FANUC18i-MA系统龙门加工中心主轴故障分析一例

含羞草

摘  要：通过对主轴故障现象的详尽分析，找到产生故障的原因，同时对主轴速度及位置的控制理论进行了阐述。

关键词：主轴  主轴电机  速度反馈  断线  分析

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简要介绍：

我公司2003年从日本进口的“本间数控龙门加工中心”一直负责柴油机机体、转向架构架的加工任务，电力机车投产后，新型转向架的加工更是日益繁忙，因该机床加工区域大，生产效率高，所以一直是构架生产的主力机床，故障前一直三班连续运转已达半年之久。

故障现象：

近日机床突然出现故障，表现为：主轴启动后可见主轴负载指针表从0%瞬间指向150%，随后系统出现2021报警，表明主轴单元出现故障。通过系统诊断画面查看详细报警信息，显示主轴单元出现7131报警，并有英文提示“主轴锁住或速度信号丢失”。仔细询问操作者出现此故障时的操作情况获知：操作者当时调用了自动更换附件头循环，并且主轴已经完成了“定向”的操作，是当Y轴正从龙门中部向附件头库方向运动的过程中出现的报警，且当时无任何手动操作。依照经验，首先将机床断电后重新启动，系统顺利完成引导并一切正常，此时报警已经自动消除。因当时Y轴距离附件头库较近，为了安全，用手动进给将Y轴向龙门中间开动了大约0.5米左右，此后按下主轴启动按钮，主轴立刻运转起来，观察负载表显示大约只有2%左右，用主轴倍率开关调整主轴转速可见负载表并无明显上升情况，基本稳定在5%以下，难道故障真的自动消失了？分析操作者的叙述感觉主轴的故障似乎与移动Y轴有着某种关系，当即要求操作者以较慢的速度使Y轴向附件头库方向移动。果然，当Y轴再次接近附件头库的时候，报警又出现了，且与上次完全一致，此刻观察主轴放大器模块，可见其七段数码管显示为31号报警。

故障排查：

查阅FANUC AC SPINDLE MOTORαseries 参数说明书知31号报警含义如下，相关连接关系如（图一）所示。

含义：主轴不能按照指令值旋转，主轴停止转动或转速非常低。故障位置及处理方法如下：

(1) 主轴在低速状态下报警

(a) 参数设定错误。检查传感器参数设定
# G1 P1 E  n! J　　(b) 电机相序不正确。确认电机相序

(c) 电机反馈电缆故障。检查 A/B 相信号连接是否正确

(d) 电机反馈电缆故障。手动旋转主轴，在数控诊断画面观察主轴速度情况，如果有速度反馈，但是仍然报警，更换电缆或传感器。

(2) 当主轴不转动时仍然出现报警

(a) 动力线异常。检查动力线连接是否正常。主轴切换输出是否执行正常，电磁接触器是否吸合

(b) 主轴模块故障。更换主轴模块或主轴模块上印刷线路板．
图一：
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根据以上信息并结合现场实际情况和图纸资料，利用排除法进行了如下分析：
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; T4 E, `! w* L; k8 p9 I一、机床是在运动中出现的报警，基本排除参数被修改的可能性。

二、附件头更换循环是机床厂家编写的宏程序，已正常使用多年，且不需人工干预操作，可排除误操作的可能。
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三、机床所在厂房没有进行电路施工，电源相序不会出错。
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四、主轴的故障产生与否和机床Y轴所在位置呈现出明显的相关性，而机械传动方面二者又无关联。

% u; Z. s# e& k4 N) g* b; u2 d0 p五、主轴相关检测系统中有一个位置编码器，它装在滑枕内部，且与主轴的传动比为1：1，它真实的反映了主轴的当前角度位置，为主轴做定向和附件头旋转时的角度考察提供相关信息。该信号通过在拖链内的另一根电缆接在主轴放大器模块的JY4插座上。因目前主轴可以完成定向的操作，初步判断其状态正常。

. n6 H8 j& P7 i, {7 W六、主轴电动机内置M 传感器（旧称：脉冲发生器）主要负责将电机的旋转速度信号以脉冲的形式向放大器发送，其连线从电机内部引出后由一组插座与一根12芯的屏蔽电缆在接线盒内相连。该电缆与动力电缆一同穿在一根金属软管内，通过机床上的拖链直接与电柜内的主轴放大器模块的JY2插座相连。由于拖链运动是伴随Y轴而产生的，因此很有可能因为电缆破损或强电干扰造成信号传输不稳。

