摘 要：數控機床是機械、液壓、電氣和計算機技術高度集成的一體化產品，其故障的發生也多數是機械、液壓、電氣等方面的綜合反映。分析數控機床進給系統的爬行與振動現象產生原因，闡述故障的診斷與維修，并通過實例說明診斷與維修技術方法。
關鍵詞：數控機床;爬行;振動;維修
Abstract: CNC machine tools are high integrative production, and those malfunction are all most the compositive reflection on the machinery, hydraulic pressure and electricity. This paper analyses the reason of crawl and vibration phenomenon in CNC machine tool feed drive system, expounds the malfunction measuring and servicing, and illuminates the technical method getting across some example.
Key words: CNC Machine Tools, Crawl, Vibration, Servicing
1 數控機床進給系統爬行與振動現象及其產生原因
在驅動移動部件低速運行過程中，數控機床進給系統會出現移動部件開始時不能啟動，啟動后又突然作加速運動，而后又停頓，繼而又作加速運動，移動部件如此周而復始忽停忽跳、忽慢忽快的運動現象稱為爬行。而當其以高速運行時，移動部件又會出現明顯的振動。
對于數控機床進給系統產生爬行的原因，一般認為是由于機床運動部件之間潤滑不好，導致機床工作臺移動時靜摩擦阻力增大;當電機驅動時，工作臺不能向前運動，使滾珠絲杠產生彈性變形，把電機的能量貯存在變形上;電動機繼續驅動，貯存的能量所產的彈性力大于靜摩擦力時，機床工作臺向前蠕動，周而復始地這樣運動，產生了爬行的現象。
事實上這只是其中的一個原因，產生這類故障的原因還可能是機械進給傳動鏈出現了故障，也可能是進給系統電氣部分出現了問題，或者是系統參數設置不當的緣故，還可能是機械部分與電氣部分的綜合故障所造成。
2 爬行與振動故障的診斷與排除
對于數控機床出現的爬行與振動故障，不能急于下結論，而應根據產生故障的可能性，羅列出可能造成數控機床爬行與振動的有關因素，然后逐項排隊，逐個因素檢查，分析、定位和排除故障。查到哪一處有問題，就將該處的問題加以分析，看看是否是造成故障的主要矛盾，直至將每一個可能產生故障的因素都查到。最后再統籌考慮，提出一個綜合性的解決問題方案，將故障排除。
排除數控機床進給系統爬行與振動故障的具體方法如下：
2.1 對故障發生的部位進行分析
爬行與振動故障通常需要在機械部件和進給伺服系統查找問題。因為數控機床進給系統低速時的爬行現象往往取決于機械傳動部件的特性，高速時的振動現象又通常與進給傳動鏈中運動副的預緊力有關。另外，爬行和振動問題是與進給速度密切相關的，因此也要分析進給伺服系統的速度環和系統參數。
2.2 機械部件故障的檢查和排除
造成爬行與振動的原因如果在機械部件，首先要檢查導軌副。因為移動部件所受的摩擦阻力主要是來自導軌副，如果導軌副的動、靜摩擦系數大，且其差值也大，將容易造成爬行。盡管數控機床的導軌副廣泛采用了滾動導軌、靜壓導軌或塑料導軌，如果調整不好，仍會造成爬行或振動。靜壓導軌應著重檢查靜壓是否建立;塑料導軌應檢查有否雜質或異物阻礙導軌副運動，滾動導軌則應檢查預緊是否良好。
