數控機床電主軸的檢測與維護

呂寶壘

(格勞博機床（中國）有限公司，遼寧 大連 116600)

0 電主軸的結構和工作原理

電主軸本身是一個力矩電機，其結構如圖1所示，主要由定子（繞組線圈），轉子（永磁鐵），主軸夾頭，拉桿和彈簧等零件組成。由定子和轉自組成的同步電機通過一個逆變器來工作，主軸內部的齒輪編碼器向變頻器提供主軸的精確位置，這樣變頻器就能夠使電機按照規定的角度或速度來運行。主軸支撐采取的是前后兩端支撐，軸承是高精度陶瓷球軸承，該軸承在出廠時已經加注好潤滑脂因此是自潤滑軸承。軸承前端采用了迷宮式氣密封系統， 以防止切削液或其它介質侵入軸承。主軸錐孔是1：10短圓錐錐孔，適用于HSK刀具系統。刀具的夾緊采用的是碟形彈簧組件來夾緊，刀具的松開則是通過液壓缸推動碟形彈簧來松開。電主軸具有結構緊湊，重量輕，摩擦小噪音低，響應快，轉速高，功率大等特點。電主軸在現代數控機床尤其是高速加工機床和其它裝備行業中越來越多的被采用。

圖1 電主軸的結構

電主軸在使用過程中通常會出現精度超差，松、夾刀故障，主軸溫升過高,旋轉接頭漏水等故障，通過梳理和總結電主軸經常出現的故障現象以及解決過程，匯總出了電主軸進行精度檢測和維修維護方面11個項目：

（1）檢測主軸的徑跳和端跳。

（2）檢測主軸的夾緊力。

（3）檢測主軸夾緊套的行程。

（4）主軸的拆卸和安裝。

（5）主軸的徑跳檢測及主軸與Z軸平行度的檢測與調整。

（6）雙主軸平行度的檢測（適用于雙主軸機床）。

（7）新主軸的夾緊補償值。

（8）運行油脂分布程序。

（9）主軸0°位置的檢測與校準。

（10）回轉接頭的拆裝。

（11）槽型密封圈的更換。

1 檢測主軸的徑跳和端跳

1.1 端跳檢測

1.1.1 檢測儀器

電子千分表，允差0.002 mm，檢測周期：每運行3 000 h。

1.1.2 操作要點

操作如圖2所示。

圖2 主軸端跳的檢測

（1）手動模式下主軸向外伸出并處于夾緊狀態

（2）將主軸端面的小凸片部位用細油石清潔干凈

（3）將千分表吸在工作臺面上，將表針輕壓到小凸片上，注意表針的受力方向只能是上下方向，將千分表預緊0.02～0.03，然后將表針置為0。

（4）旋轉主軸記錄表針變化的最大差值，該值即為主軸的端跳值。

1.2 徑跳檢測

1.2.1 檢測儀器

電子千分表，允差：0.002 mm，檢測周期：每運行3 000 h。

1.2.2 操作要點

操作如圖3所示。

圖3 主軸徑跳的檢測

（1）手動模式下主軸向外伸出并處于夾緊狀態。

（2）將主軸的內孔用工業酒精清潔干凈。

（3）將千分表壓到主軸內孔上注意表針的受力方向，將千分表預緊0.02～0.03，然后將表針置為0。

（4）旋轉主軸記錄表針變化的最大差值，該值即為主軸的徑跳值。

2 檢測主軸的夾緊力

2.1 檢測目的

檢測主軸的夾緊力是否滿足規定要求，從而判斷主軸內部的碟形彈簧或螺旋彈簧是否老化失效。若夾緊力不足則在加工過程中刀具可能從主軸中甩出，因為刀具的夾緊依靠的是彈簧的拉力,刀具的松開是靠液壓推動拉桿來松開的。

2.2 檢測儀器

測力計 （如 OTT公司的測力計）允許值：參見表1，檢測周期：每3 000 h。

表1 電主軸夾緊力范圍值

2.3 操作要點

（1）手動將測力計夾入到主軸中，如圖4所示。

圖4 電主軸夾緊力的測量

（2）讀取測力計所顯示的數值。

（3）將測量值與表1中的值進行比較.

