7.2FANUC主軸驅動系統的故障診斷與維修

FANUC公司生產的主軸驅動系統，主要可以分為直流主軸驅動系統與交流主軸驅動系統兩大類。

直流主軸驅動系統通常用于20世紀80年代以前的數控機床上，多與FANUC 5、6、7系統配套使用。此類機床由于其使用時間己較長，一般都到了故障多發期，但由于當時數控機床的價格通常都比較昂貴，在用戶中屬于大型、精密、關鍵設備，保養、維護通常都較好，因此在企業中繼續使用的情況比較普遍，維修過程中遇到的也較多。

在交流主軸驅動系統方面，FANUC公司作為全世界最早開發交流主軸驅動系統的廠家之一，自1980年成功開發交流主軸系統以來，已經生產了多個系列的交流主軸驅動系統產品。作為數控機床維修中的常見產品，主要有以下幾種：
1)A06B—10**(AC Model 1-40)系列交流主軸電動機與A06B-6044系列交流主軸驅動器配套組成的模擬式交流主軸驅動系統系列產品。該系列主軸驅動系統為FANUC公司80年代初期的常用產品，主要配套的系統有FANUCll、FANUC0、FANUC 6等。
該系列產品驅動器主回路采用PWM控制、大功率晶體管驅動的型式，輸出功率范圍為1.5~37kW。驅動器采用了微處理器數字控制技術，帶有速度、方向、起停控制信號接口與D/A轉換器、實際轉速/轉矩信號輸出、電氣主軸定向準停(附加功能)等功能。驅動器具有良好的響應特性，在整個速度范圍內工作平穩、振動和噪聲較小，其中5.5kW以上的驅動器采用了回饋制動技術，可有效節能。
主軸電動機全封閉的結構型式，硅鋼片直接空氣冷卻，結構緊湊，可以在浮塵、切削液飛濺的場合安全、可靠地工作。2)A06B-10“(ACModell-40)系列交流主軸電動機與A06-6055系列數字式交流主軸驅動器配套組成的數字式交流主軸驅動系統系列產品。該系列產品所使用的主軸電動機與模擬式交流主軸系統相同，但驅動器為數字式。驅動系統在攻螺紋、定位剛性、快速性與操作性能上有了較大的改進，其余性能與模擬式交流主軸系統相似。
3)A06B-07**系列交流主軸電動機與A06-6059系列數字式交流主軸驅動器配套組成的交流主軸驅動系統系列產品。該系列主軸驅動系統為FANUC公司20世紀80年代中期開發的交流主軸改進型產品，主要配套的系統有FANUCll、FANUC0、FANUCl5等。該系列產品可分為S系列(標準型)、P系列(廣域恒功率調速)、H系列(高速潤滑脂)、VH系列(高速油霧潤滑)、HV系列(高電壓輸入)等幾個系列。產品一般與A06-6059系列數字式交流主軸驅動器配套使用，其中，S系列為常用產品，在數控機床上使用最廣。
該系列產品主電動機采用了電磁心定子直冷的冷卻型式，與早期的主軸驅動系統相比，提高了輸出功率與轉速，減小了系統的體積與重量；驅動器采用了更先進的控制技術和電子元器件，進一步提高了系統的性能。驅動系統功能強、可靠性好，在數控機床上得到了廣泛應用，是數控機床維修過程中常見的主軸驅動系統之一。
4)FANUC α/ai系列主軸驅動系統，它是FANUC公司的最新產品，其中αi系列主軸驅動系統為本世紀初開發的最新數控機床主軸驅動系統系列產品，是α系列的改進型。
α/αi系列產品共有標準型α/αi系列、廣域恒功率輸出型αP/αPi系列、經濟型αC/αCi系列、中空型(αT/αTi系列、強制冷卻型αL/αLi系列、高電壓輸入型α(HV)/α(HV)i系列、高電壓輸入廣域恒功率輸出型αP(HV)/αP(HV)i系列、高電壓輸入中空型αT(HV)/αT(HV)i系列、高電壓輸入強制冷卻型αL(HV)/αL(HV)i系列等產品。其中αLi系列最高輸出轉速為20000r/min、α(HV)i系列最大額定輸出功率可達l00kW，可滿足絕大多數數控機床的主軸要求。
該系列產品的主要特點如下：
①通過繞組轉換功能，進一步增加了高速輸出范圍，縮短了加/減速時間，對于αPi系列，其恒功率輸出范圍比α系列擴大了1.5倍。
②采用了最新的定子直接冷卻方式，進一步減小了電動機外型尺寸，提高了輸出功率和轉矩。
③通過精密的鋁合金轉子和嚴格的動平衡，使電動機在高速時振動級達到了V3級。
④可以選擇不同的排風方向，盡可能減小機床熱變形，同時通過最優的冷卻通道設計，進一步改善了冷卻性能。
⑤根據不同的使用要求，主電動機可以選用兩種不同類型的內裝式位置/速度測量裝置。即：具有A/B兩相輸出的Mi型編碼器與具有A/B兩相輸出及零脈沖輸出的Mzi型編碼器，以滿足不同用戶的使用要求。
αi系列產品與α系列相比，其主要性能在以下兩個方面作了改進：
①通過使用高速繞組，提高了高速區的輸出功率，解決了α系列在高速區域(8000-12000r/min)輸出功率下降的問題。
②廣域恒功率輸出型(αPi系列)的電動機額定轉速由750r/min降至為500r/min，使恒功率調速范圍擴大了1.5倍(從1:10.6提高到1:16)。
FANUC α/αi系列數字式主軸驅動系統(驅動器型號為A06-6078/6072系列)一般與FANUC 0C、FANUC l5、FANUC l6/18/20等系列數控系統配套使用。
7.2.1 FANUC直流主軸驅動系統的故障診斷與維修

