弧齒錐齒輪機床上電主軸的應(yīng)用

介紹在弧齒錐齒輪機床上電主軸的應(yīng)用項目實施中的15個創(chuàng)新點。設(shè)計制作數(shù)十款具有“拿來式”推廣復制性的專用工具，運用各種技術(shù)手段，完成水冷電主軸的在機整體拆解，并成功回裝復原。采用工控機硬盤數(shù)據(jù)的一鍵Ghost技法及伺服驅(qū)動優(yōu)化技術(shù)，快速排除各類故障，形成完善的水冷電主軸自主運維工藝技法。序言自主運維是近些年持續(xù)推進智能制造建設(shè)及擴大綠色低碳制造覆蓋度的必經(jīng)階段，是綠色工廠、智能制造示范工廠及優(yōu)秀場景最佳效能發(fā)揮的自主體現(xiàn)，更是企業(yè)智能制造運維隊伍建設(shè)規(guī)模和能力拓展的實績考核。電主軸是數(shù)控裝備旋轉(zhuǎn)傳動必不可少的利器。在用戶現(xiàn)場，常有車床電主軸、加工中心電主軸、磨床電主軸及磨刀機電主軸等。德國產(chǎn)11軸6聯(lián)動弧齒錐齒輪機床[1]（下稱C50）的A、B、C三軸均以西門子1FW6230力矩電動機為主體部件組成電主軸，其恒定低溫與長時運行是終端用戶的剛需。近年來，公司陸續(xù)有3臺C50在使用中發(fā)生漏水/堵塞而出現(xiàn)電主軸燒毀問題，伴發(fā)611D或S120系列驅(qū)動系統(tǒng)出錯和伺服故障。8臺C50對稱布置于4條柔性生產(chǎn)線上，發(fā)生故障的3臺恰好位于其中的3條生產(chǎn)線上。這造成操作人員必須靠反復切換工裝、夾爪來完成中后橋錐齒輪副的切削任務(wù)，最終導致齒輪副的產(chǎn)量異常。國內(nèi)外電主軸應(yīng)用維護現(xiàn)狀C50是一種利用持續(xù)分度法或個別分度法，對所有節(jié)距形式的螺旋錐齒輪和準雙曲面錐齒輪進行批量干式切削加工（采用滲碳硬化型金屬銑刀）的高效數(shù)控機床。它涉及3個垂直結(jié)構(gòu)布置且直接傳動的驅(qū)動系——刀具驅(qū)動系、工件驅(qū)動系和基角驅(qū)動系。其中，刀具驅(qū)動系包含控制刀具旋轉(zhuǎn)的A軸、用于刀具切削深度進給且行程610mm的X軸（銑削深度）、進行刀具水平定位且行程820mm的Y

軸、控制倒角銑刀旋轉(zhuǎn)的Q軸與定位用的X2軸，A軸軸向圓跳動和徑向圓跳動均不超過0.4μm；工件驅(qū)動系包含控制工件旋轉(zhuǎn)的B軸以及用于工件水平定位且行程230mm的Z軸，B軸軸向圓跳動和徑向圓跳動均不超過0.8μm；基角驅(qū)動系僅有一根用于工件擺動控制且回轉(zhuǎn)范圍±87°的C軸（基角）。針對電主軸燒毀問題，德方方案是：模塊式整體更換大部件A、B軸，3臺近乎558萬元，維修周期共計365天；同時附加條件是替換下來的壞件無償運回德國。2017年國內(nèi)曾拆機修理過C50的A軸，結(jié)果是弧齒齒面有振紋——手感齒面有凹凸不平的紋路，內(nèi)部集成的上下料雙機械手喪失自動機能，操作人員僅能用電動葫蘆手動裝卸料。對于電主軸B軸，國內(nèi)從未進行過在機修理，無經(jīng)驗可借鑒。C50隨機圖冊的A、B軸僅各有1張宏觀概貌圖，其中A軸宏觀概貌如圖1所示。圖1C50刀具主軸A軸宏觀概貌

