基于性能测试的电主轴预防性维修方法研究*

张日升 刘维新 余 纬 胡 秋

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900)

高速高精电主轴是高档数控机床的核心组成部件，其性能和可靠性直接影响加工质量[1]。在长期运行过程中，电主轴性能会逐渐退化[2]，剩余寿命逐步下降，发生故障的潜在可能性逐渐增加[3]。故障一旦发生，可能造成严重的质量和经济损失，建立科学有效的预防性维修体系、避免电主轴退化型事故和确保电主轴长期安全稳定运行，是目前机床故障诊断领域需要解决的问题之一[4]。

高速高精电主轴一般无齿轮箱结构，采用变频器直接进行调速，结构上包括电机定子、电机转子、冷却系统、拉刀机构、支撑轴承、润滑系统和主轴壳体[5]。长期服役过程中，润滑不良会造成轴承过快磨损，使用不当会造成拉刀机构碟簧或拉刀损坏，长期高负载使用会造成轴承故障引起加工振纹等现象。上述电主轴渐变型故障大多会经历由正常到退化直至失效的过程，通常会经过一系列不同的性能退化状态[6]，性能的退化又会引起故障敏感特征的变化，掌握故障敏感特征与性能退化之间的映射关系，通过对故障敏感特征的监测预警能够实现故障预测[7]。电主轴预防性维修的意义在于，通过长期跟踪，掌握电主轴性能退化趋势，进而预测部件的剩余寿命，在适当的时间进行择机修复[8]，减少或降低电主轴故障对正常排产造成的冲击，以有效预防一些隐性的质量问题，如加工件表面振纹、粗糙度超差等问题。

本文针对电主轴预防性维修问题，首先分析电主轴结构和常见故障，得到电主轴故障多发部位和故障原因；然后基于分析结果设计预防性维修体系，对故障多发的关键部位设计性能测试方案和评价标准，形成体系化的电主轴预防性维修方法；最后将设计的预防性维修方法应用于长期服役的电主轴，以验证所提电主轴预防性维修方法的有效性。

1 电主轴常见故障

1.1 电主轴基本结构

电主轴与机械主轴的主要区别是采用了电机内置的结构，具有高刚度、小转动惯量的特点。由于转速较机械主轴高出很多，传统的油脂润滑不能满足高速润滑的要求，加工中心电主轴多采用油气润滑方式；由于转速高发热大，电主轴大多需要专门的冷却设备，壳体内部开有冷却管道。常见的电主轴基本结构如图1所示[5]。

1.2 电主轴常见故障

结合工程实践中维修的多个型号电主轴，试分析电主轴基本结构与常见故障。

(1)拉爪和碟簧组成拉刀机构，是电主轴实现快速自动换刀功能的关键功能部件。在长期服役过程中，拉爪与刀柄存在碰撞、摩擦，是电主轴的常见故障源之一；碟簧的作用是拉紧刀柄，松刀时在打刀缸作用下克服碟簧拉力松开刀柄，碟簧本质上等效于一段弹簧，在长期服役过程中，弹簧会逐渐产生变形、失效，碟簧上限寿命一般推荐20万次，超过寿命上限后其可靠性大幅下降，也是电主轴常见故障源之一。

(2)前端轴承和后端轴承是电主轴转子系统的支撑部分，是转子系统与外部壳体的耦合部位。高速高精电主轴轴承精度较高，大多采取前端固定后端游动的安装方式。在长期服役过程中，轴承滚子与轴承滚道之间高速相对运动，摩擦产生的热量如不能及时排出会造成润滑油膜失效，进而造成滚子、滚道之间的相对摩擦，是电主轴常见故障源之一[9]。

(3)高速高精电主轴一般采用油气润滑，通过压缩空气和油气发生器向电主轴轴承供应精确微量润滑油，降低因润滑油搅动而产生的过多热量，减小轴承温升，延长轴承的精度寿命。在长期服役过程中，由于供气压力不稳定、气密性不良和润滑油泵损坏等原因，导致油气润滑质量下降，进而导致轴承发热过快磨损，是电主轴常见故障之一。

