數控機床主軸旋轉異常故障解決方案

摘 要： 主軸切削是數控機床進行加工的主要功能。不僅要求主軸系統提供足夠的切削力，而且要保證有非常高的精度和穩定性。在實際生產運行中主軸系統會產生各種故障。本文結合我公司生產實踐中的維修案例來介紹主軸發生旋轉異常故障時的可能原因及解決方案。

關鍵詞： 數控機床；主軸旋轉異常；解決方案

一、概述

現代加工制造業對數控機床的加工精度要求達到了很高的級別。其中主軸系統是影響其加工精度的重要因素之一。這就要求主軸系統不僅轉速調節的范圍廣，輸出的扭矩功率足夠，還要求在高速運轉中具有良好的剛性、抗震性和熱穩定性。在生產加工過程中，經常會發生如指令輸入主軸不轉，主軸實際轉速與指令值不符，主軸不能定位或定位不準等異常故障現象。本文結合我公司生產實踐中的維修案例，對導致此類故障現象的各類原因及解決方法進行介紹。

二、 主軸系統及組成

主軸系統是數控機床的重要動力裝置部分，主要由機械傳動機構、主軸驅動系統、主軸機械組件、主軸信號檢測裝置及其他輔助裝置組成。

（1）機械傳動機構

一般采用三種傳動方式：齒輪變速箱傳動、減速皮帶傳動、伺服電機直接驅動。

（2）主軸驅動系統

主要包括主軸驅動放大器和主軸電機組成：

主軸驅動放大器用于接收操作師傅通過操作面板編程或控制面板手動執行的，包括主軸轉速及正反轉等功能控制信號，并通過信號轉換給予主軸電機相關控制。一般采用變頻器或各類數控系統配套的伺服放大器。

主軸電機是主軸驅動的主要執行部件，一般是專用變頻電動機或各類數控系統配套的伺服電機。

（3）主軸機械組件

主要包括主軸套筒、主軸、主軸軸承、拉桿、碟形彈簧、拉刀機構等。

（4）主軸信號檢測裝置

包括電機內置編碼器和外置檢測主軸實際轉速的測速傳感器等元器件。用來進行主軸的轉速和位置反饋，以及主軸定向等功能信號的檢測。

（5）其他輔助裝置

主要包括主軸冷卻、潤滑，主軸松拉刀，高低檔切換等控制的各類電磁閥及執行到位的信號檢測裝置。

它的主要工作原理是驅動系統提供的動力通過傳動機構使主軸上或附件銑頭上安裝的刀具以要求的轉速和切削力矩，再配合其他進給軸的運行，對工件進行加工。因此當出現主軸旋轉異常時，可以從以下五方面進行分析處理。

三、分析故障原因及排查處理

（1） 主軸機械傳動機構有問題

機械傳動阻力過大會導致主軸實際轉速與指令值存在偏差。

一般如果伴隨在達到一定轉速時，主軸箱噪聲明顯異常時，基本可以確定是此方面的問題。需對其進行檢查，如果是傳動齒輪受損傷有缺齒現象，或磨損導致齒輪嚙合間隙過大，需調整或更換齒輪。如果傳動皮帶松弛需調整松緊度或更換皮帶。如軸承拉毛或損壞，需更換。另外齒輪箱潤滑不好也會導致此一故障現象發生，平時可注意一下潤滑油箱的油量。

（2） 主軸電機本身或驅動放大器輸出到主軸電機的動力線有問題。以及主

軸驅動放大器的驅動模塊和控制板硬件故障。

一般此種情況會導致手動或執行程序時，主軸不轉或實際轉速與輸入指令值不符，甚至開機就出現系統報警。可以通過測量電機及動力線、測量驅動放大器輸出電壓及硬件交換法來判斷。

