WEISS电主轴运行性能检测与应用

蒙旭喜　黄宏富　於双月

摘 要：高精密电主轴广泛应用于数控机床领域。本文以FANUC加工中心WEISS电主轴为研究对象，开展电主轴运行性能检测系统的研制工作。首先通过对电主轴结构与工作原理进行解析，进而分析确立电主轴运行性能关键指标及验证策略;最后，结合现场实例全面介绍检测系统及应用。

关键词：电主轴 运行性能 诊断检测

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

电主轴又称“内装式电机”，是高精密数控机床的重要组成部分。拥有高精度、噪音低、结构紧凑等优点。随着汽车、轮船、航空等精密零部件加工精度需求的不断提高，装载电主轴的高档数控机床在市场的需求逐渐增大，电主轴维修保养、运行性能检测的需求日益凸显。

电主轴运行性能检测是一项贯穿电主轴全生命周期管理的过程：从研发、制造、调试到使用，都需要对各项性能指标进行检测，以保证加工精度及效率。一套完整与之匹配的软硬件检测系统，对其性能评价至关重要。本文探析的电主轴运行性能检测系统，主要用于已修复电主轴运行性能的检测，保证电主轴上机前能够满足运行需要。

1 电主轴结构

电主轴结构由下图1可知，在机械结构方面，电主轴系统由壳体、拉刀机构、芯轴、支撑轴承、同步&异步电机及冷却系统等组成。

1.1 电主轴各子系统结构及功能

拉刀子系统：电主轴拉刀机构的原理一般为“碟簧夹紧，液压松刀”，即在自然状态下利用碟簧的预紧力将刀柄拉紧，松刀时由主轴尾部的夹紧油缸将拉刀杆往前顶，压缩弹簧，完成松刀动作，如图2。

芯轴：芯轴外部为台阶、内部为中空式结构。内部用于安装拉刀机构，外部台阶用于轴承、同步&异步电机、编码器的轴向定位。

同步&异步电机：电机子系统由定子和转子组成。按电机的类型分类，可分为IPM转子（配备内置永磁体的转子）、APM转子（配备外置永磁体的转子）。为了获得更高的动平衡精度，电机转子和芯轴取消了键联接和螺纹联接。动平衡质量为G2.5、电机电压最大3AC 430Veff、转矩波纹度1FE1-6W为20rpm及MN/2条件下为≤1%基于额定力矩。冷却套使用水冷方式TH2O=25°C，防护等级为IP00。以适应频繁启停及高速高精度旋转。

支撑轴承：作为高精度电主轴的核心部件之一，轴承有低温升、游隙小、表面硬度高、抗冲击载荷、高速旋转、振动及噪音低特点，保证电主轴的寿命。

冷却系统：包括冷却液通道及主轴内部的冷却液通路，用于对主轴的发热部位进行冷却，防止温升过高。

主轴壳体：主轴壳体位于电主轴的最外层，作用是提供支撑及安装定位，使用法兰方式安装连接。

2 电主轴运行性能指标分析

为了确定电主轴运行性能指标[1]，需要从电主轴的失效模式入手，找出核心关键指标，作为电主轴上机运行前的检测项目，并为检测项目建立标准及失效模式分析，为问题解决作出决策。

2.1 电主轴失效模式分析

下面以某发动机工厂的WEISS电主轴型号176856为例，解析电主轴的失效模式。其他型号电主轴大同小异，可同理分析。根据电主轴的结构及工作原理，将型号176856电主轴功能模块化，划分为八个子系统。采集某工厂电主轴现场历史故障数据进行统计分析，计算求出电主轴各故障部位发生故障次数的频率分布，如图3。

①子系统芯轴发生故障最多，占总数的48.28%，主要为主轴跳动超差、与刀具配合精度无法满足工艺要求;②拉刀系统为故障较多的部位，均占总故障的22.41%，拉刀系统主要原因为拉刀力不足、拉爪磨损等问题;③轴承系统故障占总数20.69%，主要原因为轴承失效;④电气模块故障占总数5.17%，主要原因为编码器、编码轮失效，温度传感器失效，传感器失效等;⑤冷却系统故障占3.45%，主要原因为冷却液泄漏等。

2.2 电主轴关键运行指标提取

通過对电主轴运行性能失效模式分析，得出5大运行关键指标。并就关键指标建立软硬件测试实验平台。配备电主轴拆装台架、Fanuc31i数控系统[2]、液压&气动系统，以满足电主轴热试功能。达到主轴回转精度、主轴拉刀力、主轴振动总值、编码器信号、冷却回路5大板块的验证。

3 电主轴检测技术及应用

3.1 主轴回转精度检测

回转精度是电主轴的关键性能指标，是运转时其轴线位置的波动变化，反映电主轴零件之间的配合精度与装配质量;不用型号电主轴的回转精度不同，但检测方法相同。以WEISS电主轴型号176856为例，介绍回转精度的检测方法及调整方案：