1—刀盤安裝座2—外壓環(huán)3—鞍座4—NNU4964圓柱滾子軸承5—主軸體

6—定子線圈7—轉(zhuǎn)子永磁體8—內(nèi)六角圓柱頭螺釘9—法蘭盤

10—YRTS260轉(zhuǎn)臺軸承11—密封蓋12—支架

13—光柵鼓ERA4800C14—內(nèi)壓環(huán)為了發(fā)揮綠色工廠、智能制造示范工廠及優(yōu)秀場景的最佳效能，非常有必要開展“弧齒錐齒輪機床上電主軸的應(yīng)用研究”項目。電主軸應(yīng)用項目的15個科技創(chuàng)新點電主軸應(yīng)用項目的科技創(chuàng)新點主要有15個：自制A、B軸拉馬在機取出電主軸，自制A、B軸剛性防護架增強安全性，自制電動機定子加強環(huán)防止變形[2]，自制U形扁板帶吊裝B軸，自制十字吊梁吊運A軸定子線圈，選用間隔墊完成力矩電動機定子與轉(zhuǎn)子的嵌裝，自制螺桿式牽引工具安裝電主軸，自制承托輪載運濕式排屑機，一鍵Ghost復原PCU50的硬盤數(shù)據(jù)，配置錘擊式銅棍安裝電主軸，自制“挖耳勺”取出工件碟形彈簧，選用PWT18快調(diào)儀調(diào)測海德漢光柵尺，弧齒齒面振紋根治，C50整機安全集成SPL機能處置，以及MDA循環(huán)程序探尋切齒突停。3.1

自制A、B軸拉馬在機取出電主軸

受市面上三爪、四爪拉馬的啟發(fā)，結(jié)合B軸的位置結(jié)構(gòu)，采用40mm厚的鋼板，制作B軸拆卸用門架式拉馬（見圖2），自機體內(nèi)將1FW6230力矩電動機等零部件組成的電主軸整體拉出來。

a）門架式拉馬

b）拉馬的應(yīng)用

圖2

B軸拆卸用門架式拉馬C50的A軸受機床本體空間的限制，兩側(cè)有筋板，只能設(shè)計環(huán)狀異形拉馬（見圖3）。它由50mm厚的板料加工制成，底部有2根腿、側(cè)面配2只“耳朵”，這2只“耳朵”放置于圖中白色三角筋板處，實現(xiàn)電主軸的整體取出。a）環(huán)狀異形拉馬

b）拉馬的應(yīng)用

圖3

A軸拆卸用環(huán)狀異形拉馬3.2自制A、B軸剛性防護架增強安全性考慮維修人員的安全，制作A、B軸專用剛性防護架。圖4為B軸剛性防護架，就地取材，采用橋殼運輸架進行改制，即將其一剖為二，用于僅可容納1人的狹窄維修作業(yè)空間，避免電主軸整體滑落。

a）橋殼運輸架

b）防護架的應(yīng)用

圖4

B軸剛性防護架A軸剛性防護架（見圖5）受機床中間部位完好的B軸影響，僅可設(shè)計拼接式防護架，也就是預先焊制2個大片，放入機體的A軸下方，再用紅色80mm方管短筋梁進行拴接。如此，不拆卸機床的整體防護罩，便可防止垂直軸的下滑危險。

a）焊制

b）外觀

c）應(yīng)用

圖5

A軸剛性防護架3.3自制電動機定子加強環(huán)防止變形1FW6230力矩電動機的定子線圈框架為鋁質(zhì)，強力拆卸、吊裝中，易受擠壓變形，影響后續(xù)安裝，嚴重者會造成電動機報廢。為此，設(shè)計制作定子加強環(huán)（見圖6），預先拴接在定子線圈上，再經(jīng)由吊環(huán)螺栓掛載。

