FANUC数控机床主轴故障诊断与维护

摘要：数控机床的故障包括很多方面，本文主要以FANUC数控机床为例对主轴故障诊断与维修进行分析。本文作者认为，数控机床主轴故障诊断与维修的一般步骤为：①观察故障现象并做好记录，②分析故障现象，③结合数控系统自诊断功能进一步确定故障原因，④排除故障。经过实践验证，该方法切实有效。

关键词：FANUC数控机床；主轴故障；诊断维修；

    主轴是数控机床的重要零件之一，主轴旋转产生切削的主运动是形成切削的重要条件。因此，本文作者认为研究主轴故障诊断与维修的方法是很有必要的。

一、FANUC数控机床主轴常见故障类型

    FANUC数控机床主轴故障有很多种，造成这些故障的原因也非常多。但最常见的故障类型包括以下几种：主轴电机不转、电机转速异常、主轴电机振动或噪声太大、主轴电机过热等。在分析故障的起因时，一定要开阔思路，尽可能考虑各种因素。

二、FANUC数控机床主轴故障诊断的方法

（一）、FANUC数控机床主轴控制原理

    FANUC数控机床的主轴控制方式有串行控制和模拟控制两种，可以通过特定参数的设置进行选择。无论采用哪种主轴控制方式，都要对主轴的方向和速度进行控制，也就是说主轴的控制包括两个方面：速度和方向。

1、FANUC数控机床主轴速度控制原理

    在串行主轴输出有效的情况下，S指令的执行主要由CNC控制来实现。而在模拟主轴输出有效的情况下，则只可以使用主轴转速指令控制和基于PMC的主轴速度指令控制 。这里，本文作者只对串行主轴S指令控制原理进行分析。如图一所示 ，第1次执行数控加工程序中的S指令时，CNC将首先以二进制代码形式把S代码信号输出到PMC特定的代码寄存器F22～F25中。第1次之后，CNC再执行S指令时将不再发出S指令选通信号SF；然后经过S代码延时时间TMF（由系统参数设定，标准设定时间为16ms）后发出S指令选通信号SF到PMC；当PMC接收到SF信号为1时，向CNC输入结束信号FIN，CNC接收到结束信号FIN后，经过结束延时时间TFIN (由系统参数设定)先切断s指令选通信号SF，再切断结束信号FIN，S指令就执行结束，CNC将读取下一条指令继续执行。同时，CNC根据编程转矩S值和主轴倍率信号（G30.0~G30.7），计算出实际指定的主轴转速值；CNC将实际指定的主轴转速值以12位二进制代码形式 ，通过12位实际指定转速输出信号输出到PMC中；CNC将实际指定的主轴转速值通过CNC串行主轴接口JA7A（JA41）向主轴放大器发出串行主轴转速命令。

2、FANUC数控机床主轴转向控制原理

    FANUC数控机床主轴转向控制是由PMC和CNC共同完成的，主轴转向控制包括正传、反转和停止，通过执行M指令或手动实现 。以M03指令为例（控制流程如图二），分析M指令转向控制原理。数控系统读入M指令，CNC以二进制形式把“03”输入到PMC特定的代码寄存器 F10中； 然后经过M代码延时时间TMF(由系统参数设定，标准设定时间为16ms)后发 出M指令选通信号MF，PMC通过二进制译码指令DECB进行M指令译码 ，识别出正转信号；PMC处理后将串行主轴正转信号SFRA输入CNC，通过CNC的串行数字主轴接口向主轴放大器发出串行主轴正转命令，若正转条件满足 ，则主轴开始正转 ；当串行数字主轴放大器检测到主轴编码器反馈的转速已经达到指定的实际转速时，通过CNC的串行数字主轴接口向PMC输入主轴速度到达信号SARA，PMC处理后向CNC输入结束信号FIN；CNC延时后先切断MF信号，再切断FIN信号，不再向PMC输入M代码，M指令执行结束，CNC将执行下一条指令。

（二）、FANUC数控机床主轴故障诊断的方法

    前文讲述了数控机床主轴故障类型有主轴不转、主轴转速异常、主轴电机振动或噪声太大、主轴电机过热等。在这些故障类型中，最常见的是主轴不转。主轴旋转必须具备三个条件：CNC准备就绪、主轴无报警、主轴驱动系统连接正确以及硬件和机械部分正常。对于数控机床主轴发生的故障，根据前文所述主轴控制原理，总体上说可采用下述诊断步骤来进行主轴故障诊断：

1、调查法

    维修人员应仔细观察机床的状态，询问故障现象，看有无报警，因为主轴故障分为有报警和无报警两种，另外看主轴放大器LED显示状况，当发现有报警时，应先排除报警，再进行下一步分析。这是一种最基本、最简单的方法，也是数控机床维修人员应准循的原则之一。

