数控机床主轴驱动系统与维修
第五章数控机床主轴驱动系统与维修数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统，它的性能直接决定了加工工件的表面质量，因此，在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得很重要。
本章主要内容：
——介绍数控机床主轴驱动系统组成及特点、分类等；
——介绍了通用变频器及典型系统变频主轴的连接线路、相关参数等；
——简介了通用变频主轴、伺服主轴的主要故障及处理方法，并介绍了一些维修实例。
5．1 概述
数控机床主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统(CNC)的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。它包括主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削刀具旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。
5.1.1 数控机床对主轴驱动系统的要求
机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在20纪60-70年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求：
1、调速范围宽并实现无极调速
为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。
目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1∶100，恒功率调速范围也可达1∶30，一般过载1.5倍时可持续工作达到30min。
主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。
2、恒功率范围要宽
主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分级无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。
3、具有4象限驱动能力
要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1秒内从静止加速到6000r/min。
4、具有位置控制能力
即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。
5、具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。
数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。采用带传动时应采用齿型带。应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距，以提高主轴的组件的刚性。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。侧面定心的花键对降低噪声更为有利，因为这种定心方式传动间隙小，接触面大，但加工需要专门的刀具和花键磨床。
6、良好的抗振性和热稳定性。
数控机床加工时，可能由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因引起冲击力和交变力，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。主轴系统的发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。因此，主轴组件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。
5.1.2 主轴系统分类及特点
全功能数控机床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统根据控制方式的不同主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮(以获得更大的转矩)带动主轴旋转。另外根据主轴速度控制信号的不同可分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类。模拟量控制的的主轴驱动装置采用变频器实现主轴电动机控制，有通用变频器控制通用电机和专用变频器控制专用电
机两种形式。目前大部分的经济型机床均采用数控系统模拟量输出+变频器+感应（异步）电机的形式，性价比很高，这时也可以将模拟主轴称为变频主轴。串行主轴驱动装置一般由各数控公司自行研制并生产，如西门子公司的611系列，日本发那克公司的α系列等。
1、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱
这是最经济的一种方法主轴配置方式，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。
2、普通笼型异步电动机配简易型变频器
可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。
这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都不要求的场合，例如数控钻铣床。国内生产的简易型变频器较多。
3、通笼型异步电动机配通用变频器
目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100—200转/分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。
4、专用变频电动机配通用变频器
一般采用有反馈矢量控制，低速甚至零速时都可以有较大的力矩输出，有些还具有定向甚至分度进给的功能，是非常有竞争力的产品。以先马YPNC系列变频电动机为例，电压：三相200V、220V、380V、400V可选；输出功率：1.5-18.5KW；变频范围2-200Hz；（最高转速r/min）；30min150%过载能力；支持V/f控制、V/f+PG （编码器）控制、无PG矢量控制、有PG矢量控制。提供通用变频器的厂家以国外公司为主，如：西门子、安川、富士、三菱、日立等。
中档数控机床主要采用这种方案，主轴传动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在100—200r/min左右时车、铣的重力切削。一些有定向功能的还可以应用与要求
精镗加工的数控镗铣床，若应用在加工中心上，还不很理想，必须采用其他辅助机构完成定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求。
5、伺服主轴驱动系统
伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的特点，还可以实现定向和进给功能，当然价格也是最高的，通常是同功率变频器主轴驱动系统的2--3倍以上。伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工。
6、电主轴
电主轴是主轴电动机的一种结构形式，驱动器可以是变频器或主轴伺服，也可以不要驱动器。电主轴由于电机和主轴合二为一，没有传动机构，因此，大大简化了主轴的结构，并且提高了主轴的精度，但是抗冲击能力较弱，而且功率还不能做得太大，一般在10KW以下。由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展，一般在10000r/min以上。
安装电主轴的机床主要用于精加工和高速加工，例如高速精密加工中心。另外，在雕刻机和有色金属以及非金属材料加工机床上应用较多，这些机床由于只对主轴高转速有要求，因此，往往不用主轴驱动器。
就电气控制而言，机床主轴的控制是有别于机床伺服轴的。一般情况下，机床主轴的控制系统为速度控制系统，而机床伺服轴的控制系统为位置控制系统。换句话说，主轴编码器一般情况下不是用于位置反馈的（也不是用于速度反馈的），而仅作为速度测量元件使用，从主轴编码器上所获取的数据，一般有两个用途，其一是用于主轴转速显示；其二是用于主轴与伺服轴配合运行的场合（如螺纹切削加工，恒线速加工，G95转进给等）。
注：当机床主轴驱动单元使用了带速度反馈的驱动装置以及标准主轴电机时，主轴可以根据需要工作在伺服状态。此时，主轴编码器作为位置反馈元件使用。5.2 通用变频主轴驱动装置及维修
随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴电动机配变频器控制的方式。目前作为主轴驱动装置市场上流行的变频器有德国西门子公司、日本三肯、安川等。下面以西门子（MM420）为例，讲解模拟量控制主轴运动装置的工作原理、端部接线、功能参数的设定、相关数控系统参数的设定及维修技术。