(4)电主轴液压系统主要功能是在快速自动换刀过程中克服碟簧拉刀力使拉刀机构松刀，根据拉刀机构形式不同所需的液压松刀力也不同。在长期服役过程中，由于液压系统的液压油只在本系统内部循环，经常会忽视对液压系统液压油相关的检测，由于油液变质、泄漏和杂质混入导致的液压压力不足会造成松刀力不够，极端情况下会造成换刀故障，更多的情况下会造成换刀偶发卡顿报警，是电主轴常见故障之一。

根据上述结构分析和故障原因分析，梳理总结如表1所示。

表1 电主轴常见故障部位和故障原因

2 电主轴预防性维修方法

2.1 基于性能测试的预防性维修体系设计

常规的电主轴性能检测方法是每隔2～3年对电主轴进行精度检测[10]，周期较长，如表2所示。它能够准确辨识出电主轴精度下降问题，在以往的单机生产过程中对设备维保起到了重要支撑作用。

表2 电主轴几何精度检验表

但随着自动化生产模式的推进，数控机床及其主要组成部分的电主轴的工作负荷增大、工作频率升高，以往2～3年的精度定检周期已不能满足自动化生产模式对设备维保的新需求；并且，精度检测结果是所有故障的综合体现，还需要进一步分解到电主轴的各个组成部分进行进一步分析和定位。

电主轴预防性维修的主要目标是从常见故障部位和故障原因出发，设计一套检测频率更高、基本不影响自动化生产节拍及故障定位更准确的预防性维修体系。结合本文第1节的结构分析和故障原因分析结果，设计电主轴预防性维修体系如图2所示。

其中，换刀测试可从换刀流畅度上直观反映拉刀、液压2个系统的状态，只需编制简单的换刀程序循环执行即可；温升测试采用主轴最高转速持续运行20～30 min，用场温仪每隔1 min记录主轴温度最高处温度并判断，即可直观反映冷却、润滑2个系统的状态。图中重点关键部件性能测试详细方案设计如下。

2.2 电主轴拉刀力测试

电主轴拉刀力由碟簧提供，通常成组安装成碟簧组，多片碟簧通过自身变形和互相压缩产生拉刀力。碟簧封装在电主轴内部，如想直接检查碟簧状态需要将拉刀机构取出，但拉刀机构的拆装比较繁琐，并且频繁地拆装可能对电主轴性能造成一定的影响。因此，针对电主轴常见故障源之一的碟簧进行研究，从碟簧的用途出发，根据碟簧是拉刀力产生的唯一来源角度出发，通过拉刀力测试来间接判断碟簧状态。

测量拉刀力时，首先通过数控系统控制打刀缸电磁阀使刀具轴处于松刀状态，手动将组装好的、安装了对应刀柄转接头的拉刀计放入电主轴锥孔内，数控系统控制打刀缸电磁阀失电拉刀，拉刀计被拉紧并显示一个稳定的目前拉刀力读数，如图3所示。

常见的主轴拉刀机构接口形式主要有BT、HSK、CAPTO等，本文主要主要针对高速高精电主轴预防性维修，BT形式拉刀机构由于设计原理并不适合高速高精电主轴，所以本文不做讨论。表3列出高速高精电主轴常见的HSK、CAPTO拉刀机构的拉刀力测试结果的评价标准。

表3 电主轴常见拉刀机构标准拉刀力

工程实践中，为提高主轴、刀具系统的刚度，机床厂商往往会增大拉刀力数值，HSK、CAPTO拉刀机构的拉刀力测试结果正常情况下均比上表中列出的数值大，一般认为实际测量值比表中标准值大20%以内均属正常。

2.3 电主轴拉刀机构EM值测试

EM值(eject measurement)指拉爪受后端打刀缸作用伸出电主轴锥孔的长度，即伸出锥孔的拉爪端面与电主轴锥孔端面之间的距离，该距离必须在电主轴冷却状态下测量。