3 主軸夾緊套行程的檢測

3.1 檢測目的

為了使刀具能在電主軸中被順利的夾緊和松開,主軸端面和夾緊套之間的距離應滿足規定尺寸的要求。

3.2 檢測儀器

深度尺，允許值：HSK A63:10.5±0.05 mm；HS K A100:13±0.1 mm。

檢測周期：每運行3 000 h。

3.3 操作要點

（1）將主軸向外伸出以方便檢測，然后讓主軸處于“松開”狀態，如圖5所示。

圖5 主軸夾頭行程的檢測

（2）將主軸端面用油石清潔干凈，將深度尺校準為0。

（3）用深度尺測量主軸端面到主軸夾緊套之間的距離，測量值應符合允許值的要求。

4 主軸的拆卸和安裝

電主軸一旦出現了比較嚴重的故障就需要將主軸從機床上拆卸下來送到專業的維修機構進行檢測和維修。

4.1 HSK63主軸的拆卸

4.1.1 操作要點

（1）將拆卸主軸用的工裝按照圖紙組裝好，如圖6。

圖6 主軸拆裝工裝

（2）移動X軸以利于在機床后部方便連接專用的拆卸工裝，如果X軸不能移動，可用手柄轉動X軸負向端的絲杠。將ZM軸和Z軸后退到正極限位以方便拆卸。

（3）將主軸處于“夾緊”狀態，將機床徹底斷電。

（4）斷開主軸后端的全部電纜、管線。如圖7所示。

圖7 電主軸后部的管線

（5）將兩個鋁型材連接桿掛到機床頂部的橫梁上，如圖8所示。

圖8 鋁型材桿安裝部位

（6）卸下Z軸能源鉸鏈槽，然后將該槽向后展開，掛到連接桿上，如圖9所示。

圖9 能源鉸鏈槽的吊掛

（7）將所有管路用堵塞堵上防止雜物進入，并用膠帶捆好，如圖10。

圖10 管線的保護

（8）連接托架，把橘紅色托架用螺栓固定到Z軸床身上，如圖11所示。

圖11 工裝托架的連接

（9）調整滑槽的水平，用水平尺檢查滑槽的水平，后面的支架可以調整滑槽的高低。

（10）拆下主軸前端的防護蓋，然后卸下如圖12所示內圈的小螺栓。注意不要動外圈的大螺栓。

圖12 拆卸主軸法蘭盤

（11）拔下電主軸的定位銷然后向后推電主軸。將電主軸停在滑槽的v合適位置然后用兩個半圓套圈卡在距主軸安裝面約270 mm處，用叉車或吊車將主軸吊離機床即可。

4.2 HSK63主軸的安裝

（1）將主軸各結合面涂抹潤滑油，清潔Z軸和架子槽。

（2）用深度尺測量主軸端面到主軸調整墊圈之間的距離，該距離必須與舊主軸的完全一致（允差：0.01～0.03 mm）,如果不一致要么修磨調整墊圈，要么更換一個厚一些的墊圈。

（3）打入主軸的定位銷。

（4）將電主軸放到滑槽中并小心向前推，直到距離調整墊圈100 mm左右，使用棉簽和清潔劑清潔墊圈的安裝面。

（5）使用旋轉工具轉動主軸，以使主軸的銷孔與定位銷的位置一致。如圖13所示。

圖13 旋轉主軸

（6）用兩個長桿的手柄向前拉動主軸，直至主軸不能向前移動為止。如圖14所示。

圖14 拉靠主軸

（7）按規定力矩擰緊法蘭盤內圈上的小螺栓，如圖12所示。

（8）按照順序連接主軸后部的所有管路和電纜即可。

至此，主軸的機械安裝工作結束，接下來還需要對主軸的參考點進行重新設定，詳見本章第9部分。

5 主軸的徑跳檢測及主軸與Z軸平行度的檢測與調整

（1）檢測儀器: 電子千分表300 mm長測量檢棒。

（2）徑向跳動允差：50 mm 處 ：G3系列機床:0.003，G5系列機床：0.005； 250 mm處：0.012；平行度：0.008/250。

5.1 徑跳及平行度的檢測

操作要點

（1）將測量檢棒清潔干凈然后裝入到主軸中并夾緊。

（2）在距離檢棒端面50 mm處架好千分表，可在正母線及側母線各架一個，將千分表預緊0.02～0.03，然后將表針置為0。如圖15，圖16所示。

圖15 在近主軸端檢測徑跳

圖16 在遠主軸端檢測徑跳

（3）旋轉主軸，記錄千分表示值。

（4）將Z軸后退250 mm，注意觀察并記錄千分表示值的變化，此項即反映了主軸與Z軸在X平面和Y平面兩個方向上的平行度。

5.2 主軸與Z軸平行度的調整

方法如下：

（1）先將千分表移開，然后將主軸前端的保護板拆下，此時可看到主軸前端面4個角處有8個大一點的螺栓。利用主軸調整框，將主軸調整框固定到主軸上，注意位置不要偏。然后將兩個千分表在50 mm處架好，一個在正母線，一個在側母線。如圖17/18。