1.FANUC直流主軸驅動系統的保護功能

為了保證驅動器的安全、可靠運行，FANUC直流主軸伺服系統在出現故障和異常等情況時，設置了較多的保護功能，這些保護功能與直流主軸驅動器的故障檢測與維修密切相關。當驅動器出現故障時，可以根據保護功能的情況，分析故障原因。
(1)接地保護 在伺服單元的輸出線路以及主軸電動機內部等出現對地短路時，可以通過快速熔斷器瞬間切斷電源，對驅動器進行保護。
(2)過載保護 當驅動器、電動機負載超過額定值時，安裝在電動機內部的熱開關或主回路的熱繼電器將動作，對電動機進行過載保護。
(3)速度偏差過大報警 當主軸電動機的速度由于某種原因，偏離了指令速度且達到一定的誤差后，將產生警報，并進行保護。
(4)瞬時過電流報警 當驅動器中由于內部短路、輸出短路等原因產生異常的大電流時，驅動器將發出報警并進行保護。
(5)速度檢測回路斷線或短路報警 當測速發電機出現信號斷線或短路時，驅動器將產生報警并進行保護。
(6)速度超過報警 當檢測出的主軸電動機轉速超過額定值的115％時，驅動器將發出報警并進行保護。
(7)勵磁監控 如果主軸電動機勵磁電流過低或無勵磁電流，為防止飛車，驅動器將發出報警并進行保護。
(8)短路保護 當主回路發生短路時，驅動器可以通過相應的快速熔斷器進行短路保護。
(9)相序報警 當三相輸入電源相序不正確或缺相狀態時，驅動器將發出報警。