测量电主轴EM值时，首先退出刀具，使刀具轴拉刀机构处于松刀状态；然后用深度尺测量拉爪端面与锥孔端面之间距离；重复上述步骤反复测量3次，取3次测量平均值作为EM值，如图4所示。

表4列出常见的高速高精电主轴采用的HSK、CAPTO拉刀机构拉刀力测试结果评价标准。

表4 电主轴常见拉刀机构标准EM值 mm

表4中，HSK形式拉刀机构的拉刀爪在松刀状态下会伸出电主轴锥孔，而CAPTO形式拉刀机构的拉刀爪在松刀状态下不会伸出电主轴锥孔，测量的EM值相对HSK拉刀机构而言相当于是1个负值。CAPTO拉刀机构松刀状态EM值示意如图5所示。

2.4 电主轴轴承振动测试

电主轴轴承振动测试方法为：采用磁吸式振动传感器，布置在距离电主轴前端轴承最近的主轴箱箱体处，主轴夹紧动平衡刀具以最高转速运转，采集该状态下电主轴振动加速度时域信号，并将其处理为振动速度时域信号和均方根值(RMS值)。基于ISO 10816标准，对监测得到的振动速度时域信号进行评价，如表5所示。

表5 电主轴非旋转部位振动测量值评价参考标准

在采用上表评价电主轴振动信号时域RMS值变化趋势的同时，还可以对振动信号进行傅里叶变换，对振动信号频域特征进行分析。参考文献[11]给出电主轴轴承故障特征频率的理论计算方法如下式所示。

(1)

(2)

(3)

式中：BPFO为轴承外圈故障特征频率；BPFI为轴承内圈故障特征频率；BSF为滚动体故障特征频率；n为滚动体数量；fr为主轴转速频率；d为滚动体直径；D为轴承节径；φ为接触角度。

上述轴承故障特征频率理论计算方法，在未拆除电主轴机械结构的情况下，较难获取轴承的一些特征尺寸来计算准确的故障特征频率。工程实践中，经常根据正常状态下与疑似故障状态下电主轴频域特征图的比对，分析电主轴轴承振动测试结果。

2.5 电主轴润滑测试

高速高精电主轴一般采用油气润滑，通过压缩空气和油气发生器向电主轴轴承供应精确微量润滑油。工程实践中，由于服役时间较长，油/气管路老化破损、润滑油添加不及时和密封不良等原因导致油气润滑不良现象较多，大多会导致电主轴轴承润滑不良磨损加剧、温度异常升高及性能快速退化[12]。

针对上述问题，本文设计了基于点检的电主轴润滑测试方案，通过对电主轴润滑系统的长期离线点检测试，获取油气润滑系统性能状态，确保电主轴辅助支撑系统工作正常。润滑测试部位示例如图6所示，润滑测试方案和评价标准如表6所示。

表6 电主轴润滑测试方案与评价标准

3 实验验证

为验证本文设计的电主轴预防性维修方法的有效性，在多个长期服役的电主轴上开展实验验证，典型故障的预防性维修情况如下。

3.1 基于拉刀机构测试的电主轴预防性维修

某型号车铣复合中心电主轴最高转速30 000 r/min，采用CAPTO C4形式拉刀机构，在长期服役过程中，采用本文设计的预防性维修方法对电主轴性能进行监测，其中拉刀机构测试数据如下表所示。

表7 某型号电主轴拉刀机构测试数据

根据表中测试记录数据，结合本文表3、表4给出的拉刀力、EM值评价标准可以看出，该电主轴拉刀机构EM值测量一直正常，拉刀力测试值初期正常，在推荐拉刀力的1.2倍左右，但随着服役时间的增长，拉刀力出现显著下降趋势。最近一次测试甚至已经低于本文表3给出的推荐拉刀力，显著不正常。虽然此时并未发现加工质量有显著异常，但根据测试结果电主轴拉刀机构性能已显著退化。

