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如何解决数控机床进给时爬行与振动
如何解决数控机床进给时爬行与振动
【爬行与振动现象及产生原因】
在驱动移动部件低速运行过程中,数控机床进给系统会出现移动部件开始时不能启动,启动后又突然作加速运动,而后又停顿,继而又作加速运动,移动部件如此周而复始忽停忽跳、忽慢忽快的运动现象称为爬行。而当其以高速运行时,移动部件又会出现明显的振动。
对于数控机床进给系统产生爬行的原因,一般认为是由于机床运动部件之间润滑不好,导致机床工作台移动时静摩擦阻力增大;当电机驱动时,工作台不能向前运动,使滚珠丝杠产生弹性变形,把电机的能量贮存在变形上;电动机继续驱动,贮存的能量所产的弹性力大于静摩擦力时,机床工作台向前蠕动,周而复始地这样运动,产生了爬行的现象。
事实上这只是其中的一个原因,产生这类故障的原因还可能是机械进给传动链出现了故障,也可能是进给系统电气部分出现了问题,或者是系统参数设置不当的缘故,还可能是机械部分与电气部分的综合故障所造成。
【爬行与振动故障的诊断与排除】
对于数控机床出现的爬行与振动故障,不能急于下结论,而应根据产生故障的可能性,罗列出可能造成数控机床爬行与振动的有关因素,然后逐项排队,逐个因素检查、分析、定位和排除故障。查到哪一处有问题,就将该处的问题加以分析,看看是否是造成故障的主要矛盾,直至将每一个可能产生故障的因素都查到。最后再统筹考虑,提出一个综合性的解决问题方案,将故障排除。
排除数控机床进给系统爬行与振动故障的具体方法如下:
(1)对故障发生的部位进行分析
爬行与振动故障通常需要在机械部件和进给伺服系统查找问题。因为数控机床进给系统低速时的爬行现象往往取决于机械传动部件的特性,高速时的振动现象又通常与进给传动链中运动副的预紧力有关。另外,爬行和振动问题是与进给速度密切相关的,因此也要分析进给伺服系统的速度环和系统参数。
(2)机械部件故障的检查和排除
造成爬行与振动的原因如果在机械部件,首先要检查导轨副。
因为移动部件所受的摩擦阻力主要是来自导轨副,如果导轨副的动、静摩擦系数大,且其差值也大,将容易造成爬行。尽管数控机床的导轨副广泛采用了滚动导轨、静压导轨或塑料导轨,如果调整不好,仍会造成爬行或振动。静压导轨应着重检查静压是否建立;塑料导轨应检查有否杂质或异物阻碍导轨副运动,滚动导轨则应检查预紧是否良好。
导轨副的润滑不好也可能引起爬行问题,有时出现爬行现象仅仅就是导轨副润滑状态不好造成的。这时采用具有防爬作用的导轨润滑油是一种非常有效的措施,这种导轨润滑油中有极性添加剂,能在导轨表面形成一层不易破裂的油膜,从而改善导轨的摩擦特性。
其次,要检查进给传动链。在进给系统中,伺服驱动装置到移动部件之间必定要经过由齿轮、丝杠螺母副或其他传动副所组成的传动链。有效提高这一传动链的扭转和拉压刚度,对于提高运动精度,消除爬行非常有益。引起移动部件爬行的原因之一常常是因为对轴承、丝杠螺母副和丝杠本身的预紧或预拉不理想造成的。传动链太长、传动轴直径偏小、支承和支承座的刚度不够也是引起爬行的不可忽略的因素,因此在检查时也要考虑这些方面是否有缺陷。
另外机械系统连接不良,如联轴器损坏等也可能引起机床的振动和爬行。
(3)进给伺服系统故障的检查和排除
如果爬行与振动的故障原因在进给伺服系统,则需要分别检查伺服系统中各有关环节。应检查速度调节器、伺服电机或测速发电机、系统插补精度、系统增益、与位置控制有关的系统参数设定有无错误、速度控制单元上短路棒设定是否正确、增益电位器调整有无偏差以及速度控制单元的线路是否良好等环节,逐项检查分类排除。
①速度调节器的检测
对速度调节器的故障,主要检测给定信号、反馈信号和速度调节器本身是否存在问题。给定信号可以通过由位置偏差计数器出来经D/A转换给速度调节器送出的模拟信号VCMD的检测实现,这个信号是否有振动分量可以通过对伺服板上的插脚用示波器来观察。如果就有一个周期的振动信号,那毫无疑问机床振动是正确的,速度调节器这一部分没有问题,而是前级有问题;然后向D/A转换器或偏差计数器去查找问题,如果我们测量结果没有任何振动的周期性的波形,那么问题肯定出在反馈信号和速度调节器。
②系统参数的调节
一个闭环系统也可能是由于参数设定不合理而引起系统振荡,消除振荡的最佳方法就是减少放大倍数。在FUNAC的系统中调节RV1,逆时针方向转动,这时可以看出立即会明显变好,但由于RV1调节电位器的范围比较小,有时调不过来,只能改变短路棒,也就是切除反馈电阻值,降低整个调节器的放大倍数。
③测速电机反馈信号的检测
反馈信号与给定信号对于调节器来说是完全相同的。因此出现了反馈信号的波动,必然引起速度调节器的反方向调节,这样就引起机床的振动。由于机床在振动,说明机床的速度在激烈的振荡中,当然测速发电机反馈回来的波形也一定是动荡的。这时如果机床的振动频率与电机旋转的速度存在一个准确的比率关系,譬如振动的频率是电机转速的四倍频率。这时我们就要考虑电机或测速发电机有故障的问题。
④电机检查
当机床振动频率与电机转速成一定比率,首先就要检查一下电动机是否有故障,检查它的碳刷、整流子表面状况,以及检查滚珠轴承的润滑情况。
另外电动机电枢线圈不良也会引起系统振动。这种情况可以通过测量电动机的空载电流进行确认,若空载电流随转速成正比增加,则说明电动机内部有短路现象。出现本故障一般应首先清理换向器、检查电刷等环节,再进行测量确认。如果故障现象依然存在,则可能是线圈匝间有短路现象,应对电动机进行维修处理。如果没有什么问题,就要检查测速发电机。
⑤脉冲编码器或测速发电机的检测
对于脉冲编码器或测速发电机不良的情况,可按下述方法进行测量检查。首先将位置环、速度环断开,手动电动机旋转,观察速度控制单元印制电路板上F/V变换器的电压,如果出现电压突然下跌的波形,则说明反馈部件不良。
测速发电机中常常出现的一个问题是炭刷磨下来的炭粉积存在换向片之间的槽内,造成测速发电机换向片片间短路,一旦出现这样的问题就会引起振动。
⑥外部干扰的处理
对于固定不变的干扰,可检查F/V变换器、电流检测端子以及同步端的波形,检查是否存在干扰,并采取相应的措施。对于偶然性干扰,只有通过有效的屏蔽、可靠的接地等措施,尽可能予以避免。

