數控機床爬行與振動故障的分析及維修

于云成

（匯通機械廠，黑龍江 齊齊哈爾161000）

0 引言

數控機床在調試和運行過程中出現的爬行現象是常見的故障，它直接影響數控機床的加工精度和加工質量。通過分析發現，爬行主要是機械、液壓、電氣和潤滑等綜合作用的結果，振動是所有做回轉或往復運動的機械設備的普遍現象。當數控機床發生振動時，工件表面質量惡化，產生明顯的表面振紋。振動的發生使得機床和刀具磨損加劇，壽命縮短，振動產生的噪音既污染工作環境也危害操作工人的身體健康。

1 數控機床爬行和振動故障分析

1．1 摩擦阻力引起的爬行

數控機床的工作臺和導軌的接觸面之間看似很光滑，但其微觀上則是凸凹不平的峰谷。當工作臺在導軌上滑行時，2個接觸表面都是通過波峰峰尖接觸，相應地當接觸點發生塑性變形后，其2接觸面之間產生一定強度的黏著現象，這就很容易造成數控機床出現爬行現象。爬行現象通常出現在低速運動時。

1．2 液壓系統泄漏引起的爬行

在液壓系統中，由于執行元件破損產生外泄或由于密封圈老化破損導致液壓系統壓力變小可使數控機床出現爬行現象。例如，液壓泵內零件的損壞會引起液壓泵輸出流量和壓力減小，最終引起爬行。

1．3 切削厚度引起的振動

切削厚度的變化是產生振動的原因之一。如果一個平面直角切削刀沿著垂直于圓柱形工件的軸向進給，軸夾在機床尾架和卡盤之間，主軸在進給方向上是柔性的，進給切削力Ff將會引起主軸的振動。

在首次切削后由于進給Y方向工件的彎曲振動，在工件表面上會留下波紋，其方向為徑向切削力Ff的方向。第二次切削的刀具將在首次切削所產生的振紋y（t－T）基礎上繼續切削，并在工件表面留下本次切削的振紋y（t）。隨之產生的動態切削厚度不是一個常數，而是隨振動頻率和工件轉速變化的函數，其表示形式為：

h（t）＝h0－［y（t）－y（t－T）］

式中，h0為切削厚度，等于機床的進給率；y（t）－y（t－T）為切削厚度的變化量，即第二次切削所產生的振紋和第一次切削所產生振紋的差值。

1．4 離心力引起的振動

離心力是由于主軸工件和部件發生相對轉動時轉動中心和質量中心的偏離而產生的。該離心力是引起機床整機振動的主要原因。離心力的大小根據以下公式計算：

W＝Meω2

式中，W 為離心力（N）；M為被加工工件質量和主軸質量之和（kg）；e為偏心距，即加工工件與主軸部件旋轉中心和質量中心的偏差值（m）；ω為旋轉角速度（r／s）。

2 數控機床爬行和振動故障的維修

我們應根據實際情況分析產生爬行和振動故障的各種可能性，然后再通過檢查機床來逐一排除。下面具體介紹：

2．1 機械部分故障的維修

在數控機床維修時，應遵循一個基本原則，即先靜態再動態，先解決機械部分再解決電氣部分。對于機械部分，首先要檢查導軌副，因為移動部件受到的摩擦阻力主要來自導軌副，摩擦阻力過大就會造成機器的爬行。對于靜壓導軌應主要檢查靜壓是否建立，貼塑導軌應檢查是否有雜質阻礙導軌副的運動，并且要檢查潤滑是否良好。其次，要檢查進給傳動鏈軸承、絲杠螺母副和絲杠本身是否預緊合理。最后還要檢查傳動件間隙是否過大，機械系統連接是否完好無損。如發現間隙過大，就要及時調整機械傳動件之間的間隙。

2．2 電氣部分故障的維修

電氣部分的故障分為軟件部分故障和硬件部分故障。軟件部分主要查看系統參數設置和數控加工程序。數控機床的爬行若表現在移動部件發生故障，則屬于速度問題，所以主要應檢查信號調節器、電機和測量反饋元件的硬件。在保證了給定信號的正確后，要對電機進行檢查，看其內部結構是否損壞，然后檢查電機電樞線圈接觸狀況，最后檢查反饋元件，檢查時應將位置環和速度環斷開，手動旋轉電機并觀察速度控制單元印制電路板上F／V變換器的電壓波形。如果電壓波形出現突然下跌的情況，說明部件接觸不良。在維修過程中如有備用的檢測元件，也可通過更換備用件的方法檢測判斷反饋元件是否出現問題，如果確實出現問題，要及時更換出現問題的元件。

3 數控機床維修實例

下面以一臺配套FUNAC 11 ME系統的加工中心為例來分析和排除其振動故障。閉環進給伺服系統原理如圖1所示。

圖1 閉環進給伺服系統原理圖

該加工中心由于使用年限較久，在一次X軸作正向運動時出現了振動狀況，后續常發生這種故障。經過分析，得出伺服進給系統可能產生故障的原因：驅動器的設定和調整不當；伺服電動機或速度、位置檢測部件不良；機械部分安裝或調整不良；外部干擾、接地、屏蔽不良等。接下來在脫開電動機與絲杠的連接后進行開機試驗，發現故障仍然存在，可以初步判定伺服驅動系統的電氣部分是引起故障的關鍵部分。接著在維修時更換X、Y軸的伺服電動機進行試驗，結果發現故障轉移到了Y軸，由此可判定故障是由X軸的電機引起。利用示波器測量伺服電動機內裝式編碼器的信號，最終發現故障是由于編碼器不良而引起的。更換編碼器后，機床恢復正常工作。

4 結語

引起數控機床爬行的原因通常有以下幾點：機床運動部件之間潤滑不良導致工作臺運動時靜摩擦阻力增大；液壓系統由于執行元件破損產生外泄或密封圈老化破損導致液壓系統壓力變小。而數控機床的振動則通常由切削厚度的變化和離心力引起。在排除機床故障時，應仔細分析和診斷，直到找到故障根源。

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