蒙旭喜　黃宏富　於雙月

摘 要：高精密電主軸廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域。本文以FANUC加工中心WEISS電主軸為研究對(duì)象，開(kāi)展電主軸運(yùn)行性能檢測(cè)系統(tǒng)的研制工作。首先通過(guò)對(duì)電主軸結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行解析，進(jìn)而分析確立電主軸運(yùn)行性能關(guān)鍵指標(biāo)及驗(yàn)證策略;最后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例全面介紹檢測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電主軸 運(yùn)行性能 診斷檢測(cè)

WEISS Motorized Spindle Performance Detection and Application

Meng Xuxi，Huang Hongfu，Yu Shuangyue

Abstract：High precision motorized spindle is widely used in the field of CNC machine tools. In this paper Weiss motorized spindles in FANUC machining center are taken as the research object to develop a performance testing system for motorized spindles. Firstly， the structure and working principle of electric spindle are analyzed， and then the key performance indexes of electric spindle are analyzed and the verification strategy is established. Finally， combined with a field example， the technology and application of the detection system are introduced.

Key words：motorized spindle， operational performance， diagnostic testing

電主軸又稱(chēng)“內(nèi)裝式電機(jī)”，是高精密數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。擁有高精度、噪音低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。隨著汽車(chē)、輪船、航空等精密零部件加工精度需求的不斷提高，裝載電主軸的高檔數(shù)控機(jī)床在市場(chǎng)的需求逐漸增大，電主軸維修保養(yǎng)、運(yùn)行性能檢測(cè)的需求日益凸顯。

電主軸運(yùn)行性能檢測(cè)是一項(xiàng)貫穿電主軸全生命周期管理的過(guò)程：從研發(fā)、制造、調(diào)試到使用，都需要對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，以保證加工精度及效率。一套完整與之匹配的軟硬件檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)其性能評(píng)價(jià)至關(guān)重要。本文探析的電主軸運(yùn)行性能檢測(cè)系統(tǒng)，主要用于已修復(fù)電主軸運(yùn)行性能的檢測(cè)，保證電主軸上機(jī)前能夠滿足運(yùn)行需要。

1 電主軸結(jié)構(gòu)

電主軸結(jié)構(gòu)由下圖1可知，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，電主軸系統(tǒng)由殼體、拉刀機(jī)構(gòu)、芯軸、支撐軸承、同步&異步電機(jī)及冷卻系統(tǒng)等組成。

1.1 電主軸各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

拉刀子系統(tǒng)：電主軸拉刀機(jī)構(gòu)的原理一般為“碟簧夾緊，液壓松刀”，即在自然狀態(tài)下利用碟簧的預(yù)緊力將刀柄拉緊，松刀時(shí)由主軸尾部的夾緊油缸將拉刀桿往前頂，壓縮彈簧，完成松刀動(dòng)作，如圖2。

芯軸：芯軸外部為臺(tái)階、內(nèi)部為中空式結(jié)構(gòu)。內(nèi)部用于安裝拉刀機(jī)構(gòu)，外部臺(tái)階用于軸承、同步&異步電機(jī)、編碼器的軸向定位。

同步&異步電機(jī)：電機(jī)子系統(tǒng)由定子和轉(zhuǎn)子組成。按電機(jī)的類(lèi)型分類(lèi)，可分為IPM轉(zhuǎn)子（配備內(nèi)置永磁體的轉(zhuǎn)子）、APM轉(zhuǎn)子（配備外置永磁體的轉(zhuǎn)子）。為了獲得更高的動(dòng)平衡精度，電機(jī)轉(zhuǎn)子和芯軸取消了鍵聯(lián)接和螺紋聯(lián)接。動(dòng)平衡質(zhì)量為G2.5、電機(jī)電壓最大3AC 430Veff、轉(zhuǎn)矩波紋度1FE1-6W為20rpm及MN/2條件下為≤1%基于額定力矩。冷卻套使用水冷方式TH2O=25°C，防護(hù)等級(jí)為IP00。以適應(yīng)頻繁啟停及高速高精度旋轉(zhuǎn)。

支撐軸承：作為高精度電主軸的核心部件之一，軸承有低溫升、游隙小、表面硬度高、抗沖擊載荷、高速旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)及噪音低特點(diǎn)，保證電主軸的壽命。

