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1、电主轴的故障诊断技术电主轴的故障诊断技术俞锋俞锋127214471.什么是电主轴电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。机床主轴机床主轴主轴电机主轴电机2.电主轴的概述电主轴作为一项新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电动机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电动机机座，并且配合其他零部件，实现电动机与机床主轴的一体化。电主轴单元俗称ElectricSpindle,MotorSpindle是数控机床的核心部件
2、，其性能好坏很大程度上决定了机床的加工精度和生产效率，随着市场对高速高效加工的需求，研究电主轴的动态特性显得非常有必要。在设计电主轴的时候,总是尽量使其刚度最大化,然而电主轴的总体刚度受到轴承转子系统的限制,因此研究轴承转子系统的动态特性对研究电主轴的动态特性及数控机床的切削稳定性有重要意义。13.电主轴基本结构电主轴是将空心的电动机转子直接热装于高精度的主轴零件上，定子热装于冷却套上，形成一个完整的主轴单元，如图。通电后定子直接驱动主轴运转，结构简单紧凑，功率损耗小，转动惯量小，快速响应好，能够实现高速、高加速度及定向停止（!轴控制），采用交流变频调速和矢量控制电气驱动，实现宽调速。2电主轴
3、的工作原理3.电主轴的优点电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。4.电主轴在国际上的状况国外电主轴技术的发展趋势：国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床，成为近年来机床技术所取得的重大成就之一。随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求，目前国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的
4、企业主要有：德国GMN、西门子、瑞士IBAG、美国Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日本大隈等，其中尤以GMN、IBAG、Omlet、Setco、Gammfier等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。上述这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点:功率大、转速高。采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。精密加工与精密装配工艺水平高。配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制
5、系统等。电主轴在国内的状况国内电主轴的现状是很明显的,即电主轴的国产化低,电主轴的国产化低的问题,不仅专家们关心,同时行业协会也对此有了高度重视.国内电主轴大量依赖进口的原因,究竟有哪些这将是我们关注的问题.国内电主轴大量依赖进口的原因,其实除了产量没有跟上去之外,国产电主轴的质量没有保证,也是其中一个原因目前我国功能部件的生产厂家有4种类型：“院所型”，由研究所、大专院校以技术支撑发展而来的企业；“主厂型”，由主机厂逐步分离出来以生产某种功能部件为主发展起来的企业；“民企型”，在江浙一带大量涌现的民营企业，以劳动密集型、单一品种为主；“外商合资或是独资型”，生产部分较高水平的功能部件，但批量
6、较小，没有独立的开发能力。目前我国开发出了主轴功率为2.5kW29kW、扭矩为486N.m、能应用于数控机床和加工中心的电主轴，并且已装备了部分国产数控机床。但是从总体上讲，国产的电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量都有较大差距，所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，仍然主要从国外进口。电主轴的实际应用在高速加工机床上的应用最近日本东芝机械公司（TOSHIBAMACHINE.CO）已生产有主轴头为高刚性超精密气静压电主轴的高速加工机床，机床型号为F-MACH442和F-MACH644两种，主轴转速为600030000rpm轴移动量（XYZ）400400200mm
