淺談數(shù)控機(jī)床的爬行與振動(dòng)

苗鵬

摘 要：數(shù)控機(jī)床具有精度穩(wěn)定及精確、電氣控制系統(tǒng)可靠、保護(hù)措施齊全等普通機(jī)床不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，正是因?yàn)檫@種優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中，數(shù)控機(jī)床往往都是半精加工、精加工的重要保證，因此，進(jìn)給系統(tǒng)爬行與振動(dòng)是不允許發(fā)生在數(shù)控機(jī)床上的。而產(chǎn)生這類故障的原因有很多，結(jié)合筆者以往的維修經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)一些可能的原因，希望對(duì)讀者有一些幫助。

關(guān)鍵詞：爬行與振動(dòng)；產(chǎn)生原因

機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)其運(yùn)行速度低到一定值（如0.5mm/min）時(shí)，往往不是作連續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)，而是時(shí)走時(shí)停、忽快忽慢，這種現(xiàn)象稱之為爬行。表現(xiàn)輕微時(shí)為目光不易察覺(jué)的顫振，表現(xiàn)嚴(yán)重時(shí)為大距離的間歇性沖動(dòng)。而當(dāng)其以高速運(yùn)行時(shí)，移動(dòng)部件又會(huì)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)。

產(chǎn)生這類故障的原因可能是機(jī)械進(jìn)給傳動(dòng)鏈出現(xiàn)了故障，也可能是進(jìn)給系統(tǒng)電氣部分出現(xiàn)了問(wèn)題，還可能是機(jī)械部分與電氣部分的綜合故障所造成。爬行和振動(dòng)嚴(yán)重影響機(jī)床加工精度和加工面的光滑，如果現(xiàn)象處理不及時(shí)，嚴(yán)重會(huì)破壞液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，使機(jī)床導(dǎo)軌加速磨損，甚至產(chǎn)生廢品和事故。

1 爬行與振動(dòng)故障的診斷與排除方法

爬行與振動(dòng)故障通常需要在機(jī)械部件和進(jìn)給伺服系統(tǒng)查找問(wèn)題。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)低速時(shí)的爬行現(xiàn)象往往取決于機(jī)械傳動(dòng)部件的特性，高速時(shí)的振動(dòng)現(xiàn)象又通常與進(jìn)給傳動(dòng)鏈中運(yùn)動(dòng)副的預(yù)緊力有關(guān)。另外，爬行和振動(dòng)問(wèn)題是與進(jìn)給速度密切相關(guān)的，因此也要分析進(jìn)給伺服系統(tǒng)的速度環(huán)和系統(tǒng)參數(shù)。

1.1 機(jī)械部件故障檢查

造成爬行與振動(dòng)的原因如果在機(jī)械部件，首先要檢查導(dǎo)軌副。因?yàn)橐苿?dòng)部件所受的摩擦阻力主要是來(lái)自導(dǎo)軌副，如果導(dǎo)軌副發(fā)生研傷，使動(dòng)、靜摩擦系數(shù)變大，而且其差值也變大，將容易造成爬行。數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌副廣泛采用了滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌或塑料導(dǎo)軌，如果調(diào)整不好，仍會(huì)造成爬行或振動(dòng)。靜壓導(dǎo)軌應(yīng)著重檢查靜壓是否建立、塑料導(dǎo)軌應(yīng)檢查有否雜質(zhì)或異物阻礙導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)導(dǎo)軌則應(yīng)檢查預(yù)緊是否良好。

其次要檢查進(jìn)給傳動(dòng)鏈。在進(jìn)給系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)裝置到移動(dòng)部件之間必定要經(jīng)過(guò)由齒輪、絲杠螺母副或其他傳動(dòng)副所組成的傳動(dòng)鏈。有效提高這一傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)和拉壓剛度，對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)精度，消除爬行非常有益。引起移動(dòng)部件爬行的原因之一常常是因?yàn)閷?duì)軸承、絲杠螺母副和絲杠本身的預(yù)緊或預(yù)拉不理想造成的。傳動(dòng)鏈太長(zhǎng)、傳動(dòng)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(shí)也要考慮這些方面是否有缺陷。