采用这些方法后,还做不到完全消除振动,甚至是无效的,就要考虑对速度调节器板更换或换下后彻底检查各处波形。


机床爬行现象原因分析及解决方案
爬行是机床常见而不正常的运动状态,主要出现在机床各传动系统的执行部件上(如刀架系统、工作台等),且一般在低速行时出现较多。运动速度低时,润滑油被压缩,油膜变薄,油楔作用降低,部分油膜破坏,摩擦面阻力发生变化。通常情况下,轻微程度的爬行有不易察觉的振动,显著的爬行则是大距离地跳动。

进给运动中的爬行现象破坏了系统运动的均匀性,不仅使被加工件精度和表面质量下降,也会破坏液压系统工作的稳定性,使机床导轨加速磨损,甚至产生废品和事故。


1 机床爬行原因分析
引起爬行的主要原因,是摩擦因数随运动速度的变化和传动系统刚性不足。机床在实际使用中,爬行现象主要是在传动系统刚性不足,驱动力与负载摩擦阻力波动变化的情况下形成。机床液压系统侵入空气,液压元件间隙增大及机械装置自身原因都可能引起爬行故障。
我们知道爬行是指机床运动部件慢速动行时的不平稳性,表现为有规律的一停一跃。这种现象的出现,以磨床居多数,会严重影响工作的表面质量和尺寸精度。产生原因可用实例来说明:假设有一原动件通过弹簧推动另一从动件,当原动件以等速向前运动,通过弹簧推动从件在平面上滑行时,当原动件启动后,首先需压缩弹簧一段距离,直到足以克服从动件的静摩擦力时,从动件才会起动,此时弹簧蓄能。当从动件起动后,由于动摩擦系数小于静摩擦系数,于是使从动件获得一个加速度,此时弹簧放能。如果移动速度很慢,弹簧的压缩量又较大,那么从动件的速度很快就会超过原动件,产生一个跳跃,直到弹簧压力和动摩擦力平衡后,从动件开始减速,但因为惯性,但因为惯性,还会再向前冲一段距离。至此,从动件因为失去了原动力就会停下来,直到原动件重新压缩弹簧到能克服从动件的静摩擦力时,又重复上述循环。

此实例和实际导轨副产生爬行的机理十分相似。从动件可以视作溜板或工作台,平面可以视作导轨。二驱动系统不可能是完全刚性的,在驱动过程中不可避免地会有弹性变形,因而可以认为是弹簧起同样作用。


