伺服主轴系统的故障报警及排除

徐 萍

（江汉大学机电与建筑工程学院 武汉）

1.主轴不明原因发热

三菱M70B数控系统，主轴电机型号SJ-V22，伺服驱动器MDS-D-SP-240。使用厂家报告数控系统运行时主轴电机发热，连主轴电机的三相线也发热烫手，同时车螺纹时发生乱丝故障。

打开主轴运行监视屏，观察主轴电机的电流和转速。在显示屏上观察到主轴实际速度不稳定，在指令速度1000 r/min时，实际速度总是在990～995 r/min转跳动，不能稳定在指令速度1000 r/min。

从观察到的现象分析，因为在主轴空载状态，不可能是由于负载过大引起电流过大造成的发热；也与加减速时间无关；可能与相序，干扰，绝缘损坏等因素有关。

（2）故障排除。仔细检查了机床周边情况，发现机床使用一台55 kW的变频器驱动辅助设备，而且变频器控制柜与数控系统控制柜是连通的，可以判断这是一重大干扰因素，变频器是一大干扰源。

为此将变频器控制柜与数控系统控制柜完全隔离；将变频器接地线加粗到16 mm2，将数控系统接地线加粗到16 mm2。重新检查并加固各控制信号线的屏蔽层接地。做好以上抗干扰措施后，故障消除。

这一案例说明，由于变频器发出的谐波信号使主轴编码器信号线受到干扰，发出了错误的反馈信号，即所反馈的电机实际速度总是达不到指令速度，所以该伺服驱动器总在不断地工作，迫使实际速度达到指令速度，这样就造成了电机的发热。

一般伺服电机不明原因的发热，可以同理分析和处理：先排除机械安装精度方面的问题，可将电机脱开机械连接，观察空载电流应该在5%以内。排除周围的干扰源，特别是排除其对编码器信号线的干扰；（观察其实际速度的数值是否变化）；将编码器的电源电缆加粗（达到1 mm2），是有效地措施；提高参数速度环增益的数值，以机床不发生振动啸叫为标准。

2.数控伺服主轴过热

（1）系统配置于故障排查。加工中心数控系统是三菱M70B，驱动器型号MDS-D-SP-200，主轴电机型号SJ-V18.5-01ZT。用户报告该主轴在4000 r/min时可正常工作，电机温度在30℃。电机在8000 r/min时发热严重，温度升至80～120℃。此时工作状态是主轴空转。现场观察，设定主轴速度为4000 r/min，实际主轴速度很快稳定在4000 r/min，温度30～40℃。设定主轴速度为8000 r/min，实际主轴速度在7990～7999 r/min之间跳动，温度72～75℃。因为主轴电机空转没有发热现象，所以判断主轴电机并没有硬故障。机械精度已经由制造厂家多次测量，保证没有问题，况且在4000 r/min时能够正常工作，观察其空载电流在10%以下，可排除机械系统的安装精度问题。

查看主轴参数。主轴参数是系统生产商提供的出厂值，到现场后未做调整，而对于主轴伺服电机而言，主轴电机以速度控制为目标，其调节过程是PID调节过程，因此可以调整的参数主要是速度环增益。相当于比例调节系数。

速度环增益参数的调整。速度环增益参数13005=150(标准值)，主轴电机在4000 r/min时可正常工作，温度=30～34℃，空载电流=7%～10%，速度误差=0～1 r/min。主轴电机指令转速在7000 r/min时，空载电流在30%～40% 速度误差=10～20 r/min，从监视画面上看，实际速度一直在跳动，不能稳定在指令值范围。主轴电机指令转速在8000 r/min时，空载电流在50%～70%，速度误差=10～20 r/min，从画面上看，实际速度一直在跳动，不能稳定在指令值范围，温度在短时内上升到70℃。

设置速度环增益参数13005=220。逐渐升高主轴速度，主轴电机在7000～7600r/min时，工作正常，当主轴电机在8000r/min时，又出现不正常。空载电流在50%～70%，速度误差=10～20r/min，从画面上看，实际速度一直在跳动，不能稳定在指令值范围，温度在短时内上升到70℃。

主轴电机在7600 r/min能正常工作，而在8000 r/min就出现异常，对比很明显。说明修改参数13005（速度环增益）能改善电机运行。问题不在硬件，而在参数上，伺服电机最主要的参数是速度环增益，因此继续将参数13005（速度环增益）提高。

设定参数13005（速度环增益）=300，主轴电机的工作状态有了明显改善。主轴电机在8000 r/min时，空载电流在13%～14%，速度误差=0～1 r/min，从监视画面上看，实际速度稳定在指令值范围，温度在40℃。

