基于ADAMS的数控机床爬行现象的仿真分析
数控机床爬行与振动故障研究
数控机床爬行与振动故障研究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。
数控机床进给系统爬行与振动故障分析
数控机床进给系统爬行与振动故障分析发布时间：2021-06-04T04:35:56.217Z 来源：《中国科技人才》2021年第9期作者：王森[导读] 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行，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，忽快忽慢的运动现象称为爬行。
而当其以高速运行时，移动部件有会出现明显的振动。
中国航发西安动力控制科技有限公司 710077摘要：本文通过对数控设备发生爬行与振动故障原因的分析，总结了一些解决此类问题的方法。
关键词：数控设备；振动；维修1：前言在数控设备维修实践中，经常发生机床振动的故障。
但引起的原因多，如何找到故障点，找到真正的振动源，需要对故障现象进行分析和判断。
2：总结通过近几年来对数控机床维修的经验，我对数控机床进给系统爬行与振动故障的检测与维修总结了以下几点：2.1：数控机床进给系统爬行与振动现象及产生的原因：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行，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，忽快忽慢的运动现象称为爬行。
而当其以高速运行时，移动部件有会出现明显的振动。
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，电机继续驱动，贮存能量所产生的弹性力大于静摩擦力时，机床工作台向前蠕动，周而复始的这样运动，产生了爬行的现象。
事实上这只是其中一个原因，产生这种故障的原因还可能是机械进给传动链出现了故障，也可能是电气部分的问题，还可能是机械与电气综合故障所致。
2.2：爬行与振动故障诊断与排除：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有关因素。
机床爬行机理研究及ADAMS运动仿真参数分析
第２期（总第１７７期）２０１３年４月机械工程与自动化ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．２Ａｐｒ．文章编号：１６７２‐６４１３（２０１３）０２‐０００７‐０３机床爬行机理研究及ＡＤＡＭＳ运动仿真参数分析朱如虎１，贾育秦１，张 华２，巩丽琴１，李建成１，彭宁涛１（１．太原科技大学机械工程学院，山西 太原 ０３００２４；２．中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南 长沙 ４１０００７）摘要：对机床导轨爬行现象的机理进行了理论分析，并在理论分析的基础上建立起简化的二元摩擦振子物理模型，根据该物理模型推导出由影响爬行现象的各主要参数表示的数学模型。
通过ＡＤＡＭＳ软件的运动学仿真，对数学模型中的各个参数进行调试，验证了各主要参数之间的相互影响关系。
通过比较影响机床爬行的各个参数方案，获得最佳结果。
关键词：机床导轨；爬行；机理分析；ＡＤＡＭＳ；仿真中图分类号：ＴＧ５０２畅１∶ＴＰ３９１畅９ 文献标识码：Ａ太原科技大学研究生科技创新资助项目（２０１１１０１９）收稿日期：２０１２‐１０‐１７；修回日期：２０１２‐１０‐２４作者简介：朱如虎（１９８６‐），男，山东单县人，在读硕士研究生，主要研究方向为机床导轨动态结合面优化。
０ 引言机床导轨的爬行现象是一种常见的不正常的运动状态，它将严重地影响加工工件表面质量和机床的定位精度，尤其是在高精密、超高精密的机床中尤为严重，因此研究如何从根本上消除爬行对机床加工精度的影响意义重大。
