，主軸標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)被寫入。

⑤初始化后對照主軸電動機(jī)參數(shù)表對照一下，有不同的部分加以修改（沒有出現(xiàn)的不用更改）。

⑥根據(jù)機(jī)床的具體要求，設(shè)定機(jī)床廠家主軸實(shí)際調(diào)整后相關(guān)參數(shù)，如相關(guān)的電機(jī)速度（3 741～3 744）等。

⑦在MDI狀態(tài)時輸入“M03 S100”檢查電機(jī)運(yùn)行情況。

注意：如在主軸初始化操作中不能完成主軸參數(shù)的自動設(shè)定或出現(xiàn)報警，在排除操作不當(dāng)?shù)那闆r下，其故障原因多為主軸模塊控制電路不良，需要更換相應(yīng)的故障板。

◎思考題

1.主軸參數(shù)初始化的含義是什么？如何進(jìn)行主軸參數(shù)初始化操作？

2.與串行數(shù)字主軸相關(guān)的功能參數(shù)有哪些？

3. FANUC串行數(shù)字控制主軸驅(qū)動系統(tǒng)中主軸模塊出現(xiàn)“主模塊過電流”報警，造成此故障的可能因素有哪些？

子任務(wù)3　數(shù)控車床螺紋加工中常見故障處理

◎任務(wù)提出

螺紋加工是數(shù)控車床的重要加工功能之一，在螺紋加工中會出現(xiàn)下列常見的故障現(xiàn)象，諸如：不執(zhí)行螺紋加工；螺紋加工出現(xiàn)“亂扣”現(xiàn)象；螺紋加工出現(xiàn)螺距不穩(wěn)等故障現(xiàn)象。

因此，維修人員必須了解、掌握螺紋加工控制原理、常見故障的診斷方法及實(shí)際處理過程。

◎任務(wù)目標(biāo)

1.明確螺紋加工控制原理；

2.了解主軸編碼器的作用及功能連接；

3.能夠排查螺紋加工中出現(xiàn)的常見故障。

◎相關(guān)知識

一、數(shù)控車床主軸位置編碼器的功能

一般情況下主軸電動機(jī)與主軸并不是直連的，主軸電動機(jī)內(nèi)裝傳感器的反饋信號并不是主軸速度的位置的直接反饋信號。為了實(shí)現(xiàn)主軸的速度和位置（主軸的轉(zhuǎn)角）的精確控制，必須安裝主軸獨(dú)立位置編碼器作為主軸的反饋信號。

圖6.27　數(shù)控車床主軸編碼器

1.實(shí)現(xiàn)主軸與進(jìn)給軸的同步控制

數(shù)控車床車螺紋及數(shù)控銑床、加工中心攻螺紋時，為滿足切削螺距的需要，要求主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具準(zhǔn)確地移動一個螺距（或?qū)С蹋?。系統(tǒng)通過主軸編碼器的位置反饋信號實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給軸的插補(bǔ)功能，完成主軸位置脈沖的計數(shù)與進(jìn)給同步控制。

2.實(shí)現(xiàn)恒線速度切削控制

數(shù)控車床進(jìn)行端面或錐面切削時，為了保證加工表面粗糙度保持一定的值，要求刀具與工件接觸電的線速度為恒定值。隨著刀具的橫向進(jìn)給和切削直徑的逐漸減小或增大，應(yīng)不斷地提高或降低主軸轉(zhuǎn)速，保持V =2πDn為常數(shù)。其中D為刀具位置反饋信號（工件的切削直徑），V為加工程序中編制的恒線速度值，上述數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)軟件處理后，傳輸?shù)街鬏S放大器作為主軸速度控制信號，并通過主軸編碼器的反饋信號準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)主軸的速度控制。