MM420西门子的供电电源电压为三相交流（380V至480V）或单相交流（200V 至240V），具有现场总线接口的选件，功率范围：0.12KW～11KW ；控制：线性v/f 控制特性，多点设定的v/f控制特性，FCC（磁通电流控制）。过程控制：内置PI 控制器。输入：3个数字输入，1个模拟输入。输出：1个模拟输出，1个继电器输
出。与自动化系统的接口：是SIMATIC S7-200,SIMATIC S7-300/400（TIA）或SIMOTION自动化系统的理想配套设备。MM420变频器接线方框图如下：
图5-1 MM420变频器接线方框图
1）变频器主电路
主电路的功能是将固定频率（50-60HZ）的交流电转换成频率连续可调（0-400HZ）的三相交流电，包括交-直电路、制动单元电路及直交电路。MM420变
频器主电路输入端子有三相或单相可选，为L、N或L1、L2、L3，输出端子为U、V、W。
2）变频器控制回路功能及端子接线
掌握变频器控制回路接线端子功能在维修中是非常重要的，西门子变频器的控制端子有开关量输入控制端子（5、6、7、8），主要用于控制电机的正反向运行等功能；模拟量输入端子（3、4），主要用于控制接受0-10V的模拟量信号；报警信号输出（10、11）。其中多功能端子5、6、7的具体功能是分别由变频器参数P0701、P0702、P0703等设定，以数控系统802C为例，根据西门子802C PLC程序的主轴控制输出特点，其相应的端子功能设定如下表：
表5.1 变频器控制端子功能设定参数
3）变频器输入接线实际使用注意事项:
（1）根据变频器输入规格选择正确的输入电源。
（2）变频器输入侧采用断路器(不宜采用熔断器)实现保护,其断路器的整定值应按变频器的额定电流选择而不应按电动机的额定电流来选择。
（3）变频器三相电源实际接线无需考虑电源的相序。
（4）面板上的SDP 有两个 LED，用于显示变频器当前的运行状态
变频器输出接线实际使用注意事项：
（1）输出侧接线须考虑输出电源的相序。若相序错误，将会造成主轴电机反转，机床不能正常加工而报警。
（2）实际接线时,决不允许把变频器的电源线接到变频器的输出端。若接反了，会烧毁变频器。
（3）一般情况下,变频器输出端直接与电动机相连,无需加接触器和热继电器。
4）通用变频器常见报警及保护
为了保证驱动器的安全，可靠的运行，在主轴伺服系统出现故障和异常等情况时，设置了较多的保护功能，这些保护功能与主轴驱动器的故障检测与维修密切相关。当驱动器出现故障时，可以根据保护功能的情况，分析故障原因。
?接地保护
在伺服驱动器的输出线路以及主轴内部等出现对地短路时，可以通过快速熔断器间切断电源，对驱动器进行保护。
?过载保护
当驱动器、负载超过额定值时，安装在内部的热开关或主回路的热继电器将动作，对进行过载保护。
?速度偏差过大报警
当主轴的速度由于某种原因，偏离了指令速度且达到一定的误差后，将产生报警，并进行保护。
?瞬时过电流报警
当驱动器中由于内部短路、输出短路等原因产生异常的大电流时，驱动器将发出报警并进行保护。
?速度检测回路断线或短路报警
当测速发电动机出现信号断线或短路时，驱动器将产生报警并进行保护。
?速度超过报警
当检测出的主轴转速超过额定值的115%是，驱动器将发出报警并进行保护。
?励磁监控
如果主轴励磁电流过低或无励磁电流，为防止飞车，驱动器将发出故障并进行保护。
?短路保护
当主回路发生短路时，驱动器可以通过相应的快速熔断器进行短路保护。
?相序报警
当三相输入电源相序不正确或缺相状态时，驱动器将发出报警。
变频器出现保护性的故障时（也叫报警），首先通过变频器自身的指示灯以报警的形式反映出内容，具体说明见表8.2。
表5.2 变频器常见报警
5.3 西门子数控系统与主轴装置的连接
802C系统的ENC最多控制3个模拟坐标轴和一个模拟主轴。
1、西门子802C数控系统和MM420变频器的连接
图5-2 西门子802C数控系统和MM420变频器的连接
802C系统通过X7轴接口中的A04/GND4模拟量输出端口可控制主轴转速，当系统接受主轴旋转指令后，在输出口输出0-10V的模拟量电压，同时PLC输出Q0.0、Q0.1控制主轴装置的正反转及停止，一般定义高电平有效，这样当Q0.0输出高电平时可控制主轴装置正转, Q0.0、 Q0.1 同时为高电平时,主轴装置反转,二者都为低电平时,主轴装置停止停转。
数控系统X5口接受主轴编码器反馈回来的信号，主要用来速度检测和螺纹切削加工，对于普通主轴变频器和系统的连接除了硬件上接线外，系统和变频器的参数设置也非常重要。
2、802D数控系统中变频器与611U伺服驱动的连接
802D数控系统配置变频主轴时,变频器0-10V的指令电压是通过611UE的X411端口上的75.A和15给出的,正反转指令是通过X453端口上的Q0.A和Q1.A给出的，具体接线如下：
图5-3 802D数控系统中变频器与611U伺服驱动的连接
3、802C系统主轴相关参数设置
根据不同的机床类型，通过设定主轴参数，使机床具有各种丰富的功能。主轴参数正确与否，直接影响机床的正常运行如果。采用交流电机加变频器，或者采用伺服主轴；在加工螺纹或每转进给编程时，则机床数据MD30130设为1。MD30134为1时，Q0.0=伺服使能，Q0.1=负方向运行，也就是当Q0.0=1时主轴正转，Q0.0=1、Q0.1=1时，主轴反转。当MD30134=2时，Q0.0=伺服使能正方向运行，Q0.1=伺服使能负方向运行。
表5.3 802C系统主轴相关参数
轴
参数号
参数名单位轴值参数定义
30130 CTRLOUT-TYPE SP 1/0 有/无-10V~10V模拟量输出
30134 IS-UNIPOLAR-
OUTPUT SP 0 双极性主轴Q0.0和Q0.1可
以由PLC使用
1 单极性主轴Q0.0和Q0.1不
可以由PLC使用
2 单极性主轴Q0.0和Q0.1不
可以由PLC使用
30200 NUM-ENCS 0 主轴有/无编码器反馈30240 ENC-TYPE SP 2 主轴带测量系统类型31020 ENC-RESOL SP 1024 编码器每转脉冲数32260 RATED VELO RPM SP 3000 主轴额定转速
36200 AX VELO LIMIT MM/M
IN SP 3
3000
主轴最大监控速度
36300 MA ENC FPEQ
LIMIT HZ SP 5
5000
主轴监控频率
表述，具体内容参看调试说明书。
5.4 华中世纪星HNC-21TF系统主轴的连接
华中世纪星HNC-21TF系统的XS9为主轴控制接口，包括主轴速度模拟电压指令输出和主轴编码器反馈输入，其信号定义如下表图1-1。
图5-4 HNC-21TF 系统主轴接口
表5.4 主轴接口引脚说明
信号名说明
SA+、SA- 主轴编码器A相位反馈信号
SB+、SB- 主轴编码器B相位反馈信号
SZ+、SZ- 主轴编码器Z脉冲反馈
+5V、-5V地DC5V电源
AOUT1 主轴模拟量指令-10V~+10V输出
AOUT2 主轴模拟量指令0~+10V输出
GND 模拟量输出地
系统与变频器的连接如下：
图5-5 主轴变频器与CNC(华中世纪星)系统连接图
系统通过XS9 主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速，其中AOUT1 的输出范围为-10V +10V ，用于双极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用使能信号控制主轴的启停；AOUT2 的输出范围为0+10V，用于单极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用主轴正转、主轴反转信号控制主轴的正反转，负载电流：最大10mA；主轴编码器连接通过主轴接口XS9，可外接主轴编码器用于螺纹切割攻丝等，本数控装置可接入两种输出类型的编码器，差分TTL方波或单极性TTL 方波，一般建议使用差分编码器从而确保长的传输距离的可靠性及提高抗干扰能力，主轴编码器接口电源输出： +5V 最大200mA 。
1、主轴启停
主轴启停控制由PLC承担，标准铣床PLC 程序和标准车床PLC 程序中关于主轴启停控制的信号如下表所示。
表5.5 主轴启停PLC接口信号
这样当Y1.0 接通时可控制主轴装置正转,Y1.1 接通时,主轴装置反转,二者都不接通时,主轴装置停止旋转。在使用某些主轴变频器或主轴伺服单元时也用Y1.0 Y1.1 作为主轴单元的使能信号。
2、主轴速度控制
HNC-21通过XS9主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速，其中AOUT1的输出范围为-10V +10V用于双极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用使能信号控制主轴的启、停；AOUT2的输出范围为0+10V，用于单极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用主轴正转、主轴反转信号控制主轴的正、反转和停止。
