直驅力矩電機回轉工作臺維修技術及應用*

李力威，冉貞德，靳靜力，鮑宏偉，馬小磊

(重慶齒輪箱有限責任公司，重慶 402263)

0 引 言

傳統回轉工作臺一般采用齒輪、蝸輪蝸桿等傳動機構，傳動效率低，噪聲大，能耗高，且傳動間隙無法消除，無法滿足高速高精度機床的需求[1]。而直驅力矩電機回轉工作臺摒棄了傳統工作臺的缺點，其工作臺面作為力矩電機轉子，不需要機械傳動部件，減少了部件數量，因此直驅力矩電機結構緊湊、剛性好，排除了機械傳動誤差，承載能力更大，穩定性更好，可以實現高速、高精度的定位及運轉，且故障率低，是現階段高精度數控機床的首選[2]。

由于結構原因，直驅力矩工作臺對各部件的制造精度及裝配精度要求非常高，尤其是靜壓軸承的軸孔配合間隙極小，裝配非常困難。機床生產廠家在裝配時會采用專用工具，而機床使用廠家沒有此類工具，因此一旦出現工作臺故障，大多由設備廠家派人維修，成本高，且周期長，嚴重影響生產進度。筆者通過對某型號進口成型磨齒機工作臺故障的維修及分析，采取了多項有效解決措施，實現了對直驅力矩工作臺維修的探索及應用，極大地縮短了維修周期及成本。

1 工作臺故障分析及維修方案制定

筆者公司某型號成型磨齒機加工范圍3 000 mm，工作臺直徑φ2 000 mm。該設備工作臺為力矩電機直驅，結構如圖1所示，徑向靜壓軸承控制工作臺的旋轉精度，而端面推力軸承控制工作臺的軸向浮起量[3-4]。

1.1 故障描述及分析

工作臺無法轉動、漏油，并伴隨系統報警。為找出故障原因，對工作臺外圍擋板進行了拆卸，并對工作臺進行了詳細檢查。發現故障原因是工作臺力矩電機線圈長期使用發熱，導致線圈鼓包，如圖2所示。當鼓包高度超過工作臺端面推力軸承浮起高度，便會與工作臺臺面(力矩電機轉子部分)發生干涉，導致工作臺無法轉動，漏油，機床系統報警。

圖2 線圈鼓包

1.2 維修方案

通過故障分析可知，需對工作臺電機線圈進行更換維修，那么將涉及工作臺拆卸、回裝及線圈修復等。因此，維修過程將分為四個步驟：①靜壓工作臺面拆卸；②電機線圈維修；③力矩電機線圈參數設置；④靜壓工作臺面回裝。

2 維修過程

2.1 靜壓工作臺面拆卸

該設備徑向靜壓軸承外徑為φ1 054.97 mm，與其配對的徑向靜壓腔內徑為φ1 055.03 mm，即靜壓軸承與靜壓腔的單側徑向間隙僅有0.03 mm。徑向靜壓軸承與靜壓腔的配合長度約有100 mm。因此，完好無損地完成徑向靜壓軸承的拆裝是此次維修的最大難點。為了順利完成拆裝，通過分析研究，采取以下措施。

(1) 在工作臺周圍均布四點的吊裝孔安裝定位圓柱。將定位圓柱與工作臺外圓的間隙調整至0.5 mm，如圖3所示。目的是對工作臺拆卸進行粗定位，限制工作臺在拆卸及回裝行程中徑向方向的晃動及碰撞。

圖3 定位圓柱及工作臺圖4 環形吊具安裝

(2) 在工作臺臺面安裝輔助吊具，如圖4所示。吊具為環形，在其端面設置四個均布吊裝孔。吊具安裝時確保吊具和工作臺同心。目的是使工作臺起吊過程中各方向受力均衡，防止偏轉。

(3) 用手拉葫蘆吊以提升工作臺面。葫蘆吊能更精準地控制工作臺面的提升行程，且在提升過程中察覺異常時能及時停止，可有效防止徑向靜壓軸承內孔拉傷。需準備一架10T、三架3T的手拉葫蘆吊。10T葫蘆吊用來提升工作臺，3T葫蘆吊用來調整工作臺水平。

(4) 工作臺找平及提升。①提升前，首先對工作臺面的水平度進行檢驗。用水平儀檢測工作臺面的水平度，使其<0.05 mm/m。經過計算，工作臺面水平度<0.4 mm/m即可無損地完成臺面提升。但是在實際操作中，為減少操作帶來的誤差并確保不劃傷靜壓軸承，將工作臺水平度控制在0.05 mm/m；②在工作臺均布四點方向架設百分表，用于監控每次提升工作臺均布四點方向的提升高度是否一致；③當工作臺提升至一定高度后，用深度游標卡尺測量工作臺與底座的高度，必須確保整個提升過程中，工作臺每個位置的提升高度一致，防止工作臺傾斜提升，拉傷靜壓軸承。