3.實(shí)現(xiàn)主軸位置、速度和一轉(zhuǎn)信號的控制

加工中心自動換刀時，為了使機(jī)械手對準(zhǔn)刀柄實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確換刀，主軸必須停在固定的徑向位置。在固定切削循環(huán)中，如精鏜加工，要求刀具必須停在某一徑向位置才能退刀。以上功能都要求主軸能夠準(zhǔn)確地停在某一固定位置上，這就是主軸定向準(zhǔn)停控制功能?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的主軸定向準(zhǔn)停功能是通過主軸上的編碼器實(shí)現(xiàn)控制，此時主軸的控制為PMC控制。當(dāng)系統(tǒng)接收到主軸位置編碼器的一轉(zhuǎn)信號后，主軸就按照PMC程序規(guī)定的方向、速度轉(zhuǎn)過規(guī)定的角度準(zhǔn)確停止。

主軸編碼器發(fā)出的信號有PA和*PA、PB和*PB、PZ和*PZ，其中PA和*PA、PB和*PB實(shí)現(xiàn)主軸位置（反饋位置脈沖數(shù)）和速度（反饋位置脈沖的頻率）控制，同時實(shí)現(xiàn)主軸方向的判別；PZ和*PZ信號實(shí)現(xiàn)主軸一轉(zhuǎn)信號控制。

二、主軸位置編碼器信號及連接

主軸位置編碼器的信號接口及功能連接如圖6. 28所示。當(dāng)主軸采用變頻器驅(qū)動時，主軸編碼器連接到數(shù)控系統(tǒng)的JA7A（FANUC 0iA/0iB/0iC），如圖6. 28（a）所示；當(dāng)主軸采用FANUC主軸模塊時，主軸編碼器連接到主軸模塊的JY4（采用α系列主軸模塊）/ JYA3，采用ttαi系列主軸模塊，如圖6. 28（b）所示。

圖6.28　主軸編碼器信號接口和功能連接

◎任務(wù)實(shí)施

基本任務(wù)1　不執(zhí)行螺紋加工的故障排查

故障現(xiàn)象：某配套FANUC 0iC系統(tǒng)的數(shù)控車床，在自動加工時不執(zhí)行螺紋加工程序。

1.控制原理分析

數(shù)控車床螺紋加工的實(shí)質(zhì)就是主軸旋轉(zhuǎn)與Z軸進(jìn)給之間的插補(bǔ)。執(zhí)行螺紋加工指令時，當(dāng)系統(tǒng)得到主軸位置檢測裝置發(fā)出的一轉(zhuǎn)信號后開始進(jìn)行螺紋加工，根據(jù)主軸的位置反饋脈沖進(jìn)行Z軸的插補(bǔ)控制，即主軸轉(zhuǎn)一周，Z軸進(jìn)給一個螺距或?qū)С蹋ǘ囝^螺紋加工）。

2.故障成因分析

造成自動加工時不執(zhí)行螺紋加工指令的可能故障原因有以下：

①主軸編碼器與系統(tǒng)之間的連接不良。

②主軸編碼器的位置信號PA和*PA、PB和*PB不良或連接電纜斷開。

③主軸編碼器的一轉(zhuǎn)信號PZ和*PZ不良或連接電纜斷開。

④系統(tǒng)或主軸放大器故障。

3.故障診斷處理

①對于可能的故障原因①，如系統(tǒng)采用的是FANUC主軸模塊，系統(tǒng)會發(fā)出9027（AL-27）報警，檢查連接電纜接口及電纜線的校線查出故障并進(jìn)行修復(fù)。

②對于可能的故障原因②，查看系統(tǒng)顯示裝置上是否有主軸轉(zhuǎn)速顯示，如無主軸轉(zhuǎn)速顯示，則是該原因?qū)е麓斯收稀?/p>

③對于可能的故障原因③，可通過加工指令G99（每轉(zhuǎn)進(jìn)給）和G98（每分鐘進(jìn)給）切換來判別，如果G98進(jìn)給切削正常而G99進(jìn)給切削不正常，即為該原因所致。對于可能的故障原因③也可利用示波器檢查PZ和*PZ信號，確認(rèn)是否是因?yàn)橹鬏S編碼器一轉(zhuǎn)信號輸出故障造成。

