数控机床爬行与振动故障分析

　　摘　要：对数控机床进给系统中爬行与振动原因，从机械和电气两个方面进行了分析，并结合实例说明故障诊断过程。
　　关键词：数控机床；爬行；振动；诊断
　　一、分析爬行与振动故障
　　通常发生在机械部分和进给伺服系统。进给系统低速时的爬行与机械传动部件的特性有关；高速时振动通常与进给传动链中运动副预紧力有关，而爬行和振动与伺服进给系统进给速度及位置控制系统的增益密切相关。
　　若造成爬行与振动的原因在机械部分，应首先检查导轨副。因移动部件所受的摩擦阻力主要是来自导轨副，导轨副的动、静摩擦因数大，且其差值也大，容易造成爬行。目前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，如果导轨副的间隙调整不好，仍会造成爬行或振动。对于静压导轨应着重检查静压是否建立，对于塑料导轨可检查导轨面上是否有杂质或异物，对于滚动导轨则应检查导轨副的预紧情况等。
　　其次，要检查进给传动链。有效地提高传动链的传动刚度，对于提高运动精度，消除爬行非常有益。引起爬行的原因常常是轴承、丝杠螺母副和丝杠本身的预紧或预拉不理想，传动链中存在间隙；或传动链长，传动轴直径偏小，支承和支承座的刚度不够等。
　　另外，克服爬行除了在系统中引入阻尼、变更系统的动力特性外，从摩擦学的角度Z有效的方法就是通过改善润滑或变更材料以改变摩擦因数。有时爬行就是因导轨副润滑状态不好造成的。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防爬添加剂，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。如果故障原因在进给伺服系统，首先确认振动周期与进给速度是否成比例变化。如果成比例变化，则故障的起因可能是机床、电机、检测元件不良。
　　如果不成比例且大致固定，则大都与位置控制有关的系统参数发生变化有关。如位置环增益参数设置变大，则机床易产生振动，在调整该参数时应注意位置的准确性、快速性、平稳性。其中系统快速响应性和稳定性是一对矛盾，当系统调到一定快速响应（临界点）后再增大增益时，系统就产生振荡。在数控机床应用中，首先考虑的是位置准确性和系统稳定性，在此前提下尽可能地提高系统的快速响应性。所以，位置环增益设置值不能太大，应根据数控机床的固有性能来设置。若机床产生振荡，首先要适当减少位置环增益。
　　二、实例
　　一台FANUC6数控车床在运行过程中进给系统出现爬行与振动。
　　经检查机械方面没有发现问题，因而机床爬行和振动问题是属于速度的问题，所以重点分析速度环。数控机床的速度环由速度调节器来完成。故应从给定信号、反馈信号及速度调节器本身来查找速度调节器的故障。
　　首先检查位置偏差计数器输出给速度调节器的模拟信号VCMD，观察这个信号是否有振动分量。用示波器测量FANUC6系统的伺服板的X18脚。如果模拟信号VCMD本身就是有一个周期的振动信号，说明速度调节器没有问题，而是位置控制环节有问题，重点分析位置控制环节的D/A转换器或偏差计数器。如果模拟信号VCMD未含有任何周期性的波形。那么问题肯定出在速度调节器、伺服电动机、检测元件等部分。
　　用示波器观察测速发电机的波形，由于机床存在振动，说明机床的速度在激烈的振荡中，则测速发电机反馈的波形中会出现没有规律的波形。这时，用测振仪测量机床的振动频率，判断机床的振动频率与电机旋转的速度是否存在关系。若机床振动的频率与电机转速成一定比率，就要考虑电机或测速发电机是否有故障。
　　先检查直流伺服电动机是否有故障，用常规的检查方法观察碳刷、整流子表面状况，用耳朵听声音来判断轴承的状态。如果没有什么问题，就要检查测速发电机。测速发电机是直流的，常常出现的一个故障是炭刷磨下来的炭粉积存在换向片之间的槽内，造成测速发电机片间短路，因为这个被短路的元件一会在上面支路，一会在下面支路，一会正好处于换向状态，这样会出现3种不同的测速反馈的电压，这个电压反馈到调节器上时，出现了反馈信号的波动，引起速度调节器的反方向调节，这样就引起机床的振动。这时把电机后盖拆下，露出测速发电机的整流子。用尖锐的勾子，小心地把每个槽子勾一下，然后用细砂纸光一下勾起的毛刺，把整流片表面再用无水酒精擦一下，放上炭刷就可以了。要特别注意，在勾换向片间槽口时，别碰到绕组，因为绕组线很细，一旦碰破就无法修复，只有重新更换绕组。千万不要用含水酒精去擦，这样处理完毕可能导致电枢绝缘电阻下降，无法进行烘干，拖延修理期限。
　　在这个实例中，直流伺服电机在低速爬行，高速振动，高速时可能出现过流报警。产生过流报警的原因是机床工作台为了迅速跟踪反馈信号的变化而变化，必须有一个很大的加速度才行，这个加速度由伺服电动机的转矩输出，因此在伺服驱动系统中，电流环出现了电流的激烈变化波动，从而出现过电流现象。
　　参考文献
　　[1]任建平.现代数控机床故障诊断及维修.国防工业出版社,2002
　　[2]夏庆观.数控机床故障诊断与维修.高等教育出版社,2002
　　[3]王侃夫.数控机床故障诊断及维护.机械工业出版社,2003