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数控机床低速爬行分析及对策研究

来源：中国塑料模具网发布时间：2011-07-11

摘要：分析数控机床低速爬行现象及爬行机理，论述改善机床平稳性的途径及解决数控机床爬行所采取的对策和方法。
        关键词：数控机床；爬行机理；对策
        数控机床的爬行是指机床的运动部件（如工作台、溜板等），在低速、重载运动或间歇的微量移动的情况下，出现的时快时慢或时走时停的运动不均匀现象，也称粘滑运动。    数控机床低速爬行是一种较常见的不正常运动状态。机床出现爬行时，将严重影响加工工件的表面粗糙度及定位精度，机床爬行还会加速摩擦副的磨损，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，会使机床丧失加工能力。因此，机床爬行问题的研究显得特别重要。

        一、数控机床低速爬行机理研究



        数控机床进给系统的机械传动机构可以简化为如图l所示的动力模型。图中，β为传动部件的阻尼系数，K为传动刚度，B为执行部件，m为执行部件的质量。设驱动件A以等速+υ1运动，经过时间t后，从动件的位移为χ，速度为χ，加速度χ，则运动方程为：mx+β (x-υ1) -K (υi-x)+(F-αx) =0    (1)
        式中：(F-αχ)ˉ摩擦力，它由弹簧力F和随B的速度而变化的分量-αx所组成；    α——比例系数。    该方程的解为：

式（2）中的C1、C2可以根据初始条件：t=0时，x=0，x=△F/m来求得。这样有

式中：△F-静摩擦力Fo与动摩擦力FV之差，△F= F0-Fv； S1—动、静柔度修正系数，取为1。将式（3）对t微分，得速度和加速度为

        从式（5）可以看出，执行部件的运动速度包括两部分：恒量ν1和振动量。当振动分量小于恒定分量时，χ不会为零，如果阻尼足够大，则随着时间的延续，振动分量将衰减到零，这时振动表现为过渡过程，一段时间以后，执行部件将按主动件的速度作匀速运动，如图2c所示。当不满足上述条件时，执行部件的速度将会时快时慢，如图2b所示，甚至会出现停顿，如图2a所示，这便是所谓的爬行现象，使运动产生停顿，即当t=t1,x=0，x=0时，由式（5）与式（6）得



        当ξ不大时，由式（7）可以求得A的近似值为Ac=Ac称为系统开始出现爬行现象临界运动均匀性系数。由式(4)可知，当△F、K、m等为一定时，如果A为临界值Ac，则速度ν1就是产生爬行现象的临界速度νc。



        式中：△F——静、动摩擦系数之差；    N——正压力，N=mg。
        进给执行部件的定位运动在接近定位点时，要进行降低速度，这时的速度可能低于临界速度νc,由于爬行现象将使部件不能准确地停在定位点，因而出现定位误差。    当执行部件单步运动时，如果指令位移为xo（即主动件的位移量），则只有满足KXo≥Fo时，执行部件才能克服静摩擦力运动，如系统的静摩擦力大，传动刚度K不大，则一个微小的单步位移指令使传动链产生的弹性力不足以克服静摩擦力，执行部件是不会有位移响应的。

        二、数控机床爬行测试的研究
        爬行测试是研究数控机床爬行现象及防爬措施的重要工具，对于揭示机床爬行的内在规律，定量分析机床低速运动平稳性，以及寻求解决爬行措施都是必不可少的，为此引起人们的研究兴趣。目前国外在此方面的研究比较侧重于机床爬行现象的模拟仿真（实际这是涉及爬行机理及测试两方面的研究）、适时测量及在线补偿（实际这又进一步涉及到防爬措施的研究）。国内主要研究了一些用以测量运动不均匀性的装置，主要有以下几种。
        1．北京机床所研制的CAT-SS直线运动均匀性测试系统，采用GJP5526A双频激光干涉仪作为测量装置，精确地动态检测出机床直线运动的位移，通过IBM-BCD的接口，将其传送给计算机，进行结果处理分析。该系统测试精度和可靠性都较高，但由于它所采用的传感器——双频激光干涉仪造价昂贵，所以整套系统成本高。目前中国机床产品质量监督检验中心主要用此检验机床，它不适用一般工厂做测量研究及教学实验等场合。
        2．北京机床所开发的GP光栅爬行仪。该测试系统对其输出信号的处理尚处定性阶段，作定量分析很繁琐，且人为误差很大。
        3．北京工业大学研制的机床运动平稳性的微机辅助实验系统，是以单板机为主机，对SD型速度传感器的模拟电压信号进行采集处理，能完成机床平稳性的一般测试工作。但由于主机TP801B单板机本身功能的局限性，使得整个系统的使用受到一定的限制，如功能简单、应用范围窄等。
        4．辽宁工程技术大学研制的一种新型的机床低速爬行参数测试及分析系统是以微机为工具，配以直线位移光栅传感器、接口电路板，并设计了功能较强的支持软件，集数据采集、分析与处理于一体。该测试分析系统具有稳定可靠、响应快、精度高、适用范围较广、成本低等特点。    总之，用于机床低速爬行测量的装置还有很多，它们从一定程度上满足了某种要求，但也都有不尽人意之处。

