加工中心电主轴预测性维修

杨 波

（北京福田康明斯发动机有限公司，北京 102206）

设备的诊断技术水平已经有较大的提高，并且逐渐出现了越来越多先进的设备诊断技术和检测技术。在这些先进技术的帮助下，工作人员在对设备进行维护的时候可以及时采集设备的故障信息，然后利用相关技术加以分析。另外，这些先进的设备诊断技术不仅可以在离线的状态下检测设备故障，还可以在检测结束后自动生成检测与分析的报告，为设备维修人员的工作带来了极大的便利。

1 加工中心电主轴概述

1.1 电主轴的结构

作为一种高精度的自动化加工设备，加工中心的结构组成比较复杂，其中包含了各种各样的部件，其主要作用的成分有6种组成结构。（1）组成结构是床身；（2）是工作台；（3）结构是进给系统；（4）结构是升降台；（5）结构是刀具系统；（6）结构是冷却润滑系统。在加工中心中还包含了电主轴成分，该成分是加工中心的旋转轴，属于一种关键性的心脏部件[1]。电主轴的主要作用就是能够将加工中心的主轴与主轴电机建立起相关的联系，使这两者融为一体。加工中心中安装的有内装式电动机，可以驱动机床主轴的运行，在运行的过程中，机床主传动链的长度就会发生变化，能够直接缩短至零。这种传动结构形式最大的特点就是，机床主轴和主轴电动机是合在一起的，在这种传动结构形式下，主轴部件就可以成为一个独立的单元，与机床的传统系统是相分离的，这种单元就可以被称为电主轴。

电主轴作为一个独立的单元，拥有一个完整的系统，该系统的组成结构不是单一的，而是由许多大的部件和小的部件组合而成。电主轴的大部件主要包括轴承部件、转子部件、冷却系统，还有转轴部件、定子部件，以及主轴外壳和变频驱动器等等[2]。加工中心电主轴的组成结构如图1所示。

图1 加工中心电主轴组成结构图

加工中心在之前使用的是比较传统的主轴，如今的电主轴具有更多的优势。一是如今的电主轴可以在电机的驱动下开始运行，在传动的过程中可以省去很多传动部件，比如齿轮部件、皮带部件等。另外，电主轴在进行传动的时候产生的噪声也是非常低的，使用的时间和年限比较长，能够节约大量的时间成本和人力物力资源，节能效果比较好。最后，电主轴由于内部的组成结构比较紧凑，所以传动的速度比较快，效率比较高。二是电主轴在运行的过程中会使用交流变频技术，该技术能够帮助电主轴实现无级变速，但必须在额定的转速范围之内，这样的话，即使是在不同的工况情况下，电主轴也可以较好地满足其变化需求。三是在电主轴的内部，还装有电机闭环矢量控制，可以对机床进行大转矩的操作，还可以对角向进行更加精准的定位，在执行这一系列操作的过程中，电主轴都能够处于一种稳定的状态。

1.2 电主轴的工作原理

定子是电主轴的核心部件之一，在运行的时候可以产生一种旋转的磁场；转子是电主轴的另一个核心部件，在运行的时候可以对电能进行转化，将其变为机械能。在这两个核心部件之间会产生空隙，那么空隙的部位就可以对功率进行输出。

线圈是电主轴中的一个组成成分，其位于定子铁心槽内部，线圈相位之间的互差为120°，在运行的时候需要为其通上三相交流电。在通电之后，线圈会形成各自的磁场，通常情况下，这些磁场是正弦交变磁场，并且是相互对称的。当三个磁场叠加在一起时，就会形成一个新的磁场，该磁场的强度不会发生改变，但是磁极的方向是固定的，然后会以恒定的速度进行旋转。磁场在旋转的过程中产生的转速就可以当作电主轴的同步转速。电动机定子线圈电流频率发生变化，电主轴的同步转速就会随之变化，另外，如果电动机定子的极对数发生了变化，那么电主轴的同步转速也会发生变化[3]。也就是说电主轴的同步转速是受这两种因素影响的。工作人员可以输入不同的电动机定子电流频率，或者是输入不同的励磁电压，这样就可以使电主轴的转速发生改变。当工作人员对电主轴输入电流的相序进行相关调整，就可以让电主轴电机旋转的磁场方向发生改变，这样就可以对电主轴运行的方向进行有效控制。

