斗山650 立式加工中心主轴定向系统优化

1. 引言

随着智能制造的深入发展，立式加工中心（VMC）已成为发动机壳体、减速器壳体、车桥桥壳等关键零部件自动化加工的核心装备。斗山 650 作为典型机型，在桥壳柔性生产线中承担 OP10 工序。现场环境属于“重切削、大流量冷却”工况：乳化液浓度 8%～12% ，喷嘴压力 0.8～ 1.2MPa ，雾化颗粒粒径 20～100μm ，相对湿度常年高于 85% ，且含有少量铁粉及油污颗粒。原设计采用外置 1024p/r 增量编码器，通过同步带与主轴 1：1 耦合，其防护罩仅达到 IP54 等级，长期运行后编码器腔体内积水、积油现象严重，轴承锈蚀、码盘污染，最终导致通信异常、信号漂移。传统解决方案包括：（1）升级编码器至IP67 防护等级，但受限于安装空间，需重新设计支架及防护罩，费用约6000 元/ 台；（2）增设压缩空气密封，但气源压力波动导致密封效果不稳定，且耗气量达 60…L/min，年运行成本增加约 3000 元 / 台。本研究基于 FANUC…0i-MC 系统提供的主轴定向功能，提出“内置编码器 + 接近开关”一体化方案，在不更换主轴、电机的前提下，以最小机械改动实现高可靠性定向。

2. 现状与问题分析

2.1…故障统计

2020-01—2021-01，自动化线共记录斗山 650 主轴相关报警 124 次，其中编码器类报警97 次，占比 78.2% 。主要报警代码：SP9051（编码器通信异常）、SP9052（编码器信号断线）。拆检发现编码器内部积水率 100% 。

2.2…原因归纳

（1）防护失效：外置编码器防护罩与主轴箱结合面仅采用单层橡胶垫密封，压缩量不足0.5mm ，无法抵御高压冷却液冲击；

（2）结构缺陷：编码器安装于主轴箱底部，外侧防护直接面对冷却液冲击；

（3）电磁干扰：编码器信号电缆与动力电缆同桥架敷设，屏蔽层断裂后 EMC 性能下降，导致偶发通信错误；

（4）维护困难：编码器安装空间狭小，每次更换需拆卸防护罩、同步带，平均耗时2.5…h，严重影响生产线开动率。

3.1…FANUC 主轴定向方式对比

FANUC…0i-MC 支持四种定向方式，如表 1

表1 ：定向方式对比

通过对比可知：方式…A…虽精度高，但可靠性差、成本高，不符合生产线环境需求；方式B…虽成本低、可靠性高，但需依赖电机与主轴的传动比换算位置，若传动机构（如同步带）存在磨损或间隙（长期运行后同步带伸长量约 0.5-1mm ），易导致定向误差增大（实测误差可达 ±0.8^∘ °），无法满足自动化换刀的 ±0.5^∘ …精度要求；方式…D…精度最高，但成本过高（单台改造费用是方案…C…的…32…倍），超出生产线经济性需求；方式…C…通过…“接近开关粗定位 + …内置编码器精定位”…的组合，既利用了内置编码器的高精度与高防护性，又通过接近开关消除了传动间隙带来的误差，同时成本极低，完全适配生产线的高湿环境与自动化换刀需求，因此确定为本次优化方案的核心技术路线。

3.2…精度计算

定向分辨率 Δ Θ=360^∘ /131072≈0.0027^∘ °，远小于机械臂扣刀允许误差 ±0.5° ，满足要求。

4. 机械改造

主轴锁紧螺母（贝母），已均布 4×M6 螺纹孔。选用其中一孔安装 8mm 长内六角螺栓（头部高 4.5mm ）作为检测块。

4.2…接近开关选型

选用M12…PNP 常开型电感开关（ SN=4mm ，IP67，频率 2kHz ）。安装支架为 6mm 钢板，中心孔距主轴外圆 1.5mm±0.2mm ，保证可靠触发。

图 1 ：JYA3 端口定义

5. 电气设计

5.1…接线

信号接入CNC-JYA3 端口，定义见图 1

5.2…参数设置

关键参数及功能如表2 所示。其余伺服增益使用FANUC 默认优化值。

6. 调试与验证

6.1…调试流程

（1）空载旋转主轴，确认诊断 445 变化连续；

（2）执行 M19，观察一次旋转信号是否每转触发一次；

（3）调整 4077 使主轴停止位置与机械臂爪中心重合，误差 <0.2^∘ ；

（4）连续执行 M19，100 次，记录最大偏差 0.18^∘ 。

6.2…可靠性试验改造后连续运行180…天，共执行 M19 约 9.2×105 次，无一次SP 报警。

7. 经济性与推广价值

单台改造成本：接近开关120 元 + 支架 80 元 + 线材 50 元 ≈250 元，为外置编码器备件价格的 4%_⨀ 。无需更换主轴或电机，停机时间 现已推广至同线 5 台机床，预计年节约维修费用2 万元。

8. 结论

（1）“电机内置编码器 + 接近开关”方案解决了高湿环境下外置编码器失效难题，定向精度满足自动化换刀要求。

（2）机械改动小、成本低、实施周期短，具备良好的工程推广性。

（3）后续可进一步研究绝对值电机编码器适配，实现免回零定向。

参考文献

[1] FANUC Ltd. αi/βi series spindle amplifier maintenance manual[Z]. 2022.

[2] 李志强 . 加工中心主轴定向精度分析与改进 [J]. 制造技术与机床 ，2021（9）：110-113.

[3] 王磊 . 基于 FANUC 系统的数控车床主轴定位改造 [J]. 机床与液压 ，2022，50（4）：75-78.