1.2 導(dǎo)軌潤(rùn)滑油檢查

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

有些機(jī)床油泵吸油管正好在切削液與潤(rùn)滑油之間，所以泵在工作時(shí)，就把切削液與潤(rùn)滑油同時(shí)吸入，使切削液與潤(rùn)滑油混合，造成潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)粘度降低，繼而使靜壓導(dǎo)軌靜壓區(qū)壓力變小，摩擦系數(shù)變大，機(jī)床產(chǎn)生爬行。這時(shí)就要進(jìn)行更換潤(rùn)滑油或者進(jìn)行油水分離來(lái)消除故障。

1.3 進(jìn)給電機(jī)檢查

如果發(fā)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床振動(dòng)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成一定比率，那么需要檢查一下電動(dòng)機(jī)是否有故障，碳刷、整流子（銅頭）表面狀況、電機(jī)前后軸承逐一檢查。

另外電動(dòng)機(jī)電樞線圈不良也會(huì)引起系統(tǒng)振動(dòng)。這種情況可以通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的空載電流進(jìn)行確認(rèn)，若空載電流隨轉(zhuǎn)速成正比增加，則說(shuō)明電動(dòng)機(jī)內(nèi)部有短路現(xiàn)象。出現(xiàn)本故障一般應(yīng)首先清理?yè)Q向器、檢查電刷等環(huán)節(jié)，再進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)。如果故障現(xiàn)象依然存在，則可能是線圈匝間有短路現(xiàn)象，通過(guò)更換備用電機(jī)解決。

1.4 脈沖編碼器或測(cè)速發(fā)電機(jī)的檢查

對(duì)于編碼器故障，可以觀察機(jī)床操作面板上故障軸功率條變化幅度大小，以及運(yùn)動(dòng)電流變化幅度大小。一般編碼器硬件損壞可能導(dǎo)致上述變化幅度增大。

測(cè)速發(fā)電機(jī)中常常出現(xiàn)的故障是炭刷磨下來(lái)的炭粉積存在換向片之間的槽內(nèi)，造成測(cè)速發(fā)電機(jī)換向片片間短路，導(dǎo)致片間阻值不平衡，進(jìn)而產(chǎn)生爬行和振動(dòng)。

1.5 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)

爬行與振動(dòng)也可能是由于機(jī)床參數(shù)設(shè)定不合理而引起系統(tǒng)振蕩，消除振蕩的最佳方法就是修改位置環(huán)增益KV系數(shù)。通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整KV系數(shù)來(lái)減少機(jī)床的振動(dòng)。

但這種原因不多見(jiàn)，因?yàn)闄C(jī)床參數(shù)是出廠時(shí)機(jī)床調(diào)試人員設(shè)定的最優(yōu)配置，其中位置環(huán)增益主要影響伺服系統(tǒng)的響應(yīng)，設(shè)定越大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快，跟隨誤差越小，定位時(shí)間越短。設(shè)置過(guò)大會(huì)引起機(jī)械震動(dòng)，但在機(jī)械穩(wěn)定的前提下，盡量設(shè)大。如果盲目的減少位置環(huán)增益，會(huì)對(duì)機(jī)床定位精度產(chǎn)生影響。

高剛性連接時(shí)位置環(huán)增益可設(shè)較大，但不要超過(guò)機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率中剛性或者低剛性連接時(shí)，不要設(shè)置過(guò)高，會(huì)引起機(jī)械振蕩如果爬行和振動(dòng)機(jī)械方面如果解決比較困難時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)KV系數(shù)，但最終必須要從根本上解決問(wèn)題，排除故障。

