作者：謝（xiè）立英 高虹 孫榮春
［西安航空發（fā）動（dòng）機（集團）有限（xiàn）公司（sī）］
摘 要：介紹立式加工中心（xīn）主軸坐標偏（piān）移的診（zhěn）斷與對策，可（kě）供參考。
關鍵詞：位置精度：主軸；坐標偏移；主軸驅動
我公司43車（chē）間Hardinge立式加工中心係美（měi）國哈挺公司台灣分公司的產品（pǐn）。該機床自2004年10月投產，在初期的頭10個月內使用正常（cháng），此後加工件的位置精度開始超差。我們先後從兩方麵解決了這個問題。
一、主軸後軸承無法預緊
經查，機床X、Y坐標的位置精度和相關幾何精度均合格。某（mǒu）加工（gōng）件加工情（qíng）況如圖（tú）1所示（shì），該件有52個均布孔，位置度要求為φ0.10mm。該工序加工約4h，零件加工後，在三坐標（biāo）測量儀上測量，發現孔位移度有周期（qī）性漸（jiàn）變（biàn）。
檢查發現（xiàn），機（jī）床主軸旋轉（zhuǎn）一段時間後，回（huí）轉中心線對工（gōng）作台麵（miàn）的垂直度發生變化，隨著運（yùn）轉時間的延（yán）長，該（gāi）變化將達到Z大值，主軸停轉後，回轉中心線回（huí）複到初始狀態。
鑒於此，在冷態和以480r/min轉速運轉40min後（hòu）分別測量：(1)機（jī）床主軸箱升降運動對工作台（tái）麵的不垂直度；(2)主軸套筒（tǒng）在主軸旋（xuán）轉時的熱（rè）效應位移變化；(3)主軸旋轉（zhuǎn）中心線對工作台麵的不垂直度；(4)環規內孔刷圈；(5)主軸運轉前後的溫度差。
其中，第1、2兩項在兩種狀態下測量無變化，說明機床X、Y坐（zuò）標無漂移，且主軸箱部（bù）分無熱（rè）膨脹（zhàng）伸長；3、4項則變化顯著，說明該故障（zhàng）隻與主軸自身有關，且很有可能與主軸自身熱效應有關（主軸運轉前後的（de）溫度差為3°）。
又（yòu）對比檢測了主軸旋轉中心線的徑向跳動，使用（yòng）初期為0.008/300mm，故障期（qī）則為0.015/300mm，該項精度的明（míng）顯變化（huà）說明主軸裝配狀態很（hěn）有可能（néng）已改變。該主軸Z高轉速（sù）為（wéi）8000r/min，主軸（zhóu）前軸承為角接觸球軸承（四套、雙列背（bèi）靠背安（ān）裝，進口、特製規格）；後軸承為內環錐孔向心短圓柱滾子軸承（進口、特製（zhì）規格（gé））。該主軸軸承為特種油脂潤滑，首次（cì）加注後免維護；主軸無降溫冷卻裝置。因故障鎖定在主軸自身，遂對主軸進行分解、檢查。
(1)主軸芯軸。前（qián）後軸承安裝軸頸處的不同軸度小於0.001mm，合格。
(2)主軸前後軸承潤滑正常。
(3)檢（jiǎn）查軸承調整隔墊，使每個調整隔墊的平行度在（zài）0.002mm以內。
(4)檢查主軸前軸承安裝預緊後的精度，徑向跳動均小於0.005mm，正常（cháng）。
(5)裝（zhuāng）配主軸後軸承，將（jiāng）主軸安裝在套（tào）筒內，檢測主軸整體精度。徑向跳動小於0.005mm，但用力抬主軸（約200N的力（lì）），主軸與套筒（tǒng）產生0.03mm的相對位移。多次調整四套（tào）前軸承的預緊力，該值（zhí）無明顯（xiǎn）改變。
多（duō）次改變後軸（zhóu）承的軸向預緊力，均未作到真正（zhèng）預緊。檢查發現，軸承內（nèi）環內錐孔與主軸接觸不好。通過修配主軸和（hé）軸承內（nèi）孔的接觸麵，改（gǎi）善了預緊的可（kě）靠性。修複後複查精度（dù）及剛性，主軸徑向跳動小於0.005mm，剛性（xìng）小於0.01mm，完全符合要求。
二、電（diàn）機溫升導致主軸箱（xiāng）溫度過高（gāo）