国内外众多学者关于爬行现象的研究早就有之，但并没有得出统一的结论［１］。
本文在理论分析的基础上运用ＡＤＡＭＳ软件对机床爬行建立动态仿真模型，通过研究各主要参数的变化来分析机床爬行产生的原因。
１ 爬行的机理分析考虑到机床导轨运行的实际情况，可以将联轴器、齿轮、丝杠螺母副简化为一个刚度为ｋ的弹簧和一个阻尼为ｃ的等效阻尼，工作台与导轨之间的摩擦力为Ｆ［２］。
当电机以匀速ｖ０驱动时，由于有摩擦力的影响，在电机转动的一小段时间里，工作台静止不动，弹簧被压缩存储能量，直到弹簧的弹性力超过静摩擦力的时候，工作台开始移动。
数控机床爬行现象的原因和对策
浅析数控机床爬行现象的原因和对策摘要：本文对数控机床的爬行现象进行了分析，建立了爬行现象的力学模型，提出了消除爬行现象的措施。
关键词：数控机床爬行低速运动数控机床在低速运动下会发生时快时慢时走时停的爬行现象，影响加工表面的加工质量，表面粗糙度及定位精度。
数控机床爬行还会造成磨擦副的加速磨损，影响机床零件的使用寿命，缩短刀具的使用寿命，机床导轨爬行严重时，甚至使机床丧失加工能力。
因此，数控机床在低速下的爬行问题的研究显得尤为重要[1-4]。
1.爬行现象的定义爬行广义的是指运动部件非匀速运动，如图1所示。
在机床的进给运动和调整运动中，由于运动速度很低，通常出现如图1形式的爬行，即时走时停形式的运动，也就是所谓的粘滑运动[5]。
这种形式的爬行在机床中较为常出现，所以我们通常所指的爬行，主要是指粘滑运动。
图1爬行的两种形式2.爬行现象的力学模型[6-7]由于爬行现象实际上就是一种摩擦自激振动现象，为对其系统进行分析，可以将数控机床进给系统简化为单自由度系统模型。
各轴之间传动看成弹簧刚度的串联，而阻尼重点考虑导轨和工作台，忽略其它次要因素，这样就将复杂的系统简化为单自由度系统。
物理模型如图2所示：图2爬行现象的力学模型v0——驱动速度；k——系统刚度；c——系统阻尼；m——移动部件的质量；x（t）——移动部件的位移；（t）——移动部件的速度；f——摩擦力根据图2列出动力学方程：m+c（-v0）+k（x-v0t）+f=0 （1）解此方程并推导出机床爬行的临界速度公式：vc=δf4πξkm（m/s）（2）式中：δf——静动摩擦力之差（n）ξ——振动系统的阻尼比m—运动部件的质量（kg）从公式（2）中可以看到影响机床爬行的几个因素有：系统刚度，动静摩擦力之差，移动部件的质量和系统中的阻尼。
（1）传动刚度的影响重型数控车床纵向进给系统的系统刚度越大，临界爬行速度越低，爬行现象越不明显。
（2）δf的影响工作台与导轨之间的动静摩擦系数之差是产生爬行的根本原因，差值越大，临界速度越高，越容易出现爬行现象。
有关数控机床的爬行因素与解决技巧分析
有关数控机床的爬行因素与解决技巧分析作者：成建峰,李太松,欧杰来源：《科技传播》2012年第07期摘要本文详细介绍了数控机床的爬行因素，通过逐项排除法对机床出现故障的原因进行分析，为机床维修人员提供了一定的参考资料。
关键词数控机床，爬行；维修；逐项排除法中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）64-0038-02通常情况下，数控机床的爬行现象出现在当机床低速运行或者开始启动时，进给系统的移动部位不能运行，然后突然又加速运行，接着又停止运转，然后又开始运行，始终在启动、停止和快速运转之间相互转化。
机床的爬行现象属于进给系统无报警故障。
当机床在运行过程中出现爬行现象时，机床维修工作者应当抵达现场问清在机床发生爬行现象前后机床所表现出的各种工作形式，尔后寻找发生爬行现象的原因，同时采取相应的措施进行维修。
1 对机床出现故障的运行状态进行全面的了解和熟悉当机床出现故障时，机床维修工作者应当及时抵达现场对状况进行充分的了解，包括以下3点：1）对出现故障的数控机床的运用状况进行了解，看该机床是运用数年的还是刚刚安装的；2）了解该次故障是在机床低速运行情形下出现的，还是在刚启动的状况下发生的。
