数控机床故障诊断与维修实例

第 6 章数控机床故障诊断与维修实例 数控机床的故障现象是多种多样的，其表现形式也没有简单的规律可遵循。对数控机床故障进行分析时，应当注意到数控机床本身的特点。

6． 1 数控机床爬行与振动的分析 数控机床的滑动部件，如工作台、溜板、滑座等，在低速运动时常常会出现爬行现象。所谓爬行就是指上述部件时走时停的非匀速运动，轻微时表现为目光不易察觉的振颤，严重时表现为大距离冲动。由于爬行是非匀速冲动，从而严重地影响了加工精度；对定位精度要求高的数控机床则难以实现精确定位及微量进给；个别情况还可能出现扎刀，蹦飞工件等情况，故应引起高度重视。 1、引起爬行的几个因素引起爬行的因素很多，归纳起来主要有以下几种：（ 1 ）磨擦阻力变化引起的爬行机床床身导轨和工作台导轨面都是经过磨削或刮削的，宏观看是平直而光滑的，但在微观上却存在着不同程度的犬牙参差的微峰。滑动导轨的两个接触面只是两面的微峰峰尖接触，所以它们之间实际接触面积是非常小的，因而峰尖所承受的压力之高，远远超过其弹性变形的极限而出现塑性变形，尤其是大（重）型数控机床更为突出。此外，发生塑性变形的接触点的金属分子会产生强烈的粘着作用。由于参差不齐的微峰会出现相互交错啮合，相对运动时便产生了爬行现象。这便是机床相对运动的两导轨表面产生磨擦阻力的主要根源。 机床的爬行现象主要发生在低速运动时，此时两导轨面之间难以形成高速运动时的动压油膜，从而出现了由微峰直接接触的边界润滑。这时两导轨表面的微峰直接接触，压力极高，因而发生塑性变形，运动导致接触局部高热，出现金属分子的粘着，也称“冷焊”，这时两导轨间的磨擦系数是相当大的。 我们都知道，推动一个物体运动所用的力应大于维持这个物体运动所用的力。也就是静磨擦力（静磨擦系数）大于动磨擦力（动磨擦系数）。在低速运动开始的短暂时间，磨擦系数μ b 从静止状态下的最大值开始呈迅速下降趋势至最小值。此时工作台表现为向前冲动。随着速度υ的增大，而开始上升。上升到较大值时，磨擦阻力增大，工作台趋向静止。此时，由于磨擦阻力的增大，相对驱动也随之增大。当驱动增大到足以克服磨擦阻力时，工作台又重复出现以前的相同冲动，驱动力随之减小。这个驱动力和磨擦力不断变化的过程，也就是工作台时走时停的循环冲动过程，这便是爬行的因素之一。 （ 2 ）机械零（部）件别劲引起的爬行由于执行元件与运动部件中心线不同心或不平行（如滚珠丝杠螺母副之间）；或执行元件与导向面不平行（如工作台与床身导轨之间）；或运动部件导向装置夹得太紧（如导轨副预紧过大）；或液压缸活塞与活塞杆不同心产生别劲等现象均会造烦恼因磨擦阻力不均而产生爬行。还有因导轨平行度及扭曲度大，或导轨各段变化不一致使工作台移动时所需克服的阻力经常变化，滑动表面油膜破坏，导致出现爬行。 （ 3 ）润滑不良引起的爬行当运动副的滑动速度减小时，油楔作用减弱，润滑油膜厚度降低，甚至破裂，造成金属表面局部接触。当滑动速度降低到一定数值时，油膜断裂比率增加，磨擦力随之增大，这种变化的磨擦力将导致工作台爬行。 （ 4 ）液压系统泄漏引起的爬行由于液压系统中密封圈老化破裂，执行元件磨损等造成泄漏，使系统压力损失导致爬行，如液压泵内部零件磨损，引起液压泵输出流量和压力不足或波动；阀类元件及液压缸磨损，元件间隙变大，或液压缸活塞与缸体配合间隙过大，使高压腔与低压腔互通引起压力不足，使推力减小，在阻力变化时，液压泵不能提供压力变化而产生爬行。在液压系统的爬行中，及时消除液压缸中的气体是防止爬行的有效做法。 2、消除爬行的对策为了有效地消除爬行，应针对具体原因采用不同的措施：（ 1 ）改善磨擦阻力改善磨擦阻力的变化。旨在减小磨擦曲线随运动速度增加而下降的斜率，也就是减小静、动磨擦系数差，其主要措施在于改善润滑状态。 措施 1 ：改善导轨的润滑，保证充足的润滑油量及润滑油油性好、粘度适宜。对工作台载荷大的大型机床应采用粘度高的导轨润滑油。 措施 2 ：在单靠润滑油本身难以达到性能要求的情况下，可在油中加入添加剂，以改善润滑油的性能，例如加入硫化鲸鱼油，三甲酚磷酸脂,MoS2 油剂等，或在导轨表面涂上一层固体 MoS2 润滑剂。 措施 3 ：在导轨上粘贴上一层 TSF 导轨软带。TSF 导轨软带是一种以聚四氟乙烯为基的高分子复合材料，具有优异的磨擦性能，磨擦系数很低，约为铸铁滑动导轨的 1/10 ，在维修时采用 TSF 导轨是一种非常省事的办法。它工艺简单、性能优越有着有为广阔的应用前景。 （ 2 ）减少机械传动部件间的磨擦阻力对于机械别劲原因造成的爬行，在保证各元件自身精度的同时，着重调整运动导向装置的平行度和同心度，重视导向装置（如滚珠丝杠）松紧程度的调整。加强润滑减少磨擦阻力，对于液压缸要处理好油缸与工作机构的联接要求，保证活塞、活塞杆运动时不受弯力、扭力的作用。对于大行程的液压缸，为防止滑动而压力过高，在设计时可采用无缝钢管作活塞杆，以减轻自重增大刚度。 （ 3 ）液压元件磨损导致的系统泄漏分为正常磨损和非正常磨损。对正常磨损可修复或更换新件，对非正常磨损则一定要查明原因采取相应措施。若导轨被拉伤，则要修复导轨。若是油缸拉毛时，可研磨修刮，严重拉伤时可上镗床修复，并根据具体情况改进活塞结构或重配活塞。 （ 4 ）液压系统内存在空气造成的爬行当系统中存在空气时，则应对密封不良处严加密封，并定时更换油液。选用消泡性能好的液压油，或在油中加入消泡添加剂。从油箱的设计出发，尽可能采用有隔离板的油箱，使回油产生的气泡不会很快到达吸油管附近，液压泵的吸油管与系统回油管之间的距离尽可能远，也不失为一个有效方法。 机床爬行现象作为一种故障，对于数控机床所造成的直接后果相当严重，经济损失也是相当可观的。其引发的原因主要有机械、液压、润滑、电气等几个方面，它们之间往往相互关联、交织在一起。要在实践中不断积累经验，学会分析故障原因，以找到解决问题的最佳措施 在数控机床中有很多明显的不正常现象，但在有一些经济数控系统中，却没有报警，即使有时出现报警，报警的信息表明也不是你所看到不正常现象的报警。机床出现爬行与振动就是一个明显的例子。机床以低速运行时，机床工作台是蠕动着向前运动；机床要以高速运行时，就出现震动。

