數控機床主軸反饋系統實用案例分析

楊 愷

（中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，黑龍江哈爾濱 150066）

0 引言

分析數控機床主軸反饋系統作用和主軸反饋系統故障實例，找出故障原因和維修方法。

1 主軸反饋系統作用

現在的數控機床通常需要對主軸位置進行控制，區別于主軸電機的編碼器，安裝有獨立的編碼器，功能如下：①檢測主軸轉速；②實現主軸準停；③實現主軸分度；④實現每分鐘進給；⑤實現每轉進給；⑥實現剛性攻絲[1]。

2 主軸反饋系統故障

2.1 主軸編碼器聯軸器松動

STC-1000 五軸加工中心，數控系統是SIEMENS 840D PL，主軸獨立編碼器為HEIDENHAIN ROD1030。

自動運行程序時，主軸轉速達不到指令值（1000 r/min），并且顯示的轉速值波動很大，機床并不報警，但程序不能向下執行。

主軸的實際轉速由編碼器ROD1030 檢測，速度值波動大，起初懷疑信號傳輸電纜有問題，打開電纜接頭，內部很干凈，沒有污染。在各個速度下運轉主軸，發現轉速低于200 r/min 時，實測轉速能達到指令值，高于200 r/min，實測轉速逐漸波動，并且與指令值差距越來越大。因此判斷編碼器沒有故障，只是存在“丟轉”的情況。檢查編碼器與主軸的連接情況，該編碼器通過一個彈性聯軸節與主軸旋轉部件連接，編碼器的軸插進聯軸器的孔內，徑向一個頂絲頂住編碼器軸。發現頂絲已經松動，擰緊后，主軸轉速顯示正常，程序運行正常。

因為之前編碼器與主軸發生了不同步轉動，主軸定向位置已經改變。不能進行自動換刀，通過調整主軸參數〔34090〕，恢復主軸正常定向位置。該故障是因為編碼器與主軸的連接不緊，低速時聯軸器與編碼器軸的摩擦力能夠保證編碼器不“丟轉”，一旦主軸速度提高，編碼器與主軸不能同步，就出現故障。

2.2 主軸編碼器光柵進油污染

THK46100 加工中心，數控系統FANUC 18M，主軸獨立編碼器：FANUC Positioncoder Unit A860-0309-T302。

機床自動換刀時主軸定向位置不正常，導致換刀不能完成。機床多次執行主軸定向指令，發現主軸轉動的速度不正常，比較慢，而且主軸每次停止時的位置都不一樣。

首先懷疑編碼器與主軸連接不好，編碼器軸與主軸采用鍵連接，檢查沒有問題。反饋電纜外觀完好沒有破損，與電機動力線距離較遠，不太可能是電磁干擾。因此決定檢查一下編碼器本身，拆下編碼器后，打開外殼，發現編碼器內部有大量的油，使用酒精徹底清潔后，安裝好編碼器，主軸定向功能正常。再使用NC 參數4077 調整定向位置，保證ATC（AUTO TOOL CHANGE，自動換刀）功能順利完成。

該故障是因為主軸編碼器受到污染，導致反饋信號不正常，主軸的定向功能不能正常執行。多數主軸編碼器使使用光電原理工作的，對污染比較敏感，要注意防范。

2.3 主軸編碼器插頭進切削液污染

數控車床CK6185，數控系統SIEMENS 810D，機床主軸發生不受控的轉動，速度較慢。該機床的控制面板上有控制主軸正反轉的按鈕，起初懷疑是按鈕故障導致主軸旋轉，經過檢查，按鈕沒有問題。機床在手動和使用指令控制主軸旋轉時，均能正常轉動。故障現象出現時也沒有規律，只是速度較慢，且機床沒有報警。

該機床主軸安裝有獨立編碼器，用于主軸定位，德國海德漢產品ROD486。使用儀器檢測編碼器，信號指標正常。我們斷開編碼器與后續電纜的連接插頭，發現插頭內部進入了切削液。使用壓縮空氣吹干插頭內的切削液，重新連接，機床的故障沒再出現。

海德漢的編碼器的電纜通常不是一根電纜直接連到電氣柜內部，一般都有一個圓形接頭，見圖1。

該接頭有一定的防水能力，但長時間浸泡，液體還是會進入接頭內部。電纜可能是12芯或17 芯，有直流5 V的電源線，很多是低壓高頻的數據線，這些線之間的短路或對地的短路，會造成比較奇怪的故障現象，短路的情況不同，故障現象也不一致，通常讓維修人員難以理解。檢查數據電纜接頭進水是比較簡單易行的，可以在類似的故障發生時先進行，避免維修過程走彎路，耽誤時間。

圖1 電纜接頭

2.4 主軸編碼器損壞

（1）VDF800 數控車，數控系統是SIEMENS 810M，主軸編碼器在一次事故中碰撞損壞，機床報警：2260 Control loop spindle hardware.損壞的編碼器為西門子6FX2001-2CB02 PPR1024。因為沒有同型號編碼器更換，采用西門子6FX2001-2CF00 PPR5000 替代。2 個編碼器的外形尺寸完全一樣。

安裝新編碼器后，機床報警消除，但運轉時主軸的實際轉速與指令要求不一致。這是因為2 個編碼器的PPR 值（每轉脈沖數）不一致，機床參數與新編碼器不匹配導致。更改機床參數4590 和4591。

改參數步驟：①按操作鍵；②輸入密碼：1111；③按下軟鍵［DIAGNOSIS］；④按向右擴展鍵〉；⑤按下軟鍵［NC MD］；⑥按下軟鍵［SPINDLE DATE］；⑦使用方向鍵找到參數4590、4591；⑧2 個參數原值是1024，改成5000。改完參數后，機床恢復正常。

（2）SIP5000 機床是一臺立式鏜床，數控系統是SIEMENS 840D PL，在一次故障中，主軸編碼器損壞，編碼器是HEIDENHAIN ROD486 1024，因為沒有同型號備件，我們用HEIDENHAIN ROD486 2500 更換。2 個編碼器的外形尺寸完全一樣。

因為損壞的編碼器每轉脈沖數（PPR）是1024，而替換編碼器是2500，所以需要更改相應的參數。

在START UP 菜單里找到主軸參數，參數31020[1]：1024 改為2500；參數36918 ：1024 改為2500。重新啟動機床，參數生效，轉動主軸沒有問題。但是主軸定向位置不正，不能換刀，需要通過主軸參數34090 調整定向位置。完成定向調整后，機床恢復正常。

2.5 更換主軸編碼器注意事項

（1）替代編碼器與原編碼器的信號類型必須一致，否則數控系統不能接受。上述2 個故障中編碼器的信號類型一致，都是1 VSS，這是替代件能使用的最重要的前提。

（2）替代編碼器的外形尺寸與原編碼器最好完全一樣，這樣在安裝上就非常容易。如果使用尺寸不一樣的替代件，工作量會增加很多。

（3）2 個故障都用每轉脈沖數（PPR）多的編碼器替代PPR少的編碼器，每轉脈沖數（PPR）代表編碼器的檢測分辨率，脈沖數多的分辨率高。用精度高的編碼器代替精度低的編碼器可以保證機床精度沒有損失（前提是編碼器適合數控系統），如果用精度低的編碼器代替精度高的，就要考慮是否合適。

（4）更換編碼器后相關參數要做調整，必要時主軸定向要重新校正。

3 結束語

數控機床主軸反饋系統的故障通常都伴隨著與主軸相關的報警，或者主軸的控制狀態異常。掌握主軸控制環路的構成、編碼器的原理以及各個數控系統的相關參數，才能高效的完成維修工作。