（2）对速度环增益参数影响过程的分析。参数13005是速度环增益，是实际速度跟随指令速度的能力。当参数13005（速度环增益）=150，而指令速度升高到7600～8000 r/min，在主轴监视画面观察到实际速度一直在乱跳，没有稳定在指令值范围，这说明主轴伺服电机一直努力使实际速度达到指令速度，但由于速度环增益（速度环增益）不够，所以，实际速度一直不能达到指令速度，但伺服驱动器一直在执行实际速度跟随指令速度的动作，所以，主轴电机的电流就异常增大，电流增大温度就升高，实际表现为：实际速度一直在跳动，电流值升高达50%～70%。电机温度在80～120℃。

当提高速度环增益参数13005（速度环增益）=300时，伺服主轴电机的实际速度跟随指令速度的能力提高，实际速度很快就达到指令速度，所以电机工作状态就正常了。

3.主轴高速旋转时出现异常振动

（1）基本配置与故障现象。三菱E68数控系统，主轴系统SJ-PF3.7，伺服驱动器MDS-B-SPJ2-3.7。

数控车床主轴在高速（＞3000 r/min）旋转时，机床出现异常振动。

（2）分析与处理。数控机床的振动与机械系统的设计、安装、调整以及机械系统的固有频率、主轴驱动系统的固有频率等因素有关。但在本机床上，由于发生故障前主轴驱动系统工作正常，可以在高速下旋转，而且是主轴转速在＞3000 r/min的任意转速时均存在振动，所以可以排除机械共振的原因。

检查机床机械传动系统的安装与连接，未发现异常，且在脱开主轴与机床主轴的连接后，从控制面板上观察主轴转速、转矩或负载电流值，其数据有较大的变化。因此可以初步判定，故障在主轴驱动系统的电气部分。经仔细检查机床的主轴系统配线，发现机床主轴驱动器的接地线连接不良，将接地线重新连接后，机床恢复正常。

4.屏幕上不能显示实际主轴速度

三菱M64数控系统，屏幕上不能显示实际主轴速度。在三菱数控显示屏的S指令下端有一括号，该括号内显示的是主轴的实际转速。如果屏幕上不能显示实际主轴速度，如果是伺服主轴，则可能是其主轴编码器信号已经直接接入主轴伺服驱动器，通过总线读入了控制器内。如果主轴由变频器或普通电机直接驱动或经过变速箱换挡后，实际的主轴转速必须由直接连接于丝杠的编码器检测，再送入基本I/O板上的同期编码器接口。同期编码器必须符合1024P/R的要求。

分析后认为，可能是参数设置不当，正确设置如下：

#3238＝0004（编码器反馈信号有效）

#3025＝2（对于编码器串联型的伺服主轴）

#3025（主轴编码器的连接选择）

#3025＝0 （无主轴）

#3025=1（主轴编码器接在机械端，编码器信号接入I/O板的同期编码器插口）

#3025＝2（主轴电机编码器信号直接接入主轴驱动器）

与#3025有关的参数是#1236，当 #3025＝2时，用#1236选择R18/R19(主轴实际速度）的脉冲输入源。当主轴编码器信号直接接入主轴驱动器内，并使用该信号作为主轴转速信号时，设置 #1236的bit＝0。使用变频器驱动或普通电机+减速箱驱动主轴，而且在主轴端加装了编码器，以此编码器检测主轴电机转速时，设置 #1236的bit＝1。在I/F诊断画面上，监视R18/R19，可以观察实际主轴速度。

5.E60系统无主轴模拟信号输出

（1）热处理机床配三菱E60数控系统，使用模拟主轴，但在屏幕上写入S***指令后 测定其I/O板上的模拟信号输出口（AO口）却没有电压输出。故障发生在调试阶段。

对于模拟主轴，必须设定主轴相关参数。

#1039=1（有一个主轴）

#3024=2（模拟主轴）

#3237=0004

#3001=额定速度 （模拟信号=DC 10 V时对应的速度）

检查系统参数，发现没有设定#3001，由于没有设定#3001，系统没有建立起模拟电压信号与实际速度的对应关系，故系统没有模拟输出，必须根据所使用的变频器规格正确设定#3001（额定速度）。

正确设定以上参数后，在屏幕上设定S1000这样的主轴指令，在模拟量接口上就可以测量到相应的DC电压。在显示屏的I/F画面可以观察R108的值，便是对应的实际主轴速度。对模拟主轴，可以用#3001调整其精确的转速。