3、主轴换档控制
主轴自动换档通过PLC 控制完成, 标准铣床PLC程序和标准车床PLC程序中关
于主轴换档控制的信号如下表所示。
表5.6 自动换档PLC接口信号
输出开关量
主轴一档到位Y1.4 Y1.4
XS20 012 7
主轴二档到位Y1.5 Y1.5 013 19
主轴三档到位Y1.6 014 6
主轴四档到位Y1.7 015 18
5.5 FANUC 0i Mate 数控系统主轴驱动的连接
FANUC 0i Mate系统主轴控制可分为主轴串行输出/主轴模拟输出（Spindle serial output/Spindle analog output）。用模拟量控制的主轴驱动单元（如变频器）和电动机称为模拟主轴，主轴模拟输出接口只能控制一个模拟主轴。按串行方式传送数据（CNC给主轴电动机的指令）的接口称为串行输出接口；主轴串行输出接口能够控制两个串行主轴，必须使用FANUC的主轴驱动单元和电动机。
1、FANUC 0i MateC 数控系统模拟主轴的连接如下图：
图5-6 802C系统与变频器的连接
系统与主轴相关的系统接口有：
JA40：模拟量主轴的速度信号接口（0~10V），CNC输出的速度信号（0-10V）与变频器的模拟量频率设定端连接，控制主轴电机的运行速度。
JA7A：串行主轴/主轴位置编码器信号接口，当主轴为串行主轴时，与主轴变
频器的JA7B连接，实现主轴模块与CNC系统的信息传递；当主轴为模拟量主轴时，该接口又是主轴位置编码的主轴位置反馈接口。
2、FANUC Oi Mate主轴相关参数
表5.7 FANUC Oi Mate主轴相关参数
1）FANUC 0i的模拟主轴设置和siemens802s/c的模拟主轴设置基本类似，也可以分为单极性主轴和双极性主轴。单/双极性主轴的设置首先通过CNC主轴参数3706#6、#7设置极性。
TCW、CWM为主轴速度输出时电压极性。
其次，通过变频器参数选择频率控制输入信号的类型，以FUJI FRENIC-Multi 为例，设置F01为1。
F01，C30 分别是频率设定１，频率设定２
选择频率设定的设定方法。
?通过端子 12 输入两极（DC0～±10V）的模拟电压时，请将功能代码 C35 设置为0。C35 的数据为 1 时仅 DC0～+10V 有效，负极输入 DC0～-10V 视为 0(零)V。
?端子 C1 通过接口印刷电路板上的开关 SW7 和功能代码 E5 的设定，可作为电流输入(C1 功能)或电压输入（V2 功能）使用。
?除了本设定以外，还有优先级较高的设定手段（通信、多段频率等）。
有关详情，请参照「FRENIC-Multi 用户手册」。
2）参数 NO.3735设定主轴电机最低箝制速度，参数 NO.3736设定主轴电机最高箝制速度，设定数据的范围为：0～4095。
但是，主轴电机箝制速度的设定并不是一直有效的，如果指定了恒表面速度控制功能或GTT（NO.3706.＃4），这两个参数无效。在这种情况下，不能指定主轴电机的最大箝制速度。但是可以由参数NO.3772（第一轴）、NO.3802（第二轴）、NO.3822（第三轴）设定主轴最大速度。
3）数控机床一般采用手动换档和自动换档两种方式，前一种方式是在主轴停止后，根据所需要的主轴速度人工拨动机械档位至相应的速度范围；后者，首先执行S功能，检查所设定的主轴转速，然后根据所在的速度范围发出信号，一般采用液压方式换到相应的档位。所以在程序当中或使用MDI方式，S功能应该写在M3（M4）之前，在某些严格要求的场合，S指令要写在M3（M4）的前一行，使机床能够先判断、切换档位后启动主轴。对手动换档机床，当S功能设定的主轴速度和所在档位不一致时，M3（M4）若写在S功能前，可以看到主轴首先转动，然后立即停止，再报警的情况，这对机床有一定的伤害。因此，应注意书写格式。对每一个档位，都需要设置它的主轴最高转速，这是由参数 NO.3741 、NO.3742、NO.3743和NO.3744（齿轮档1、2、3和4的主轴最高转速）所设定的，它们的数据单位是min-1，数据范围：0～32767。显然，参数的设置是和实际机床的齿轮变比有关系，当选定了齿轮组后，相应的参数也就能够设定了。如果M系选择了T型齿轮换档（恒表面速度控制或参数GTT（NO.3706#4）设定为1），还必须设定参数NO.3744。即使如此，刚性攻丝也只能用3档速度。档位的选择，由参数 NO.3751（档1～档2切换点的主轴电机速度）、参数 NO.3752（档2～档3切换点的主轴电机速度）决定，其数据范围：0～4095，其设定值为：
这两个参数的设定要考虑到主轴电机转速和扭矩。另外，要注意在攻丝循环时的档位切换有专用的参数：参数 NO.3761（攻丝循环时档1～档2切换点的主轴电机速度）、参数 NO.3762（攻丝循环时档1～档2切换点的主轴电机速度），其数据单位：rpm，数据范围：0～32767。而不由参数 NO.3751、 NO.3752决定。
5)主轴速度到达信号SAR是CNC启动切削进给的输入信号。
该信号通常用于切削进给必须在主轴达到指定速度后方能启动的场合。
此时，用传感器检测主轴速度。所检测的速度通过PMC 送至CNC。
当用梯形图连续执行以上操作时，如果主轴速度改变指令和切削进给指令同时发出时，则CNC 系统会根据表示以前主轴状态（主轴速度改变前）的信号SAR，错误启动切削进给。为避免上述问题，在发出S指令和切削进给指令后，对SAR 信号进行延时监测。延迟时间由参数No.3740 设定。
使用SAR 信号时，需将参数No.3708 第0 位（SAR）设定为1。
当该功能使切削进给处于停止状态时，诊断画面上的No.06（主轴速度到达检测）保持为1。
5.6 串行数字控制的主轴驱动装置的连接
不同数控系统的串行数字控制的主轴驱动装置是不同的，下面以FANUC公司产品系列为例，说明主轴驱动装置的功能连接及设定、调整。
图5-7 Fanuc 0i主轴连接示意图
5.3.1 电源模块原理及作用(FANUC系统α系列)
图5-8 电源模块主电路
电源模块将L1、L2、L3输入的三相交流电（200V）整流、滤波成直流电（300V），为主轴驱动模块和伺服模块提供直流电源；200R、200S控制端输入的交流电转换成直流电（DC24V、DC5V），为电源模块本身提供控制回路电源；通过电源模块的逆块把电动机的再生能量反馈到电网，实现回馈制动。
1、FANUC系统α系列电源模块的端子功能
图5-9 FANUC 的α系列的电源模块
①DC Link盒：直流电源（DC300V）输出端，该接口与主轴模块、伺服模块的直流输入端连接。
②状态指示窗口（ＳＴＡＴＵＳ）：
ＰＩＬ（绿色）表示电源模块控制电源工作
ＡＬＭ（红色）表示电源模块故障
－－表示电源模块未启动
ＯＯ表示电源模块启动就绪
＃＃表示电源模块报警信息
③ＣＸ１Ａ控制电路电源输入200V、3.5A
④ＣＸ１Ｂ：交流２００ｖ输出，该端口与主轴模块的
⑤ＣＸ２Ａ/ＣＸ２Ｂ：均为ＤＣ＋２４Ｖ输出
数控机床主轴故障维修
数控机床主轴故障维修 数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统，它的性能直接决定了加工工件的表面质量，它结构复杂，机、电、气联动，故障率较高，它的可靠性将直接影响数控机床的安全和生产率。因此，在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得很重要。 维修人员根据维修单，到现场进行故障询问调查，确定维修方案、拟定维修工作计划、计划工时和费用；通过查阅数控机床PLC的相关显示界面和电路原理图、数控系统和就变频器说明书等维修资料，分析故障原因；使用通用工具及万用表，检测判断故障部位，在机床现场快速排除故障，填写维修记录并交接验收。 主轴相关知识 数控机床主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统(CNC)的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。它包括主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削刀具旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。 主轴系统分类及特点 全功能数控机床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统根据控制方式的不同主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮(以获得更大的转矩)带动主轴旋转。另外根据主轴速度控制信号的不同可分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类。模拟量控制的的主轴驱动装置采用变频器实现主轴电动机控制，有通用变频器控制通用电机和专用变频器控制专用电机两种形式。目前大部分的经济型机床均采用数控系统模拟量输出+变频器+感应（异步）电机的形式，性价比很高，这时也可以将模拟主轴称为变频主轴。串行主轴驱动装置一般由各数控公司自行研制并生产，如西门子公司的611系列，日本发那克公司的α系列等。 1、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱 这是最经济的一种方法主轴配置方式，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。 2、普通笼型异步电动机配简易型变频器 可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围