倘若该故障出现在机床低速运行的情形下，那么应当对此时机床在加工还是在移动的工作状态进行熟悉，了解机床加工的是哪一种程序，在加工其他程序的过程中是不是也出现过类似的现象；倘若该故障出现在机床刚刚启动的情形下，那么在该次故障发生之前机床的工作状态是不是正常，还是机床表现出一些不正常状态但依然能够启动；3）当数控机床出现故障时是不是存在一些外界干扰或者异常现象。
2 根据掌握的情况，寻找爬行现象出现的部位当数控机床出现一些爬行现象时，表现最直接的一个部位就是机床的转动部位出现了循环性移动。
从数控系统发出信息到移动部件，中间要经过数控系统、伺服系统、检测部位，只有完成该程序的传递后方可实现移动部件的运转，因此，只要这些部位中的任何一个部分出现故障时都会导致数控机床出现爬行现象。
机床导轨爬行现象的产生机理研究
机床导轨爬行现象的产生机理研究摘要：机床导轨爬行现象直接影响着这个机床系统的加工质量，危害很大。
该文通过对机床导轨系统的简易模型研究出发，通过对振动方程的分析，研究机床导轨系统振动机理，讨论导致机床导轨爬行现场产生的原因。
同时，针对爬行问题的解决，提出一系列的防治措施和对策。
关键词：机床爬行现象摩擦自激振动1 机床导轨爬行的产生机理1.1 机床导轨给进系统的模型关于机床导轨给进系统的简化运动模型如图1所示。
机床的驱动系统一个弹性系统，机床导轨在进行运行的时候，传送带驱动体以速度v向左进行匀速的运动。
在移动开始的短时间内，因为摩擦阻力的因素影响，质体M是静止的。
驱动弹性系统的弹簧开始压缩。
驱动体移动弹簧压缩，当移动达到一定距离x0的时候，弹簧的弹性势能K大于静摩擦力F的时候，质体M移动。
移动后摩擦力发生变化，由静摩擦力F向动摩擦力F转化。
由摩擦力的特性可推断出F<K。
弹簧势能到一定程度后给释放给质体M以加速度作用，弹簧势能减弱到与动摩擦力相等时，理论上来讲质体M的运动应该是匀速的。
但是因为惯性的影响，质体M依然存在加速度向前跳跃，弹簧的弹性势能减小到低于摩擦力，摩擦力在缺乏降低特性的条件下发挥作用，因此不会产生导轨爬行的现象。
但是，因为存在阻力，质体M 逐渐减速。
如果惯性较大，弹性势能不足以保持质体M的运动而使其停顿。
这种运动过程的连续重复出现的结果就显示成为机床导轨的爬行现象。
1.2 机床导轨系统爬行运动的微分方程从方程（1）中可见，质体M爬行现象的产生受其本身质量m，弹簧刚度k及其阻尼系统c1的影响，同时跟随着滑动速度变化的摩擦力变化f也有关系。
但是要确定导轨与质体间的摩擦特性是存在一定的难度的，所以现今对导轨系统的爬行机理也只是以描述不同方式的使用来加以实现。
通过对系统的研究分析发现，在速度变化不明显的情况下，摩擦力在偏离静态的瞬时变化与速度变化成正比例关系。
以C2来代表瞬时摩擦力，进行推理计算可得出结论方程式，来判断导轨系统是否稳定。
ADAMS软件在工程机械系统仿真中的应用案例
无弹簧时
分析模型
座位上下运动曲线
理论计算简介 对于座位体，质量为M，整体力平衡式可写为：
MX CX KX MG F 0
解上述方程即可得到座位的运动，并加以绘 制曲线。
ADAMS软件分析过程简介
建立模型样机
第一步：可简化建立样机，座位为一长 方体，底盘也简化为一长方体。注意：简化 时要保证质心位置不变、质量不变。
第四步：修改个零部件的物理特性。视图在由 CAD软件调入ADAMS软件后，其各部件的物理 特性丢失，只保留了几何特性，所以，为进行 系统仿真，需要对每一个零部件添加材料特性， 步骤如下：
将鼠标放在要修改的零部件上，点击右键， 依次选择：浮动菜单的第一项part—modify， 打开修改对话框；
此处选择 质量特征
第五讲 ADAMS软件在工程机械 系统仿真中的应用
一、ADAMS应用总述 二、综合实例
刚体运动方程
rT
mr''
F
'T
J'
.
