摘 要：介绍立式加工中心主轴坐标偏移的诊断与对策，可供参考。
关键词：位置精度；主轴；坐标偏移；主轴驱动
中图分类号：TG659文献标识码：B
我公司43车间Hardinge立式加工中心系美国哈挺公司台湾分公司的产品。该机床自2004年10月投产，在初期的头10个月内使用正常，此后加工件的位置精度开始超差。我们先后从两方面解决了这个问题。
一、主轴后轴承无法预紧
经查，机床X、Y坐标的位置精度和相关几何精度均合格。某加工件加工情况如图1所示，该件有52个均布孔，位置度要求为φ0.10mm。该工序加工约4h，零件加工后，在三坐标测量仪上测量，发现孔位移度有周期性渐变。
检查发现，机床主轴旋转一段时间后，回转中心线对工作台面的垂直度发生变化，随着运转时间的延长，该变化将达到最大值，主轴停转后，回转中心线回复到初始状态。
鉴于此，在冷态和以480r/min转速运转40min后分别测量：(1)机床主轴箱升降运动对工作台面的不垂直度；(2)主轴套筒在主轴旋转时的热效应位移变化；(3)主轴旋转中心线对工作台面的不垂直度；(4)环规内孔刷圈；(5)主轴运转前后的温度差。
其中，第1、2两项在两种状态下测量无变化，说明机床X、Y坐标无漂移，且主轴箱部分无热膨胀伸长；3、4项则变化显著，说明该故障只与主轴自身有关，且很有可能与主轴自身热效应有关（主轴运转前后的温度差为3°）。
又对比检测了主轴旋转中心线的径向跳动，使用初期为0.008/300mm，故障期则为0.015/300mm，该项精度的明显变化说明主轴装配状态很有可能已改变。该主轴最高转速为8 000r/min，主轴前轴承为角接触球轴承（四套、双列背靠背安装，进口、特制规格）；后轴承为内环锥孔向心短圆柱滚子轴承（进口、特制规格）。该主轴轴承为特种油脂润滑，首次加注后免维护；主轴无降温冷却装置。因故障锁定在主轴自身，遂对主轴进行分解、检查。
(1)主轴芯轴。前后轴承安装轴颈处的不同轴度小于0.001 mm，合格。
(2)主轴前后轴承润滑正常。
(3)检查轴承调整隔垫，使每个调整隔垫的平行度在0.002mm以内。
(4)检查主轴前轴承安装预紧后的精度，径向跳动均小于0.005mm，正常。
(5)装配主轴后轴承，将主轴安装在套筒内，检测主轴整体精度。径向跳动小于0.005mm，但用力抬主轴（约200N的力），主轴与套筒产生0.03mm的相对位移。多次调整四套前轴承的预紧力，该值无明显改变。
多次改变后轴承的轴向预紧力，均未作到真正预紧。检查发现，轴承内环内锥孔与主轴接触不好。通过修配主轴和轴承内孔的接触面，改善了预紧的可靠性。修复后复查精度及刚性，主轴径向跳动小于0.005mm，刚性小于0.01 mm，完全符合要求。nextpage
二、电机温升导致主轴箱温度过高
在使用一个半月后，问题再次出现。按此方法再次调整主轴，无法解决回转轴线偏移现象。再次复检机床，发现主轴电机运转一段时间后，温度过高。由此怀疑主轴箱可能出现了热膨胀。
为此作了如下检查。如图2，在主轴箱和主轴套筒上架三个百分表，并测量①、②点的温差。起始时，百分表读数均置零，上、下两点温差亦为零；以480r/min旋转2h后，上、下两点温差为7℃，百分表自上至下变化依次为0.07mm、0.04mm和0.01 mm。
对主轴电机进行温度测量。冷态时电机内部温度为23℃，旋转2h后，内部温度为97℃，外壳温度70℃。进一步检测发现，该温升确实造成主轴箱温度上升，且主轴箱上下部存在温差（上部38℃，下部31℃），导致主轴箱热膨胀0.07mm。
该机床选用日本FANUC公司αi系列交流主轴伺服放大器（SVM）及伺服电机，其特点是体积小、功耗低，需要电源模块配合使用。其主回路控制示意图见图3。
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用数字万用表测量：(1)三相主电源线压202V；(2)直流母线电压300V左右；(3)伺服放大器输出三相电机电压平衡。以上数据均无异常，说明主供电回路正常，PSM电源模块工作正常。
初步判断引起电机发热的原因可能有以下几点：(1)三相绕组绝缘不良，与外壳之间的绝缘电阻变小；(2)线圈有匝间短路；(3)负载过大。
首先检查电机三相绕组对地的绝缘情况，结果正常；其次在电机运行过程中观察负载表，属正常。最后，更换另一个同型号电机后测试，温升基本相同，说明发热原因并非匝间短路。
在反复检测过程中发现，空载时主轴电机在不同的转速下用卡钳表测得的电流值有很大的差异，相对应主轴电机的振动情况也有很大不同。见下表。
同时用同样功率的FANUCαi系列主轴伺服电机运行情况作对比实验，发现在不同的转速段，测得的电机电流值变化，约为电流值的三分之一。由此可知，该主轴电机运行时的异常电流导致了主轴的不正常温升。
查阅FANUC 0i系统的主轴伺服电机手册，发现主轴参数P4133设置有误。经改正后（在调整、修改之前，用PC卡将SRAM中的原厂机床数据作好备份），断电，再接上NC电源，系统开始进行标准参数自动设定，并从放大器侧向NC侧装载。上述工作完成后，再进行空载测试，主轴电机运行电流最大值由38A下降到22A，且在其它频率段的电流也相应降低了。然而该电流依然偏大，电机发热的现象也依然存在，只是温升的时间延缓了许多。
经FANUC公司技术人员分析，最终确定该电机与驱动模块匹配性能不好，造成电机效率低。选配合适的驱动模块后，最终解决了电机温升异常的问题（此时电机最大电流约11A，电机空转2h，内部温升仅14℃）。因电机发热造成的主轴箱热膨胀因素基本排除。
此外，还采取了隔离热传递的措施。经查，原机床厂有主轴冷却选购配置，随即对该机床加装了主轴冷却装置，其原理是将电机的安装基座板改制成中空，其间通入循环冷却水，阻隔了电机的热传导给主轴箱，从而进一步消除了主轴箱的热膨胀。
通过以上措施彻底消除了主轴热效应造成的坐标偏移现象，提高了设备精度可靠性。
