1、2023年 第5期 冷加工1专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product and New Technology弧齿锥齿轮机床上电主轴的应用刘胜勇重汽（济南）车桥有限公司山东济南250104摘要：介绍在弧齿锥齿轮机床上电主轴的应用项目实施中的15个创新点。设计制作数十款具有“拿来式”推广复制性的专用工具，运用各种技术手段，完成水冷电主轴的在机整体拆解，并成功回装复原。采用工控机硬盘数据的一键Ghost 技法及伺服驱动优化技术，快速排除各类故障，形成完善的水冷电主轴自主运维工艺 技法。关键词：弧齿锥齿轮；切齿机；电主轴；拆解；运维；专用工具；故障；
2、排除正高级工程师刘胜勇1 序言自主运维是近些年持续推进智能制造建设及扩大绿色低碳制造覆盖度的必经阶段，是绿色工厂、智能制造示范工厂及优秀场景最佳效能发挥的自主体现，更是企业智能制造运维队伍建设规模和能力拓展的实绩考核。电主轴是数控装备旋转传动必不可少的利器。在用户现场，常有车床电主轴、加工中心电主轴、磨床电主轴及磨刀机电主轴等。德国产11 轴6 联动弧齿锥齿轮机床1（下称C50）的A、B、C 三轴均以西门子1FW6230力矩电动机为主体部件组成电主轴，其恒定低温与长时运行是终端用户的刚需。近年来，公司陆续有3 台C50在使用中发生漏水/堵塞而出现电主轴烧毁问题，伴发611D或S120系列驱动系
3、统出错和伺服故障。8 台C50对称布置于4 条柔性生产线上，发生故障的3 台恰好位于其中的3 条生产线上。这造成操作人员必须靠反复切换工装、夹爪来完成中后桥锥齿轮副的切削任务，最终导致齿轮副的产量异常。2 国内外电主轴应用维护现状C50是一种利用持续分度法或个别分度法，对所有节距形式的螺旋锥齿轮和准双曲面锥齿轮进行批量干式切削加工（采用渗碳硬化型金属铣刀）的高效数控机床。它涉及3 个垂直结构布置且直接传动的驱动系 刀具驱动系、工件驱动系和基角驱动系。其中，刀具驱动系包含控制刀具旋转的A 轴、用于刀具切削深度进给且行程610mm的X 轴（铣削深度）、进行刀具水平定位且行程820mm 的Y 轴、控
4、制倒角铣刀旋转的Q 轴与定位用的X2 轴，A 轴轴向圆跳动和径向圆跳动均不超过0.4 m；工件驱动系包含控制工件旋转的B 轴以及用于工件水平定位且行程230mm的Z 轴，B 轴轴向圆跳动和径向圆跳动均不超过0.8 m；基角驱动系仅有一根用于工件摆动控制且回转范围87的C 轴（基角）。针对电主轴烧毁问题，德方方案是：模块式整体更换大部件A、B 轴，3 台近乎558万元，维修周期共计365天；同时附加条件是替换下来的坏件无偿运回德国。2017年国内曾拆机修理过C50 的A 轴，2023年 第5期 冷加工2专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product
5、 and New Technology结果是弧齿齿面有振纹 手感齿面有凹凸不平的纹路，内部集成的上下料双机械手丧失自动机能，操作人员仅能用电动葫芦手动装卸料。对于电主轴B 轴，国内从未进行过在机修理，无经验可借鉴。C50随机图册的A、B 轴仅各有1 张宏观概貌图，其中A 轴宏观概貌如图1 所示。为了发挥绿色工厂、智能制造示范工厂及优秀场景的最佳效能，非常有必要开展“弧齿锥齿轮机床上电主轴的应用研究”项目。3 电主轴应用项目的15个科技创新点电主轴应用项目的科技创新点主要有15个：自制A、B 轴拉马在机取出电主轴，自制A、B 轴刚性防护架增强安全性，自制电动机定子加强环防止变形2，自制U 形扁板
6、带吊装B 轴，自制十字吊梁吊运A 轴定子线圈，选用间隔垫完成力矩电动机定子与转子的嵌装，自制螺杆式牵引工具安装电主轴，自制承托轮载运湿式排屑机，一键Ghost 复原PCU50的硬盘数据，配置锤击式铜棍安装电主轴，自制“挖耳勺”取出工件碟形弹簧，选用PWT18快调仪调测海德汉光栅尺，弧齿齿面振纹根治，C50整机安全集成SPL 机能处置，以及MDA 循环程序探寻切齿 突停。3.1 自制A、B 轴拉马在机取出电主轴受市面上三爪、四爪拉马的启发，结合B 轴的位置结构，采用40mm厚的钢板，制作B 轴拆卸用门架式拉马（见图2），自机体内将1FW6230力矩电动机等零部件组成的电主轴整体拉出来。C50的A