(5) 工作臺臺面按照電機結構分類屬于力矩電機的轉子部分，底部的外圓位置有一圈永磁鐵芯，如圖5所示。當工作臺面提升至永磁鐵芯露出來后，要防止百分表、游標卡尺、手拉葫蘆吊鏈條等鐵質品吸附到工作臺底部，對提升過程造成的影響。

圖5 工作臺面(力矩電機轉子)

2.2 電機線圈維修

工作臺起吊完成后，即可進行力矩電機線圈拆卸及維修工作。該設備工作臺力矩電機線圈為環形，由六塊弧形線圈組成，如圖6所示。每塊線圈由兩個不同類型的銷子和六顆螺釘固定在底座上。線圈冷卻方式為冷卻油循環冷卻，線圈底部與工作臺底座結合面有密封圈防止冷卻油泄漏。線圈的拆除、維修、安裝過程要做好以下措施。

圖6 力矩電機線圈

(1) 所有線圈的外形尺寸一致，有電源線、溫度傳感器線兩條線，但不同位置的線圈距離接線端子的長度不同，因此拆除線圈電線必須做好標記。

(2) 在成功取出工作臺后，必須及時測算正常電機線圈的尺寸區間，并記錄正常線圈的ABC三相間阻值和ABC三項對地阻值，用于維修后電機線圈的驗收。

(3) 拆除和安裝過程一定輕拿輕放，輕微碰撞、吊運或擺放不當都會造成線圈破損、變形，導致無法正常安裝。

(4) 工作臺面和力矩電機線圈取出后及時做好清理工作，并在相應的位置涂抹潤滑脂和保養油，覆蓋保養紙，做好防灰、防銹工作。

力矩電機線圈取出后，及時對線圈進行維修。對維修后的線圈的ABC三項相間阻值和ABC三項對地的阻值進行測算，保證必須與線圈正常狀態阻值一致。修好的線圈按標記逐步安裝到位，并將溫度傳感器線與電源線依次與機床連接后，便開始電機線圈參數匹配工作。

2.3 線圈參數匹配

電機線圈參數匹配工作按電流環、速度環、位置環的順序進行，并分別從線圈相序、相位角、增益三方面入手調節優化。

(1) 電流環優化 電流環主要作用是把輸入到電流調節器的電流信號轉換為電壓指令，并輸入到功率驅動器，從而驅動交流電動機工作。電流反饋可以改善交流驅動器的電氣特性，提高驅動器的動態性能，增強系統的穩定性。電流環的重要部件是電流調節器，其作用是加快電流環的響應速度，縮短系統啟動周期，并降低低速輕載時電流的斷續對系統穩定性的影響。根據西門子840D數控系統HMI提供的優化界面，設定測量參數，得出電流環幅頻特性圖。通過調整電流環增益參數1120CURRCTRL_GAIN及電流環積分時間常數1121CURRCTRL_INTEGRATOR_TIME，優化電流環[5]。

(2) 速度環優化 速度環的重要部件是速度調節器，將指令速度與反饋速度對比，得出速度誤差。再根據速度誤差求出轉矩信號和電流信號，控制交流電動機的轉動，消除速度誤差，達到指令速度要求。優化速度環頻響特性時，要關掉速度設定點過濾器(1500NUM_SPEED_FILTERS=0)，因其不會影響速度控制回路的穩定性，但會影響測量結果。速度環優化是利用電流濾波器將出現的幅頻高點、補償深度設定在相應參數中，并多次優化調試，使幅頻高點降低，穩定速度控制器，提高速度環增益，抑制機械噪聲。