七、由于主轴电机的转速与实际主轴的转速是有区别的，因此在FANUC18i主轴监控画面中可以分别看到主轴的实际转速和主轴电机的转速，利用此功能做了如下检测：用手不断转动主轴，观察监控画面中显示的主轴电机转速和主轴转速，发现在距离附件头库较近的地方，也就是主轴启动后有报警的位置，主轴电机与主轴的转速比最大时为1：10；在距离附件头库较远的龙门中部，也就是主轴启动正常的位置，主轴电机与主轴的转速比为10:1.5。对比可见前者明显不正常，由此更充分证明，主轴电机内置的M 传感器（脉冲发生器）传输电缆极有可能在Y轴移动到一定位置后会出现断线的情况。

' V, ]8 b) \) A( b& g% y( S综合所有信息，对照报警提示的检查项点，我感觉机床目前状况比较符合“主轴在低速状态下报警--电机反馈电缆故障”的情况。
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7 E' m! i! E0 ^故障处理：
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" n3 Z  b7 _! M; e依据上述分析，我们对主轴电机的内装M 传感器（脉冲发生器）的电缆进行了详细的检查。如（图二）所示：PA、RA、PB、RB为编码器的A\B相脉冲信号的输出线；+5V和0V是传感器的电源；OH1、OH2为电机热保护接线；SS为屏蔽线。
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（图二）

因主轴能否顺利启动与Y轴的位置有明显关系，为尽快找到电缆断点，我们选择了两个位置对电缆进行检查比较，期望尽快从中发现问题。一个是主轴可以启动的位置，在龙门中部，另一个是主轴产生报警的位置，在靠近附件头库的地方。但反复对比检查后的结果却大大出乎意料，无论在哪个位置，测量的结果都一样，也就是说这根电缆可能根本不存在断线、接地、混连的现象。摆在面前的情况似乎很简单，从理论上分析，只有这跟电缆出现故障才会导致产生这个报警；从实际经验上考虑，此段电缆确实是在拖链中与Y轴联动的，非常有可能出现断线的情况，这种情况在以往的维修中屡见不鲜，为什么这次却偏偏没断，但又会有报警呢？

在重新审视了自己的判断与检测过程之后，终于发现了问题所在。在测量电缆的过程中，为方便检测，我将万用表至于“通断档”进行检测，这样的好处是如果导线的接通电阻小于30欧姆的话，仪表会发出蜂鸣声，如果不通则不会有声音出现，很方便。在前几次的检测中，我只注意到是否有蜂鸣音的出现，而没有关注导线的接通电阻确切是多少，对于如此微弱的信号电缆来说，30欧姆的阻值还是太大了，毕竟电机内置的M 传感器（脉冲发生器）输出的幅值只有5V，又是长距离输送，过大的导通电阻一定会对信号的传输产生影响。通过调整万用表档位，改用200欧姆档对电缆重新进行检测发现，有个别导线的接通电阻已经到达10欧姆左右，考虑到运动状态下可能会进一步加大的情况，决定对拖链内的电缆进行更换。
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在拖链内另敷一根12芯屏蔽电缆对原有电缆进行置换，为方便对接，电机端的接头和主轴放大器模块的JY2接头仍然沿用，只更换拖链内参与Y轴移动的电缆共13米左右，新做的接点全部采用了锡焊的方法降低导通电阻。全部置换完成后重新测量，所有线路的导通电阻已经降低到2欧姆以下。开机试车，故障顺利排除。

经验总结：

一、在真正动手维修前，一定要仔细观察故障的现象，以及产生此现象的环境因素，确保得到的信息是准确的，全面的。

二、充分利用手中的资料细致分析诱发故障的各种可能。采用排除法逐一确认，缩小检查范围。

三、经验是我们在平时工作中积累的宝贵财富，但只凭经验，忽略细节的做法往往也造成在实际处理问题的时候走弯路。

四、数控设备的修理真正称得上是一件细节决定成败的工作，任何时候都要做到缜密、细致，才能又快又好的解决问题。

参考文献：

1、         FANUC Series 16i/18i-MA 操作说明书

2、         FANUC Series 16i/18i/21i-B 维修说明书

3、         FANUC AC SPINDLE MOTORαseries 参数说明书

4、         CNC 维修教材 Series 16i/18i/21i 发那科学校讲义

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公司中碰到过同样问题，三菱的五面体加工中心，解决方法基本相同。