伺服主軸系統的故障報警及排除

徐 萍

（江漢大學機電與建筑工程學院 武漢）

1.主軸不明原因發熱

三菱M70B數控系統，主軸電機型號SJ-V22，伺服驅動器MDS-D-SP-240。使用廠家報告數控系統運行時主軸電機發熱，連主軸電機的三相線也發熱燙手，同時車螺紋時發生亂絲故障。

打開主軸運行監視屏，觀察主軸電機的電流和轉速。在顯示屏上觀察到主軸實際速度不穩定，在指令速度1000 r/min時，實際速度總是在990～995 r/min轉跳動，不能穩定在指令速度1000 r/min。

從觀察到的現象分析，因為在主軸空載狀態，不可能是由于負載過大引起電流過大造成的發熱；也與加減速時間無關；可能與相序，干擾，絕緣損壞等因素有關。

（2）故障排除。仔細檢查了機床周邊情況，發現機床使用一臺55 kW的變頻器驅動輔助設備，而且變頻器控制柜與數控系統控制柜是連通的，可以判斷這是一重大干擾因素，變頻器是一大干擾源。

為此將變頻器控制柜與數控系統控制柜完全隔離；將變頻器接地線加粗到16 mm2，將數控系統接地線加粗到16 mm2。重新檢查并加固各控制信號線的屏蔽層接地。做好以上抗干擾措施后，故障消除。

這一案例說明，由于變頻器發出的諧波信號使主軸編碼器信號線受到干擾，發出了錯誤的反饋信號，即所反饋的電機實際速度總是達不到指令速度，所以該伺服驅動器總在不斷地工作，迫使實際速度達到指令速度，這樣就造成了電機的發熱。

一般伺服電機不明原因的發熱，可以同理分析和處理：先排除機械安裝精度方面的問題，可將電機脫開機械連接，觀察空載電流應該在5%以內。排除周圍的干擾源，特別是排除其對編碼器信號線的干擾；（觀察其實際速度的數值是否變化）；將編碼器的電源電纜加粗（達到1 mm2），是有效地措施；提高參數速度環增益的數值，以機床不發生振動嘯叫為標準。

2.數控伺服主軸過熱

（1）系統配置于故障排查。加工中心數控系統是三菱M70B，驅動器型號MDS-D-SP-200，主軸電機型號SJ-V18.5-01ZT。用戶報告該主軸在4000 r/min時可正常工作，電機溫度在30℃。電機在8000 r/min時發熱嚴重，溫度升至80～120℃。此時工作狀態是主軸空轉?，F場觀察，設定主軸速度為4000 r/min，實際主軸速度很快穩定在4000 r/min，溫度30～40℃。設定主軸速度為8000 r/min，實際主軸速度在7990～7999 r/min之間跳動，溫度72～75℃。因為主軸電機空轉沒有發熱現象，所以判斷主軸電機并沒有硬故障。機械精度已經由制造廠家多次測量，保證沒有問題，況且在4000 r/min時能夠正常工作，觀察其空載電流在10%以下，可排除機械系統的安裝精度問題。

查看主軸參數。主軸參數是系統生產商提供的出廠值，到現場后未做調整，而對于主軸伺服電機而言，主軸電機以速度控制為目標，其調節過程是PID調節過程，因此可以調整的參數主要是速度環增益。相當于比例調節系數。

速度環增益參數的調整。速度環增益參數13005=150(標準值)，主軸電機在4000 r/min時可正常工作，溫度=30～34℃，空載電流=7%～10%，速度誤差=0～1 r/min。主軸電機指令轉速在7000 r/min時，空載電流在30%～40% 速度誤差=10～20 r/min，從監視畫面上看，實際速度一直在跳動，不能穩定在指令值范圍。主軸電機指令轉速在8000 r/min時，空載電流在50%～70%，速度誤差=10～20 r/min，從畫面上看，實際速度一直在跳動，不能穩定在指令值范圍，溫度在短時內上升到70℃。

設置速度環增益參數13005=220。逐漸升高主軸速度，主軸電機在7000～7600r/min時，工作正常，當主軸電機在8000r/min時，又出現不正常?？蛰d電流在50%～70%，速度誤差=10～20r/min，從畫面上看，實際速度一直在跳動，不能穩定在指令值范圍，溫度在短時內上升到70℃。

主軸電機在7600 r/min能正常工作，而在8000 r/min就出現異常，對比很明顯。說明修改參數13005（速度環增益）能改善電機運行。問題不在硬件，而在參數上，伺服電機最主要的參數是速度環增益，因此繼續將參數13005（速度環增益）提高。

設定參數13005（速度環增益）=300，主軸電機的工作狀態有了明顯改善。主軸電機在8000 r/min時，空載電流在13%～14%，速度誤差=0～1 r/min，從監視畫面上看，實際速度穩定在指令值范圍，溫度在40℃。