2、综合分析法

    造成主轴故障的原因有很多，很多时候维修人员并不能直接判断出故障的根源，FANUC数控系统自带的诊断功能（比如：信号状态诊断、PMC信号追踪、波形诊断等）给了维修人员很大的帮助。根据显示器上的报警信息及主轴伺服放大器LED指示，维修人员可判断出故障点的大致范围。进一步利用系统的自诊断功能，查看与主轴控制相关的关键信号（比如G70.7、G29.6、G70.4、G70.5等），根据这些信号的状态判断故障的原因。它是故障诊断过程中最常用、有效的方法之一，同时也是维修人员应当遵循的第二个原则。

3、备件替换法

    所谓部件交换法，就是在故障范围大致确认，并在确认外部条件完全正确的情况下．利用同样的印制电路板、模块、集成电路芯片或兀器件替换有疑点的部分的方法。这种方法只有在前面两种方法都是用过后，确定故障发生在主轴硬件方面，但又不能确定具体是什么部件发生了故障的时候才考虑使用。因为故障发生的原因多种多样，不一定是硬件故障引起的，如果一上来就用这种方法，结果换了部件以后发现不是硬件故障，很容易做无用功。

三、FANUC数控机床主轴故障诊断与维修实例

    实例一：一台配套FANUC 0iD系统的立式加工中心,主轴不能旋转。

    故障现象：手动、自动方式下，主轴均不旋转，驱动器、CNC 无报警显示。检查CNC 信号状态，发现系统已经正常输出S 代码与SF 信号。

    故障分析：检查CNC 信号状态，发现系统已经正常输出S代码与SF信号，说明CNC工作正常。检查PLC 程序，对照主轴启动条件以及内部信号的状态，主轴启动的条件已满足。进一步检查主轴驱动器的信号输入，已经满足正常工作的条件。因此可以确认故障在主轴驱动器本身。

    故障维修：根据主轴驱动器的测量、检测端的信号状态，逐一对照检查信号的电压与波形，最后发现驱动器D/A 转换器有数字信号输入，但其输出电压为“0”。将D/A 转换器集成电路芯片拔下后检查，发现有一插脚已经断裂：修复后，机床恢复正常。

实例二：某FANUC 0iD三轴加工中心，指令发出后 ，主轴不能旋转。

    故障现象：系统无报警 ，主轴放大器LED状态显示器上显示[01]，黄灯亮； 在 “MDI”工作方式下，输入加工指令：“M03S600；”，按下机床操作面板上的 “循环启动”按键后，松开 “循环启动”按键后，“循环启动”按键指示灯点亮，状态信息栏上显示 “FIN”，机床操作面板上的主轴正转按键指示灯也点亮。

    故障分析：分析以上现象可知，循环启动有效，并且 “M03S600；”已经被执行，再由显示器状态信息栏出现 “FIN”判断该程序段的执行不能结束；由主轴正转按键指示灯点亮，判断主轴正转信号已经输出到PMC；进入信号状态显示栏查看F0036.0~F0037.3信号状态，观察到转速信号已经送入PMC。综上分析，主轴M 指令已经执行，根据主轴控制原理（如下图M03指令控制流程图）可知 ，这是因为CNC收不到PMC送回的结束信号（即图中的FIN=1信号），而结束信号则是根据主轴的实际转速是否到达指定的转速产生；主轴放大器LED黄灯亮，表明主轴正处于准备状态，因此主轴不能旋转，所以主轴 M指令的执行则不能结束。

    故障排除：先查看主轴控制关键信号G70.7、 G29.6等，发现主轴停止信号信号G29.6为0，G29.6为主轴停止信号，该信号“0”有效，此时主轴处于停止状态，不能进行主轴控制，然后修改梯形图，重启系统后，主轴正常旋转。

四、结束语

    上面两个实例按照本文作者提出的维修思路以及方法进行诊断与维修，效果非常好。综合前面讲述的故障诊断基本方法，本文作者认为对于数控机床主轴发生的大多数故障，总体上说可采用下述几个步骤来进行故障诊断与维护：①观察故障现象并做好记录，②结合数控系统自诊断功能综合分析故障现象，确定故障原因，③排除故障。此外，我们还需特别注意一点，作为维修人员，必须建立起一个明确的维修思路，就是“先考虑系统方面是否有故障，再考虑电气方面是否有故障，最后再考虑机械部件是否有故障”，这样才能准确、快速的找到故障并排除。

参考文献：

①张志军等：《数控机床故障诊断与维修》，北京理工大学出版社2010年版。

②龚仲华：《数控机床故障诊断与维修500例》，机械工业出版社2004年版。

③曹智军，肖龙：《数控PMC编程与调试 》，北京：清华大学出版社 ．2010．