淺談數控機床的爬行與振動

苗鵬

摘 要：數控機床具有精度穩定及精確、電氣控制系統可靠、保護措施齊全等普通機床不能比擬的優點，正是因為這種優點，在工業生產中，數控機床往往都是半精加工、精加工的重要保證，因此，進給系統爬行與振動是不允許發生在數控機床上的。而產生這類故障的原因有很多，結合筆者以往的維修經驗，總結一些可能的原因，希望對讀者有一些幫助。

關鍵詞：爬行與振動；產生原因

機床進給系統運動時，當其運行速度低到一定值（如0.5mm/min）時，往往不是作連續勻速運動，而是時走時停、忽快忽慢，這種現象稱之為爬行。表現輕微時為目光不易察覺的顫振，表現嚴重時為大距離的間歇性沖動。而當其以高速運行時，移動部件又會出現明顯的振動。

產生這類故障的原因可能是機械進給傳動鏈出現了故障，也可能是進給系統電氣部分出現了問題，還可能是機械部分與電氣部分的綜合故障所造成。爬行和振動嚴重影響機床加工精度和加工面的光滑，如果現象處理不及時，嚴重會破壞液壓系統工作的穩定性，使機床導軌加速磨損，甚至產生廢品和事故。

1 爬行與振動故障的診斷與排除方法

爬行與振動故障通常需要在機械部件和進給伺服系統查找問題。因為數控機床進給系統低速時的爬行現象往往取決于機械傳動部件的特性，高速時的振動現象又通常與進給傳動鏈中運動副的預緊力有關。另外，爬行和振動問題是與進給速度密切相關的，因此也要分析進給伺服系統的速度環和系統參數。

1.1 機械部件故障檢查

造成爬行與振動的原因如果在機械部件，首先要檢查導軌副。因為移動部件所受的摩擦阻力主要是來自導軌副，如果導軌副發生研傷，使動、靜摩擦系數變大，而且其差值也變大，將容易造成爬行。數控機床的導軌副廣泛采用了滾動導軌、靜壓導軌或塑料導軌，如果調整不好，仍會造成爬行或振動。靜壓導軌應著重檢查靜壓是否建立、塑料導軌應檢查有否雜質或異物阻礙導軌副運動、滾動導軌則應檢查預緊是否良好。

其次要檢查進給傳動鏈。在進給系統中，伺服驅動裝置到移動部件之間必定要經過由齒輪、絲杠螺母副或其他傳動副所組成的傳動鏈。有效提高這一傳動鏈的扭轉和拉壓剛度，對于提高運動精度，消除爬行非常有益。引起移動部件爬行的原因之一常常是因為對軸承、絲杠螺母副和絲杠本身的預緊或預拉不理想造成的。傳動鏈太長、傳動軸直徑偏小、支承和支承座的剛度不夠也是引起爬行的不可忽略的因素，因此在檢查時也要考慮這些方面是否有缺陷。

1.2 導軌潤滑油檢查

導軌副的潤滑不好也可能引起爬行問題，有時出現爬行現象僅僅就是導軌副潤滑狀態不好造成的。這時采用具有防爬作用的導軌潤滑油是一種非常有效的措施，這種導軌潤滑油中有極性添加劑，能在導軌表面形成一層不易破裂的油膜，從而改善導軌的摩擦特性。

有些機床油泵吸油管正好在切削液與潤滑油之間，所以泵在工作時，就把切削液與潤滑油同時吸入，使切削液與潤滑油混合，造成潤滑油的運動粘度降低，繼而使靜壓導軌靜壓區壓力變小，摩擦系數變大，機床產生爬行。這時就要進行更換潤滑油或者進行油水分離來消除故障。

1.3 進給電機檢查

如果發現數控機床振動頻率與電機轉速成一定比率，那么需要檢查一下電動機是否有故障，碳刷、整流子（銅頭）表面狀況、電機前后軸承逐一檢查。

另外電動機電樞線圈不良也會引起系統振動。這種情況可以通過測量電動機的空載電流進行確認，若空載電流隨轉速成正比增加，則說明電動機內部有短路現象。出現本故障一般應首先清理換向器、檢查電刷等環節，再進行測量確認。如果故障現象依然存在，則可能是線圈匝間有短路現象，通過更換備用電機解決。