2 电主轴轴承振动分析的工作原理

在某个发动机工厂中，一共有一百五十二台加工中心，其中有部分加工中心的电主轴出现了故障，维修人员在分析其故障的原因之后，发现大部分的电主轴遭到损坏都是由同一个原因引起的，即轴承失效。那么接下来就需要对这些加工中心的电主轴进行维修，但是如果更换加工中心的电主轴，每更换一次就需要十六个工时左右。该厂目前正处于生产阶段，对这些加工中心的电主轴进行维修需要耽误大量的生产时间，严重的话还会造成停线，停止目前的生产工作，这样一来，工厂就很难如期交工，对其输出产量有非常不利的影响。由此可见，对加工中心电主轴进行预测性的维修是非常有必要的，预测性维修可以及时发现电主轴轴承的运行状态，一旦出现故障，维修人员便可以在最短的时间内了解到故障的具体情况，然后采取相对应的解决措施，以免出现电主轴轴承突然失效的问题，能够将损失降到最低。

在本次研究中，主要采用便携式振动分析仪来对电主轴轴承的运行状态进行预测和分析，这款仪器是一种振动分析工具，由SKF公司生产。电主轴的主要技术参数包含了三个方面，其电动机的转速是每分钟一万转；其电动机的功率是60 kW；其轴承的型号为71917ACD。

此次研究使用的便携式振动分析仪采用了一种方法可以过滤掉低频信号，然后对高频信号进行处理，这种方法就是加速度包络分析法。当加工中心电主轴的轴承在运行的过程中出现了问题，就会发出一些高频振动信号，还有低频振动信号。那么使用便携式振动分析仪对其进行检测，就可以采集这些振动信号，在该仪器中，滤波可以对这些振动信号进行过滤处理，只留下高频振动信号。之后，该仪器可以对这些遗留下的高频振动信号进行包络解调，从而产生包络线。最后，便携式振动分析仪器可以对其进行傅里叶变换的操作。便携式振动分析仪在使用中所采用的包络法能够过滤电主轴轴承发出的不同振动信号，然后对高频振动信号进行相关的处理，这样就可以在早期阶段检测出加工中心电主轴轴承可能发生的故障。

在加工中心电主轴的滚动轴承中，具有非常丰富的振动频率，并且通过对这些振动信号的分析可以看出，其振动频带具有非常明显的特点，即非常宽。对于滚动轴承不同的故障而言，其频率成分也是不同的，这两者之间是互相对应的，具有特定性的特点。便携式振动分析仪器可以对加工中心电主轴滚动轴承发出的特定频率进行相应的处理，将其成分分离出来，然后计算出不同的故障所对应信号的特征频率，最后就可以根据特征频率来找出加工中心电主轴轴承发生故障的位置，还可以确定不同位置上产生故障的类别。便携式振动分析仪在采用包络法对加工中心电主轴轴承进行检测的时候，不会受到电主轴发出的低频成分的干扰，这样就可以让电主轴轴承产生的与故障相对应的频谱变得更加突出，以便于仪器在最短的时间内诊断出故障的位置和类型，确保加工中心电主轴轴承故障诊断的精确性。

3 电主轴轴承振动的频谱分析

3.1 参数设置

维修人员在使用便携式振动分析仪器对加工中心电主轴进行预测性维修之前，需要完成该仪器的参数设置，首先，维修人员需要在仪器中输入采集频率，将其范围设置在五百千赫兹与十千赫兹之间，将其转速设置为每分钟两千转，对该仪器的测量输出进行设置，设为峰值。之后，维修人员还需要设定便携式振动分析仪的测定结果，可以用红色来代表加工中心电主轴轴承发生了严重的故障；用黄色来代表加工中心电主轴轴承发生了初期故障；用绿色来代表加工中心电主轴轴承处于正常的状态。按照加工中心数控机床的行业规定与要求，将此便携式振动分析仪器在检测中显示的初期故障的限值设置为2ge，将其在检测中显示的严重性故障的限值设置为5ge。