7、 轴受机床本体空间的限制，两侧有筋板，只能设计环状异形拉马（见图3）。它由50mm厚的板料加工制成，底部有2 根腿、侧面配2 只“耳朵”，这2 只“耳朵”放置于图中白色三角筋板处，实现电主轴的整体取出。图1C50刀具主轴A 轴宏观概貌1刀盘安装座2外压环3鞍座4NNU4964圆柱滚子轴承5主轴体6定子线圈7转子永磁体8内六角圆柱头螺钉9法兰盘10YRTS260转台轴承11 密封盖12支架13光栅鼓ERA4800C14内压环 a）门架式拉马 b）拉马的应用图2B 轴拆卸用门架式拉马2023年 第5期 冷加工3专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Prod
8、uct and New Technologya）环状异形拉马 b）拉马的应用图3A 轴拆卸用环状异形拉马3.2 自制A、B 轴刚性防护架增强安全性考虑维修人员的安全，制作A、B 轴专用刚性防护架。图4 为B 轴刚性防护架，就地取材，采用桥壳运输架进行改制，即将其一剖为二，用于仅可容纳 1 人的狭窄维修作业空间，避免电主轴整体滑落。a）桥壳运输架 b）防护架的应用图4B 轴刚性防护架A 轴刚性防护架（见图5）受机床中间部位完好的B 轴影响，仅可设计拼接式防护架，也就是预先焊制2 个大片，放入机体的A 轴下方，再用红色80mm方管短筋梁进行拴接。如此，不拆卸机床的整体防护罩，便可防止垂直轴的下滑危
9、险。a）焊制 b）外观 c）应用图5A 轴刚性防护架3.3 自制电动机定子加强环防止变形1FW6230力矩电动机的定子线圈框架为铝质，强力拆卸、吊装中，易受挤压变形，影响后续安装，严重者会造成电动机报废。为此，设计制作定子加强环（见图6），预先拴接在定子线圈上，再经由吊环螺栓挂载。a）定子吊装 b）定、转子装配图6力矩电动机定子加强环3.4 自制U 形扁板带吊装B 轴C 轴最大摆角87，无法呈水平状态布置，使得B 轴不能水平拆除与装回。为避免3 安装倾斜角“挑战”维修人员的腰力，采用宽40mm、厚5mm的扁铁制作U 形扁板带（见图7），替代软绳和单个吊点。a）装配前 b）装配中图7U形扁板带3
10、.5 自制十字吊梁吊运A 轴定子线圈垂直式A 轴不同于水平式B 轴的拆卸。B 轴内部为中空，使得B 轴定、转子一同拆出与装回。A 轴为实心且中间仅有1 个M16盲孔，使得A 轴在拆卸时须先取出转子，再拿出定子。定子外圈与外壳孔壁的间隙仅1mm，需要边找正、边吊出。为此，制作专用十字吊梁（见图8），拴接在定子线圈上。a）吊梁 b）吊梁的应用图8A 轴十字吊梁3.6 用间隔垫完成力矩电动机定转子嵌装1FW6230力矩电动机的转子为永磁体，定子2023年 第5期 冷加工4专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product and New Technolog
11、y为线圈绕组，二者之间的间隙约为0.5mm。在安装时，强大的吸力会使定、转子吸合在一起。为此，安装前须准备3 块宽190mm、厚0.5mm的尼龙垫条，1 人操控定子线圈下落，3 人控制尼龙垫条塞入定、转子的间隙中，随落随向上拔出尼龙垫条，直至定子线圈下端紧贴于电主轴的端面基面上。历经多次拆装电主轴后，发现尼龙垫条不如A3胶套好用，现全部改用A3胶套。尼龙垫条和A3胶套如图9 所示。a）尼龙垫条 b）A3胶套 c）嵌合图9尼龙垫条和A3胶套3.7 自制螺杆式牵引工具安装电主轴C50 的B 轴安装采用螺杆式牵引工具（见图 10），将门架式拉马反过来用其平面，中间26mm通孔穿入M241000mm螺
12、杆，贯通B 轴心部，螺杆套入80mm方管。调整位置逐步牵引至端盖，待外圈进入B 轴机壳，剩余最后10mm时，拿掉螺杆式牵引工具，换用直径120mm铜棍。a）B 轴心部 b）工具的应用图10螺杆式牵引工具3.8 自制承托轮载运湿式排屑机有的C50下方配置湿式排屑机，它需要自屏幕操作侧进出。在生产线建设完成且2 台C50对称布局后，排屑机就缺少进出空间了，只能从卸料环形线的空档内抽出，这就需要改制承托轮，增加承托板，以将定向轮改为万向轮。湿式排屑机承托轮改制前后情况如图11 所示。3.9 一键Ghost复原工控机硬盘数据C50电主轴被精心安装后，用户期待其无忧运转。但在实际运转中，操作人员不时反馈
13、屏显转子位置同步出错、伺服故障等报警信息3。操作人员通过不断调整位置和多次关机重启，C50能进入工作状态，但每隔8h就需繁琐地调整一次。维修人员在尝试清掉所有C50的NC 和PLC 数据后，制作EBOOT USB 启动盘，对SINUMERIK 840D 系统进行一键Ghost（见图12），安全集成功能粘贴进伺服驱动器内。a）报警反馈 b）Ghost应用图12一键Ghost示意3.10配置锤击式铜棍安装电主轴由于B 轴端盖外圈与机壳内孔过盈配合较大，加之NNU 双列圆柱滚子轴承一同安装，故造成先前的螺杆式牵引工具不能将它们牵入最后10mm。此时换用 120mm1000mm的锤击式铜棍（见图a）改