（2）對速度環增益參數影響過程的分析。參數13005是速度環增益，是實際速度跟隨指令速度的能力。當參數13005（速度環增益）=150，而指令速度升高到7600～8000 r/min，在主軸監視畫面觀察到實際速度一直在亂跳，沒有穩定在指令值范圍，這說明主軸伺服電機一直努力使實際速度達到指令速度，但由于速度環增益（速度環增益）不夠，所以，實際速度一直不能達到指令速度，但伺服驅動器一直在執行實際速度跟隨指令速度的動作，所以，主軸電機的電流就異常增大，電流增大溫度就升高，實際表現為：實際速度一直在跳動，電流值升高達50%～70%。電機溫度在80～120℃。

當提高速度環增益參數13005（速度環增益）=300時，伺服主軸電機的實際速度跟隨指令速度的能力提高，實際速度很快就達到指令速度，所以電機工作狀態就正常了。

3.主軸高速旋轉時出現異常振動

（1）基本配置與故障現象。三菱E68數控系統，主軸系統SJ-PF3.7，伺服驅動器MDS-B-SPJ2-3.7。

數控車床主軸在高速（＞3000 r/min）旋轉時，機床出現異常振動。

（2）分析與處理。數控機床的振動與機械系統的設計、安裝、調整以及機械系統的固有頻率、主軸驅動系統的固有頻率等因素有關。但在本機床上，由于發生故障前主軸驅動系統工作正常，可以在高速下旋轉，而且是主軸轉速在＞3000 r/min的任意轉速時均存在振動，所以可以排除機械共振的原因。

檢查機床機械傳動系統的安裝與連接，未發現異常，且在脫開主軸與機床主軸的連接后，從控制面板上觀察主軸轉速、轉矩或負載電流值，其數據有較大的變化。因此可以初步判定，故障在主軸驅動系統的電氣部分。經仔細檢查機床的主軸系統配線，發現機床主軸驅動器的接地線連接不良，將接地線重新連接后，機床恢復正常。

4.屏幕上不能顯示實際主軸速度

三菱M64數控系統，屏幕上不能顯示實際主軸速度。在三菱數控顯示屏的S指令下端有一括號，該括號內顯示的是主軸的實際轉速。如果屏幕上不能顯示實際主軸速度，如果是伺服主軸，則可能是其主軸編碼器信號已經直接接入主軸伺服驅動器，通過總線讀入了控制器內。如果主軸由變頻器或普通電機直接驅動或經過變速箱換擋后，實際的主軸轉速必須由直接連接于絲杠的編碼器檢測，再送入基本I/O板上的同期編碼器接口。同期編碼器必須符合1024P/R的要求。

分析后認為，可能是參數設置不當，正確設置如下：

#3238＝0004（編碼器反饋信號有效）

#3025＝2（對于編碼器串聯型的伺服主軸）

#3025（主軸編碼器的連接選擇）

#3025＝0 （無主軸）

#3025=1（主軸編碼器接在機械端，編碼器信號接入I/O板的同期編碼器插口）

#3025＝2（主軸電機編碼器信號直接接入主軸驅動器）

與#3025有關的參數是#1236，當 #3025＝2時，用#1236選擇R18/R19(主軸實際速度）的脈沖輸入源。當主軸編碼器信號直接接入主軸驅動器內，并使用該信號作為主軸轉速信號時，設置 #1236的bit＝0。使用變頻器驅動或普通電機+減速箱驅動主軸，而且在主軸端加裝了編碼器，以此編碼器檢測主軸電機轉速時，設置 #1236的bit＝1。在I/F診斷畫面上，監視R18/R19，可以觀察實際主軸速度。

5.E60系統無主軸模擬信號輸出

（1）熱處理機床配三菱E60數控系統，使用模擬主軸，但在屏幕上寫入S***指令后 測定其I/O板上的模擬信號輸出口（AO口）卻沒有電壓輸出。故障發生在調試階段。

對于模擬主軸，必須設定主軸相關參數。

#1039=1（有一個主軸）

#3024=2（模擬主軸）

#3237=0004

#3001=額定速度 （模擬信號=DC 10 V時對應的速度）

檢查系統參數，發現沒有設定#3001，由于沒有設定#3001，系統沒有建立起模擬電壓信號與實際速度的對應關系，故系統沒有模擬輸出，必須根據所使用的變頻器規格正確設定#3001（額定速度）。

正確設定以上參數后，在屏幕上設定S1000這樣的主軸指令，在模擬量接口上就可以測量到相應的DC電壓。在顯示屏的I/F畫面可以觀察R108的值，便是對應的實際主軸速度。對模擬主軸，可以用#3001調整其精確的轉速。