④如果以上故障成因均已排除，則需檢查系統(tǒng)或主軸放大器，需送售后服務(wù)進(jìn)一步檢測維修。

基本任務(wù)2　螺紋加工時出現(xiàn)“亂扣”、螺距不準(zhǔn)現(xiàn)象的故障排查

1.控制原理分析

一般的螺紋加工需要經(jīng)過幾次切削才能完成，每次重復(fù)切削時，開始的進(jìn)刀位置必須相同。為了保證重復(fù)切削不亂扣，數(shù)控系統(tǒng)在接收到主軸編碼器的一轉(zhuǎn)信號后才開始螺紋切削的計算。

2.故障成因分析及排查

當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)接收到的一轉(zhuǎn)信號不穩(wěn)時，就會出現(xiàn)“亂扣”、螺距不準(zhǔn)等現(xiàn)象。

①檢查主軸編碼器是否存在連接不良，將兩端連接頭連接處插緊。

②檢查是否存在主軸編碼器的一轉(zhuǎn)信號PZ和*PZ不良或連接電纜斷開。

③排除主軸編碼器信號線受到干擾，檢查確認(rèn)信號線屏蔽完好，確保兩端的屏蔽街頭可靠接地。

④檢查主軸編碼器內(nèi)部太臟或編碼器本身出現(xiàn)問題，必要時更換主軸編碼器。

⑤從機(jī)械方面檢查絲杠有無竄動，主軸跳動是否過大，機(jī)械傳動是否穩(wěn)定，負(fù)載是否松動，刀架定位是否準(zhǔn)確。

⑥如果以上故障成因均已排除，還出現(xiàn)“亂扣”現(xiàn)象，則需檢查系統(tǒng)或主軸放大器，需送售后服務(wù)進(jìn)一步檢測維修。

基本任務(wù)3　螺紋加工時，出現(xiàn)起始段螺紋“亂扣”的故障排查

故障現(xiàn)象：某配套FANUC系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，主軸采用變頻器驅(qū)動，在執(zhí)行G92車削螺紋時，出現(xiàn)起始段螺紋“亂扣”的現(xiàn)象。

1.控制原理分析

同于基本任務(wù)1的控制原理分析，數(shù)控車床螺紋加工的實(shí)質(zhì)就是主軸旋轉(zhuǎn)與Z軸進(jìn)給之間的插補(bǔ)。“亂扣”是由于主軸與Z軸的進(jìn)給不能實(shí)現(xiàn)同步引起的。

螺紋加工時，出現(xiàn)起始段螺紋“亂扣”現(xiàn)象是由于該機(jī)床使用變頻器作為主軸驅(qū)動裝置，主軸速度為開環(huán)控制，在不同的負(fù)載下，主軸的啟動時間不同，且啟動時的主軸速度不穩(wěn)，轉(zhuǎn)速有相應(yīng)變化，導(dǎo)致了主軸與Z軸的進(jìn)給不能實(shí)現(xiàn)同步引起。

2.故障排除

分別采用下述兩種方法解決上述故障：

①在主軸旋轉(zhuǎn)指令（M03）之后，螺紋加工指令G92之前增加G04延時指令，以保證在主軸速度穩(wěn)定后在開始進(jìn)行螺紋切削加工。

②更改螺紋加工程序的起始點(diǎn)，使其離開工件一段距離，保證在主軸速度穩(wěn)定后，再接觸工件，開始進(jìn)行螺紋切削加工。

◎思考題

1.主軸位置編碼器的作用有哪些？主軸編碼器發(fā)出的信號有哪些？

2.當(dāng)主軸采用變頻器驅(qū)動時其主軸編碼器的連接與采用FANUC主軸模塊時有何不同？

子任務(wù)4　數(shù)控機(jī)床主軸準(zhǔn)?？刂乒δ芗肮收咸幚?/p>

◎任務(wù)提出

主軸準(zhǔn)停功能又稱為主軸定向功能，即當(dāng)主軸停止時，控制其停于固定位置。主軸準(zhǔn)停功能的作用主要有：

1.自動換刀的數(shù)控銑鏜類機(jī)床，為保證準(zhǔn)確地自動換刀，主軸必須停止在某一固定的位置上，從而保證刀柄上的鍵槽必須與主軸的凸鍵對準(zhǔn)，防止換刀時出現(xiàn)撞刀現(xiàn)象；