（3） 主軸電機編碼器及與驅動放大器聯接的通信線纜硬件故障或編碼器和

主軸聯接的機構有問題。

電機內置編碼器如果硬件存在故障，或反饋至驅動的通信線纜有故障，其測量反饋信號不正確，會導致主軸轉速異常或主軸定向異常。另外，編碼器與主軸聯接的機構有問題，也會導致此類故障現象發生。日常維修中曾碰到過編碼器與主軸連接的彈性聯軸節損壞，導致轉速反饋有波動的情況。需通過拆檢編碼器、查看與主軸的聯接機構以及替換測試通信線纜來判斷處理。

（4）主軸電機上方的檢測主軸實際轉速的測速傳感器有問題。

此裝置本身硬件故障或與主軸連接的機構有故障會導致主軸轉速異常。在日常維修中，曾有因為測速傳感器損壞，導致給定的轉速與實際轉速相符，但顯示單元顯示的轉速異常的情況。

（5）主軸松拉刀、換擋機構及到位檢測裝置有問題

如果主軸松拉刀或換擋動作未完成，會出現主軸無法旋轉。如果松拉刀或換擋機械動作完成而到位檢測信號沒有，同樣會導致主軸無法旋轉。需檢查排除是那種原因導致。如是機械動作未完成，需檢查相關的電磁閥是否得電，閥芯動作是否正常。如機械動作已完成，檢查到位檢測信號沒有的原因，如檢測開關感應不到，需調整感應距離，如損壞，需更換。如是線路原因，進行排除。

四、設備故障維修案例

我公司一臺沈陽中捷生產的TK5680立式加工中心，執行加工程序時出現主軸實際轉速與輸入轉速不符的現象，切換到手動模式進行主軸旋轉，無論是在高速檔還是低速檔，只能達到每分鐘85轉左右，無法進行加工。

針對此一現象從以下五種故障可能性進行排查處理：

（1） 此臺設備主軸采用齒輪變速箱傳動。拆開主軸外面罩殼，用手盤動主軸，查看傳動機構并無明顯的頓挫感，阻力很小，查看齒輪的齒和齒面無缺齒和異常磨損，潤滑情況也良好。基本排除機械傳動機構出現問題的可能性。

（2） 檢查主軸電機編碼器及其與主軸的聯接機構，并無異常。編碼器也很干凈，沒有油污等會影響編碼器反饋信號輸出的東西。編碼器到主軸驅動放大器的通信線纜故障發生比較常見，通過用同型號電纜替代的方法，排除了可能性。

（3） 此設備檢測主軸實際轉速的測速傳感器在主軸上方，如圖一所示。通過開機后用手盤主軸，反饋的轉速與實際轉速在顯示單元上可以看到基本一致，排除了其硬件以及與主軸聯接機構存在故障的可能性。范圍縮小到主軸電機和驅動放大器這一塊。

（4） 測量主軸電機，三相平衡和絕緣都正常，主軸電機到驅動放大器的動力線也正常。

（5） 開機，輸入不同轉速，測量主軸驅動放大器的輸出電壓，發現無論給定多少轉，輸出電壓始終不變化。確定主軸驅動模塊或控制板出現問題。把此一驅動模塊上的控制板取下后放入其它配備同系統設備的驅動放大器中使用，沒有出現故障，排除控制板出現故障的可能性。拆下驅動模塊，如圖二所示。

用萬用表歐姆檔測量確定是IGBT模塊損壞（IGBT模塊如圖三）。

更換相同型號模塊，在線測量，靜態阻值正常。上電運行，消除故障現象，恢復設備正常運行。

五、 結束語

數控機床主軸旋轉異常的故障現象有很多種，導致的原因也不盡相同，本文以日常維修中遇到的此類故障的一種現象為例，介紹了解決此類故障的維修經驗，為數控機床類似故障的處理提供參考。

參考文獻

[1]張平亮.《數控機床原理、結構與維修》.

作者簡介：梅斌浩（1982～），男，本科，工程師，從事數控設備維修工作。