導軌副的潤滑不好也可能引起爬行問題，有時出現爬行現象僅僅就是導軌副潤滑狀態不好造成的。這時采用具有防爬作用的導軌潤滑油是一種非常有效的措施，這種導軌潤滑油中有極性添加劑，能在導軌表面形成一層不易破裂的油膜，從而改善導軌的摩擦特性。
其次，要檢查進給傳動鏈。在進給系統中，伺服驅動裝置到移動部件之間必定要經過由齒輪、絲杠螺母副或其他傳動副所組成的傳動鏈。有效提高這一傳動鏈的扭轉和拉壓剛度，對于提高運動精度，消除爬行非常有益。引起移動部件爬行的原因之一常常是因為對軸承、絲杠螺母副和絲杠本身的預緊或預拉不理想造成的。傳動鏈太長、傳動軸直徑偏小、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，因此在檢查時也要考慮這些方面是否有缺陷。
另外機械系統連接不良，如聯軸器損壞等也可能引起機床的振動和爬行。
2.3 進給伺服系統故障的檢查和排除
如果爬行與振動的故障原因在進給伺服系統，則需要分別檢查伺服系統中各有關環節。應檢查速度調節器、伺服電機或測速發電機、系統插補精度、系統增益、與位置控制有關的系統參數設定有無錯誤、速度控制單元上短路棒設定是否正確、增益電位器調整有無偏差以及速度控制單元的線路是否良好等環節，逐項檢查分類排除。
2.3.1 速度調節器的檢測
對速度調節器的故障，主要檢測給定信號、反饋信號和速度調節器本身是否存在問題。給定信號可以通過由位置偏差計數器出來經D/A轉換給速度調節器送出的模擬信號VCMD的檢測實現，這個信號是否有振動分量可以通過對伺服板上的插腳用示波器來觀察。如果就有一個周期的振動信號，那毫無疑問機床振動是正確的，速度調節器這一部分沒有問題，而是前級有問題;然后向D/A轉換器或偏差計數器去查找問題，如果我們測量結果沒有任何振動的周期性的波形，那么問題肯定出在反饋信號和速度調節器。
2.3.2 測速電機反饋信號的檢測
反饋信號與給定信號對于調節器來說是完全相同的。因此出現了反饋信號的波動，必然引起速度調節器的反方向調節，這樣就引起機床的振動。由于機床在振動，說明機床的速度在激烈的振蕩中，當然測速發電機反饋回來的波形也一定是動蕩的。這時如果機床的振動頻率與電機旋轉的速度存在一個準確的比率關系，譬如振動的頻率是電機轉速的四倍頻率。這時我們就要考慮電機或測速發電機有故障的問題。
2.3.3 電機檢查
當機床振動頻率與電機轉速成一定比率，首先就要檢查一下電動機是否有故障，檢查它的碳刷、整流子表面狀況，以及檢查滾珠軸承的潤滑情況。
另外電動機電樞線圈不良也會引起系統振動。這種情況可以通過測量電動機的空載電流進行確認，若空載電流隨轉速成正比增加，則說明電動機內部有短路現象。出現本故障一般應首先清理換向器、檢查電刷等環節，再進行測量確認。如果故障現象依然存在，則可能是線圈匝間有短路現象，應對電動機進行維修處理。如果沒有什么問題，就要檢查測速發電機。
2.3.4 脈沖編碼器或測速發電機的檢測
對于脈沖編碼器或測速發電機不良的情況，可按下述方法進行測量檢查。首先將位置環、速度環斷開，手動電動機旋轉，觀察速度控制單元印制電路板上F/V變換器的電壓，如果出現電壓突然下跌的波形，則說明反饋部件不良。
測速發電機中常常出現的一個問題是炭刷磨下來的炭粉積存在換向片之間的槽內，造成測速發電機換向片片間短路，一旦出現這樣的問題就會引起振動。#p#分頁標題#e#
2.3.5 系統參數的調節
一個閉環系統也可能是由于參數設定不合理而引起系統振蕩，消除振蕩的最佳方法就是減少放大倍數。在FUNAC的系統中調節RV1，逆時針方向轉動，這時可以看出立即會明顯變好，但由于RV1調節電位器的范圍比較小，有時調不過來，只能改變短路棒，也就是切除反饋電阻值，降低整個調節器的放大倍數。
2.3.6 外部干擾的處理