2.在精鏜時為不使刀尖劃傷已加工的表面，切削完畢后主軸定向停止，并在定向的反方向偏移一個微小量（一般取0. 5～1. 0 mm）后返回；

3.多功能數(shù)控車床在圓柱面或端面進(jìn)行銑槽等特殊加工時，要求先進(jìn)行主軸準(zhǔn)?？刂疲缓笾鬏S旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給軸的插補(bǔ)控制，即C軸控制。

那么數(shù)控機(jī)床上主軸準(zhǔn)停功能是如何實(shí)現(xiàn)的？主軸準(zhǔn)?？刂七^程中又有哪些常見故障？這些常見故障該如何排除呢？

◎任務(wù)目標(biāo)

1.理解主軸準(zhǔn)?？刂乒δ艿暮x和作用；2.了解主軸準(zhǔn)停功能的實(shí)現(xiàn)方法；

3.能夠進(jìn)行常見故障的分析處理。

◎相關(guān)知識

一、主軸準(zhǔn)停控制形式簡介

當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)接收到準(zhǔn)停命令M19或機(jī)床面板主軸準(zhǔn)停信號（點(diǎn)動主軸準(zhǔn)停開關(guān)），主軸按規(guī)定的速度（定向速度）旋轉(zhuǎn)，當(dāng)檢測到主軸一轉(zhuǎn)信號后，主軸旋轉(zhuǎn)一個固定角度（可以通過參數(shù)修改）停止。

主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)有兩種方式，即機(jī)械式與電氣式。機(jī)械方式采用機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)或光電盤方式進(jìn)行粗定位，然后有一個液動或氣動的定位銷插入主軸上的銷孔或銷槽實(shí)現(xiàn)精確定位，完成換刀后定位銷退出，主軸才開始旋轉(zhuǎn)。采用這種傳統(tǒng)方法定位，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在早期數(shù)控機(jī)床上使用較多。而現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床大多采用電氣方式實(shí)現(xiàn)主軸的準(zhǔn)?？刂啤?/p>

在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中主要采用下述3種方式實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂?，見圖6. 29所示。

圖6.29　主軸準(zhǔn)停控制裝置

1.通過主軸電機(jī)內(nèi)裝傳感器實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停控制

利用主軸電動機(jī)內(nèi)裝傳感器發(fā)出的主軸速度、主軸位置信號及主軸一轉(zhuǎn)信號實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂疲@種方式適用于主軸電動機(jī)與主軸直連或1∶1傳動的場合。

2.主軸外接主軸獨(dú)立編碼器實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂?/p>

利用與主軸1∶1連接的主軸編碼器發(fā)出的主軸速度、主軸位置信號及主軸一轉(zhuǎn)信號實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂疲@種方式適用于主軸電動機(jī)與主軸之間有機(jī)械齒輪傳動的場合。

3.通過主軸電動機(jī)內(nèi)裝傳感器和外接一轉(zhuǎn)檢測信號（接近開關(guān)）實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂?/p>

利用主軸電動機(jī)內(nèi)裝傳感器的主軸速度、主軸位置信號及主軸外接—轉(zhuǎn)信號開關(guān)（接近開關(guān)）發(fā)出的主軸一轉(zhuǎn)信號實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停控制，這種方式適用于主軸電動機(jī)與主軸之間有機(jī)械齒輪傳動的場合。

二、主軸準(zhǔn)?？刂乒δ艿膶?shí)現(xiàn)方法

下面以FANUC數(shù)控機(jī)床為例，介紹主軸準(zhǔn)?？刂频膶?shí)現(xiàn)方法。

1.通過主軸電機(jī)內(nèi)裝傳感器實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停控制

這種控制方式主軸電動機(jī)傳感器為帶有一轉(zhuǎn)檢測信號的傳感器，即FANUC系統(tǒng)α系列主軸電動機(jī)MZ系列或αi系列主軸電動機(jī)MZi系列。