选择在该设备加工间隙对电主轴拉刀机构进行排查。将拉刀机构前端从电主轴锥孔中拆出，检查发现前端配对使用的拉刀爪中的1个有明显断裂损坏迹象，如图7所示，损坏的刀爪导致拉刀机构在抓刀时刚度不足拉刀力下降。同时，拉刀机构碟簧厂家推荐寿命在20万次以内，虽然该电主轴没有换刀次数统计，但从服役周期来看应已达到或接近碟簧寿命上限。

基于上述实验现象和分析，对电主轴拉刀机构进行了整体快速更换，对更换后的电主轴拉刀力和EM值进行测试，分别为14.8 kN和8.31 mm，符合本文表3、表4中评价标准。

实验结果表明：基于本文设计的预防性维修方法，在该电主轴拉刀机构性能进一步退化前及时发现了隐患，择机实施了更换处理，预防由于电主轴故障导致的加工质量问题。

3.2 基于振动测试的电主轴预防性维修

采用本文设计的预防性维修方法对某型号车铣复合中心电主轴性能进行监测，其中轴承振动测试数据如表8所示。

表8 某型号电主轴轴承振动测试数据

该电主轴功率13 kW，根据本文表5给出的的电主轴轴承振动评价标准，A级别时振动速度RMS应小于0.71 mm/s，B级别时振动速度RMS应小于1.80 mm/s，大于1.80 mm/s则属于C级别。该型号设备厂家给出了电主轴轴承处的振动速度RMS值最大允差为3 mm/s。

根据表8中振动测试数据可以看出，虽然该电主轴轴承振动测试结果没有超出厂家给定的最大允差3 mm/s(常规维修阈值上限)，但在长期服役过程中，相同刀具、相同工况条件下，振动测试数据的评价结果从初始的A级逐渐退化至C级，表征该电主轴轴承性能有较大幅度下降，虽然还没有退化至发生严重故障、影响加工质量的程度，但已经处于正常工作寿命周期的末期。

本文对上述振动测试数据进行傅里叶变化，结合频域特征进一步分析电主轴性能变化趋势，频域分析结果如图8所示。

多次实验频域特征整理如表9所示。

表9 某型号电主轴轴承振动频域特征

从表9中频域特征可以看出，频域特征最大值始终是转速基频500 Hz占主导地位，但随着服役时间的增长，频域特征从最初的只有转速基频及其自然整数倍频，逐渐发展为出现非转速基频及其自然整数倍频的其他频率特征。由于该电主轴厂商并不提供主轴轴承相关数据，无法根据本文前述式(1)～(3)计算是否由轴承引起，但与电主轴初始状态比较，频域特征的变化比较显著，表征电主轴内部可能存在松动、磨损、断裂类的早期故障征兆。

基于上述实验现象和分析，提前对该电主轴整体进行了备份，待该型号机床工作间隙时对电主轴进行了快速整体更换，更换下来的电主轴返厂维修。更换后新电主轴轴承振动速度RMS测试结果为0.6 mm/s，频域特征与被更换电主轴早期频域特征相同，仅有转速基频及其自然整数倍频，且转速基频特征值最大。

实验结果表明：基于本文设计的预防性维修方法，在该电主轴轴承性能进一步退化前及时发现了隐患，择机实施了更换处理，预防由于电主轴轴承故障导致的加工质量问题。

4 结语

本文针对电主轴预防性维修问题，通过电主轴结构分析和常见故障分析得到故障多发部位和故障原因；基于故障多发部位和原因设计了电主轴预防性维修体系，设计了性能测试方案和评价标准，得到了电主轴预防性维修方法；将该方法应用于长期服役的精密数控机床电主轴，验证了所提方法的有效性。验证实验结果表明：所提方法有效识别出了电主轴早期性能退化，为后续的提前介入预防性维修和性能退化趋势监测提供了有效依据。本文研究成果为高速高精电主轴预防性维修提供一种可借鉴的技术手段。

需要指出的是，本文设计的电主轴预防性维修方法主要依赖人工、离线开展，后续还需进一步开展将预防性维修方法所需数据实时在线自动采集存储分析预警的研究，以更好适应自动化生产模式的需求。