冷卻系統(tǒng)：包括冷卻液通道及主軸內(nèi)部的冷卻液通路，用于對(duì)主軸的發(fā)熱部位進(jìn)行冷卻，防止溫升過(guò)高。

主軸殼體：主軸殼體位于電主軸的最外層，作用是提供支撐及安裝定位，使用法蘭方式安裝連接。

2 電主軸運(yùn)行性能指標(biāo)分析

為了確定電主軸運(yùn)行性能指標(biāo)[1]，需要從電主軸的失效模式入手，找出核心關(guān)鍵指標(biāo)，作為電主軸上機(jī)運(yùn)行前的檢測(cè)項(xiàng)目，并為檢測(cè)項(xiàng)目建立標(biāo)準(zhǔn)及失效模式分析，為問(wèn)題解決作出決策。

2.1 電主軸失效模式分析

下面以某發(fā)動(dòng)機(jī)工廠的WEISS電主軸型號(hào)176856為例，解析電主軸的失效模式。其他型號(hào)電主軸大同小異，可同理分析。根據(jù)電主軸的結(jié)構(gòu)及工作原理，將型號(hào)176856電主軸功能模塊化，劃分為八個(gè)子系統(tǒng)。采集某工廠電主軸現(xiàn)場(chǎng)歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算求出電主軸各故障部位發(fā)生故障次數(shù)的頻率分布，如圖3。

①子系統(tǒng)芯軸發(fā)生故障最多，占總數(shù)的48.28%，主要為主軸跳動(dòng)超差、與刀具配合精度無(wú)法滿足工藝要求;②拉刀系統(tǒng)為故障較多的部位，均占總故障的22.41%，拉刀系統(tǒng)主要原因?yàn)槔读Σ蛔?、拉爪磨損等問(wèn)題;③軸承系統(tǒng)故障占總數(shù)20.69%，主要原因?yàn)檩S承失效;④電氣模塊故障占總數(shù)5.17%，主要原因?yàn)榫幋a器、編碼輪失效，溫度傳感器失效，傳感器失效等;⑤冷卻系統(tǒng)故障占3.45%，主要原因?yàn)槔鋮s液泄漏等。

2.2 電主軸關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)提取

通過(guò)對(duì)電主軸運(yùn)行性能失效模式分析，得出5大運(yùn)行關(guān)鍵指標(biāo)。并就關(guān)鍵指標(biāo)建立軟硬件測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。配備電主軸拆裝臺(tái)架、Fanuc31i數(shù)控系統(tǒng)[2]、液壓&氣動(dòng)系統(tǒng)，以滿足電主軸熱試功能。達(dá)到主軸回轉(zhuǎn)精度、主軸拉刀力、主軸振動(dòng)總值、編碼器信號(hào)、冷卻回路5大板塊的驗(yàn)證。

3 電主軸檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

3.1 主軸回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)

回轉(zhuǎn)精度是電主軸的關(guān)鍵性能指標(biāo)，是運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其軸線位置的波動(dòng)變化，反映電主軸零件之間的配合精度與裝配質(zhì)量;不用型號(hào)電主軸的回轉(zhuǎn)精度不同，但檢測(cè)方法相同。以WEISS電主軸型號(hào)176856為例，介紹回轉(zhuǎn)精度的檢測(cè)方法及調(diào)整方案：

按照數(shù)控機(jī)床裝調(diào)維修[3]，把電主軸表面使用除銹劑、6-10um的拋光帶清潔干凈。使用千分表依次打表測(cè)量。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，對(duì)比設(shè)備出廠精度均正常。當(dāng)超過(guò)出廠精度，需要進(jìn)行調(diào)整。如圖4測(cè)量數(shù)據(jù)，CH220A工位電主軸數(shù)據(jù)超差，需要調(diào)整：

主軸回轉(zhuǎn)精度檢測(cè)測(cè)量項(xiàng)目超差調(diào)整策略：可測(cè)內(nèi)部軸承振動(dòng)是否存在異常（具體測(cè)量算法查看下頁(yè)）。同時(shí)拆解芯軸檢查芯軸的裝刀單元錐面是否存在不平衡量。如檢測(cè)軸承異?？赏ㄟ^(guò)更換軸承解決。經(jīng)動(dòng)平衡檢測(cè)CH220A工位電主軸動(dòng)平衡在181度超差3.5g，通過(guò)鉆孔調(diào)整芯軸不平衡量解決該問(wèn)題。如5圖。

3.2 主軸拉刀力檢測(cè)

主軸拉刀力的大小直接影響零件加工質(zhì)量，加工中心通常采用開(kāi)關(guān)量、模擬量傳感器監(jiān)控拉刀值的大小。拉刀值過(guò)大，主軸錐孔產(chǎn)生彈性擴(kuò)張。拉刀值過(guò)小，刀具夾緊力不足。探究電主軸夾刀力是否不足，可通過(guò)POWERCHECK儀器測(cè)量。以WEISS電主軸型號(hào)176856為例，測(cè)量方式如圖6，其他型號(hào)可同理測(cè)量。