圖6.30　主軸電動機(jī)內(nèi)裝傳感器實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停控制

由CNC裝置發(fā)出主軸準(zhǔn)停信號，通過主軸放大器的JY2（α系列主軸模塊）/ JYA2（αi系列主軸模塊）進(jìn)行主軸速度、位置及一轉(zhuǎn)信號反饋。

這種準(zhǔn)?？刂品绞较?，相關(guān)的參數(shù)設(shè)置如表6. 11所示。

表6.11　主軸電機(jī)內(nèi)裝傳感器實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂频南到y(tǒng)參數(shù)設(shè)定

2.主軸外接主軸獨(dú)立編碼器實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂?/p>

這種控制方式主軸電動機(jī)的傳感器為不帶一轉(zhuǎn)檢測信號的傳感器，即FANUC系統(tǒng)α系列主軸電動機(jī)M系列或αi系列主軸電動機(jī)Mi系列。

由CNC裝置發(fā)出主軸準(zhǔn)停信號，通過主軸放大器的JY2（α系列主軸模塊）/ JYA2（αi系列主軸模塊）進(jìn)行主軸電動機(jī)閉環(huán)電流矢量控制，通過JY4（α系列主軸模塊）/ JYA3（αi系列主軸模塊）進(jìn)行主軸位置及一轉(zhuǎn)信號反饋。

圖6.31　主軸外接主軸獨(dú)立編碼器實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停控制

這種準(zhǔn)?？刂品绞较拢嚓P(guān)的參數(shù)設(shè)置如表6. 12所示。

表6.12　主軸外接主軸獨(dú)立編碼器實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂频南到y(tǒng)參數(shù)設(shè)定

3.通過主軸電動機(jī)內(nèi)裝傳感器和外接一轉(zhuǎn)檢測信號（接近開關(guān)）實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂?/p>

這種控制方式主軸電動機(jī)的傳感器為不帶一轉(zhuǎn)檢測信號的傳感器，即FANUC系統(tǒng)α系列主軸電動機(jī)M系列或αi系列主軸電動機(jī)Mi系列。

圖6.32　主軸外接一轉(zhuǎn)信號檢測元件（接近開關(guān)）實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂?/p>

由CNC裝置發(fā)出主軸準(zhǔn)停信號，通過主軸放大器的JY2（α系列主軸模塊）/ JYA2（αi系列主軸模塊）進(jìn)行主軸速度和位置控制，通過JY3（α系列主軸模塊）/ JYA3（αi系列主軸模塊）進(jìn)行主軸一轉(zhuǎn)信號反饋。

這種準(zhǔn)停控制方式下，相關(guān)的參數(shù)設(shè)置如表6. 13所示。

表6.13　主軸外接一轉(zhuǎn)信號檢測開關(guān)實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)?？刂频南到y(tǒng)參數(shù)設(shè)定

三、主軸準(zhǔn)停功能的控制

1.主軸準(zhǔn)停功能控制信號

FANUC 18/18i/21/21i/0i系統(tǒng)主軸定向準(zhǔn)?？刂菩盘枮镚70. 6，定向完成信號為F45. 7。

2.主軸準(zhǔn)停的速度

FANUC 18/18i/21/21i/0i系統(tǒng)主軸定向準(zhǔn)停速度系統(tǒng)參數(shù)為3732。

3.主軸準(zhǔn)停的控制角度

FANUC 18/18i/21/21i/0i系統(tǒng)主軸定向準(zhǔn)?？刂平嵌认到y(tǒng)參數(shù)為4077。

◎任務(wù)實(shí)施

基本任務(wù)　主軸定向準(zhǔn)停過程中常見故障排除

一、主軸不能實(shí)現(xiàn)主軸定向準(zhǔn)?？刂频墓收吓挪?/p>

故障現(xiàn)象：當(dāng)執(zhí)行主軸準(zhǔn)?？刂乒δ苤噶頜19時，主軸靜止不動或執(zhí)行主軸準(zhǔn)停指令時系統(tǒng)就發(fā)出主軸報警。