14、制前（无承托轮，仅可左右移动）b）改制后图11 湿式排屑机承托轮改制前后示意2023年 第5期 冷加工5专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product and New Technology13），将电主轴整体撞入机壳，类似寺庙内的“和尚撞钟”。切记：不可用力过猛，避免造成Z 轴直线导轨滑块碎裂以及光栅尺读数头损坏。图13锤击式铜棍3.11 自制“挖耳勺”取出工件碟形弹簧在B 轴拆解中，会用到一个比较小的“挖耳勺”。它用于拆出B 轴心部12件正反排列的DIN2093碟形弹簧A180 Gr3。用左手轻扶材质为50CrVA或50CrV4的碟形弹簧，右手
15、向外拉“挖耳勺”（见图14），将碟形弹簧一一取出。碟形弹簧的作用是提供4.0 104N 拉力，拉紧工件；松开工件时依靠1.6MPa气压力压缩碟形弹簧，完成松开工件任务。a）碟形弹簧取出b）碟形弹簧外观图14“挖耳勺”及碟形弹簧3.12 选用PWT18快调仪调测光栅尺A、B、C 轴的旋转位置经由转子上的光栅鼓与定子不动侧的读数头相互耦合，实时反馈坐标数据。光栅鼓与读数头的安装间隙为（0.10.015）mm，间隙大则不计算距离，间隙小则摩擦钢带并损坏读数头。此刻，借助PWT18光栅尺快调仪（见图15）来调测间隙，使栅格幅值处于1Vss 左右（许可范围0.61.2Vss），原点信号的黑条两端时刻处于
16、两个方括号内。在PWT18测出栅格幅值0.820.97Vss时，运转中C50会屏显多个报警，引发伺服故障。a）光栅鼓b）读数头c）报警及检测中图15PWT18光栅尺快调仪3.13 弧齿齿面振纹根治综合运用图形监控，参数优化、仪器测量等模块化运维技法4，进行切齿振纹的真因分析，给出切齿振纹根治的有效措施。C50的夹具全部2023年 第5期 冷加工6专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product and New Technology换新回装，B 轴速度环再优化（MD12003 4，MD12195101080，MD1220 150500，MD14071
17、200015000），变更夹具拉紧方式（去掉气路P120.60改为纯碟形弹簧拉紧，Fz 4.2kN 4.7kN），优化切齿工艺参数。3.14 整机安全集成SPL机能处置C50的安全集成链一旦被触发，则信号$A_PLCSIIN11 和$A_PLCSIIN03出现异常，遂造成装料门不能正常开闭。为此，采取8 线1 程序来突破SPL 装料门无动作难题（见图16），8 线是在电控柜内短接N900-N901、N902-N903、N567-N267及N667-N376。图168线1程序突破SPL装料门无动作难题3.15 MDA循环程序探寻切齿突停对于多轴联动的数控机床5而言，借助MDA 循环程序探寻屏显报
18、警的根因（见图17），会起到事半功倍的作用。例如，垂直轴X 轴在MDA 方式下编程循环往复运行时，维修人员可辨析噪声、监测滚珠丝杠副的负载，判查滚珠丝杠螺母副的工作完好状态；摆动轴C 轴在MDA 方式下编程循环往复运行时，维修人员能确定C 轴屏显报警的实际角度，然后修改C 轴参数，进行花钱升级COP32程序的替代操作，从而消除C 轴的停机故障。a）报警画面b）程序画面图17MDA循环程序探寻切齿突停4 结束语公司智能制造运维团队在少图样、无经验的情况下，运用电信号演绎法、机械动作耦合法和工作介质流向法，完成水冷电主轴的在机整体拆解，并成功回装复原；采用工控机硬盘数据的一键Ghost技法及伺服驱
19、动优化技术，快速排除了自修后出现的各类报警和机电故障。形成了完善的水冷电主轴自主运维工艺，为车床电主轴、加工中心电主轴、磨床电主轴和磨刀机电主轴的运维提供了可借鉴 案例。参考文献：1 刘胜勇.直接驱动技术在螺旋锥齿轮机床群的应用J.世界制造技术与装备市场，2022（5）：15-19.2 刘胜勇.新能源汽车驱动电机的智能制造J.世界制造技术与装备市场，2021（6）：27-30.3 刘胜勇.高精度数控机床模块化维修J.金属加工（冷加工），2020（7）：77-78.4 刘胜勇 图解数控机床维修必备技能与实战速成M.北京：机械工业出版社，2018.5 刘胜勇 实用数控加工手册M.北京：机械工业出版社，2015.20230308
