数控机床爬行与振动故障研究

李壮,李诗若

摘要 本文结合当前数控机床爬行与故障展开了研究和讨论。旨在说明出现这种故障的原因和引发因子，笔者从实际工作出发，经过大量的研究和分析，对当前数控机床在工作的过程中所出现爬行问题，给出了相应的解析，同时还针对实际情况提供了一些诊断方法和预报技术，为数控机床的维修和调试提供指导依据。

关键词 故障分析；数控机床；动态特性

中图分类号TH13 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）43-0168-01

数控机床在调试和运行过程中出现的爬行现象是一种经常性的故障，直接对数控机床造成严重的后果，经济损失也是相当引人注目的。经过大量的研究发现，引发这种故障的主要原因有液压、机械、电气、润滑等很多方面，它们之间都存在着一种紧密的衔接关系，相互紧密地交织在一起。我们需要在实践中经常性的发现问题，开拓思想，积累经验，逐渐学会剖析故障的能力，最终总结出解决问题的最佳方案。本文就针对若干种经常性的爬行与振动情况一一进行了研究和解答，同时例举了多种故障元器件和故障表现形式，并拟定和提出了解决此故障的策略和相关意见。

1 摩擦阻力引起的爬行

众所周知，机床床身的工作台和导轨导轨面都是依据刮削或磨削的，形成一个平顺而光滑的表面，但是，在事实上这个表面还是呈现着一定程度的微峰，这些微峰以犬牙形状参差不起地镶嵌在表面平台之上。因为滑动导轨的两个接触面都是通过微峰峰尖接触，所以在它们之间的难免会出现微小的接触面，可想而知，峰尖上所要承受的压力就是向当地高了，在一定程度上已经达到了弹性变形最大值，特别是一些大(重)型的数控机床。通过实验发现，当接触点发生了塑性变形之后，其金属分子就会产生一定强度的粘着反应，加上微峰之间的交错啮合，在他们相对运行的时候就很容易出现数控机床的爬行和振动现象。这就是机床运动的两导轨上所出现的摩擦阻力的原因。

如果机床在运行中出现了爬行现象，那么此时一定是在低速运动，两导轨面之间难以形成高速运动时的动压油膜，所以出现了因微峰直接接触的边界润滑。这个时候两导轨表面的微峰之间能够直接接触，压力比较高，所以直接导致了塑性变形，因运动而引发的接触局部升温，出现了金属分子之间的粘着，通常称为“冷焊”，这个时候两导轨间的摩擦系数是最高的。改善摩擦阻力和改善摩擦阻力的变化，关键在于减小摩擦曲线随运动速度递增而降低的斜率，也就是说减小静、动摩擦系数差，说白了就是关键要改良润滑时的状态。

2离心力引起的振动

当主轴工件和部件转动的时候，因为转动中心和质量中心的偏离，所以就会产生了绕回转中心旋转的离心力，这个离心力属于车床产生整机振动和导致不稳定的根本因素。平常离心力的大小通常都是依据下列公式得出：

W=Meω2

式中，M为被加工件与主轴部件的质量的和（kg）；e为被加工件和主轴部件的旋转中心与质量中心的偏心距（m）；W为离心力（N）；ω为主轴 （工件）旋转角速度（rad/s）。

从上式中我们可以得出，旋转件的质量与离心力的大小、转速的平方和偏心距成正比。为了降低振动，在加工大工件、质量摊铺不平衡的毛坯件及偏心工件时，可适当的降低转速，尤其是在加工偏心量大的工件时，应当添加质量平衡块以减小偏心距，降低因离心力而产生的振动。不可否认，上述公式事实上只是表面上的给出了激振力的大小，而在具体工作中，离心力的大小是不断的发生变化，即被加工工件的质量、偏心距和角速度是在不断的变化，工件质量与偏心距的变化很少在线检测，即使可以检测也不在去检测它们，这是由于离心力的检测有更简化、更精确及更快捷的检测方法。当离心力对数控车床产生作用后，车床便会有绕其边缘倾倒的迹象，此种迹象是由离心力对车床底边的力矩所产生的结果，故称为“颠覆力矩”。当离心力位于水平状态时，颠覆力矩就会升为极大值，其大小可由下列公式得出：

M = Wh

式中，M为颠覆力矩（N·m）；W为旋转件的离心力（N）。

3 液压系统泄漏引起的爬行

由于液压系统中密封圈衰老碎裂，执行元件破损等产生外泄，使系统压力减小致使爬行，例如液压泵内的零件破损，会引发液压泵输出流量和压力减小或晃动；阀类元件和液压缸破损，元件空间增加，或液压缸活塞与缸体相互空间加大，导致高压腔和低压腔相通产生压力过小，使推力降低，当阻力发生变化时，液压泵不足以供应压力变化而致使爬行。在液压系统的爬行中，准时消除液压缸中的气体是预防爬行的最佳方式。

4 加工程序引起的振动

细作更为复杂的曲面时，通常采用CAM编程软件例如：Pro/E、UG、MasterCAM 等编程。在使用MasterCAM编程过程中，部分客户为了达到更高的精确度或者为了防止走圆弧出现差错，便采取了不大的过滤或索性不过滤，成型的程序是非常集中的点位，在加速性能不是较佳的数控机床上细作时便会出现上下颠簸和左右摇摆的振动现象。譬如当加工一个圆时，由于上下颠簸或左右摇摆所产生的振动，便会制作出很多棱边，反而对加工时所预期的精度产生了不良影响。

数控机床是一个完备和统一的有机整体，机械、电气、液压的控制天生存在相互关联、相互作用。故此，剖析处理进给系统出现的故障时，对数控机床发生的爬行和振动故障等的问题，无需急于定论和诠释，应依据引诱其产生故障的原因，列举出最大可能产生数控机床爬行和振动的相关因子，最后将各项进行逐一排查和检验，剖析、定向和解除故障。检查到哪一处有疑惑，就将此处的疑惑进行剖析，查看其是否为产生故障的直接矛盾，直到把各项可能引发故障的因子都排查出来为止。最后再全盘统筹，拟定出一个既满足实际要求又实用的解决问题的方案，彻底将故障排除。故此，我们应加大整体概念的综合性培养和总结工作及生活的经验，只有这样我们才能有效且方便的解决实际问题。

参考文献

[1]数控机床数控系统维修技术与实例编委会.数控机床数控系统维修技术与实例[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]李峻勤，费仁元.数控机床及其使用与维修[M].北京：国防工业出版社，2009.