1.6 伺服控制系統(tǒng)的檢查

伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)存在干擾，數(shù)控系統(tǒng)的NCU做運(yùn)算是一個(gè)很精密的計(jì)算過(guò)程，如果引入干擾，那么伺服系統(tǒng)發(fā)出的指令肯定會(huì)有波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的不穩(wěn)定。處理方法：做好伺服系統(tǒng)的接地和屏蔽工作，使用帶屏蔽層的電纜做反饋線和動(dòng)力線。

2 維修實(shí)例

〖例1〗一臺(tái)配套西門子8MC數(shù)控系統(tǒng)的5×12米數(shù)控龍門銑，X軸（工作臺(tái)）運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生振動(dòng)。

故障分析及處理：

由于該機(jī)床是上世紀(jì)80年的產(chǎn)品，各部件老化比較嚴(yán)重，X軸采用直流驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，電機(jī)為永磁直流電動(dòng)機(jī)。首先機(jī)械檢查工作臺(tái)靜壓，發(fā)現(xiàn)壓力夠，有浮起。電氣入手，用鉗形表測(cè)電流，發(fā)現(xiàn)電流波動(dòng)范圍特別大，將X軸電機(jī)測(cè)速機(jī)轉(zhuǎn)子拆下，用萬(wàn)用表量片間阻值，發(fā)現(xiàn)有兩片斷路，于是更換測(cè)速機(jī)轉(zhuǎn)子后，機(jī)床恢復(fù)正常工作。

〖例2〗 一臺(tái)配套西門子8MC系統(tǒng)數(shù)控Φ160鏜床，X軸（立柱）在運(yùn)動(dòng)時(shí)速度不穩(wěn)。低速和高速都存在一定幅度的振動(dòng)。

故障分析及處理：

仔細(xì)檢查機(jī)床，發(fā)現(xiàn)X軸（立柱）運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電流不是很大，在機(jī)床允許的范圍內(nèi)，但電流波動(dòng)幅度較大。檢查機(jī)床導(dǎo)軌浮起，該機(jī)床是靠風(fēng)壓浮起，風(fēng)壓無(wú)泄漏，浮起符合標(biāo)準(zhǔn)。

于是維修人員從電機(jī)和測(cè)速機(jī)入手，檢查測(cè)速機(jī)，發(fā)現(xiàn)測(cè)試機(jī)轉(zhuǎn)子與直流電機(jī)在工作時(shí)有些旋轉(zhuǎn)不同步，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子固定螺絲松動(dòng)，緊好，故障消除。

〖例3〗 一臺(tái)配套西門子840D系統(tǒng)數(shù)控5×15米數(shù)控龍門銑在加工過(guò)程中，在精車時(shí)發(fā)現(xiàn)加工表面呈波浪狀。

故障分析及處理：

經(jīng)維修人員檢查發(fā)現(xiàn)X軸（工作臺(tái)）有爬行現(xiàn)象。檢查機(jī)械機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)工作臺(tái)在靜壓導(dǎo)軌上浮起量較小，進(jìn)一步檢查工作臺(tái)靜壓泵，該機(jī)床一共有三個(gè)靜壓泵，檢查發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)靜壓為零，開(kāi)始以為靜壓泵損壞，將靜壓電機(jī)拆下時(shí)，原來(lái)與泵聯(lián)接的電機(jī)對(duì)輪損壞，更換備件后，機(jī)床故障消除。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床爬行與振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)的周期較長(zhǎng)，無(wú)規(guī)律，不定期，給查找分析帶來(lái)了很多困難。所以對(duì)待此類問(wèn)題，需要對(duì)具體情況分析，進(jìn)行耐心的查找，而且檢查時(shí)特別需要維修人員利用機(jī)械、電氣、液壓等方面的綜合知識(shí)，就會(huì)將機(jī)床運(yùn)動(dòng)中的爬行和振動(dòng)現(xiàn)象降低到最小的極限，從而保證機(jī)床的正常工作。endprint