數控機床爬行與振動故障研究

李壯,李詩若

摘要 本文結合當前數控機床爬行與故障展開了研究和討論。旨在說明出現這種故障的原因和引發因子，筆者從實際工作出發，經過大量的研究和分析，對當前數控機床在工作的過程中所出現爬行問題，給出了相應的解析，同時還針對實際情況提供了一些診斷方法和預報技術，為數控機床的維修和調試提供指導依據。

關鍵詞 故障分析；數控機床；動態特性

中圖分類號TH13 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）43-0168-01

數控機床在調試和運行過程中出現的爬行現象是一種經常性的故障，直接對數控機床造成嚴重的后果，經濟損失也是相當引人注目的。經過大量的研究發現，引發這種故障的主要原因有液壓、機械、電氣、潤滑等很多方面，它們之間都存在著一種緊密的銜接關系，相互緊密地交織在一起。我們需要在實踐中經常性的發現問題，開拓思想，積累經驗，逐漸學會剖析故障的能力，最終總結出解決問題的最佳方案。本文就針對若干種經常性的爬行與振動情況一一進行了研究和解答，同時例舉了多種故障元器件和故障表現形式，并擬定和提出了解決此故障的策略和相關意見。

1 摩擦阻力引起的爬行

眾所周知，機床床身的工作臺和導軌導軌面都是依據刮削或磨削的，形成一個平順而光滑的表面，但是，在事實上這個表面還是呈現著一定程度的微峰，這些微峰以犬牙形狀參差不起地鑲嵌在表面平臺之上。因為滑動導軌的兩個接觸面都是通過微峰峰尖接觸，所以在它們之間的難免會出現微小的接觸面，可想而知，峰尖上所要承受的壓力就是向當地高了，在一定程度上已經達到了彈性變形最大值，特別是一些大(重)型的數控機床。通過實驗發現，當接觸點發生了塑性變形之后，其金屬分子就會產生一定強度的粘著反應，加上微峰之間的交錯嚙合，在他們相對運行的時候就很容易出現數控機床的爬行和振動現象。這就是機床運動的兩導軌上所出現的摩擦阻力的原因。

如果機床在運行中出現了爬行現象，那么此時一定是在低速運動，兩導軌面之間難以形成高速運動時的動壓油膜，所以出現了因微峰直接接觸的邊界潤滑。這個時候兩導軌表面的微峰之間能夠直接接觸，壓力比較高，所以直接導致了塑性變形，因運動而引發的接觸局部升溫，出現了金屬分子之間的粘著，通常稱為“冷焊”，這個時候兩導軌間的摩擦系數是最高的。改善摩擦阻力和改善摩擦阻力的變化，關鍵在于減小摩擦曲線隨運動速度遞增而降低的斜率，也就是說減小靜、動摩擦系數差，說白了就是關鍵要改良潤滑時的狀態。

2離心力引起的振動

當主軸工件和部件轉動的時候，因為轉動中心和質量中心的偏離，所以就會產生了繞回轉中心旋轉的離心力，這個離心力屬于車床產生整機振動和導致不穩定的根本因素。平常離心力的大小通常都是依據下列公式得出：

W=Meω2

式中，M為被加工件與主軸部件的質量的和（kg）；e為被加工件和主軸部件的旋轉中心與質量中心的偏心距（m）；W為離心力（N）；ω為主軸 （工件）旋轉角速度（rad/s）。

從上式中我們可以得出，旋轉件的質量與離心力的大小、轉速的平方和偏心距成正比。為了降低振動，在加工大工件、質量攤鋪不平衡的毛坯件及偏心工件時，可適當的降低轉速，尤其是在加工偏心量大的工件時，應當添加質量平衡塊以減小偏心距，降低因離心力而產生的振動。不可否認，上述公式事實上只是表面上的給出了激振力的大小，而在具體工作中，離心力的大小是不斷的發生變化，即被加工工件的質量、偏心距和角速度是在不斷的變化，工件質量與偏心距的變化很少在線檢測，即使可以檢測也不在去檢測它們，這是由于離心力的檢測有更簡化、更精確及更快捷的檢測方法。當離心力對數控車床產生作用后，車床便會有繞其邊緣傾倒的跡象，此種跡象是由離心力對車床底邊的力矩所產生的結果，故稱為“顛覆力矩”。當離心力位于水平狀態時，顛覆力矩就會升為極大值，其大小可由下列公式得出：

M = Wh

式中，M為顛覆力矩（N·m）；W為旋轉件的離心力（N）。

3 液壓系統泄漏引起的爬行

由于液壓系統中密封圈衰老碎裂，執行元件破損等產生外泄，使系統壓力減小致使爬行，例如液壓泵內的零件破損，會引發液壓泵輸出流量和壓力減小或晃動；閥類元件和液壓缸破損，元件空間增加，或液壓缸活塞與缸體相互空間加大，導致高壓腔和低壓腔相通產生壓力過小，使推力降低，當阻力發生變化時，液壓泵不足以供應壓力變化而致使爬行。在液壓系統的爬行中，準時消除液壓缸中的氣體是預防爬行的最佳方式。

4 加工程序引起的振動

細作更為復雜的曲面時，通常采用CAM編程軟件例如：Pro/E、UG、MasterCAM 等編程。在使用MasterCAM編程過程中，部分客戶為了達到更高的精確度或者為了防止走圓弧出現差錯，便采取了不大的過濾或索性不過濾，成型的程序是非常集中的點位，在加速性能不是較佳的數控機床上細作時便會出現上下顛簸和左右搖擺的振動現象。譬如當加工一個圓時，由于上下顛簸或左右搖擺所產生的振動，便會制作出很多棱邊，反而對加工時所預期的精度產生了不良影響。

數控機床是一個完備和統一的有機整體，機械、電氣、液壓的控制天生存在相互關聯、相互作用。故此，剖析處理進給系統出現的故障時，對數控機床發生的爬行和振動故障等的問題，無需急于定論和詮釋，應依據引誘其產生故障的原因，列舉出最大可能產生數控機床爬行和振動的相關因子，最后將各項進行逐一排查和檢驗，剖析、定向和解除故障。檢查到哪一處有疑惑，就將此處的疑惑進行剖析，查看其是否為產生故障的直接矛盾，直到把各項可能引發故障的因子都排查出來為止。最后再全盤統籌，擬定出一個既滿足實際要求又實用的解決問題的方案，徹底將故障排除。故此，我們應加大整體概念的綜合性培養和總結工作及生活的經驗，只有這樣我們才能有效且方便的解決實際問題。

參考文獻

[1]數控機床數控系統維修技術與實例編委會.數控機床數控系統維修技術與實例[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]李峻勤，費仁元.數控機床及其使用與維修[M].北京：國防工業出版社，2009.