圖17 法蘭盤螺栓

圖18 主軸調整框

（2）主軸調整框的4個側面各有1個調節螺栓，使4個調節螺栓與主軸法蘭盤的4個面相接觸，注意使法蘭盤在上下左右4個方向上受力要均衡一致。

（3）松動主軸端面的8個大螺栓，注意不要全松開，而是要松開后再擰入一點，然后再松動下一個。如果將螺栓全都松開并拿出螺栓，則法蘭盤將會失去位置。

（4）根據剛才檢測的結果判斷好調整方向，然后擰動主軸調整框上面的調節螺栓即可進行調整了。調整時注意觀察千分表示值的變化，一般而言調整量為實際測量值的3倍，如檢測結果為+0.01 mm，則調整量為0.03 mm。

（5）調整好后將螺栓按力矩擰緊，然后再次進行復檢，最后松開主軸調整框。

（6）主軸調整完后需要重新設定X、Y軸的零點。

（7）理論上主軸在每個方向上可調0.5 mm，但實際上最大允許調整0.03 mm，大的調整會使主軸產生應力，影響主軸的壽命。

6 雙主軸之間平行度的檢測（適用于雙主軸機床）

6.1 檢測儀器

電子千分表，300長檢棒，1 m長平尺。

允差：X平面0.006/250，Y平面：0.015 mm

6.2 操作要點

對于雙主軸機床需要檢測兩個主軸之間的平行度，即在水平面內的平行度和在豎直平面上的等高度。利用檢棒采用第5節的方法可以檢測出第二個主軸與Z軸的平行度，由此可以得出兩個主軸之間的平行度及偏差方向。要求兩主軸之間的平行度誤差為0.006 mm。

兩主軸等高度的檢測：

（1）將兩個直徑一致的檢棒分別夾入到兩個主軸上。

（2）移動X軸到正向或負向極限位附近。

（3）將平尺放到檢棒上，放在距檢棒端面大約50 mm處即可。如圖19所示。

圖19 雙主軸等高度的檢測

（4）將千分表吸到工作臺面上然后將表打在平尺的上平面上并置零（千分表位置最好和一個主軸的位置相對應），移動X軸進行檢測，從千分表的示值上即可知道兩個主軸之間的高低差。允差為0.015 mm。

（5）如果超差，則需要修磨X軸導軌滑塊上的調整墊片。

7 將新主軸的夾緊補償值輸入到機床系統參數中

在更換完新的主軸后，需要將新主軸檢測報告單上的夾緊力補償值輸入到機床系統參數中，這樣才能確保主軸松夾刀具能夠正常進行。

（1）找到新主軸的檢測報告單，然后在機床操作面板上進行如下操作：

主菜單→HMI→預準備→設置→主軸（右邊豎列軟鍵）出現如圖20所示界面：

圖20 主軸夾鉗調整值界面

將新主軸檢測報告單上的的數據一次輸入到對應欄目中即可了，注意公差也要輸進去。（一般公差范圍是0.3～1.0）

8 運行油脂分布程序

當機床靜止時間 ＞ 1個月或通常在安裝好新的電機主軸后要運行油脂分布程序。

這樣可以避免因軸承潤滑油供應不足而給電機主軸的使用壽命造成負面影響.

在運行該程序時不需要將工作臺上的零件清空因為該程序只運行電機主軸。

如圖21所示，在程序管理界面選中Grease_distribution.spf程序然后運行即可。

圖21 程序管理界面

9 主軸0°位置的檢測與校準

9.1 檢測儀器

叉形基準刀柄水平儀 允差：0.3

操作要點：

（1）找到機床NC軸數據表，查看機床主軸換刀時的角度位置，注意圖表上的觀看方向。對于有換刀機械手的機床，換刀時主軸的角度為180°，因此刀柄上的V型角在左下角即第三象限（面對機床主軸觀看）。但是在做主軸0°校準時需要將主軸停在0°位置附近，因此需要注意此時刀柄的V型角應當位于第一象限。

（2）將叉形基準刀柄的后端面清潔干凈，手動模式下將主軸伸出，在操作面板上將主軸松開，裝入叉形基準刀柄然后按順時針方向轉動刀柄，夾緊刀具（clamp）。

（3）如果主軸在180°位置，則需要將主軸旋轉到0°。注意：在旋轉主軸時左手要輕壓HT8的大按鈕，旋轉到0°后左手要一直按住HT8的大按鈕，否則一旦松開則主軸的角度就會發生變化。