1.4 脈沖編碼器或測速發電機的檢查

對于編碼器故障，可以觀察機床操作面板上故障軸功率條變化幅度大小，以及運動電流變化幅度大小。一般編碼器硬件損壞可能導致上述變化幅度增大。

測速發電機中常常出現的故障是炭刷磨下來的炭粉積存在換向片之間的槽內，造成測速發電機換向片片間短路，導致片間阻值不平衡，進而產生爬行和振動。

1.5 數控系統參數的調節

爬行與振動也可能是由于機床參數設定不合理而引起系統振蕩，消除振蕩的最佳方法就是修改位置環增益KV系數。通過適當的調整KV系數來減少機床的振動。

但這種原因不多見，因為機床參數是出廠時機床調試人員設定的最優配置，其中位置環增益主要影響伺服系統的響應，設定越大，動態響應越快，跟隨誤差越小，定位時間越短。設置過大會引起機械震動，但在機械穩定的前提下，盡量設大。如果盲目的減少位置環增益，會對機床定位精度產生影響。

高剛性連接時位置環增益可設較大，但不要超過機械系統的固有頻率中剛性或者低剛性連接時，不要設置過高，會引起機械振蕩如果爬行和振動機械方面如果解決比較困難時，可以適當調節KV系數，但最終必須要從根本上解決問題，排除故障。

1.6 伺服控制系統的檢查

伺服系統伺服系統存在干擾，數控系統的NCU做運算是一個很精密的計算過程，如果引入干擾，那么伺服系統發出的指令肯定會有波動，進而導致電機轉數的不穩定。處理方法：做好伺服系統的接地和屏蔽工作，使用帶屏蔽層的電纜做反饋線和動力線。

2 維修實例

〖例1〗一臺配套西門子8MC數控系統的5×12米數控龍門銑，X軸（工作臺）運動時發生振動。

故障分析及處理：

由于該機床是上世紀80年的產品，各部件老化比較嚴重，X軸采用直流驅動控制系統，電機為永磁直流電動機。首先機械檢查工作臺靜壓，發現壓力夠，有浮起。電氣入手，用鉗形表測電流，發現電流波動范圍特別大，將X軸電機測速機轉子拆下，用萬用表量片間阻值，發現有兩片斷路，于是更換測速機轉子后，機床恢復正常工作。

〖例2〗 一臺配套西門子8MC系統數控Φ160鏜床，X軸（立柱）在運動時速度不穩。低速和高速都存在一定幅度的振動。

故障分析及處理：

仔細檢查機床，發現X軸（立柱）運動過程中電流不是很大，在機床允許的范圍內，但電流波動幅度較大。檢查機床導軌浮起，該機床是靠風壓浮起，風壓無泄漏，浮起符合標準。

于是維修人員從電機和測速機入手，檢查測速機，發現測試機轉子與直流電機在工作時有些旋轉不同步，經檢查發現轉子固定螺絲松動，緊好，故障消除。

〖例3〗 一臺配套西門子840D系統數控5×15米數控龍門銑在加工過程中，在精車時發現加工表面呈波浪狀。

故障分析及處理：

經維修人員檢查發現X軸（工作臺）有爬行現象。檢查機械機構時發現工作臺在靜壓導軌上浮起量較小，進一步檢查工作臺靜壓泵，該機床一共有三個靜壓泵，檢查發現其中一個靜壓為零，開始以為靜壓泵損壞，將靜壓電機拆下時，原來與泵聯接的電機對輪損壞，更換備件后，機床故障消除。

3 結束語

數控機床爬行與振動現象出現的周期較長，無規律，不定期，給查找分析帶來了很多困難。所以對待此類問題，需要對具體情況分析，進行耐心的查找，而且檢查時特別需要維修人員利用機械、電氣、液壓等方面的綜合知識，就會將機床運動中的爬行和振動現象降低到最小的極限，從而保證機床的正常工作。endprint