蒙旭喜 黄宏富 於双月
上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007
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
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 430
Veff、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T H2O =25°C，防护等级为IP00。以适应频繁启停及高速高精
WEISS Motorized Spindle Performance Detection and Application
Meng Xuxi ，Huang Hongfu ，Yu Shuangyue
Abstract ：
H igh 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 ：
m otorized spindle, operational performance, diagnostic testing 图1 电主轴结构剖视图
图2 拉刀系统和液压缸工作演示图
夹紧装置
碟形弹簧
液压缸
活塞
牵引头（用于夹紧刀具）
支撑轴承
水冷同步或异步电机
旋转接头
防压缩空气泄漏的迷宫拉刀碟簧编码器及编码轮刀具夹紧松开油缸
防冻液
流向
切削液
流向开关量传感器（感应油缸位置）模拟量传感器（感应锥形块位置）
HSK,SK or BT tool interface
Spindle bearing
Water-cooled asynchronous or synchronous motor
Internal tool-cooling/taper cleaning air
Labyrinth seal with air purge
Clamping system with sping stack
Encoder
Tool release unit
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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，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
通过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。
图5 电主轴芯轴动平衡检测数据
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
图3 电主轴故障部位柱状图
图4 电主轴回转精度检测数据
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、
图6 电主轴拉刀力检测
图7 电主轴拉刀力调整原理
图8 电主轴振动分析仪检测数据
上汽通用五菱汽车股份有限公司图9 电主轴编码器信号诊断
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，进行保压测试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，
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作者简介
蒙旭喜： （1989—），男，壮族，广西贵港人，
助理工程师，学士学位。研究方向：发
动机制造设备与维护。
黄宏富： （1991—），男，汉族，广西桂林人。
研究方向：自动化设备装调与维护。
於双月： （1988—），男，汉族，广西桂林人，
工程师，学士学位。研究方向：发动机
制造设备与维护。
图10 电主轴内装式电机冷却密封安装方式
图11 PTC热敏电阻技术数据
作者简介
刘善英： （1987.12—），男，工程师，本科，
研究方向为汽车车身设计。
图8 C柱下部腔体内部增加支撑件
图7 改变C柱内板下部连接板结构形状
修改前
修改后
表1 D柱上接头方案1与方案2的扭转性
能提升分析验证结果
表2 C柱下接头方案1与方案2的扭转性
能提升分析验证结果
化分析手段识别车身结构灵敏度及车身截面
灵敏度，取得明确的灵敏度分析结果，并对
灵敏度高的区域进行方案设计与分析验证，
初步明确了该方法的可行性。总的来说，SFE
参数化模型与拓扑优化是车身前期设计时较
导后续车身结构设计。
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静刚度的结构胶拓扑优化分析[J].汽车工
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可靠的分析手段，弥补了前期CAE分析无法
介入的空窗期，可以更早对车身性能进行仿
真摸底，对车身前期性能评估以及性能所对
应的重量与成本评估具有重要的作用，并可
根据灵敏度提出具有针对性的优化建议，指
（上接第151页）
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：
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