對于固定不變的干擾，可檢查F/V變換器、電流檢測端子以及同步端的波形，檢查是否存在干擾，并采取相應的措施。對于偶然性干擾，只有通過有效的屏蔽、可靠的接地等措施，盡可能予以避免。
采用這些方法后，還做不到完全消除振動，甚至是無效的，就要考慮對速度調節器板更換或換下后徹底檢查各處波形。
3 故障診斷與維修實例
〖例1〗 一臺配套FUNAC 11ME系統的加工中心，在長期使用后，X軸作正向運動時發生振動。
故障分析及處理：
伺服進給系統產生振動、爬行的原因主要有以下幾種：
（1）機械部分安裝、調整不良;
（2）伺服電動機或速度、位置檢測部件不良;
（3）驅動器的設定和調整不當;
（4）外部干擾、接地、屏蔽不良等等。
為了分清故障部位，考慮到機床伺服系統為半閉環結構，脫開電動機與絲杠的連接后再次開機試驗，發現故障仍然存在，因此初步判定故障原因在伺服驅動系統的電氣部分。
為了進一步判別故障原因，維修時可更換了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，由此判定故障原因是由于X軸電動機不良引起的。
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。
〖例2〗 一臺配套FUNAC 6ME系統的加工中心，X軸在運動時速度不穩。由運動到停止的過程中，在停止位置出現較大幅度的振蕩，有時不能完成定位，必須關機后，才能重新工作。
故障分析及處理：
仔細觀察機床的振動情況，發現X軸振蕩頻率較低，且無異常聲。
從振蕩現象上看，故障現象與閉環系統參數設定有關，如：系統增益設定過高、積分時間常數設定過大等。檢查系統的參數設定、伺服驅動器的增益、積分時間電位器調節等均在合適的范圍，且與故障前的調整完全一致，因此可以初步判斷X軸的振蕩與參數的設定與調節無關。為了進一步驗證，維修時在記錄了原調整值的前提下，將以上參數進行了重新調節與試驗，發現故障依然存在，證明了判斷的正確性。
在以上處理的基礎上，將參數與調整值重新回到原設定后，對伺服電動機與測量系統進行了檢查。首先清理測速發電機和伺服電動機的換向器表面，并用數字表檢查測速發電機繞組情況。檢查發現，該伺服電動機的測速發電機轉子與電動機軸之間的連接存在松動，粘接部分已經脫開;經重新連接后，開機試驗，故障現象消失，機床恢復正常工作。
〖例3〗 某工件在加工圓弧時，圓弧插補后出現走刀過渡痕跡，加工質量不合格。
故障分析及處理：
經檢查發現X軸有爬行現象。經對速度環，位置環調整均無效。檢查機械機構時發現工作臺未從靜壓導軌上浮起。進一步檢查液壓系統時發現工作臺支路有泄漏環節，調整泄漏環節后，工作臺可浮起且X軸爬行現象消失，加工質量合格。
〖例4〗 配FUNAC 6ME數控系統的立式銑床在自動加工某一曲線零件時出現爬行現象，表面粗糙高。
故障分析及處理：
在運行測試程序時，直線、圓弧插補時皆無爬行現象，由此確定原因在編程方面。經對加工程序仔細檢查后發現該加工曲線是由眾多小段圓弧組成的，而編程時又使用了正確定位檢查G61指令，將程序中的G61取消，改用G64后，爬行現象消除。
4 結論
數控機床是一個完整的有機整體，機械、電氣、液壓的控制存在相互聯系和相互影響。因此分析解決爬行與振動故障時，應有整體概念和經驗，這樣才能有效解決實際問題。
如果故障既有機械部件的原因，又有進給伺服系統的原因，而且很難分辨出引起這一故障的主要矛盾，就要進行多方而的檢測，耐心細致地分析和診斷，直至找出故障根源。若故障的根源是綜合性因素造成的，只有采取綜合的排除故障的方法才能解決。
參考文獻
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