数控机床爬行与振动故障的分析及维修

于云成

（汇通机械厂，黑龙江 齐齐哈尔161000）

0 引言

数控机床在调试和运行过程中出现的爬行现象是常见的故障，它直接影响数控机床的加工精度和加工质量。通过分析发现，爬行主要是机械、液压、电气和润滑等综合作用的结果，振动是所有做回转或往复运动的机械设备的普遍现象。当数控机床发生振动时，工件表面质量恶化，产生明显的表面振纹。振动的发生使得机床和刀具磨损加剧，寿命缩短，振动产生的噪音既污染工作环境也危害操作工人的身体健康。

1 数控机床爬行和振动故障分析

1．1 摩擦阻力引起的爬行

数控机床的工作台和导轨的接触面之间看似很光滑，但其微观上则是凸凹不平的峰谷。当工作台在导轨上滑行时，2个接触表面都是通过波峰峰尖接触，相应地当接触点发生塑性变形后，其2接触面之间产生一定强度的黏着现象，这就很容易造成数控机床出现爬行现象。爬行现象通常出现在低速运动时。

1．2 液压系统泄漏引起的爬行

在液压系统中，由于执行元件破损产生外泄或由于密封圈老化破损导致液压系统压力变小可使数控机床出现爬行现象。例如，液压泵内零件的损坏会引起液压泵输出流量和压力减小，最终引起爬行。

1．3 切削厚度引起的振动

切削厚度的变化是产生振动的原因之一。如果一个平面直角切削刀沿着垂直于圆柱形工件的轴向进给，轴夹在机床尾架和卡盘之间，主轴在进给方向上是柔性的，进给切削力Ff将会引起主轴的振动。

在首次切削后由于进给Y方向工件的弯曲振动，在工件表面上会留下波纹，其方向为径向切削力Ff的方向。第二次切削的刀具将在首次切削所产生的振纹y（t－T）基础上继续切削，并在工件表面留下本次切削的振纹y（t）。随之产生的动态切削厚度不是一个常数，而是随振动频率和工件转速变化的函数，其表示形式为：

h（t）＝h0－［y（t）－y（t－T）］

式中，h0为切削厚度，等于机床的进给率；y（t）－y（t－T）为切削厚度的变化量，即第二次切削所产生的振纹和第一次切削所产生振纹的差值。

1．4 离心力引起的振动

离心力是由于主轴工件和部件发生相对转动时转动中心和质量中心的偏离而产生的。该离心力是引起机床整机振动的主要原因。离心力的大小根据以下公式计算：

W＝Meω2

式中，W 为离心力（N）；M为被加工工件质量和主轴质量之和（kg）；e为偏心距，即加工工件与主轴部件旋转中心和质量中心的偏差值（m）；ω为旋转角速度（r／s）。

2 数控机床爬行和振动故障的维修

我们应根据实际情况分析产生爬行和振动故障的各种可能性，然后再通过检查机床来逐一排除。下面具体介绍：

2．1 机械部分故障的维修

在数控机床维修时，应遵循一个基本原则，即先静态再动态，先解决机械部分再解决电气部分。对于机械部分，首先要检查导轨副，因为移动部件受到的摩擦阻力主要来自导轨副，摩擦阻力过大就会造成机器的爬行。对于静压导轨应主要检查静压是否建立，贴塑导轨应检查是否有杂质阻碍导轨副的运动，并且要检查润滑是否良好。其次，要检查进给传动链轴承、丝杠螺母副和丝杠本身是否预紧合理。最后还要检查传动件间隙是否过大，机械系统连接是否完好无损。如发现间隙过大，就要及时调整机械传动件之间的间隙。

2．2 电气部分故障的维修

电气部分的故障分为软件部分故障和硬件部分故障。软件部分主要查看系统参数设置和数控加工程序。数控机床的爬行若表现在移动部件发生故障，则属于速度问题，所以主要应检查信号调节器、电机和测量反馈元件的硬件。在保证了给定信号的正确后，要对电机进行检查，看其内部结构是否损坏，然后检查电机电枢线圈接触状况，最后检查反馈元件，检查时应将位置环和速度环断开，手动旋转电机并观察速度控制单元印制电路板上F／V变换器的电压波形。如果电压波形出现突然下跌的情况，说明部件接触不良。在维修过程中如有备用的检测元件，也可通过更换备用件的方法检测判断反馈元件是否出现问题，如果确实出现问题，要及时更换出现问题的元件。

3 数控机床维修实例

下面以一台配套FUNAC 11 ME系统的加工中心为例来分析和排除其振动故障。闭环进给伺服系统原理如图1所示。

图1 闭环进给伺服系统原理图

该加工中心由于使用年限较久，在一次X轴作正向运动时出现了振动状况，后续常发生这种故障。经过分析，得出伺服进给系统可能产生故障的原因：驱动器的设定和调整不当；伺服电动机或速度、位置检测部件不良；机械部分安装或调整不良；外部干扰、接地、屏蔽不良等。接下来在脱开电动机与丝杠的连接后进行开机试验，发现故障仍然存在，可以初步判定伺服驱动系统的电气部分是引起故障的关键部分。接着在维修时更换X、Y轴的伺服电动机进行试验，结果发现故障转移到了Y轴，由此可判定故障是由X轴的电机引起。利用示波器测量伺服电动机内装式编码器的信号，最终发现故障是由于编码器不良而引起的。更换编码器后，机床恢复正常工作。

4 结语

引起数控机床爬行的原因通常有以下几点：机床运动部件之间润滑不良导致工作台运动时静摩擦阻力增大；液压系统由于执行元件破损产生外泄或密封圈老化破损导致液压系统压力变小。而数控机床的振动则通常由切削厚度的变化和离心力引起。在排除机床故障时，应仔细分析和诊断，直到找到故障根源。

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