数控机床主轴箱设计
数控机床主轴箱设计
毕业设计（论文）任务书
摘要 主轴箱为数控机床的主要传动系统，它包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通车床的主轴箱比较，相对来说比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无级调速的范围，以满足一定恒功率、和转速的问题。 本设计采用北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，最高转速是4500r/min。通过给定的技术参数来初步设定部分轴、齿轮等单元的结构尺寸，对传动系统进行理论力学分析，精确计算选定尺寸及材料，由电机转速传动至进给系统的参数反馈，校核所选定主轴和转动轴尺寸的合理性完成整体结构设计，最后对齿轮进行了验算以及V型带的、离合器的选择与计算。 通过本次设计，使数控机床结构更加紧凑，性能更加优越，生产加工更加精密，有利于改善数控机床的性能，使得产品的加工更加高效。 关键词：数控机床；主轴箱；交流调速电动机；BESK-8
Abstract For the spindle box of NC machine tool main transmission system which comprises a motor, the transmission system and the spindle, it with ordinary lathe spindle box is relatively simple, only two or three stage gear transmission system, it is mainly used to expand the range of stepless speed regulation of motor, to meet a certain constant power, and speed problems. This design uses the Beijing CNC equipment factory of type BESK-8 AC spindle motor, maximum speed is 4500r / min. Through the given technical parameter to set an initial portion of the shaft, gear unit size, the transmission system of theoretical mechanics analysis, accurate calculation of the selected size and material, the motor speed drive to the feed system parameters feedback, check the selected spindle and rotary shaft size is reasonable to complete the overall structure design, assembly drawing and parts graph.
(完整版)数控车床主轴设计
绪论 随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求，传统机床已不能满足要求。数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，在国内外都受到高度重视。 现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。可以说，机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。 本课题的目的和意义在于通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过设计分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计、计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计学习查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件。
一、设计题目及参数 1.1 题目 本设计的题目是数控车床的主轴组件的设计。它主要由主轴箱，主轴，电动机，主轴脉冲发生器等组成。我主要设计的是主轴部分。 主轴是加工中心的关键部位，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中要多加注意。主轴前后的受力不同，故要选用不同的轴承。 1.2参数 床身回转空间400mm 尾架顶尖与主轴端面距离1000mm 主轴卡盘外径Φ200mm 最大加工直径Φ600mm 棒料作业能力50～63mm 主轴前轴承内和110～130mm 最大扭矩480N·m 二、主轴的要求及结构 2.1主轴的要求 2.1.1旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷，低转速的条件下，主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。 主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔的的制造，装配和调整精度。还决定于主轴转速，支撑的设计和性能，润滑剂及主轴组件的平衡。 通用（包括数控）机床的旋转精度已有标准规定可循。 2.1.2 静刚度 主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和预紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。 各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。 2.1.3抗振性 主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。 振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。
(数控加工)数控机床主轴驱动系统故障维修例精编
（数控加工）数控机床主轴驱动系统故障维修例
数控机床主轴驱动系统故障维修50例 第七章第四课主轴驱动系统故障维修50例[1] 2009-05-1505:55 例301．机床剧烈抖动、驱动器显示AL-04报警 故障现象：壹台配套FANUC6系统的立式加工中心,在加工过程中，机床出现剧烈抖动、交流主轴驱动器显示AL-04报警。 分析和处理过程：FANUC交流主轴驱动系统AL-04报警的含义为“交流输入电路中的P1、F2、F3熔断器熔断”，故障可能的原因有： 1)交流电源输出阻抗过高。 2)逆变晶体管模块不良。 3)整流二极管(或晶闸管)模块不良。 4)浪涌吸收器或电容器不良。 针对上述故障原因，逐壹进行检查。检查交流输入电源，在交流主轴驱动器的输入电源，测得R、S相输入电压为220V，但T相的交流输入电压仅为120V，表明驱动器的三相输入电源存在问题。 进壹步检查主轴变压器的三相输出，发现变压器输入、输出，机床电源输入均同样存在不平衡，从而说明故障原因不在机床本身。 检查车间开关柜上的三相熔断器，发现有壹相阻抗为数百欧姆。将其拆开检查，发现该熔断器接线螺钉松动，从而造成三相输入电源不平衡；重新连接后，机床恢复正常。 例302．驱动器出现报警“A”的故障维修 故障现象：壹台配套FANUC0T的数控车床，开机后，系统处在“急停”状态，显示“NOTREADY”，操作面板上的主轴报警指示灯亮。 分析和处理过程：根据故障现象，检查机床交流主轴驱动器，发现驱动器显示为“A”。 根据驱动器的报警显示，由本章前述可知，驱动器报警的含义是“驱动器软件出错”，这壹报警在驱动器受到外部偶然干扰时较容易出现，解决的方法通常是对驱动器进行初始化处理。在本机床按如下步骤进行了参数的初始化操作： 1)切断驱动器电源，将设定端S1置TEST。 2)接通驱动器电源。 3)同时按住MODE、UP、DOWN、DATASET4个键 4)当显示器由全暗变为“FFFFF”后，松开全部键,且保持1s之上。 5)同时按住MODE、UP键，使参数显示FC-22。 6)按住DATASET键1s之上，显示器显示“GOOD”，标准参数写入完成。 7)切断驱动器电源，将S1(SH)重新置“DRIVE”。 通过之上操作，驱动器恢复正常，报警消失，机床恢复正常工作。