按照数控机床装调维修[3]，把电主轴表面使用除锈剂、6-10um的抛光带清洁干净。使用千分表依次打表测量。根据测量结果，对比设备出厂精度均正常。当超过出厂精度，需要进行调整。如图4测量数据，CH220A工位电主轴数据超差，需要调整：

主轴回转精度检测测量项目超差调整策略：可测内部轴承振动是否存在异常（具体测量算法查看下页）。同时拆解芯轴检查芯轴的装刀单元锥面是否存在不平衡量。如检测轴承异常可通过更换轴承解决。经动平衡检测CH220A工位电主轴动平衡在181度超差3.5g，通过钻孔调整芯轴不平衡量解决该问题。如5图。

3.2 主轴拉刀力检测

主轴拉刀力的大小直接影响零件加工质量，加工中心通常采用开关量、模拟量传感器监控拉刀值的大小。拉刀值过大，主轴锥孔产生弹性扩张。拉刀值过小，刀具夹紧力不足。探究电主轴夹刀力是否不足，可通过POWERCHECK仪器测量。以WEISS电主轴型号176856为例，测量方式如图6，其他型号可同理测量。

主轴拉刀力检测测量项目超差策略：电主轴内部拉刀碟簧是拉刀力大小指标的关键技术之一，碟簧锈蚀、干燥无润滑、折断是最常见问题，可通过更换碟簧解决。同时拉刀机构牵引头磨损、EM值长度过长也是拉刀力偏低的重要因素，更换牵引头调整EM值大小均可修复，如图7。对于动力总成大批量生产的大企业，可监控采集数据库进行趋势预判，如图7。

3.3 主轴振动检测

轴承振动速度频谱图、转速频率、多阶谐波带、边频带均可表征主轴的振动状态情况。探究主轴振动情况，可用SKF主轴振动分析仪测量。利用波形诊断仪检测主轴振动数据，提取均值、方差、峰值等时域特征值。以表征主轴整体振动大小;对振动信号做快速傅里叶变换得到其幅频谱，根据幅频谱初步分析主轴的动平衡数据，以WEISS电主轴型号176858为例，其他主轴同理检测：

主轴振动检测超差策略：根据主轴振动检测数据结合波形图比对，主轴E4M振动8.6（技术标准≤6.5）超差，如图8。需要更换轴承解决。

3.4 编码器信号检测

电主轴有电流环、位置环、速度环控制。连续或频繁中断会引发内部励磁变化，从而影响主轴转速、切削扭矩。编码器信号使用编码器测量仪GEL211工具测量。测量编码器SIN/COS信号、齿轮比分析、返参分析、传感器检测、方差信号波形图。监控信号值是否在有效区间内，如图9。

编码器信号检测超差调整策略：通过诊断编码器信号波形，超差时可通过调整读写头安装间隙、更换读写头、更换编码轮解决。

3.5 冷却回路检测

冷却回路的密封性将影响主轴的冷却效率，定子上采用水冷却的面和槽。所有面必须无污物、无锈迹、无尖利边缘、无缩孔、无损坏且无加工沟槽。定子的装配面涂有防腐剂。两端的圆形密封圈槽，用于密封定子。密封性差导致泄漏时，会导致电气元器件短路烧坏。

电主轴冷却失效诊断策略：①当在静止状态下以静止力矩运行水冷同步内装式电机超过一分钟时，可能会对相位施加过比例的热应力。PTC热敏电阻为监控主轴温度的传感器，如图11。通过检测监控热敏电阻值、测量电机动力线绝缘值，即可诊断出冷却回路状态。同时可对管路打50bar液压压力做耐久性测试，进行保壓测试24小时，即可对主轴流体管路进行检查。

小结：通过以上电主轴5大运行关键指标检测及调整策略，同时结合实例分析，为电主轴检测及运行提供可靠的管理方案。

4 结语

综上通过电主轴工作原理解析，对电主轴失效模式分析进行状态识别，从失效模式中汲取关键运行性能指标。搭建关键性能指标实验台，对潜在失效模式制定检测策略。完成电主轴全面检测系统技术的研制工作，推进汽车制造加工中心已修复电主轴上机前能够满足运行需要。

参考文献：

[1]黄敏高，陈叶娣. 基于 FANUC18I 系统的数控机床伺服控制优化应用[J].煤矿机械，2011（2）：214.

[2]刘萍，王民权，王劲.基于FANUC系统速度前馈提高CNC机床加工精度的研究 [J].机床与液压，2013（1）：36-41.

[3]韩鸿鸾.数控机床装调维修工.化学工业出版社，2011（03）：24-38.