'
~
'
J''
n'
0
Hale Waihona Puke 点在参考坐标系中位置表示及位移、速度、加速 度表示
r r0 As
r' r0' As
r''
r0''
''
As
利用adams仿真软件对机械系统进行仿真过程：
建模
*利用Adams软件建模工具
系统几何建模
直接建立样机模型 *利用其它软件建立模型
后输入Adams软件
施加约束和运动 施加载荷
测量调试
(机床)液压传动产生爬行的原因分析与排除方法
（机床）液压传动产生爬行的原因分析与排除方法摘要：在使用与维修液压传动设备时，会遇到爬行现象，文章通过对机床产生爬行这一现象进行了系统分析，从产生的原因到解决的方法进行了详细的阐述，从而达到提高产品的加工质量，满足产品的加工工艺要求，以及延长设备的使用寿命的目的。
关键词：爬行原因；控制方法前言：爬行是机床常见而不正常的运动状态，主要出现在液压机床各传动系统的执行部件上（工作台等），且一般在低速运动时出现。
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，也会破坏加工的稳定性，使机床导轨加速磨损，甚至产生废品和事故。
液压传动是以液体（通常是油液）作为工作介质，利用液体压力来传递动力和进行控制的一种传动方式。
它通过液压泵，将电动机的机械能转换为液体的压力能，又通过管路、控制阀等元件，经液压缸（或液压马达）将液体的压力能转换为机械能，驱动负载和实现执行机构的运动。
由于液压传动具有明显的优点，因此发展迅速，得到广泛的使用，尤其在高效率的自动化、半自动化机械中，应用更为广泛。
当前，液压技术已经成为机械工业发展的一个重要方面。
一般来说，可将液压系统分成四部分；（1）能源装置——是将机械能转换成液压能转换装置，即液压系统中的液压泵，为系统提供压力油。
（2）执行元件——把液压能转换成机械能的能量转换装置。
常有作直线运动的液压缸和实现回转运动的液压马达。
（3）控制调节元件——对系统中油液压力、流量进行控制调节及改变油液流动方向的各种调控元件，统称为阀。
主要有压力阀、流量阀、换向阀等。
（4）辅助装置——起辅助作用的其他元件。
如油管、油箱、过滤器等。
在我车间所用的机加工设备中，多数以上为液压传动，在使用与维修液压传动设备中，会遇到导轨面运动速度低时，就出现爬行现象。
这就使得液压设备的使用范围受到了影响和限制，从而无法满足加工件的工艺要求，也影响了加工件的产品质量。
1爬行现象分析机床进给系统的运动件，当其运行速度低到一定值时，不是作连续匀速运动，而是时走时停、忽快忽慢，这种现象称之为爬行。
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图 １ 进给 传 动 机构 的 运动 学 模 型
图 １中 ， ｎ ｌ 为 等效 质量 ， ｋ为 等效 刚 度 ， ｃ ｌ为 等效 粘 性 阻尼 ， Ｆ为导 轨 摩 擦 力 ， ｖ为 等 效 质 量 的 驱 动 速 度 ， ｘ为 等
效 质量 的位 移 。根 据机 械动 力 学 原 理 ，得 系统 的微 分 方
１ ６
现 代 制 造技 术 与 装 备
２ ０ １ ３ 第３ 期总 第 ２ １ ４ 期
基于 Ａ Ｄ Ａ ＭＳ的数 控 机床爬 行 现象 的仿 真分 析
尹 明 国 兰 兰
（ 内蒙古 科 技 大学 ， 包头 ０ １ ４ ０ １ ０）
摘 要 ： 数 控 机 床 爬 行 故 障 通 常 发 生 在 机 械 部 分 和 进 给 伺 服 系统 部 分 ， 因 为 数 控 机 床 进 给 系统 低 速 时 的 爬
滑 动导 轨 副 的静 动 摩擦 系 数 之差 比较大 。因此 ， 为 了减 小 进 给 系 统 中静 动 摩 擦 系 数 之 差 ，滚珠 丝 杠 螺 母 副 或 静 压
Ａ Ａ ｆ 。 几 ¨ ｆ ＼ ｆ ¨¨ ¨
～
丝杠 螺 母 副在 数 控机 床 上 得 到广 泛 的应 用 。
对 其 进 行 求 解 ，推 导 出 不产 生 爬 行 的 临界 速 度 表 达
＾ ＾
！ ，
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２ ７ Ｃ
“
一
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Ａ ｃ ｘ ／ ｍｋ ｘ ／ ４ ７ ７ ｎｋ ｉ