2 解决对策
2.1 改善导轨摩擦特性 改善导轨摩擦特性就是降低摩擦阻力和减小静、动摩擦系数之差。为此,可采取以下措施:
2.1.1 滑动面的加工方法,从降低摩擦阻力的角度看,总的来说是磨削比刮削好。试验表明,上导轨面用碗形砂轮端面磨削,下导轨面用盘形砂轮周边磨削,可获得最好的效果;其次是下导轨面用碗形砂轮端面磨削,上导轨面刮研。当上、下导轨面都为磨削时,其接触情况应用着色检验,接触指标须满JB2278—78《金属切削机床通用技术条件》和JB2280—78《金属切削机床械加工结合面接触的检验及评定》的规定。
对刮研的导轨面,摩擦阻力和接触点数有关,点数太少说明接触面积小,比压大,不易形成油膜。但也不是接触点数越多越好,若接触点数太多,超过每25*25毫米20—25点,大多数接触点呈尖峰状,同样不利于形油膜,造成尖峰与尖峰接触,使摩擦阻力增大。对于上、下导轨面都为刮研的状况,看来以基本(满足可以稍偏少)JB2278—78规定的指标(表2)为适宜。对于上导轨面刮研,下导力面磨削的状况,只检验刮研面的接触点数,考核指标为表2的75%。
2.1.2 在上导轨表面粘贴塑料板,台聚四氟乙烯、足龙等,可使摩擦系数和静、动摩擦系数之差降低60%左右,对防止爬行有显著效果。但塑料的导热性差,在通常铸铁对铸铁滑动时,摩擦热是同时从两个滑动表面传导出去,如果一个表面是塑料,就阻碍了热的传记导。在重载和高速的情况下,大量摩擦热会使机床身温度很快上升,由此而产生的变形足以破坏机床的原始精度。
2.1.3 选用具有防爬特性的润滑油。低速运行时,导轨润滑只能是边界润滑状态(介于干摩擦和液体摩擦之间的一种状态),而一般润滑油的边界油膜都不够强固,容易出现干摩擦。因此,为排除爬行,宜采用专用的防爬导轨油,其中加入了各种添加剂,增强润滑油的吸附及楔入能力,以提高边界油膜的强度过,防止干摩擦,对降低摩擦阻力,防止爬行,有一定效果。
多润滑的粘度,从防止爬行的角度看,宜选用粘度大的润滑油。但工作台负荷分布不均时,润滑油大会使导轨的油墨厚薄不均,从而引起工作台倾斜,降低机床加工精度。
2.1.4 对新的或大修后的机床,由于导轨面上刮削或磨削的刀痕较深,以致摩擦阻力较大。可在导轨面上涂敷薄薄一层氧化铬,用手动的方法(切勿有机动)对研几个来回,对排除爬行有一定效果。
2.1.5 采用静压导轨,实现完全的液体摩擦,可以从根本上解决爬行问题。但是,成功地应用静压导轨并不是很简单的事,也不是在所有场合都可以使用,比如外圆磨床工作台很单薄的构件,由于工件往往被顶得过紧,于是工作台就产生弹性变形而拱凸起来,使静压油墨难以形成。因此,在改造老设备时,若准备采用静压导轨,应慎重,除了考虑技术上是否可能外,经济上是否合算也是必须考虑的问题。

2.2 降低驱动阻力 驱动阻力的主要组成部分是导轨副的摩擦阻力,和正压力成正比,所以设计时应尽量减轻运动部件的重量。而在维修上,主要应排除因零件质量或装配不善而引起的附加阻力。如果是齿轮齿条驱动,常见的故障原因是因偏斜或偏心而致啮合不均或啮合过紧。如果是液压驱动,问题大多出在油缸上,常见的故障原因包括:油缸两端支架上的封圈压得过紧或太松;活塞杆两端螺母拧得太紧,以至同心不良;活塞杆和活塞不同心;活塞杆的弯曲;缸体内孔形状精度不良(孤行、锥型等);油缸安装和导轨不平行;缸内腐蚀拉毛等。另外,还须注意楔铁是否弯曲,楔铁和压板是否调整得过紧等。在找出故障原因后,就可以采取针对性措施性来加以排除。


3 应注意的问题
在整个驱动系统的总刚度中,最末一个环节的刚度往往有决定性的影响,这是设计上必须注意的一个问题。而在维修上,主要应注意排除液压系统中的空气。油液本身的压缩性极小,一般可以认为油液是不可压缩的。但空气的压缩性很大,侵入液压系统后,一部分溶解于压力油中,一部分就形成气泡浮游在压力油里,随着液压系统工作循环而产生反复的压缩和膨胀,起到了“弹簧”的作用,于是导致了爬行。
空气侵入液压系统的原因是多方面的,除了接头松动以及密封损坏等原因外,大多数是由于油泵吸油不畅,在吸油管中造成负压所致。是否有空气侵入以及侵入的程度,一般可根据油池表面是否有气泡来判断。为了排出液压系统中的空气,有些机床设有排气装置,如果没有排气装置,可开动液压系统,使工作台在最大行程上快速行动,强迫排出空气。
在实际工作中,只要采取行之有效地方法和措施,就会将机床运动中的爬行现象降低到最小的极限,从而保证机床的正常工作。
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