2.FANUC直流主軸驅動系統使用注意點

(1)安裝注意事項 FANUC直流主軸伺服系統對安裝有較高的要求，這些要求是保證驅動器正常工作的前提條件，在維修時必須引起注意。
1)安裝驅動器的電柜必須密封。為了防止電柜內溫度過高，電柜設計時應將溫升控制在15ºC以下。電柜的外部空氣引入口，應設置過濾器，并防止從排氣口侵入塵埃或煙霧：電纜出入口、柜門等部分應進行密封，冷卻電扇不要直接吹向驅動器，以免粉塵附著。
維修過程中，必須保證以上部分的完好，確保機床長期可靠工作。
2)電動機維修完成后，進行重新安裝時，要遵循下列原則：
①電動機安裝面要平，且有足夠的剛性。
②電刷應定期維修及更換，安裝位置應盡可能使其檢修容易。
③電動機冷卻進風口的進風要充分，安裝位置要盡可能使冷卻部分的檢修容易。
④電動機應安裝在灰塵少、濕度不高的場所，環境溫度應在40ºC以下。
⑤電動機應安裝在切削液和油不能直接濺到的位置上。
(2)使用檢查 在對主軸驅動系統進行維修前，應進行如下驅動系統工作前的檢查：
①檢查伺服單元和電動機的信號線、動力線等的連接是否正確、牢固，絕緣是否良好。
②驅動器、電柜和電動機是否可靠接地。
③電動機電刷的安裝是否牢靠，電動機安裝螺栓是否完全擰緊。
在維修完成、動作正常后，還應對主軸驅動系統進行工作時的檢查：
①檢查速度指令與電動機轉速是否一致，負載指示是否正常。
②電動機是否有異常聲音和異常振動。
③軸承溫度是否急劇上升等不正常現象。
④電刷上是否有顯著的火花發生痕跡。
對于工作正常的主軸驅動系統，應進行如下日常維護：
①電柜的空氣過濾器每月應清掃一次。
②電柜及驅動器的冷卻風扇應定期檢查。
③建議操作人員每天都應注意主軸電動機的旋轉速度、異常振動、異常聲音、通風狀態、軸承溫度、外表溫度和異常臭味。
④建議使用單位維護人員，每月應對電刷、換向器進行檢查。
⑤建議使用單位維護人員，每半年應對測速發電機、軸承、熱管冷卻部分、絕緣電阻進行檢測。
3．FANUC直流主軸驅動系統的故障診斷
(1)主軸電動機不轉 引起主軸不轉的原因主要有：
①印制電路板不良或表面太臟。
②觸發脈沖電路故障，晶閘管無觸發脈沖產生。
③主軸電動機動力線斷線或電動機與主軸驅動器連接不良。
④機械聯接脫落，如高//氐檔齒輪切換用的離合器嚙合不良。
⑤機床負載太大。
⑥控制信號未滿足主軸旋轉的條件，如轉向信號、速度給定電壓未輸入。
(2)電動機轉速異常或轉速不穩定 引起電動機轉速異常或轉速不穩定的原因有：
①D/A轉換器故障。
②測速發電動斷線或測速機不良。
③速度指令電壓不良。
④電動機不良，如：勵磁喪失等。
⑤電動機負荷過重。
⑥驅動器不良。
(3)主軸電動機振動或噪聲太大引起主軸電動機振動或噪聲太大故障的原因有：
①電源缺相或電源電壓不正常。
②驅動器上的電源開關設定錯誤(如：50/60Hz切換開關設定錯誤等
③驅動器上的增益調整電路或顫動調整電路的調整不當。
④電流反饋回路調整不當。
⑤三相電源相序不正確。
⑥電動機軸承存在故障。
⑦主軸齒輪嚙合不良或主軸負載太大。
(4)發生過流報警 引起過流報警可能的原因有：
①驅動器電流極限設定錯誤。
②觸發電路的同步觸發脈沖不正確。
③主軸電動機的電樞線圈內部存在局部短路。
④驅動器的+15V控制電源存在故障。
(5)速度偏差過大 引起速度偏差的原因有：
①機床切削負荷太重。
②速度調節器或測速反饋回路的設定調節不當。
③主軸負載過大、機械傳動系統不良或制動器未松開。
④電流調節器或電流反饋回路的設定調節不當。
(6)熔斷器熔絲熔斷 引起熔斷器熔絲熔斷的原因主要有：
①驅動器控制印制電路板不良(此時，通常驅動器的報警指示燈LEDl亮)。
②電動機不良，如：電樞線短路、電樞繞組短路或局部短路，電樞線對地短路等等。
③測速發電機不良(此時，通常驅動器的報警指示燈LEDl亮)。
④輸入電源相序不正確(此時，通常驅動器的報警指示燈LED3亮)。
⑤輸入電源存在缺相。
(7)熱繼電器保護 這時驅動器的LED4燈亮，表示電動機存在過載。
(8)電動機過熱 這時驅動器的LED4燈亮，表示電動機連續過載，導致電動機溫升超過。
(9)過電壓吸收器燒壞 通常情況下，它是由于外加電壓過高或瞬間電網電壓干擾弓起的。
(10)運轉停止 這時驅動器的LED5燈亮，可能的原因有電源電壓太低、控制電源存在故障等。
(11)LED2燈亮 驅動器的LED2燈亮，表示主電動機勵磁喪失，可能的原因是勵磁斷線、勵磁回路不良等。
(12)速度達不到最高轉速 引起電動機速度達不到最高轉速的原因主要有：
①電動機勵磁電流調整過大。
②勵磁控制回路存在不良。
③晶閘管整流部分太臟，造成直流母線電壓過低或絕緣性能降低。
(13)主軸在加/減速時工作不正常 造成此故障的原因主要有以下幾種：
①電動機加/減速電流極限設定、調整不當。
②電流反饋回路設定、調整不當。
③加/減速回路時間常數設定不當或電動機/負載間的慣量不匹配。
④機械傳動系統不良。
(14)電動機電刷磨損嚴重或電刷面上有劃痕造成電動機電刷磨損嚴重或電刷面上有劃痕的原因有：
①主軸電動機連續長時間過載工作。
②主軸電動機換向器表面太臟或有傷痕。
③電刷上有切削液進入。
④驅動器控制回路的設定、調整不當。