通 过 上式 可 以看 出驱 动速 度 、静 、动摩 擦 力之 差 、 传
动 刚度 和 移动 部 件 的质 量对 系统 运动 平 稳性 的 影 响 。 根据 图 １ ，用 Ａ Ｄ Ａ ＭＳ ／ Ｖ ｉ ｅ ｗ模 块 中对 进 给 系统 简化 模
３ 结 束语
根 据 进 给系 统 的 简化 运 动学 模 型 ， 应 用 机 械系 统 动力
学 自动 分 析 软 件 Ａ Ｄ Ａ ＭＳ建 立 系 统 的 物 理 模 型 ， 通 过 动 态
Ｔ ｉ ｍ ｅ（ 统 的传 动 刚度 、 系统 的 阻尼 、 移 动 部
床 运动 部 件 产 生爬行 的主要 原 因 ， 并提 出防止 运 动部 件 产 生爬行 的主要 措 施 。
关键 词 ： 数 控 机 床 爬 行 现 象 防 爬 措 施 Ａ ＤＡ ＭＳ
引 言
型 进行 实 体建 模 ， 如 图 ２所示 。
爬 行是 数 控 机 床常 见 而不 正 常 的运 动状 态 ， 主要 出现
图 ６ 不 同 阻 尼 下 移 动 部 件 的 速 度 变 化
件 的质 量 以及 静 动 摩擦 系数 等 影 响 因素 对爬 行 现 象 的影
响程 度 。 根据 仿 真 结果 的分 析 ， 其表明 ： 当 驱 动速 度 大 于 临界速度时 ， 移动 部 件 才 不 会 发 生爬 行 现 象 ； 通 过 提 高 系 统 的传 动 刚 度 、 减少动 、 静摩擦 系数之差 、 增 加 传 动 系 统 的阻 尼均 可 以降 低 临界 速 度 ， 减小 爬 行 现 象 的 产 生 ； 同时
程：
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图 ４ 不 同传 动刚 度 下移 动部 件 的 速度 变化
图 ２ 爬 行 现 象 的 运 动 仿 真 模 型
２ 爬 行 现 象 的 仿 真 分 析
利 用 固定 变 量法 ， 分别 对 驱 动 速度 、 传 动 刚度 以及 移 动 部件 的质 量 取 不 同值 时 对 爬行 现 象 的影 响程 度 进 行 仿
用 集 中参 数离 散 化 的方 法 ，把传 动 系统 的所 有组 成 传 动 件 各 自具 有质 量 和弹 性 转 换 集 中起 来 ，将 整 个 机 械传 动
行现 象往 往取 决 于机 械 传动 部 分 的特 性 。 而爬 行 一般 是 由于机床 传 动 刚度 不 够 ， 摩 擦 副 的静 动摩擦 系数之 差 大 和摩 擦 副 的振 荡 阻尼 太小 所 引起 的 。 本文 建 立 了 系统 的物理 模 型和 数 学模 型 ， 通过 理 论分 析 和仿 真 分析得 出机
装 置 的 刚度 、 阻尼 等 都 等 效 到 丝杠 上 ， 把 这 一 传 动 系 统看 作 是 一 个 无 弹性 的集 中质 量 和 无 质 量 的 弹簧 所 组 成 的单
自 由度 系 统 ， 如 图 １所 示 。
真分 析 ， 如 图 ３至 图 ７所示 。
Ｔ ｌ …
ｃ １
Ｆ
图 ３ 不 同 驱 动 速 度 下 移 动 部 件 的 速 度 变 化
１ 数 控机 床 机械 传 动 系统 的建模
机 械 传 动机 构 本身 是 一个 动 力 学 系统 ， 其 主要 运 动形
式 是转 动 和 移 动 ， 主要 由驱 动 电机 、 联轴 器 、 滚珠丝杠 、 丝 杠 支承 轴 承 和移 动部 件 组 成 。为 了简 化分 析及 计 算量 ， 应
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曼 囊 浚曼 雯 重 ； ｔ ｛ Ｉ ； ；
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图 ５ 不 同 质 量 下 移 动 部 件 的 速 度 变 化
设 计 与 研 究
１ ７
在数 控 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 时 出 现 较 多 。爬 行 的 产 生严 重 影 响
到 被加 工 零 件 的尺 寸 精 度 、 定 位 精 度 和表 面 粗 糙 度 ， 加 速 导 轨 的磨 损甚 至 使机 床 不 能正 常 工作 。