数控机床主轴部件结构
数控机床主轴部件结构 主轴部件是数控机床的核心部件，其运转精确度、耐磨性能、防震性能、机械强度等都会影响到工件加工的质量，再加上操作过程中还会有环境的影响以及人为因素的影响，工件加工的质量就更难得到保证。所以要从可控的方面着手，将一切可控因素都调整到位，比如数控机床的主轴结构设计以及主轴结构的日常维护等。 目前所使用的数控机床类型主要包括数控车床、数控铣床以及工件加工中心。 1.数控车床主轴部件结构特点 （1）主轴的主体结构是一个空心阶梯轴。 （2）主轴的前面部分主要由法兰盘和专门的卡盘结构组成。 （3）主轴的后面部分放置回转油缸。 （4）主轴空心部分用于设置油缸的活塞杆。 （5）车床的传动装置主要有齿轮传动、传送带传送以及齿轮-传送带组合传动等方式。 （6）驱动器主要作用是连接电动机，驱动数控车床的运转。 （7）光电脉冲编码器，用于测量主轴的转动速度，并
及时反馈信息至数控系统。 （8）回转油缸的主要作用是通过调整液压来控制卡盘装置与法兰盘的结合与分离。 2.数控铣床主轴部件结构特点 （1）同数控车床一样，主轴的中心是空心的。 （2）主轴的前面部分是一个比例为7：24的锥型孔洞，并且在端面上设有一对专门的主轴转矩检测装置将主轴转矩数据传输给铣刀。 （3）主轴的后面部分设有液压缸装置用于放松铣刀。 （4）主轴中间的空心部分用于弹簧的安装、以及铣刀固定刀爪的安装等。 （5）主轴的传动装置主要是齿轮传动，而且是变速传动。 （6）电气结构与数控车床相似，驱动器用于连接电动机，驱动数控铣床的运转；光电脉冲编码器，用于测量主轴的转动速度，并及时反馈信息至数控系统；液压缸的主要作用是通过调整液压来控制回路。 3.工件加工中心主轴部件结构特点 工件加工中心主轴部件的大致结构与数控铣床相类似，唯一不同的地方在于工件加工中心自带刀库和自动换刀的装置，自动化程度相对较高，在控制结构上与数控铣刀会有所不同，具体表现在：
数控机床主轴驱动系统故障维修 50 例
数控机床主轴驱动系统故障维修50 例 第七章第四课主轴驱动系统故障维修50 例[1] 2009-05-15 05:55 例301．机床剧烈抖动、驱动器显示AL-04报警 故障现象：一台配套FANUC 6系统的立式加工中心, 在加工过程中，机床出现剧烈抖动、交流主轴驱动器显示AL-04报警。 分析与处理过程：FANUC交流主轴驱动系统AL-04报警的含义为“交流输入电路中的P1、F2、F3熔断器熔断”，故障可能的原因有： 1)交流电源输出阻抗过高。 2)逆变晶体管模块不良。 3)整流二极管(或晶闸管)模块不良。 4)浪涌吸收器或电容器不良。 针对上述故障原因，逐一进行检查。检查交流输入电源，在交流主轴驱动器的输入电源，测得R、S相输入电压为220V，但T相的交流输入电压仅为120V，表明驱动器的三相输入电源存在问题。 进一步检查主轴变压器的三相输出，发现变压器输入、输出，机床电源输入均同样存在不平衡，从而说明故障原因不在机床本身。 检查车间开关柜上的三相熔断器，发现有一相阻抗为数百欧姆。将其拆开检查，发现该熔断器接线螺钉松动，从而造
成三相输入电源不平衡；重新连接后，机床恢复正常。 例302．驱动器出现报警“A”的故障维修 故障现象：一台配套FANUC 0T的数控车床，开机后，系统处在“急停”状态，显示“NOTREADY”，操作面板上的主轴报警指示灯亮。 分析与处理过程：根据故障现象，检查机床交流主轴驱动器，发现驱动器显示为“A”。 根据驱动器的报警显示，由本章前述可知，驱动器报警的含义是“驱动器软件出错”，这一报警在驱动器受到外部偶然干扰时较容易出现，解决的方法通常是对驱动器进行初始化处理。在本机床按如下步骤进行了参数的初始化操作： 1)切断驱动器电源，将设定端S1置TEST。 2)接通驱动器电源。 3)同时按住MODE、UP、DOWN、DATASET4个键 4)当显示器由全暗变为“FFFFF”后，松开全部键, 并保持1s以上。 5)同时按住MODE、UP键，使参数显示FC-22。 6)按住DATASET键1s以上，显示器显示“GOOD”，标准参数写入完成。 7)切断驱动器电源，将S1(SH)重新置“DRIVE” 。 通过以上操作，驱动器恢复正常，报警消失，机床恢复正常工作。 例303．驱动器出现过电流报警的故障维修 故障现象：一台配套FANUC 11M系统的卧式加工中心，在加工时主轴运行突然停止，驱动器显示过电流报警。 分析与处理过程：经查交流主轴驱动器主回路，发现再生制动回路、主回路的熔断器均熔断，经更换后机床恢复正常。但机床正常运行数天后，再次出现同样故障。 由于故障重复出现，证明该机床主轴系统存在问题，根据报警现象，分析可能存在的主要原因有： 1)主轴驱动器控制板不良。 2)电动机连续过载。 3)电动机绕组存在局部短路。 在以上几点中，根据现场实际加工情况，电动机过载的原因可以排除。考虑到换上元器件后，驱动器可以正常工作数天，故主轴驱动器控制板不良的可能性亦较小。因此，故障原因可能性最大的是电动机绕组存在局部短路。 维修时仔细测量电动机绕组的各相电阻，发现U相对地绝缘电阻较小，证明该相存在局部对地短路。 拆开电动机检查发现，电动机内部绕组与引出线的连接处绝缘套已经老化；经重新连接后，对地电阻恢复正常。 再次更换元器件后，机床恢复正常，故障不再出现。 例304．主轴驱动器AL-12报警的维修 故障现象：一台配套FANUC 11M系统的卧式加工中心, 在加工过程中，主轴运行突然停止，驱动器显示12号报警。 分析与处理过程：交流主轴驱动器出现12号报警的含义是“直流母线过电流”，由本章前述可知，故障可能的原因如下：
数控机床主轴箱设计
第一章概述 1.1设计目的 (2) 1.2主轴箱的概述 (2) 第2章主传动的设计 (2) 2.1驱动源的选择 (2) 2.2转速图的拟定 (2) 2.3传动轴的估算 (4) 2.4齿轮模数的估算 (3) 2.5V带的选择 (4) 第3章主轴箱展开图的设计 (7) 3.1各零件结构尺寸的设计 (7) 3.1.1 设计内容和步骤 (7) 3.1.2有关零件结构和尺寸的设计 (7) 3.1.3各轴结构的设计 (9) 3.1.4主轴组件的刚度和刚度损失的计算 (10) 3.1.5轴承的校核 (13) 3.2装配图的设计的概述 (13) 总结 (19) 参考文献 (20)
第一章概述 1-1设计目的 数控机床的课程设计，是在数控机床设计课程之后进行的实践性教学环节。其目的在于通过数控机床伺服进给系统的结构设计，使我们在拟定进给传动及变速等的结构方案过程中得到设计构思、方案分析、结构工艺性、CAD制图、设计计算、编写技术文件、查阅技术资料等方面的综合训练，建立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，培养我们初步的结构设计和计算能力。 1-2 主轴箱的概述 主轴箱为数控机床的主要传动系统它包括电动机、传动系统和主轴部件它与普通车床的主轴箱比较，相对来说比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无级调速的范围，以满足一定恒功率、和转速的问题。 第二章2主传动设计 2-1驱动源的选择 机床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin时调节电枢电压的方法来调速的属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。 根据主轴要求的最高转速4000r/min，最大切削功率5kw，选择北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，最高转速是4500r/min。 2-2 转速图的拟定 根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围Rdp=nmax/nd=3 而主轴要求的恒功率转速范围Rnp=3，远大于交流主轴电动机所能提供的恒功率
数控机床主轴总体设计