故障分析查找步驟：

①檢查是否主軸準(zhǔn)停控制參數(shù)設(shè)定與實(shí)際不符。

通過實(shí)際機(jī)床準(zhǔn)停裝置的控制情況，檢查主軸準(zhǔn)?？刂蒲b置與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定是否一致。各種控制形式下相關(guān)的參數(shù)設(shè)定祥見本節(jié)“相關(guān)知識”中的講述。

②通過系統(tǒng)PMC控制程序檢查主軸定向控制信號G70. 6是否滿足。

如果主軸定向控制信號G70. 6不滿足，依據(jù)PMC控制程序檢查造成不滿足的原因。

如主軸定向控制信號G70. 6已滿足，故障原因可能是主軸準(zhǔn)停裝置故障，可用交換法進(jìn)檢查驗(yàn)證。

③如以上原因均可排除，檢查故障原因是否是因主軸放大器控制電路板不良所致，最好用交換法進(jìn)行進(jìn)一步檢查驗(yàn)證。

二、主軸慢轉(zhuǎn)、“定向準(zhǔn)?！辈荒芡瓿傻墓收吓挪?/p>

故障現(xiàn)象：當(dāng)執(zhí)行主軸準(zhǔn)?？刂乒δ苤噶頜19時，主軸以定向速度旋轉(zhuǎn)一直到超時報警。

故障分析查找步驟：

①檢查主軸準(zhǔn)?？刂蒲b置與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定是否一致；各種控制形式下相關(guān)的參數(shù)設(shè)定祥見本節(jié)“相關(guān)知識”中的講述。

②檢查是否因主軸定向裝置接線不良或一轉(zhuǎn)信號不良所致。

仔細(xì)檢查主軸定向裝置的安裝和接線，首先排除因連接不良造成此故障，然后用手緩慢轉(zhuǎn)動主軸（速度一定要慢），用萬用表測量一轉(zhuǎn)信號是否正常。

③檢查故障原因是否是因主軸放大器控制電路板不良所致。

三、主軸定向準(zhǔn)停角度出現(xiàn)偏差的故障排查

故障現(xiàn)象：當(dāng)執(zhí)行主軸準(zhǔn)?？刂乒δ苤噶頜19時，主軸能夠?qū)崿F(xiàn)定向準(zhǔn)?？刂?，但準(zhǔn)停的角度與規(guī)定的角度有偏差。

故障分析查找步驟：

檢查確認(rèn)主軸定向準(zhǔn)停角度出現(xiàn)的偏差是固定的還是隨機(jī)的。

如主軸定向準(zhǔn)停角度出現(xiàn)的偏差是固定，故障原因是參數(shù)設(shè)定不當(dāng)或被修改，重新設(shè)定主軸定向準(zhǔn)停角度參數(shù)4077。

如主軸定向準(zhǔn)停角度出現(xiàn)的偏差是隨機(jī)的，則從以下幾個部分進(jìn)行檢查查找：

①排除機(jī)械方面的原因，如用手旋轉(zhuǎn)一下，主軸則會產(chǎn)生相反方向的位移，則為機(jī)械方面原因，如主軸與主軸齒輪、主軸電動機(jī)軸與電動機(jī)齒輪之間的鍵連接測間隙過大。

②主軸位置檢測裝置與機(jī)械連接不良或松動、移位。

③檢查是否因主軸定向裝置不良或一轉(zhuǎn)信號不良所致。

④檢查故障原因是否是因主軸放大器控制電路板不良所致。

當(dāng)然，如上述原因均可排除，故障原因是否是控制系統(tǒng)故障所致，需進(jìn)一步檢查驗(yàn)證。

◎思考題

1.主軸定向的概念是什么？常用的方法和各自的實(shí)現(xiàn)策略是什么？

2.與主軸定向相關(guān)的控制參數(shù)有哪些，簡述其含義。