在使用一個半月後，問題再次出現。按此方法再次（cì）調整主軸，無法解決回轉軸線偏移現象。再次複檢機床，發現主軸（zhóu）電機運轉一段時間後，溫度過高。由此懷疑主軸箱可能出（chū）現了熱膨（péng）脹。
為此作了如下檢（jiǎn）查（chá）。如圖2，在主軸箱和主軸套筒上架三個百分表，並測量①、②點的溫差。起始時，百分表讀數均置零，上、下兩點（diǎn）溫差亦為零；以480r/min旋轉2h後，上、下（xià）兩點溫差為7℃，百分表自上至下變化依次為0.07mm、0.04mm和0.01mm。
對主軸電機進行溫度測量。冷態時電機內部溫度為23℃，旋（xuán）轉2h後（hòu），內部溫度為97℃，外殼溫（wēn）度70℃。進一（yī）步檢測發現，該溫（wēn）升（shēng）確實造成主軸箱溫度上升，且主軸箱上（shàng）下部存在溫差（上部38℃，下部（bù）31℃），導（dǎo）致主軸箱熱膨脹0.07mm。
該機（jī）床（chuáng）選用日本FANUC公司αi係列交流主軸伺服放大器（SVM）及伺服電機，其特（tè）點（diǎn）是體積小、功（gōng）耗低（dī），需要電源模塊配合使用。其主（zhǔ）回路控製示意圖見圖3。
用（yòng）數字萬用表測量：(1)三（sān）相主電源線壓202V；(2)直流母線電壓300V左右；(3)伺服放大器輸出三相電機電壓平（píng）衡。以上數據（jù）均無異常，說明主供電回路正常，PSM電源模塊工作正（zhèng）常。
初（chū）步判斷引起電機發熱的原因可能有以下幾點：(1)三相繞組絕（jué）緣不（bú）良，與外殼之間的絕緣電阻變小；(2)線圈有匝間短路；(3)負載過大。
首先檢查電機三相繞組對地的絕緣情況，結果正常；其次在電機運行過（guò）程中（zhōng）觀察負（fù）載表，屬正常。Z後，更換（huàn）另一個同型號電機後測試，溫（wēn）升基本相同，說明發熱原因（yīn）並非匝間短路。
在反複檢測（cè）過程中發現（xiàn），空載時（shí）主（zhǔ）軸電機在不同的轉速下用卡鉗（qián）表測得的電（diàn）流值有很大的差異，相對應主軸電機（jī）的振動情況也（yě）有很大不同。見表1。
同時用同樣功率的FANUCαi係列主軸伺服電機運行（háng）情況作對比實驗，發（fā）現在不（bú）同的轉速段，測（cè）得的電機電流值變化，約為電流值的三分之一。由此可知（zhī），該主軸電機運行時的異常電流導致了主軸的不正常溫升。
查閱FANUCαi係統的主（zhǔ）軸伺服電（diàn）機手冊（cè），發現主軸參數P4133設置有誤。經改正後（在調（diào）整、修改之前，用PC卡將SRAM中的（de）原廠機床數據作好備份），斷電，再接上NC電源，係統開始進行標準（zhǔn）參數自（zì）動（dòng）設定，並從放大器（qì）側向NC側裝載。上述工作完成後，再進行（háng）空載測試，主軸電機運行電流Z大值（zhí）由38A下降到22A，且在其它頻率段的（de）電流也相應降低了。然而該電流依然偏大，電機發熱的現象也依然存在，隻是溫（wēn）升的時間延緩了許多。
經FANUC公司技術人員分析，Z終確定該電機（jī）與驅動模塊匹配性能不好（hǎo），造成電機效率低。選配合適的驅動模塊後，Z終解決了電機溫升異常的問題（此（cǐ）時電機Z大電流約11A，電機空轉2h，內部溫升僅14℃）。因電機發熱造成的主軸箱熱膨脹因（yīn）素（sù）基本排除。
此外，還采取了隔離熱傳遞的措施。經（jīng）查，原機床廠有主軸（zhóu）冷卻選購配置，隨即對該機床加裝了主軸冷卻裝置，其原理（lǐ）是（shì）將電機的安裝基座板改製成中空，其間通（tōng）入循環冷卻水，阻隔了電機的熱傳導給主軸箱，從（cóng）而進（jìn）一步消除了主軸箱的熱膨脹。
通過以上措施徹底消除了主軸熱效應造成的坐標偏移現象，提高了設備精度可靠性。
