8.1数控机床的主轴控制系统

许多数控机床使用主轴作为辅助装置，如数控车床主轴带动工件旋转，利用不能旋转的车刀加工旋转体的工件;数控加工中心或数控铣床利用主轴带动的旋转刀具加工工件;数控磨床有些会更复杂一些，砂轮主轴带动旋转的砂轮对工件主轴带动的旋转的工件进行磨削。所以，数控机床主轴故障的维修方法和技巧也是数控机床维修人员必须掌握的知识。

8.1.1数控机床主轴分类

虽然不同种类的数控机床采用的主轴类型不同，但总的来说，数控机床的主轴系统有如下四种类型。

1.带有变速齿轮的主传动

主轴电动机的旋转通过变速齿轮降速，增大了输出扭矩，以满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移动大多采用液压缸加拔义，或直接由液压缸来实现。

2.通过皮带传动的主传送

主轴电动机通过皮带或同步齿带传动，不用齿轮传动，从而避免齿轮传动引起的振动和噪声。此类型适用于有高速、低转矩等特性要求的主轴。

3.双电动机分别驱动主轴

高速时通过皮带直接驱动主轴旋转;低速时，由另一个电动机通过齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起降速和扩大变速范围的作用。这样使得恒功率区增大，同时克服了低速时扭矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。

4.电动机与主轴一体化的传动

这种类型的主轴通常也称电主轴，电动机本身就是主轴。这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴影响较大。数控磨床的许多主轴都是采用这种方式，速度可以达到数万转每分钟，一般这种主轴

电动机都采用循环水冷却系统进行冷却。

8.1.2数控机床主轴的调速方式

现代的大部分数控机床的主轴都具有调速功能，主轴调速是按照数控系统的控制指令白动执行的。为了能同时满足对主传动的调速和输出扭矩的要求，数控机床常采用机电结合的方式，即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方式。其中齿轮减速以增大输出扭矩，并利用齿轮换挡来扩大调速范围。

1.电动机调速

用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类。

(1)直流电动机主轴调速由于主轴电动机要求输出较大的功率，所以主轴直流电动机在结构上不适用永磁式，一般使用它激式。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或采用热管冷却技术。

直流主轴电动机一般都采用转速、电流双闭环调速系统控制，可以保证主轴旋转速度的稳定。

(2)交流电动机主轴调速近年来，交流主轴电动机调速系统日益增多。主轴交流电动机多采用鼠笼式感应电动机，使用交流变频控制主轴转速。使用这种调速方式使主轴系统的维护要求和故障率都大大降低。

2.机械齿轮变速

用此种变速方式的机床通常采用电动机无级调速，使主轴齿轮箱的结构大大简化，但其低速段的输出扭矩常常无法满足机床强力切削的要求。因此数控机床常采用1 ^-4挡齿轮变速与电动机无级调速相结合的方式，即所谓分段无级变速。采用机械齿轮减速，增大了输出扭矩，并利用齿轮换挡扩大了调速范围。

机械齿轮白动换挡执行机构是一种电一机转换装置，常采用如下两种方式:

1)液压缸拨义换挡。

2)电磁离合器换挡。

两种方式都是通过数控机床的PLC控制，白动进行换挡。

8.1.3数控机床主轴系统的常见故障

数控机床的主轴系统是一些机床(如数控车床、数控加工中心以及数控磨床等)的主要辅助装置，主轴系统的故障也是数控机床的常见故障。当主轴系统出现故障时，通常有以下三种表现形式:

1)在数控系统显示器上显示报警号和报警信息。

2)在主轴驱动装置上用报警灯或数码显示器显示主轴驱动装置的故障。

3)主轴工作不正常，但无任何报警。

主轴驱动系统的常见故障见表8-10

8.2西门子61 1 A主轴驱动系统

8.2.1西门子611A主轴驱动系统的基本构成

西门了SIMODRIVE611A主轴驱动装置是交流模拟驱动装置，与进给伺服装置共用一个电源模块，如图8-1所示。主轴驱动模块与电源模块和进给伺服驱动模块通过设备总线进行连接，与伺服进给模块共用直流电压母线。

西门了611A系列驱动装置可以安装多个主轴驱动模块，每一个主轴驱动模块都有独立的液晶显示器与操作按键，用于显示驱动模块的工作状态与设定驱动装置的内部数据。

西门了611A的主轴驱动模块是由功率驱动模块和控制模块两部分组成，主轴控制模块带有液晶显示器，如图8-1所示，可以显示和修改主轴的设定参数，也可以显示主轴系统运行状态和报警代码。

8.2.2西门子611A主轴驱动系统的连接

西门了6ma系列主轴驱动模块与外部连接的信号连接端了位于驱动模块正面的控制模块上，如图8-2所示。具体的连接详述如下:

1.主轴电动机电枢连接

主轴电动机电枢连接端了位于主轴驱动模块的下方。在安装、调试、检修时需要注意保证驱动模块的U2/V2/W2与电动机的UN/W一一对应，防止出现电动机“相序”的错误。

2.驱动使能与可定义输入的连接

端了排X431连接驱动使能输入和可定义的输入。表8-2是对端了排X431信号的描述。

3.速度给定信号的连接

速度给定信号连接到端了排X421。端了排X421信号描述见表8-30。

4.模拟量输出的连接

模拟量输出通过端了排X451连接。端了排X451信号描述见表8-40。

5.测速反馈信号接口

接口X412连接主轴电动机的测速反馈，其信号描述见表8-5。

8.2.3西门子611A主轴驱动系统的报警显示信息

西门了611A主轴驱动系统出现故障时往往在控制模块的液晶显示器上显示故障代码，报警代码在液晶显示器的后4位显示。发生故障时，显示器的右边第4位显示“F"，右边第3位、第2位显示报警号代码，右边第1位显示“二”符号时，代表驱动装置存在一个故障;显示“三”符号时，代表驱动装置存在多个报警，这时可以通过主轴驱动模块操作面板上的“+”键，查看其他报警代码。西门了611A主轴驱动装置常见的报警号以及可能的原因