（4）將水平儀放到叉形基準刀柄上，觀看水平儀氣泡的位置，氣泡靠向哪邊則哪邊偏高。此時一定不要松開HT8的大按鈕，否則主軸角度會發生變化導致水平儀掉落。

如圖22所示。

圖22 主軸角度的校準

（5）利用HT8增量旋轉主軸，直至氣泡在水平儀的中央。旋轉時要一手輕扶水平儀或者把水平儀拿下來以防水平儀掉落。氣泡在水平儀中央后再將水平儀掉轉180度查看一下。

（6）此時在控制面板顯示屏上顯示主軸的坐標值，如SP1 0.106 ，則先記錄下來0.106。

（7）將主軸松開然后將基準刀柄向逆時針方向旋轉，然后主軸夾刀，放上水平儀進行新的校準，校準后主軸的角度會出現一個新值，例如SP1 359.981°，將該值減去360即359.981-360=-0.019記錄下該值。

將記錄下來的兩個值進行相加然后取平均值，如：0.106+(-0.019)=0.087,0.087/2=0.043.

說明：在主軸夾緊前刀柄在主軸內有0.3左右正反向間隙，因此要做兩次校準，第一次順時針轉動刀柄然后夾緊，第二次逆時針轉動刀柄然后夾緊刀柄，分別做兩次水平校準，兩次的結果取平均值然后和原始值相加輸入到系統參數中。如圖23所示。

圖23 主軸角度補償值的計算

（8）在操作面板上進行如下操作：

主菜單→設置→機床數據→主軸 找到Sp1下面的MD34090參數。

該參數項下已經有數據，先記錄下來該數據，然后將該數據與序7中的結果進行加法運算。例如：當前MD34090中的數據為-227.456，序7的結果為0.043，則-227.456+0.043=-227.413，則將該值寫入到MD34090中。

其后將主軸返參考點，即可看到主軸的當前坐標為0了，然后再進行復檢。

MD34090為增量值編碼器參數，因此序7中的結果需要在當前數據的基礎上進行增加。務必要保留修改前的原始數據，以防方向判斷錯誤或輸錯。

10 DEUBLIN旋轉接頭的拆裝

10.1 DEUBLIN旋轉接頭的工作原理

DEUBLIN旋轉接頭是輸送冷卻液或介質的精密機械部件，通過Deublin旋轉接頭將冷卻液或介質從固定源如泵輸送到旋轉部件如主軸及其切削刀具。旋轉接頭主要由固定部分和旋轉部分組成，兩部分的接觸面是精密研磨的特等碳化硅，在輸入高壓冷卻液時會使兩部分的結合面緊靠在一起，當停止供給高壓冷卻液時兩部分會在彈性膜片的作用下自動分開，但是在結合和分開的瞬間會有少量的冷卻液流出，這些冷卻液會通過溢流孔向外排出。工作時在正常情況下每分鐘會有約2～12滴/min冷卻液從溢流孔流出 。如有大量冷卻液流出則需要更換旋轉接頭，否則會引起主軸的損壞。

10.2 Deublin962-8xx系列旋轉接頭的拆卸

準備工作：斷開主軸后部的管線，將主軸前端的小螺栓卸掉，然后將主軸向后拖出，直到能方便拆卸旋轉接頭。

（1）分開主軸后部的管線，先拆下泄漏管。

（2）擰下旋轉接頭后部的螺母來拆卸供應冷卻液的管路。如圖24所示。

圖24 旋轉接頭

（3） 擰下電主軸與旋轉接頭的連接螺栓，如圖24-3.注意是左旋螺紋。

10.3 旋轉接頭的安裝

（1）連接冷卻液管和泄漏管，旋轉接頭上的泄漏孔總是在6點鐘位置(最多5點～7點位置)冷卻液必須能夠通過泄漏管無阻礙地向后流出滑枕， 泄漏管中不能有突起,彎曲等現象,從而引起冷卻液的滯留。

（2）將主軸恢復原位，連接所有的管線，再次檢查泄漏管的方位是否正確。

11 槽型密封圈的更換

槽形密封圈是防止冷卻液進入到主軸內部的重要密封零件。

輔助工具：劃線針，安裝棒，定位塞。

更換周期：每月更換一次。

操作要點：

（1）將主軸伸出到合適位置，用劃線針將舊的槽型密封圈取出。

（2）將定位塞放入到主軸內，直到遇到阻擋。這樣在放置新的槽型密封圈時就不會過于向后滑動。

（3）利用安裝棒將新的槽型密封圈放入主軸內。

（4）將定位塞拉出，并在密封圈位置上下左右晃動一下，保證密封圈位置正確。

綜述，電主軸不同于傳統的機械主軸，其結構緊奏，零部件精密，因此其日常的維修維護工作非常重要，好的維護工作可以延長電主軸的使用壽命，不良的維護或不當的維修則會導致電主軸使用壽命急劇縮短。在日常工作中電主軸出現了故障只要按照上述的項目進行檢查并采取對應的方法都是可以得到相應解決的。