摘 要：本文阐述了TH42160C龙门加工中心主轴的故障现象，主轴驱动原理，及轴故障的分析与排除。
关键词：龙门加工中心 主轴 驱动 编码器
1. 引言
TH42160C龙门加工中心是我院的一台关键设备。该设备用的SIEMENS840D数控系统，它X轴有效行程能够达到4米。它主要用来加工某些产品的大型、高精度零件。
2. 问题的引出
2005年10月份，该设备开始出现问题。最初，它偶尔在主轴换速、高低档转换时出现“主轴编码器0位标志”报警，等设备重新启动后，故障又没有了，还可以继续加工。后来严重时，只要主轴转速发生变化，它马上报警，至此，设备已无法加工，于是我对它进行了维修。
3. 问题分析
3.1 工作原理
主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构, 其功能是接受数控系统(CNC) 的S 码速度指令及M 码辅助功能指令, 驱动主轴进行切削加工。
该设备采用的是西门子公司最新推出的1PH7系列的交流主轴电机。功率为17KW。驱动装置为6SN1 118-ODM13-OAA1主轴驱动模块，下面是交流主轴控制单元。
它的工作过程简述如下：由数控系统来的速度指令（如10V时相当于6000r/min或4500r/min）在比较器中与检测器的信号相与之后，经比例积分回路3将速度误差信号放大作为转矩指令电压输出，再经绝对值回路4使转矩指令电压永远为正。然后经函数发生器6（它的作用是当电动机低速时提高转矩指令电压），送到V／F变换器7，变成误差脉冲（如10V相当于200kHz）。该误差脉冲送到微处理器8并与四倍回路17送来的速度反馈脉冲进行运算。在此同时，交预先写在微处理器部件中的ROM中的信息读出，分别送出振幅和相位信号，送到DA强励磁9和DA振幅器10。DA强励磁回路用于控制增加定子电流的振幅，而DA振幅器用于产生与转矩指令相对应的电动机定子电流的振幅。它们的输出值经乘法器11之后形成定子电流的振幅，送给U相和V相的电流指令回路12。另一方面，从微处理器输出的U、V两相的相位（即sinθ和sin（θ-120°））也被送到U相和V相的电流指令回路12，它实际上也是一个乘法器，通过它形成了U相和V相的电流指令。这个指令与电机电流反馈信号相与之后的误差，经放大后送至PWM控制回路14，变成频率为3kHz的脉宽信号。而W相信号则由Iu、Iv两信号合成产生。上述脉冲信号经PWM变换器15控制电动机的三相交流电流。脉冲发生器16是一个速度检测器，用来产生每转256个脉冲的正、余弦波形，然后经四倍回路17变成1024脉冲/r。它一方面送微处理器，另一方面经F/V变换器19作为速度反馈送到比较器2，并与速度指令进行比较。但在低速时，由于F/V变换器的线性度较差，所以此时的速度反馈信号由微分电路18和同步整流电路20产生。
3.2 故障判断
从该故障现象来看，应该是脉冲发生器16在产生脉冲时，出了故障。由此初步判断是主轴转速监视或反馈这一部分出了问题，于是我们按照以下四步对设备进行了故障定位。
第一步，调换主轴编码器的电缆。由于主轴和Z轴距离最小，而且，都是用的SIEMENS伺服电机和HEIDENHAIN编码器。经过检查，发现编码器的接口、信号都一样，具体定义。将主轴和Z轴的编码器电缆调换。试机后，故障现象不变。
第二步，调换控制板。由于SIEMENS数空系统各轴的伺服模块都一样，于是我们将A轴和主轴伺服模块的控制板进行调换。试机后，故障现象不变。
第三步，更换编码器与伺服模块连接的插头。由于以前有过因为插头接触不良而出现伺服故障、速度误差等报警的前例，故我们将主轴编码器的插头进行了更换，试机后，故障现象不变。
经过以上三步后，我们初步确定是主轴编码器损坏。
4. 故障处理
我拆下主轴电机尾部的风机，打开端盖，即可看见编码器。拆下编码器与电机连接的螺钉，发现编码器还不能拿下来。编码器和电机轴是锥型连接，无法直接取下编码器，必须自制一个专用的工具把编码器从电机轴上顶出来。经过测绘后，我自制了一把专用工具，卸下编码器。
我给编码器的encorder和sensor分别都加上5V、0V，转动码盘，通过示波器观看A+、A-、B+、B-、R+、R-的波形，发现均为正弦波，但是波形偶尔不稳定，在我转动编码器的时候,能感觉到编码器的码盘在转动时,偶尔有一个很小的颤动。至此，我断定是编码器的转动不稳定，导致主轴速度反馈信号不稳定。从而产生系统报警。更换编码器后，设备故障排除。
5. 总结
本文从原理上叙说了该设备主轴的工作原理，并从多方面着手判断问题，最后发现问题、解决问题，保证了该设备的正常运行。
