数控机床主轴旋转异常故障解决方案

摘 要： 主轴切削是数控机床进行加工的主要功能。不仅要求主轴系统提供足够的切削力，而且要保证有非常高的精度和稳定性。在实际生产运行中主轴系统会产生各种故障。本文结合我公司生产实践中的维修案例来介绍主轴发生旋转异常故障时的可能原因及解决方案。

关键词： 数控机床；主轴旋转异常；解决方案

一、概述

现代加工制造业对数控机床的加工精度要求达到了很高的级别。其中主軸系统是影响其加工精度的重要因素之一。这就要求主轴系统不仅转速调节的范围广，输出的扭矩功率足够，还要求在高速运转中具有良好的刚性、抗震性和热稳定性。在生产加工过程中，经常会发生如指令输入主轴不转，主轴实际转速与指令值不符，主轴不能定位或定位不准等异常故障现象。本文结合我公司生产实践中的维修案例，对导致此类故障现象的各类原因及解决方法进行介绍。

二、 主轴系统及组成

主轴系统是数控机床的重要动力装置部分，主要由机械传动机构、主轴驱动系统、主轴机械组件、主轴信号检测装置及其他辅助装置组成。

（1）机械传动机构

一般采用三种传动方式：齿轮变速箱传动、减速皮带传动、伺服电机直接驱动。

（2）主轴驱动系统

主要包括主轴驱动放大器和主轴电机组成：

主轴驱动放大器用于接收操作师傅通过操作面板编程或控制面板手动执行的，包括主轴转速及正反转等功能控制信号，并通过信号转换给予主轴电机相关控制。一般采用变频器或各类数控系统配套的伺服放大器。

主轴电机是主轴驱动的主要执行部件，一般是专用变频电动机或各类数控系统配套的伺服电机。

（3）主轴机械组件

主要包括主轴套筒、主轴、主轴轴承、拉杆、碟形弹簧、拉刀机构等。

（4）主轴信号检测装置

包括电机内置编码器和外置检测主轴实际转速的测速传感器等元器件。用来进行主轴的转速和位置反馈，以及主轴定向等功能信号的检测。

（5）其他辅助装置

主要包括主轴冷却、润滑，主轴松拉刀，高低档切换等控制的各类电磁阀及执行到位的信号检测装置。

它的主要工作原理是驱动系统提供的动力通过传动机构使主轴上或附件铣头上安装的刀具以要求的转速和切削力矩，再配合其他进给轴的运行，对工件进行加工。因此当出现主轴旋转异常时，可以从以下五方面进行分析处理。

三、分析故障原因及排查处理

（1） 主轴机械传动机构有问题

机械传动阻力过大会导致主轴实际转速与指令值存在偏差。

一般如果伴随在达到一定转速时，主轴箱噪声明显异常时，基本可以确定是此方面的问题。需对其进行检查，如果是传动齿轮受损伤有缺齿现象，或磨损导致齿轮啮合间隙过大，需调整或更换齿轮。如果传动皮带松弛需调整松紧度或更换皮带。如轴承拉毛或损坏，需更换。另外齿轮箱润滑不好也会导致此一故障现象发生，平时可注意一下润滑油箱的油量。

（2） 主轴电机本身或驱动放大器输出到主轴电机的动力线有问题。以及主

轴驱动放大器的驱动模块和控制板硬件故障。

一般此种情况会导致手动或执行程序时，主轴不转或实际转速与输入指令值不符，甚至开机就出现系统报警。可以通过测量电机及动力线、测量驱动放大器输出电压及硬件交换法来判断。

（3） 主轴电机编码器及与驱动放大器联接的通信线缆硬件故障或编码器和

主轴联接的机构有问题。

电机内置编码器如果硬件存在故障，或反馈至驱动的通信线缆有故障，其测量反馈信号不正确，会导致主轴转速异常或主轴定向异常。另外，编码器与主轴联接的机构有问题，也会导致此类故障现象发生。日常维修中曾碰到过编码器与主轴连接的弹性联轴节损坏，导致转速反馈有波动的情况。需通过拆检编码器、查看与主轴的联接机构以及替换测试通信线缆来判断处理。

（4）主轴电机上方的检测主轴实际转速的测速传感器有问题。

此装置本身硬件故障或与主轴连接的机构有故障会导致主轴转速异常。在日常维修中，曾有因为测速传感器损坏，导致给定的转速与实际转速相符，但显示单元显示的转速异常的情况。

（5）主轴松拉刀、换挡机构及到位检测装置有问题

如果主轴松拉刀或换挡动作未完成，会出现主轴无法旋转。如果松拉刀或换挡机械动作完成而到位检测信号没有，同样会导致主轴无法旋转。需检查排除是那种原因导致。如是机械动作未完成，需检查相关的电磁阀是否得电，阀芯动作是否正常。如机械动作已完成，检查到位检测信号没有的原因，如检测开关感应不到，需调整感应距离，如损坏，需更换。如是线路原因，进行排除。

四、设备故障维修案例

我公司一台沈阳中捷生产的TK5680立式加工中心，执行加工程序时出现主轴实际转速与输入转速不符的现象，切换到手动模式进行主轴旋转，无论是在高速档还是低速档，只能达到每分钟85转左右，无法进行加工。

针对此一现象从以下五种故障可能性进行排查处理：

（1） 此台设备主轴采用齿轮变速箱传动。拆开主轴外面罩壳，用手盘动主轴，查看传动机构并无明显的顿挫感，阻力很小，查看齿轮的齿和齿面无缺齿和异常磨损，润滑情况也良好。基本排除机械传动机构出现问题的可能性。

（2） 检查主轴电机编码器及其与主轴的联接机构，并无异常。编码器也很干净，没有油污等会影响编码器反馈信号输出的东西。编码器到主轴驱动放大器的通信线缆故障发生比较常见，通过用同型号电缆替代的方法，排除了可能性。

（3） 此设备检测主轴实际转速的测速传感器在主轴上方，如图一所示。通过开机后用手盘主轴，反馈的转速与实际转速在显示单元上可以看到基本一致，排除了其硬件以及与主轴联接机构存在故障的可能性。范围缩小到主轴电机和驱动放大器这一块。

（4） 测量主轴电机，三相平衡和绝缘都正常，主轴电机到驱动放大器的动力线也正常。

（5） 开机，输入不同转速，测量主轴驱动放大器的输出电压，发现无论给定多少转，输出电压始终不变化。确定主轴驱动模块或控制板出现问题。把此一驱动模块上的控制板取下后放入其它配备同系统设备的驱动放大器中使用，没有出现故障，排除控制板出现故障的可能性。拆下驱动模块，如图二所示。

用万用表欧姆档测量确定是IGBT模块损坏（IGBT模块如图三）。

更换相同型号模块，在线测量，静态阻值正常。上电运行，消除故障现象，恢复设备正常运行。

五、 结束语

数控机床主轴旋转异常的故障现象有很多种，导致的原因也不尽相同，本文以日常维修中遇到的此类故障的一种现象为例，介绍了解决此类故障的维修经验，为数控机床类似故障的处理提供参考。

参考文献

[1]张平亮.《数控机床原理、结构与维修》.

作者简介：梅斌浩（1982～），男，本科，工程师，从事数控设备维修工作。