但是，如果仔细看一下导轨面润滑的情况，事实并非如此，就可以断定机床爬行和振动问题是属于速度的问题。既然是速度的问题就要去找速度环，我们知道机床的速度整个调节过程是由速度调节器来完成的。特别应该着重指出，速度调节器的时间常数，也就是速度调节器积分时间常数是以毫秒计的，因此，整个机床的伺服运动是一个过渡过程，是一个调节过程。 凡是与速度有关的问题，只能去查找速度调节器。因此，机床振动问题也要去查找速度调节器。可以从以下这些地方去查找速度调节器故障：一个是给定信号，一个是反馈信号，再一个就是速度调节器的本身。 第一个是由位置偏差计数器出来经 D/转换给速度调节器送来的模拟是 VCMD ，这个信号是否有振动分量，可以通过伺服板上的插脚 (FANUC6 系统的伺服板是 X18 脚) 来看一看它是否在那里振动。如果它就是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，向 D ／一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。那么问题肯定出在其他两个部分。 我们可以去观察测速发电机的波形，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一定也是动荡不已的。但是我们可以看到，测速发电机反馈的波形中是否出现规律的大起大落，十分混乱现象。这时，我们最好能测一下机床的振动频率与电机旋转的速度是否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。 因为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，以及机械振动的情况，并要检查滚珠轴承的润滑情况，整个这个检查，可不必全部拆卸下来，可通过视察官进行观察就可以了，轴承可以用耳去听声音来检查。如果没有什么问题，就要检查测速发电机。测速发电机一般是直流的。 测速发电机就是一台小型的永磁式直流发电机，它的输出电压应正比于转速，也就是输出电压与转速是线性关系。只要转速一定，它的输出电压波形应当是一条直线，但由于齿槽的影响及整流子换向的影响，在这直线上附着一个微小的交变量。为此，测速反馈电路上都加了滤波电路，这个滤波电路就是削弱这个附在电压上的交流分量。 测速发电机中常常出现的一个毛病就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，一旦出现这样的问题就避免不了这个振动的问题。 这是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 3 种情况就会出现 3 种不同的测速反馈的电压。在上面支路时，上面支路由于少了一个元件，电压必然要小，而当它这个元件又转到了下面支路时，下面的电压也小，这时不论在上面支路，还是在下面支路中，都必然使这两条支路的端电压下降，且有一个平衡电流流过这两条并联的支路，又造成一定的电压降。当这个元件处于换向，正好它也处于短路，这时上下两个支路没有短路元件，电压得以恢复，且也无环流。这样，与正常测速发电机状态一样。为此，三种不同情况下电压做了一个周期地变化，这个电压反馈到调节器上时，势必引起调节器的输出也做出相应地，周期地变化。这是仅仅说了一个元件被短路。特别严重时有一遍换向片全部被碳粉给填平了，全部短路，这样就会更为严重的电压波动。 反馈信号与给定信号对于调节器来说是完全相同的。所以，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。