目录 1. 绪论 (2) 2. 数控机床主轴总体设计 (3) 2.1数控机床的加工原理 (3) 2.2机床主传动系统设计 (3) 2.2.1机床主传动功率 (3) 2.2.2 主传动的调速围 (4) 2.2.3主传动系统设计要求 (4) 2.2.4 主传动系统电机选择 (6) 2.2.5 主传动分级变速设计 (6) 3. 主轴设计 (8) 3.1 主轴材料的选择及热处理 (8) 3.2 主轴尺寸确定 (8) 3.2.1 主轴前后颈及孔尺寸确定 (8) 3.2.2 主轴部件支承结构选择 (8) 3.3主轴组件设计 (9) 3.3.1主轴组件的性能要求 (9) 3.3.2 主轴轴承的选择……………………………………………………… 10 3.3.3 主轴轴承的预紧及润滑……………………………………………… 11 3.3.4 主轴上齿轮参数确定及键的选择…………………………………… 12 3.3.5 主轴部件结构图……………………………………………………… 13 4. 主轴验算 (14) 4.1 确定弯曲变形的验算条件 (14) 4.1.1刚度标准 (14) 4.1.2主轴的载荷 (15) 4.2三支承主轴刚度验算………………………………………………………
17 5. 设计总结 (19) 6. 参考文献 (20) 1 绪论 在现代制造技术中，数控机床已经用它所显示的效益和巨大潜力，引起世界各国科技界和工业界的普遍重视。发展现代数控机床是当前机械制造业技术改造，技术更新的必由之路，是未来工厂自动化的基础。 数控机床主轴及其部件作为数控机床主要部件的一部分，在数控机床中占据着重要的地位，主轴系统的精度将直接影响到数控加工产品的精度，因此在数控机床设计中当十分注意主轴及其部件的设计。 此次课程设计，主要针对数控车床主传动系统和主轴组件设计，学习和了解数控机床主轴设计的基本思路，理解数控车床主传动系统的传动原理，以及主轴组件选用和数控主轴结构的构成。并熟悉数控机床主轴设计相关计算，了解数控机床设计中的一些验算公式，并对关键部件进行强度或者刚度验算。 通过此次课程设计，应当达到熟悉数控机床主轴系统设计的基本思路，熟练掌握主轴系统设计流程，绘制主轴系统结构装配图和部分零件图，了解设计过程中的必要计算及一些经验公式的运用，初步具备数控机床主轴设计能力。
立式加工中心总体、主轴部件及立柱设计
加工中心总体、主轴部件及立柱设计 摘要 加工中心是一种具有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的高科技产品，综合了数控铣床、数控镗床、数控钻床多功能的加工设备。 基于加工中心的迅速发展，本次毕业设计的任务是设计加工中心总体、主轴部件及立柱。加工中心的总体设计主要是通过设计各部件之间的尺寸联系来满足它们之间的位置关系要求。主轴部件是机床的重要部件之一。它是机床的执行件，其功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，从而完成表面成形运动。主轴部件由主轴及其支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。加工中心立柱主要是对主轴箱起到支承作用，满足主轴Z向运动。根据对立柱的结构、性能及其经济性的要求，采用井字型的内腔结构。 加工中心的设计符合数控机床高速化、高精度化、智能化、系统化与高可靠性等发展趋势。目前，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，广泛应用于机械制造中。 关键词：加工中心，主轴，轴承，立柱
DESIGN OF THE OVERALL , SPINDLE ASSEMBLY AND COLUMN OF MACHININING CENTER ABSTRACT Machining center (MC) is a kind of CNC machine with tool magazine. It can perform the multi-processing of workpiece by change cutting tool automatically. It is the high-tech product developed to adapt to the requirements for effort-saving and time-saving, and the multi-function equipment which integrated CNC milling machine with CNC boring and drilling machines. The tasks of graduation design are to design the overall of machine, the spindle assembly and column. The purpose of MC overall design is to establish the dimension relation between components. Spindle assembly is one of the important parts of the machine. It is the executive pieces, and its function is to support and carry the workpiece or rotary cutting tools, and bear the cutting force. The spindle assembly consists of the spindle and its support, the transmission members, seals and other components mounted on it. The function of MC column is to support the headstock to satisfy the movement of Z-axis. Based on the performance requirements of the structure and the economy, Column is of the cross-type structure inside. The design of MC is consistent with the development trend in high-speed, high precision, intelligent, and high reliability of CNC machine tools. Currently, MC stands for the main development direction of modern machine tool, which is widely used in machine manufacturing. KEYWORDS: machining center, spindle, bearing, column
数控机床故障诊断与维修
数控机床故障诊断与维修 实训报告 系别： 班级： 姓名： 学号： 实训时间：
实训内容项目一主轴传动系统的故障维修与保养任务一变频主轴常见故障维修与保养 任务二伺服主轴常见故障与保养 项目二进给传动系统的故障维修与保养任务一超程故障维修 任务二进给系统电气故障维修 项目三数控系统的故障维修与保养 任务一数据传输与备份 任务二机床无法回参考点故障维修 任务三参数设置 项目四数控机床电气控制故障维修与保养任务一数控车床电气故障排除与保养项目五数控机床的安装与调试 任务一滚珠丝杆的安装与调试 任务二编码器的安装 任务三数控机床性能调试
项目一主轴传动系统的故障维修与保养 一实训目的 1 了解变频主轴的组成 2 熟悉主轴的机械机构及变频器的接线，主要参数意义及设置方法 3 能够进行变频主轴常见故障维修 二实训设备 THWLBF-1 型数控车床维修技能实训考核装置 图1-1THWLBF-1 型数控车床维修技能实训考核装置 本装置由数控车床系统交流伺服模块、变频调速模块、冷却控制模块、刀架控制模块、变压器、网孔板、其它辅助功能模块和十字滑台等组成，通过此设备进行项目训练，能检验学生的团队协作能力，计划组织能力、交流沟通能力、职业素养和安全意识等。
三变频主轴常见故障维修与保养 1．变频器的功能、连接与调试 1）变频器操作面板说明 图1-2 变频器操作面板2）端子接线操作说明 图1-3 变频器接线端子图3）参数设置方法
（ （ （
12 P125 50 可调端子2频率设定增益频率 13 P160 9999 0 扩展功能显示选择 14 P161 0 1 频率设定、键盘锁定操作选择 15 P178 60 60 STF端子功能选择 16 P179 61 61 STR端子功能选择 17 P180 0 0 RL端子功能选择 18 P181 1 1 RM端子功能选择 19 P182 2 2 RH端子功能选择 四伺服主轴常见故障维修与保养 1伺服驱动系统 1)本装置采用FANUC公司的伺服驱动系统，具有如下特点： （1）供电方式为三相200V-240V供电。 （2）智能电源管理模块，碰到故障或紧急情况时，急停链生效，断开伺服电源，确保系统安全可靠。 （3）控制信号及位置、速度等信号通过FSSB光缆总线传输，不易被干扰。 （4）电机编码器为串行编码信号输出。 图1-4 驱动连接图
数控机床主传动系统及主轴设计.