        三、预防爬行现象的措施
        无论是爬行机理的研究还是爬行测试系统的研究，最终目的是为了寻求更好的防爬措施。根据前面的分析可知，要提高运动精度，应设法提高进给运动的低速运动平稳性，可以采取的措施有以下几点。
        1．减小静动摩擦系数之差。（1）滚动摩擦代替滑动摩擦，摩擦系数小，从根本上改变了导轨面间的摩擦特性，以消除爬行；（2）采用导轨油，油中加入极性添加剂，可大大减小静动摩擦系数之差；（3）采用减磨材料，减小摩擦系数。
        2．提高传动系统刚度K。（1）缩短传动链，减少传动件数目；（2）合理分配传动比，应尽量采用降速传动，以利提高传动系统刚度；（3）提高各传动件或组件刚度，缩小各传动轴的跨距，合理布置轴上传动件的位置；（4）对于丝杠螺母机构，应加大丝杠直径，采用整体螺母，以提高丝杠螺母的接触刚度和传动刚度；（5）在液压传动系统中，应缩短油缸行程，减少油缸容积，增大油缸直径，以防止空气进入液压系统，避免爬行。
        3．减小作用在导轨上的正应力Ⅳ。如采用卸荷导轨，移动件的部分重量由卸荷装置承担，从而减小作用在导轨上的正应力，以降低机床的临界爬行速度，达到防爬的目的。随着测试技术和控制技术的发展，近几年国外已着手研究闭环伺服系统实现爬行量的在线测试及在线补偿的防爬措施。这种方法主要适宜于数控机床的驱动系统。这是防止爬行研究的一个新方向，值得为此努力。
        4．增加系统阻尼。
        5．减小移动部件质量。
        6．提高导轨面的加工和装配质量。

        四、数控机床爬行的对策与方法
        1．故障发生的部位分析。数控机床按故障发生的部位，可分为以下几部分：机械部分、电气部分和强电控制部分、进给伺服系统、主轴驱动系统和数控装置。爬行故障通常出现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行现象往往取决于机械传动部分的特性，另外爬行问题与进给速度密切相关，所以也就离不开分析进给伺服系统的速度环。
        2．机械部分。造成爬行的原因如果在机械部分，首先应该检查导轨副。因为移动部件所受的摩擦阻力主要是来自导轨副，如果导轨副的动、静摩擦系数大，且其差值也大，将容易造成爬行。尽管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，如果调整不好，仍会造成爬行。对于静压导轨副应着重检查静压是否建立，对于塑料导轨可检查有无杂质或异物阻碍导轨副运动，对于滚动导轨则应检查预紧措施是否施行，效果是否良好等。
        其次，要检查进给传动链。因为在进给系统中，伺服驱动装置到移动部件之间必定要经过由齿轮、丝杠螺母副或其他传动副所组成的传动链。有效地提高这一传动链的扭转和拉压刚度（即提高其传动刚度），对于提高运动精度，消除爬行非常有益。引起移动部件爬行的原因之一常常是因为对轴承、丝杠螺母副和丝杠本身的预紧或预拉不理想造成的。传动链太长，传动轴直径偏小，支承座的刚度不够也是引起爬行的因素。因此，在检查时也要考虑这些方面是否有缺陷。
        另外，关注导轨副的润滑也有助于分析爬行问题。有时出现爬行仅仅就是因为导轨副润滑状态不好造成的。这时，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。
        3．进给伺服系统。如果故障原因在进给伺服系统，则分别检查伺服系统中各有关环节。如：检查速度调节器；根据故障特点检查电动机或测速发电机是否有问题；检查系统插补精度是否太差，检查增益是否太高；与位置控制有关的系统参数设定有无错误；速度控制单元上短路棒设定是否正确；增益电位器调整有无偏差以及速度控制单元的线路是否良好。应对这些环节逐项检查、分类排除。
        4．综合分析。如果故障既有机械部分的原因，又有进给伺服系统的原因，要进行多方面的检测，直至找出故障根源。

        五、结束语
        数控机床低速爬行研究可归纳为三方面：机床爬行机理方面的研究、机床爬行测试方面的研究和防爬措施研究。这三方面在一定程度上是相辅相成、互相促进及互相制约的。搞清爬行机理就有可能设计制造出价格更低廉、精度更高的参数测试系统，有可能寻求到更经济、更有效的防爬措施，而合理的测试系统的研究又有利于更好地研究爬行机理和提出更好的防爬措施，研究时应将这三个方面有机地联系起来。