電流濾波器的參數設定如下。

1200 NUM_CURRENT_FILTERS：電流設定值過濾器數量。

1201 CURRENT_FILTER_CONFIG：電流設定值過濾器類型。

1202 CURRENT_FILTER_1_FREQUENCY：電流過濾器1的正常率。

1203 CURRENT_FILTER_1_DAMPING：電流過濾器1的阻尼。

1213 CURRENT_FILTER_2_SUPPR_FREQ：電流過濾器2的堵轉頻率。

1214 CURRENT_FILTER_2_BANDWIDTH：電流過濾器2的帶寬。

1215 CURRENT_FILTER_2BW_NUM：電流過濾器2的帶寬分子(補償深度)。

1223 CURRENT_FILTER_2_BS_EREQ：電流過濾器2的正常BSF頻率 80% 。

(3) 位置環優化 位置環的重要部件是位置調節器。位置調節器屬于一種比例調節器，通過參數32200調整伺服增益系數從而影響位置控制器響應速度。位置調節器主要影響系統跟隨誤差和輪廓精度。當進給速度一定時，跟隨誤差與伺服增益系數成反比，因此應使用較大的伺服增益系數。但伺服增益系數太大會導致系統不穩定。要得到較高的增益系數并保證運行精度，電流環和速度環的動態響應要快，且要排除設備結構的剛性、共振的影響。增大位置調節器伺服增益系數的前提條件是有較高的速度調節器增益。速度調節器特性軟，即使加大位置環增益，實際跟隨誤差也不會有明顯減小，所以速度環優化非常重要。當電動機與機床之間的扭矩變化和間隙比較大時，電動機與機械之間發生扭轉變形，機床速度和電動機速度在加減速時會出現較大差異，這將難以保證高的位置環增益。因此，可利用位置控制器參考頻響優化位置環增益。

2.4 靜壓工作臺回裝

工作臺回裝需嚴格完成以下工作。

(1) 在工作臺回裝前，利用三架3T手拉葫蘆吊將工作臺的絕對水平調至0.05 mm/m。

(2) 利用工作臺起吊時安裝的四個定位圓柱調整工作臺面位置，確保工作臺的軸向中心線和工作臺底座的軸向中心線基本重合。

(3) 用鋰基脂做好潤滑工作。靜壓軸承內孔表面是六組材質為巴氏合金的徑向靜壓腔塊，巴氏合金的摩擦系數無油情況下為0.28，有油情況下為0.005。因此，有潤滑脂的情況下可以大大減少安裝時的劃傷概率。

(4) 工作臺回裝使用10T手拉葫蘆吊的慢速下降結合工作臺自重緩慢下降，當靜壓軸承的軸、孔即將接觸時，用位于工作臺均布四點的四個百分表監控工作臺各個位置每次下降高度是否一致，并用游標卡尺測量工作臺臺面和工作臺底座的距離，保證工作臺面的軸向和徑向安裝誤差在要求范圍內。確認軸孔接觸后，可以緩慢地小角度轉動工作臺，發現異常及時停止，找出問題并調整。直至工作臺回裝到位。

3 工作臺精度檢測

工作臺回裝后，需對工作臺精度進行檢測。精度檢測分為兩個部分進行：空載精度檢測和負載精度檢測。

3.1 空載精度檢測

空載檢測項目有兩項：工作臺浮起量、跳動誤差。

(1) 工作臺浮起量

先對設備的液壓系統及控制系統進行改造，使其在不啟動液壓控制系統的情況下直接啟動工作臺靜壓油泵。工作臺靜壓油泵啟動后調整液壓至正常值，觀察工作臺是否有異常現象，比如漏油、異響等。發現問題及時關閉液壓系統，如無異常進行下一步檢測。

經過檢測，液壓接通后工作臺的浮起高度滿足機床工作要求。同時嘗試用手轉動工作臺，感受工作臺轉動是否平順，有無滯澀感、異響等。

(2) 跳動誤差檢測

上述步驟檢查無異常后，檢測工作臺跳動情況，如圖7所示。經檢測，工作臺端面徑向跳動及外圓徑向跳動兩項數值都滿足工作臺精度要求。

圖7 工作臺空載精度檢測

3.2 負載精度檢測

通過試磨零件，并檢測試驗件精度來實現負載精度檢測。此次試磨零件為公司某產品內齒圈，試磨內齒圈基本參數如表1所列。零件試磨完成后進行在機精度檢測，檢測報告如圖8所示。

表1 試磨內齒圈基本參數

圖8 試磨零件檢測報告

對工作臺精度影響最大的兩項誤差分別是齒距累積誤差及徑向跳動誤差。從檢測報告中可以看出，齒距累積總偏差及徑向跳動偏差均達到了DIN3962標準4級精度要求，如表2所列。該機床出廠驗收精度即為DIN3962-4級。因此機床負載精度檢測滿足要求。

表2 內齒圈試磨后各項精度

4 結 語

直驅力矩電機工作臺已廣泛應用于車、銑、磨齒等各類高精度機床，大幅提高了機床的加工精度、承載能力及穩定性。文中以某型號成型磨齒機工作臺故障為例，詳細介紹了直驅電機工作臺拆卸、維修、回裝等維修過程及難點，同時對維修后工作臺精度檢測進行了詳細的探討。此次工作臺維修，不但解決了機床故障，保證了直驅力矩工作臺的精度，同時節約了維修成本，縮短了維修周期。