4．FANUC直流主軸驅動系統的調整與測試

在FANUC直流主軸驅動裝置上，設有調整電位器與測試端，供驅動器性能調整與維修檢測時使用。
對于FANUC常用的直流主軸驅動(A208-0008-0371~0377)各調整電位器以及測試端的含義見表7-1及表7-2。
表7-1 FANUC直流主軸驅動器調整電位器一覽表
代 號 作 用 調整值 備 注
RVl 速度指令電壓增益 4.5~5.5刻度 最高轉速時為10V
RV2 速度給定偏移調節 5刻度 0轉速時為0~±5mV
RV3 實際速度調整 使實際轉速與給定一致
RV4 齒輪換檔速度 1刻度 對應轉速時為0.3V
RV6 負載表調節 額定負載時，輸出5V
RV7 速度環偏移調節 5~6.5刻度 0轉速時，電動機不轉
RV8 速度環增益調節 5~7刻度 全部范圍，電動機不振蕩
RV9 轉矩限制 決定于機床要求
RVl0 電流檢測偏移 5~8刻度
RVll 電流極限設定 決定于電動機
RVl2 電流相位補償 3~6刻度 決定于電動機
RVl3 電流增益 5刻度
RVl4a、b、c 電流相位補償 50Hz/lms，60Hz/1.2ms
RVl5a、b、c 同步脈沖平衡 4.5~6.5刻度 在±0.1ms內振蕩
RVl6 電樞電壓 7~9.5刻度 最高轉速時輸出DC220V
RVl7 勵磁電流調節 7.5~9.5刻度 1000r/min時為6.8A
RVl8 輸出限制 10刻度 6.2V(標準)
RVl9 電樞電壓限制 AC210V時為DC220V
RV20 速度到達檢測電平 3.5~4.5刻度 通常為515％
RV21 零速檢測電平 1~3刻度 通常為±0.75％~1.5％


表7-2 FANUC直流主軸驅動器測試端一覽表
端 子 測量內容 備 注 端 子 測量內容 備 注
CHla、b、c 0V CHl6 方向給定信號 十6.2V或-0.6V
CH2 +5V CHl7 同步信號 10ms脈沖
CH3 +15V CHl8a、b、c 觸發脈沖顯示 脈沖信號
CH4 -15V CHl9 勵磁電流反饋 6.8A時為-6.2V
CH5 +24V CH20 電樞電壓反饋 220V時為—6.2V
CH6 勵磁監控 CH21 勵磁電流給定電壓 0~6.8V
CH7 DAC輸出電壓 最高轉速時為10V CH22 磁場同步信號 10ms脈沖
CH8 外部給定電壓 與給定轉速對應 CH23 磁場觸發脈沖顯示 脈沖信號
CH9 齒輪換檔速度 CH24 實際電流反饋電壓
CHl0 測速反饋標準電壓 最高轉速時為10V CH25 電流指令電壓 最大電流時為8V
CHll 測速反饋電壓絕對值 最高轉速時為10V CH26 正組禁止
CHl2 速度給定電壓 0轉速時為0-+10mV CH27 反組禁止
CHl3 電流極限設定 通常為-6.2V CH28 速度到達電平 在115％時，為1.5V
CHl4 標準電流反饋電壓 最大電流時為0．4V CH29 零速電平 在1.5％時，為150mV
CHl5
相位給定 工作時：0.5~9.5V
停止時：50Hz/2.7V；
60Hz/4.0V
CH30
電流給定極限
±2.6V為極限電流值