a）定子吊裝

b）定、轉(zhuǎn)子裝配

圖6力矩電動機定子加強環(huán)3.4自制U形扁板帶吊裝B軸C軸最大擺角±87°，無法呈水平狀態(tài)布置，使得B軸不能水平拆除與裝回。為避免3°安裝傾斜角“挑戰(zhàn)”維修人員的腰力，采用寬40mm、厚5mm的扁鐵制作U形扁板帶（見圖7），替代軟繩和單個吊點。

a）裝配前

b）裝配中

圖7U形扁板帶3.5自制十字吊梁吊運A軸定子線圈垂直式A軸不同于水平式B軸的拆卸。B軸內(nèi)部為中空，使得B軸定、轉(zhuǎn)子一同拆出與裝回。A軸為實心且中間僅有1個M16盲孔，使得A軸在拆卸時須先取出轉(zhuǎn)子，再拿出定子。定子外圈與外殼孔壁的間隙僅1mm，需要邊找正、邊吊出。為此，制作專用十字吊梁（見圖8），拴接在定子線圈上。

a）吊梁

b）吊梁的應(yīng)用

圖8

A軸十字吊梁3.6用間隔墊完成力矩電動機定轉(zhuǎn)子嵌裝1FW6230力矩電動機的轉(zhuǎn)子為永磁體，定子為線圈繞組，二者之間的間隙約為0.5mm。在安裝時，強大的吸力會使定、轉(zhuǎn)子吸合在一起。為此，安裝前須準備3塊寬190mm、厚0.5mm的尼龍墊條，1人操控定子線圈下落，3人控制尼龍墊條塞入定、轉(zhuǎn)子的間隙中，隨落隨向上拔出尼龍墊條，直至定子線圈下端緊貼于電主軸的端面基面上。歷經(jīng)多次拆裝電主軸后，發(fā)現(xiàn)尼龍墊條不如A3膠套好用，現(xiàn)全部改用A3膠套。尼龍墊條和A3膠套如圖9所示。

a）尼龍墊條

b）A3膠套

c）嵌合

圖9尼龍墊條和A3膠套3.7自制螺桿式牽引工具安裝電主軸C50的B軸安裝采用螺桿式牽引工具（見圖10），將門架式拉馬反過來用其平面，中間φ26mm通孔穿入M24×1000mm螺桿，貫通B軸心部，螺桿套入80mm方管。調(diào)整位置逐步牽引至端蓋，待外圈進入B軸機殼，剩余最后10mm時，拿掉螺桿式牽引工具，換用直徑120mm銅棍。

a）B軸心部

b）工具的應(yīng)用

圖10螺桿式牽引工具3.8自制承托輪載運濕式排屑機有的C50下方配置濕式排屑機，它需要自屏幕操作側(cè)進出。在生產(chǎn)線建設(shè)完成且2臺C50對稱布局后，排屑機就缺少進出空間了，只能從卸料環(huán)形線的空檔內(nèi)抽出，這就需要改制承托輪，增加承托板，以將定向輪改為萬向輪。濕式排屑機承托輪改制前后情況如圖11所示。

a）改制前（無承托輪，僅可左右移動）

b）改制后

圖11

濕式排屑機承托輪改制前后示意3.9一鍵Ghost復原工控機硬盤數(shù)據(jù)C50電主軸被精心安裝后，用戶期待其無憂運轉(zhuǎn)。但在實際運轉(zhuǎn)中，操作人員不時反饋屏顯轉(zhuǎn)子位置同步出錯、伺服故障等報警信息。操作人員通過不斷調(diào)整位置和多次關(guān)機重啟，C50能進入工作狀態(tài)，但每隔8h就需繁瑣地調(diào)整一次。維修人員在嘗試清掉所有C50的NC和PLC數(shù)據(jù)后，制作EBOOTUSB啟動盤，對SINUMERIK840D系統(tǒng)進行一鍵Ghost（見圖12），安全集成功能粘貼進伺服驅(qū)動器內(nèi)。

a）報警反饋

b）Ghost應(yīng)用

圖12一鍵Ghost示意3.10配置錘擊式銅棍安裝電主軸由于B軸端蓋外圈與機殼內(nèi)孔過盈配合較大，加之NNU雙列圓柱滾子軸承一同安裝，故造成先前的螺桿式牽引工具不能將它們牽入最后10mm。此時換用φ120mm×1000mm的錘擊式銅棍（見圖13），將電主軸整體撞入機殼，類似寺廟內(nèi)的“和尚撞鐘”。切記：不可用力過猛，避免造成Z軸直線導軌滑塊碎裂以及光柵尺讀數(shù)頭損壞。

