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数控车床主轴控制原理及故障排除

作者: 缅甸腾龙 来源: 未知 发布时间:2019-03-07

本文以沈阳华中数控车床为例,对主轴控制原理做一些剖析与讲解(“进给伺服驱动”控制原理部分已在本刊2015年11期“数控车床电气控制原理解析及维修实例”一文中进行了论述),以便维修初学者快速入门。

1. 数控车床主轴驱动系统的特点及要求

主轴控制系统的作用是按程序要求驱动主轴,在数控车床的加工方式中,主轴主要是带动工件旋转,与进给伺服驱动轴相配合,完成切削运动。数控车床对主轴位置精度和速度调节不像要求进给伺服系统那样高,所以执行部件多采用通用交流异步电动机,很少采用价格昂贵的永磁交流伺服电动机,“变频器+交流异步电动机”进行矢量控制、编码器进行速度检测的方式,可以满足一般精度零件加工和车削螺纹的要求,并且调速方便,造价成本相对较低,被广泛采用。沈阳华中数控系统CAK36S型数控车床主轴驱动系统采用此种配置形式。

数控车床的主轴运动是传递主切削力,消耗的功率占到机床总功率的60%左右,所以驱动系统要有足够的功率、刚性好、低转速时要保持足够的转矩;另外,要适应不同加工工艺对主轴转速的要求,如车削螺纹、粗加工及精加工等,需要主轴有较宽的调速范围。

2. 主轴电气控制电路组成与原理解析

下面以沈阳华中数控系统CAK36S型数控车床为例,详细介绍主轴驱动电路的控制原理。

(1)主轴控制电路。主轴控制电路如图1所示。其中变频器采用VACON变频器,三相电源通过空气开关QF1接入,U、V、W外接三相异步主轴电动机,电动机的速度通过数控系统的XS9输出到变频器的“0~10V模拟电压”引脚进行控制,而电动机的转向通过继电器KA4(正转),KA5(反转)触点的闭合接通变频器的8、9脚为低电平进行控制(具体工作模式可以通过变频器的参数进行设置)。

数控车床主轴控制原理及故障排除

图1 主轴控制电气原理图

(2)控制原理。主轴正(反)转控制原理如图2所示。M03指令输入或是按下“手动正转”按钮,数控系统经过译码PLC Y1.0输出,KA4继电器通电,主触点闭合,变频器工作在“正转”模式;M04指令输入或是按下“手动反转”按钮,数控系统经过译码PLC Y1.1输出,KA5继电器通电,主触点闭合,变频器工作在“反转”模式;M05指令输入或是按下“手动停止”按钮,数控系统经过译码,PLC Y1.0、Y1.1无输出,主触点断开,变频器工作在“停止”模式。输出端子接口板如图3所示。

图2 主轴控制原理框图

数控车床主轴控制原理及故障排除

图3 输出端子接口板

数控车床主轴控制原理及故障排除

变频器的第3脚外接KA28继电器的主触点,当此引脚断开,变频器工作在“故障”模式(禁止电动机运转),第4脚的“复位”信号是当故障解除后,数控系统需外加至变频器一个“复位”信号,以便主轴电动机后续能够正常起动,此电路是通过数控系统的PLC输出Y1.6驱动KA19继电器来实现。另外的“零速”信号、“速度到达”和“故障报警”信号反馈至数控系统,作为数控系统决策、调节的依据;其转速是通过安装在主轴上的编码器反馈给数控系统,数控系统接收到转速信号后,再通过输出端口XS9调节0~10V直流模拟电压对转速进行控制。

3. 主轴常见故障类型及原因分析

主轴常见的故障现象有过流、过载、不能旋转及转速不稳等,其原因有电气、机械、外部电网、环境干扰、用户使用及加工参数等方面的原因,故障的类型、原因分析及排除如附表1所示。

4. 维修实例

下面结合一实例说明主轴故障诊断与排除的具体过程。

(1)故障现象及背景。数控实训基地的数控车床(沈阳华中数控系统CAK36S型),秋季开学后,检查机床性能,启动数控系统,按下“主轴正转”按钮发现主轴不能正向旋转。

(2)维修思路。①结合故障发生的背景,初步判断故障的可能原因:了解在什么时候、什么情况下发生的故障,当初有何现象发生等,有助于尽快锁定故障原因。本实例中机床是经过暑假假期后发生故障的,初步判定这和机床假期的长期闲置有关,如暑假多雨、湿度大及电气元件易受潮失效等。②验证机床功能,进一步缩小故障范围:首先,在主轴不能旋转的情况下看刀架是否可以转位?如果刀位也不能旋转则故障多发生于它们的公共电路部分,如输出控制端口、强电电路等,结果没有发现问题;然后确定主轴只是单向不能正转(反转),还是两个方向都不能旋转。发现主轴的反向旋转正常,这就进一步说明故障点只存在于主轴“正转”的单向控制电路中。③诊断故障,锁定故障点:为了进一步快速缩小故障排查范围,以主轴电动机的正(反)转控制继电器KA4(KA5)是否吸合为分界点,用以判断故障点是存在于控制继电器之前还是之后,根据电气控制原理图逐一排查,详细的故障诊断流程如图4所示。

数控车床主轴控制原理及故障排除

图4 主轴不能正(反)转故障诊断流程图

根据图4所示的排查思路,首先发现KA4继电器未吸合(吸合指示灯未亮),再用万用表测量KA4继电器的驱动线圈无电压,进一步通过输出端子板上的指示灯确认输出端子板的N8(507#线,参见图3 输出端子接口板)及通过数控系统菜单查看PLC Y1.0的输出正常,因此确定故障点发生于KA4继电器驱动线圈至输出端子板之间的连接线部分。

(3)故障排除。用螺丝刀旋下输出端口的507#线,发现连接线的“圆柱型”金属接头已经生锈,换上新的接头,用压线钳压牢,开机起动主轴,运转恢复正常。

5. 结语

主轴旋转运动是数控车床的主运动,输出功率大,在使用过程中起动频繁,容易出现故障,因此,主轴故障是数控车床中最为常见的故障之一。对于数控维修人员,能根据故障现象,进行分析、判断故障的部位并进行排除是必备的技能之一,同时也是从业人员岗位职业能力的基本要求。

本文通过对主轴控制原理的阐述及故障维修实例的过程剖析,旨在使读者掌握一种排除主轴故障的理念、思路和方法。当然,主轴故障发生的原因是多方面的,除了电气方面,还有机械、外部干扰及程序加工参数等方面的因素,要想全面熟练掌握主轴的维修技术,以最短的时间找到故障原因并进行排除,需要平时多思、多问、多记、多实践和多积累,只有这样,当我们在工作中遇到突发问题时,才会得心应手、从容面对。

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