新疆工程学院机械工程系毕业设计（论文）任务书 学生姓名专业班级机电一体化09-11（1）班设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴设计 接受任务日期2012年2月29日完成任务日期2012年4月9日指导教师指导教师单位机械工程系 设 计(论文)内容目标 培养学生综合应用所学的基本理论，基础知识和基本技能进行科学研究能力的初步训练；培养和提高学生分析问题，解决问题能力。通过毕业设计，使学生对学过的基础理论和专业知识进行一次全面地系统地回顾和总结。通过对具体题目的分析和设计，使理论与实践结合，巩固和发展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能。 设计(论文)要求 1．论文格式要正确。 2．题目要求：设计题目尽可能选择与生产、实验室建设等任务相结合的实际题目，完成一个真实的小型课题或大课题中的一个完整的部分。 3．设计要求学生整个课题由学生独立完成。 4．学生在写论文期间至少要和指导老师见面5次以上并且和指导教师随时联系，以便掌握最新论文的书写情况。 论文指导记录 2012年3月1号早上9：30-12：00在教室和XX老师确定题目。2012年3月6日早上10：00-12:00在教室确定论文大纲与大纲审核。2012年3月13日早上10:00-12：00在教室确定论文格式。 2012年3月20日早上9：30-12:00在教室对论文一次修改。 2012年3月27日早上9：30-12:00在教室对论文二次修改。 2012年4月6日早上9：30-12：30在教室对论文三次修改。 2012年4月9日早上9:30-12：00在教室老师对论文进行总评。 参考资料[1]成大先.机械设计手册-轴承[M].化学工业出版社 2004.1 [2]濮良贵纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社 2006.5 [3]李晓沛张琳娜赵凤霞. 简明公差标准应用手册[M].上海科学技术出版社 2005.5 [4]文怀兴夏田.数控机床设计实践指南[M].化学工业出版社 2008.1 [5][日]刚野修一(著). 杨晓辉白彦华(译) .机械公式应用手册[M].科学出版社 2004
床身上最大回转直径400mm的数控车床总体设计及主轴箱的设计
摘要 数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。 本次设计课题是CK6140数控卧室车床，CK是数控车床，61是卧式车床，40是床身上最大工件回转直径为400mm。 此次设计包括机床的总体布局设计，纵向进给设计，其中还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。控制系统部分包括步进电机的选用及硬件电路设计和软件系统设计，说明了芯片的扩展，键盘显示接口的设计等等。 车床适用于车削内外圆柱面，圆锥面及其他基准面，车削各种公制、英制、模数和径节螺纹，并能进行钻孔，铰孔和拉油槽等工作。设计主抽箱主要是从主传动系统的运动设计、主运动部件的结构设计和箱体这三方面进行设计。 主传动系统的运动设计有:确定极限转速、确定公比、确定转速级数、确定结构网和结构式、绘制转速图、确定齿轮齿数和拟定传动系统图。 主运动部件的结构设计有：带传动的设计、确定各种计算转速、确定齿轮模数、确定各轴最小直径和设计部分主轴主件。 关键词：数控机床；开放式数控系统；电动机；纵向进给设计
Abstract The numerical control lathe called the numerical control (Numbercal control, is called NC) the engine bed. It is based on the numerical control, has used the numerical control technology, is loaded with the procedure control system the engine bed. It is by the main engine, CNC, the drive, the numerical control engine bed auxiliary unit, the programming machine and other some appurtenances is composed. This design topic is the CK6140 numerical control bedroom lathe, CK is the numerical control lathe, 61 is the horizontal lathe, 40 is on the lathe bed the biggest work piece rotation diameter is 400mm. This design including the engine bed overall layout design, longitudinal enters for the design, also includes the gear modulus computation and the examination, the main axle rigidity examination and so on. The control system partially including step-by-steps the electrical machinery to select and the hardware circuit design and the software system design, explained the chip expansion, keyboard demonstration connection design and so on. Key word：numerical ；control tool；Open-architecture；motor
数控机床主轴结构的改进和优化设计
数控机床主轴结构的改进和优化设计 严鹤飞 （天水星火机床有限责任公司技术中心 甘肃 天水 741024） 摘 要： 掌握机床主轴的关键部件，安装方式，轴承的调制环节以及材料、操作维护等，并且各种原因中又包含着多种影响因素互相交叉，因此必须对每个影响因素作具体分析。而对于优化设计理论的基本思想及其求解方法，将其应用于机床主轴的结构设计，建立了机床主轴结构优化设计的数学模型，并用内点惩罚函数法求解模型，得到了整体最优的结构设计方案，使机床主轴在满足各种约束要求条件下，刚度最好，材料最省。 关键词：机床主轴；轴承；调整；优化设计；数学模型 在数控机床中，主轴是最关键的部件，对机床起着至关重要的作用，主轴结构的设计首先考虑的是其需实现的功能，当然加工及装配的工艺性也是考虑的因素。 1. 数控机床主轴结构改进： 目前机床主轴设计普遍采用的结构如图1所示。图中主轴1支承在轴承4、5、8上，轴承的轴向定位通过主轴上的三个压块紧锁螺母3、7、9来实现。主轴系统的精度取决于主轴及相关零件的加工精度、轴承的精度等级和主轴的装配质量。在图1中主轴双列圆锥滚子轴承4的内锥孔与主轴1:12外锥配合的好坏将直接影响株洲的工作精度，一般要求其配合接触面积大于75%，为了达到这一要求，除了在购买轴承时注意品牌和等级外，通常在设计时对主轴的要求较高，两端的同轴度为0.005mm，对其相关零件，如螺母3、7、9和隔套6的端面对主轴轴线的跳动要求也较高，其跳动值一般要求在0.008mm以内。对一般压块螺母的加工是很难保证这么高的精度的，因而经常出现主轴精度在装配时超差，最终不得不反复调整圆螺母的松紧，而勉强达到要求，但这样的结果往往是轴承偏紧，精度稳定性差，安装位置不精确，游隙不均匀，造成工作时温升较高，噪音大，震动厉害，影响工件的加工质量和轴承的寿命。但对于重型数控机床用圆锥滚子轴承其承载负荷大，运转平稳，精度调整好时，其对机床的精度保持性较好，可对与轻型及高速机床就不十分有力了。 图1 通用机床主轴结构图 1— 主轴；2—法兰盘；3—圆螺母；4—双列圆柱滚子轴承；5—球轴承 6— 调整垫；7—圆螺母；8—双列圆柱滚子轴承；9-螺母
【数控加工类】数控机床主轴驱动系统与维修精编
（数控加工）数控机床主轴驱动系统与维修