主軸拉刀力檢測(cè)測(cè)量項(xiàng)目超差策略：電主軸內(nèi)部拉刀碟簧是拉刀力大小指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，碟簧銹蝕、干燥無(wú)潤(rùn)滑、折斷是最常見(jiàn)問(wèn)題，可通過(guò)更換碟簧解決。同時(shí)拉刀機(jī)構(gòu)牽引頭磨損、EM值長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)也是拉刀力偏低的重要因素，更換牽引頭調(diào)整EM值大小均可修復(fù)，如圖7。對(duì)于動(dòng)力總成大批量生產(chǎn)的大企業(yè)，可監(jiān)控采集數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)判，如圖7。

3.3 主軸振動(dòng)檢測(cè)

軸承振動(dòng)速度頻譜圖、轉(zhuǎn)速頻率、多階諧波帶、邊頻帶均可表征主軸的振動(dòng)狀態(tài)情況。探究主軸振動(dòng)情況，可用SKF主軸振動(dòng)分析儀測(cè)量。利用波形診斷儀檢測(cè)主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)，提取均值、方差、峰值等時(shí)域特征值。以表征主軸整體振動(dòng)大小;對(duì)振動(dòng)信號(hào)做快速傅里葉變換得到其幅頻譜，根據(jù)幅頻譜初步分析主軸的動(dòng)平衡數(shù)據(jù)，以WEISS電主軸型號(hào)176858為例，其他主軸同理檢測(cè)：

主軸振動(dòng)檢測(cè)超差策略：根據(jù)主軸振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合波形圖比對(duì)，主軸E4M振動(dòng)8.6（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)≤6.5）超差，如圖8。需要更換軸承解決。

3.4 編碼器信號(hào)檢測(cè)

電主軸有電流環(huán)、位置環(huán)、速度環(huán)控制。連續(xù)或頻繁中斷會(huì)引發(fā)內(nèi)部勵(lì)磁變化，從而影響主軸轉(zhuǎn)速、切削扭矩。編碼器信號(hào)使用編碼器測(cè)量?jī)xGEL211工具測(cè)量。測(cè)量編碼器SIN/COS信號(hào)、齒輪比分析、返參分析、傳感器檢測(cè)、方差信號(hào)波形圖。監(jiān)控信號(hào)值是否在有效區(qū)間內(nèi)，如圖9。

編碼器信號(hào)檢測(cè)超差調(diào)整策略：通過(guò)診斷編碼器信號(hào)波形，超差時(shí)可通過(guò)調(diào)整讀寫(xiě)頭安裝間隙、更換讀寫(xiě)頭、更換編碼輪解決。

3.5 冷卻回路檢測(cè)

冷卻回路的密封性將影響主軸的冷卻效率，定子上采用水冷卻的面和槽。所有面必須無(wú)污物、無(wú)銹跡、無(wú)尖利邊緣、無(wú)縮孔、無(wú)損壞且無(wú)加工溝槽。定子的裝配面涂有防腐劑。兩端的圓形密封圈槽，用于密封定子。密封性差導(dǎo)致泄漏時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電氣元器件短路燒壞。

電主軸冷卻失效診斷策略：①當(dāng)在靜止?fàn)顟B(tài)下以靜止力矩運(yùn)行水冷同步內(nèi)裝式電機(jī)超過(guò)一分鐘時(shí)，可能會(huì)對(duì)相位施加過(guò)比例的熱應(yīng)力。PTC熱敏電阻為監(jiān)控主軸溫度的傳感器，如圖11。通過(guò)檢測(cè)監(jiān)控?zé)崦綦娮柚?、測(cè)量電機(jī)動(dòng)力線絕緣值，即可診斷出冷卻回路狀態(tài)。同時(shí)可對(duì)管路打50bar液壓壓力做耐久性測(cè)試，進(jìn)行保壓測(cè)試24小時(shí)，即可對(duì)主軸流體管路進(jìn)行檢查。

小結(jié)：通過(guò)以上電主軸5大運(yùn)行關(guān)鍵指標(biāo)檢測(cè)及調(diào)整策略，同時(shí)結(jié)合實(shí)例分析，為電主軸檢測(cè)及運(yùn)行提供可靠的管理方案。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上通過(guò)電主軸工作原理解析，對(duì)電主軸失效模式分析進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，從失效模式中汲取關(guān)鍵運(yùn)行性能指標(biāo)。搭建關(guān)鍵性能指標(biāo)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)潛在失效模式制定檢測(cè)策略。完成電主軸全面檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)的研制工作，推進(jìn)汽車(chē)制造加工中心已修復(fù)電主軸上機(jī)前能夠滿足運(yùn)行需要。

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