圖13錘擊式銅棍3.11自制“挖耳勺”取出工件碟形彈簧在B軸拆解中，會用到一個比較小的“挖耳勺”。它用于拆出B軸心部12件正反排列的DIN2093碟形彈簧A180Gr3。用左手輕扶材質(zhì)為50CrVA或50CrV4的碟形彈簧，右手向外拉“挖耳勺”（見圖14），將碟形彈簧一一取出。碟形彈簧的作用是提供4.0×104N拉力，拉緊工件；松開工件時依靠1.6MPa氣壓力壓縮碟形彈簧，完成松開工件任務(wù)。

a）碟形彈簧取出

b）碟形彈簧外觀

圖14“挖耳勺”及碟形彈簧3.12選用PWT18快調(diào)儀調(diào)測光柵尺A、B、C軸的旋轉(zhuǎn)位置經(jīng)由轉(zhuǎn)子上的光柵鼓與定子不動側(cè)的讀數(shù)頭相互耦合，實時反饋坐標數(shù)據(jù)。光柵鼓與讀數(shù)頭的安裝間隙為（0.1±0.015）mm，間隙大則不計算距離，間隙小則摩擦鋼帶并損壞讀數(shù)頭。此刻，借助PWT18光柵尺快調(diào)儀（見圖15）來調(diào)測間隙，使柵格幅值處于1Vss左右（許可范圍0.6～1.2Vss），原點信號的黑條兩端時刻處于兩個方括號內(nèi)。在PWT18測出柵格幅值0.82～0.97Vss時，運轉(zhuǎn)中C50會屏顯多個報警，引發(fā)伺服故障。a）光柵鼓

b）讀數(shù)頭

c）報警及檢測中圖15PWT18光柵尺快調(diào)儀3.13弧齒齒面振紋根治綜合運用圖形監(jiān)控，參數(shù)優(yōu)化、儀器測量等模塊化運維技法[4]，進行切齒振紋的真因分析，給出切齒振紋根治的有效措施。C50的夾具全部換新回裝，B軸速度環(huán)再優(yōu)化（MD1200＝3→4，MD1219＝510→1080，MD1220＝150→500，MD1407＝12000→15000），變更夾具拉緊方式（去掉氣路P120.60改為純碟形彈簧拉緊，F(xiàn)z＝4.2kN→4.7kN），優(yōu)化切齒工藝參數(shù)。3.14整機安全集成SPL機能處置C50的安全集成鏈一旦被觸發(fā)，則信號$A_PLCSIIN[11]和$A_PLCSIIN[03]出現(xiàn)異常，遂造成裝料門不能正常開閉。為此，采取8線1程序來突破SPL裝料門無動作難題（見圖16），8線是在電控柜內(nèi)短接N900-N901、N902-N903、N567-N267及N667-N376。

圖168線1程序突破SPL裝料門無動作難題3.15MDA循環(huán)程序探尋切齒突停對于多軸聯(lián)動的數(shù)控機床而言，借助MDA循環(huán)程序探尋屏顯報警的根因（見圖17），會起到事半功倍的作用。例如，垂直軸X軸在MDA方式下編程循環(huán)往復運行時，維修人員可辨析噪聲、監(jiān)測滾珠絲杠副的負載，判查滾珠絲杠螺母副的工作完好狀態(tài)；擺動軸C軸在MDA方式下編程循環(huán)往復運行時，維修人員能確定C軸屏顯報警的實際角度