7、和600400400mm，工作台面积为600450mm和1100450mm，可用于加工精密模具等。半导体硅片的切割和磨削印刷电路板微小孔的钻孔汽车零件内孔磨削。滚珠轴承外环内滚道磨削陶瓷零件和光学玻璃等脆硬零件的加工。内燃机喷油嘴内孔磨削。用作精密雕铣的雕刻机主轴头。作为高速精密磨具还用于磨削轴承环的内孔，弹簧夹头的内孔及模具导套的内孔等。由上可以看到，气静压电主轴在国外已经在众多生产大行业中成功应用。如半导体、轴承、模具、喷油咀、汽车、印刷电路板、雕刻机、陶瓷零件加工、光学玻璃加工等大行业中。我国在应用方面存在很大差距，潜在的市场很大。电主轴故障分析机床各部件中，电主轴出故障的频率最高，如下
8、图。所以分析电主轴故障很有意义！1电主轴常见故障及解决措施41 启动困难原因分析：电源插头未插好,接触不良或没有接通;电源功率不够或与电主轴不匹配;变频器启动保护未调整到最佳值;电源缺相或接触器接触不良等都会导致电主轴启动困难。电主轴中轴承所加预载荷过大及零件之间的相互碰摩等也会导致其启动困难;但大多数情况下,其启动困难的原因为:电主轴内电机定子引出线接错,定子与转子之间气隙过小及定子绕组损坏。解决措施首先检查电源电压、电流和功率,检查供电状况是否正常;根据电主轴的电气参数重新调整变频器;然后,再检查定子绕组的对地绝缘和三相绕组平衡状态,一旦发现故障,立即进行维修。如果定子与转子之间气隙过小,
9、修磨转子外径,使定、转子间隙维持设计值。如果零件相互之间存在摩擦,则修磨零件的外径,确保它们之间有足够的间隙。修正预载荷给定值,也可以改善电主轴的启动状况。因此,当电主轴出现启动困难时,应针对装备寻找出具体解决措施。2 噪声和振动较大原因分析：主轴因装配不当造成轴承或其他零件受损;轴承的精度较低或保持性差;定子与转子同轴度差;定子和转子之间气隙不均匀;主轴零件制造精度较低或长期使用后产生变形破坏了平衡精度;预加载荷过小或弹簧未装到位甚至断裂;转子笼条断裂或接触不良;砂轮接杆刚性差,精度低。解决措施：筛选较好的轴承;修正定子和转子的同轴度;检查壳体、转轴、转子和大盖等主要零件精度;增加预紧力;对
10、电主轴重新装配;选用刚性好精度高的砂轮接杆,确保电主轴正常稳定工作。3 主轴发热原因分析：冷却水路不通畅;选用轴承精度较低,配合过紧,轴承反装或安装不到位;预加载荷太大;电源电压偏高;磨削进刀量过大。处理方法：检查并疏通水路;筛选较好的轴承,测量其尺寸,重新进行选配,适当减少预紧力,重新装配;检查定子和转子之间的气隙及电流值,检查供电电压;控制磨削进给量。4 加工精度差原因分析：轴承精度较低;主轴精度差(人为损坏或长时间工作使主轴精度丧失);前端轴承座与轴承配合过松;预载荷太小或零件被卡;前、后螺帽松动,轴出现窜动;砂轮接杆质量差。解决措施：筛选较好的轴承,重新组装;座孔、主轴镀硬铬后重磨至要
11、求精度;增加预紧力;锁紧前、后螺母,并用止松紧定螺钉锁紧;选用刚性好、精度高的砂轮接杆。5 降速或速度不稳定原因分析：电源电压过低;与电气参数不匹配;功率小;转子笼条断裂或接触不良。解决措施：首先检查电源输出、频率、电压、功率与电主轴是否匹配;如果电主轴功率偏小,选择符合工况要求的较大功率的电主轴;检查笼条质量,选择使用较大容量的电主轴。6 轴承连续烧损原因分析：润滑不好;转速过高;预加载荷过小或过大;承受载荷过大。解决措施：更换油脂或检查油雾质量,检查油道供油情况;测量转速,调整变频器保证电主轴的正常运转;检测并调整预加载荷,使其达到最佳值。7 定子绕组温度过高原因分析：电源缺相或电压过高;
12、转子笼条断裂;水套漏水;油脂润滑型电主轴前端防水迷宫密封不好。解决措施：测量并调整电压,使其符合电主轴的要求;检查笼条质量及时更换转子;检查是否漏水;把电主轴前端改为密封性好的结构,如气封或多重迷宫密封。我对电主轴的看法参考文献1孟德浩,龙新华,孟光.高速电主轴转子轴承系统动态特性分析J.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室, 2012(4):7-8.2张世珍,刘炳业,范晋伟,常文芬. 电主轴设计的几个关键问题J. 北京工业大学机电工程学院, 2005(8):50-51.3陈剑,陈斌. 电主轴的故障诊断技术J. 上海大学机电工程学院, 2010(8):3-4.4吕全英,穆敬巍,李青远,储少敏.电主轴的故障分析及解决措施J.郑州轻工业学院 电气工程系, 2009(11):28-29.谢谢！谢谢！