第五章数控机床主轴驱动系统和维修 数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统，它的性能直接决定了加工工件的表面质量，因此，在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得很重要。 本章主要内容： ——介绍数控机床主轴驱动系统组成及特点、分类等； ——介绍了通用变频器及典型系统变频主轴的连接线路、相关参数等； ——简介了通用变频主轴、伺服主轴的主要故障及处理方法，且介绍了壹些维修实例。 5．1概述 数控机床主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统(CNC)的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。它包括主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削刀具旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。 5.1.1数控机床对主轴驱动系统的要求 机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转和进给轴的进给实现刀具和工件的快速的相对切削运动。在20纪60-70年代，数控机床的主轴壹般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求： 1、调速范围宽且实现无极调速 为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，且减少中间传动环节，简化主轴箱。 目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1∶100，恒功率调速范围也可达1∶30，壹般过载1.5倍时可持续工作达到30min。 主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变
数控机床主轴常见的故障以及解决方法
数控机床主轴常见的故障以及解决方法 机床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。机床主轴通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成。 实际应用中主要有两类高速主轴： 一类是具有零传动的高速电主轴，这类主轴因采用电机和机床主轴一体化的结构，并经过精确的动平衡校正，因此具有良好的回转精度和稳定性，但对输出的扭矩和功率有所限制。 另一类是以变频主轴电机与机械变速机构相结合的主轴。这类主轴输出的扭矩和功率要大得多，但相对来说回转精度和平稳性要差一点，因此对于这类主轴来说，如何正确地设计机床主轴及其组件对机床加工精度的影响是至关重要的，也是一般情况下最需要检查的设备。 一、不带变频的主轴不转 故障原因以及处理方法： ①机械传动故障引起：检查皮带传动有无断裂或机床是否挂了空挡。 ②供给主轴的三相电源缺相或反相：检查电源，调换任两条电源线。 ③电路连接错误：认真参阅电路连接手册，确保连线正确。 ④系统无相应的主轴控制信号输出：用万用表测量系统信号输出端，若无主轴控制信号输出，则需更换相关IC元器件或送厂维修。
⑤系统有相应的主轴控制信号输出，但电源供给线路及控制信号输出线路存在断路或是元器件损坏： 用万用表检查系统与主轴电机之间的电源供给回路，信号控制回路是否存在断路；是否存在断路；各连线间的触点是否接触不良；交流接触器，直流继电器是否有损坏；检查热继电器是否过流；检查保险管是否烧毁等。 二、带变频器的主轴不转 故障原因以及处理方法： ①机械传动故障引起：检查皮带传动有无断裂或机床是否挂了空挡。 ②供给主轴的三相电源缺相：检查电源，调换任两条电源线。 ③数控系统的变频器控制参数未打开：查阅系统说明书，了解变频参数并更改。 ④系统与变频器的线路连接错误：查阅系统与变频器的连线说明书，确保连线正确。 ⑤模拟电压输出不正常：用万用表检查系统输出的模拟电压是否正常；检查模拟电压信号线连接是否正确或接触不良，变频器接收的模拟电压是否匹配。 ⑥强电控制部分断路或元器件损坏：检查主轴供电这一线路各触点连接是否可靠，线路有否断路，直流继电器是否损坏，保险管是否烧坏。 ⑦变频器参数未调好：变频器内含有控制方式选择，分为变频器面板控制主轴方式，NC系统控制主轴方式等，若不选择NC系统控制方式，则无法用系统控制主轴，修改这一参数；检查相关参数设置是否合理。 三、换挡主轴转速不受控 故障原因处理方法： ①系统无S01- S04的控制信号输出：检查系统有无换档控制信号输出。若无，则为系统故障，更换IC或送厂维修。 ②连接线路故障：若系统有换档控制信号输出，则检查各连接线路是否存在断路或接触不良，检查直流继电器或交流接触器是否损坏。 ③主轴电机损坏或短路：检查主轴电机。 ④机械未挂档：挂好档位。
数控车床主轴箱设计
数控车床主轴箱设计 一、设计题目 Φ400 毫米数控车床主轴箱设计。主轴最高转速4000r/min ，最低转速30r/min ，计算转速150r/min ，最大切削功率5.5kw 。采用交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min 。 二、主轴箱的结构及作用 主轴箱是机床的重要的部件，是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附加机构的。 主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把运动传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。 主轴箱为数控机床的主要传动系统它包括电动机、传动系统和主轴部件它与普通车床的主轴箱比较，相对来说比较简单只有两极或三级齿轮变速系统，它主要是用以扩大电动机无级调速的范围，以满足一定恒功率、和转速的问题。 三、主传动系设计 机床主传动系因机床的类型，性能，规格尺寸等基本因素的不同，应满足的要求也不一样。再设计时结合具体机床进行具体分析，一般应满足下属基本要求： 1）满足机床使用性能要求。首先应满足机床的运动性能能，如机床的主轴有足够的转速范围和转速级数。传动系设计合理，操纵方便灵活、迅速、安全可靠等。 2）满足机床传递动力要求。主电动机和传动机构能提供和传递足够的功率和转矩，具有较高的传动效率。 3）满足机床工作性能要求。主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度、和抗振性，热变形特性稳定。 4）满足产品设计经济性的要求。传动链尽可能简短，零件数目要少，以节省材料，降低成本。 5）调整维修方便，结构简单、合理、便于加工和装配。防护性能好，使用寿命长。 四、主传动系传动方式 由题目知，我们设计的主轴箱传动方式为交流电动机驱动、机械传动装置的无级变速传动。再者，本题目中对精度要求一般，因此选用集中传动方式。另外主轴箱结构设计只需达到结构紧凑，便于集中操作，安装调整方便即可。 五、电动机的选择 按驱动主传动的电动机类型可分为交流电动机驱动和直流电动机驱动。交流电动机驱动中又可分单速交流电动机或调速交流电动机驱动。调速交流电动机又有多速交流电动机和无级调速交流电动机驱动。无级调速交流电动机通常采用变频调速的原理。 根据设计要求采用交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min 。选用FANUC-S 系列8s 型交流主轴电动机。 六、 计算过程 主轴最高转速4000r/min ，最低转速30r/min ，计算转速150r/min ，最大切削功率5.5kw ； 交流调频主轴电机，其额定转速1500r/min ，最高转速4500r/min ； 主轴要求的恒功率调速范围max 400026.7150 nN i n R n === 电动机的调速范围450031500dN R == 在设计数控机床主传动时，必须要考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机恒功率变速范围，所以在电动机与主轴之间串联一个分级变速箱，以扩大其功率变速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。 根据以上分析，选择交流电动机的型号为： 若取3f dN R ?==，则可得到变速箱的变速级数 99 .2lg /lg ==f nN R Z ψ 所以，Z 可近似取为3，此处我们分别对Z=2、3、4三种情况进行研究，比较。 1） Z=3 根据f nN R Z ψlg /lg =可以得出99.2=f ψ，查表2-5取f ψ的标准值为3.0，dN f R =ψ,即主传动系功率特