维修人员完成了便携式振动分析仪的参数设置之后，还需要在仪器中设置加工中心电主轴的轴承型号，可以从型号库中找出轴承的型号类别，然后将其添加到仪器的列表中。当维修人员完成上述各项操作之后，便携式振动分析仪器就可以显示加工中心电主轴轴承的频率，并且导出频谱图。维修人员可以根据便携式振动分析仪器导出的频谱图来进行判断，在其中找出对应的故障频率，进而找出加工中心电主轴轴承发生故障的位置，分析产生故障的原因，之后就可以采取应对措施。维修人员可以在便携式振动分析仪器中选中一个轴承的型号，然后在频谱图中查看其对应的基频信息，或者是根据轴承型号对应的频谱图来采用人工计算的方式，最后也可以得出该型号下的加工中心电主轴轴承的故障频率。

3.2 数据采集和分析

维修人员在利用便携式振动分析仪来采集加工中心电主轴轴承的数据时，需要在电主轴前轴承的垂直方向位置处，将加速度振动传感器吸附上来，然后再与便携式振动分析仪器相连接。另外，维修人员可以将加工中心电主轴转动的速度设置为每分钟两千转，然后用便携式振动分析仪器来采集电主轴的振动数据，当数据被采集完毕之后，该仪器就可以对这些数据进行频谱分析。在频谱图中，维修人员可以了解电主轴轴承振动的最高振幅，当其峰值达到了0.85ge时，便携式振动分析仪显示的加速度包络的总值就是6.93ge，在这种情况下，加工中心电主轴内圈的故障频率就会与便携式振动分析仪器中显示的频谱图的峰线相吻合，此时便可以对加工中心电主轴的轴承故障情况进行判断，即其轴承的内圈出现了问题。

如果加工中心电主轴使用的轴承型号比较特殊，或者是在轴承库中没有找到这种型号，那么维修人员也可以采用人工计算的方式，根据便携式振动分析仪器频谱图中显示的该轴承内圈的频率，再结合轴承的转速，之后就可以按照规定的公式计算出加工中心电主轴轴承内圈产生的故障频率。以型号为71919CD的加工中心电主轴轴承为例，维修人员通过便携式振动分析仪器频谱图可以确定其内圈基频为f=13.728158 Hz，该电主轴轴承的转速为每分钟两千转，表示为：v=2000 r/min，然后在规定的公式下进行计算，即f=fi×2000/60=457.61 Hz。计算之后，维修人员可以将得出的结果与便携式振动分析仪频谱图进行对比，如果发现频谱图中峰线故障频率与结果是刚好吻合的，那么就可以判断出加工中心电主轴轴承故障的具体情况，即其内圈出现了问题。

如果加工中心电主轴出现了加工超差的现象，并且从便携式振动分析仪频谱图中发现了加速度包络总值也比较大的话，就可以判断加工中心电主轴轴承产生故障的程度和时期，即这种情况下的故障是比较严重的，并且属于晚期阶段的故障。针对晚期阶段的加工中心电主轴轴承故障，维修人员需要及时更换电主轴。为了检验便携式振动仪器对故障的预测性能，维修人员拆开了加工中心电主轴，在检查之后可以发现其轴承内圈出现了被腐蚀的情况，说明这与便携式振动分析仪器显示的结果是一致的，该仪器具有良好的加工中心电主轴故障预测性能。

4 结语

在传统的检测方法下，维修人员无法在较短的时间内找出加工中心电主轴轴承存在的问题，也无法对这些问题进行分析。而采用便携式振动分析仪就可以及时监测轴承运行的状态，然后维修人员可以根据其频谱图来判断发生故障的位置，分析产生故障的原因，最后就可以实现预测性维修。在预测性维修技术的支持下，加工中心电主轴维修人员在维护该设备的时候就会更加高效，避免让轴承出现突然失效的情况而导致工厂的停产，不仅增强了电主轴维护的灵活性，还能够在工厂的生产与加工过程中提供一种较好的预测性保障。