机床的爬行与振动分析

　　关于机床爬行有的书上写着：由于润滑不好，而使机床工作台移动时摩擦阻力增大。当电机驱动时，工作台不向前运动，使滚珠丝杠产生弹性变形，把电机的能量贮存在变形上。电动机继续驱动，贮存的能量所产的弹性力大于静摩擦力时，机床工作台向前蠕动，周而复始地这样运动，而产生了爬行的现象。然而事实并非如此，仔细看一下导轨面润滑的情况，就可以断定不是这个问题。

　　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的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／A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。

　　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的情况，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。

　　这种情况发生时，非常容易处理，只要把电机后盖拆下，就露出测速发电机的整流子。这时不必做任何拆卸，只要用尖锐的勾子，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，再放上炭刷就可以了。这里特别要注意的是用尖锐的勾子去勾换向片间槽口时，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。再一个千万不要用含水酒精去擦，这样弄完了绝缘电阻下降无法进行烘干，这样就会拖延修理期限。

　　除了我们上面讨论过这些引起振动的原因外，还可能是系统本身的参数引起的振荡。众所周知；一个闭环系统也可能由于参数设定不好，而引起系统振荡，但最佳的消除这个振荡方法就是减少它的放大倍数，在FANUC的系统中调节RV1，逆时钟方向转动，这时可以看出立即会明显变好，但由于RV1调节电位器的范围比较小，有时调不过来，只能改变短路棒，也就是切除反馈电阻值，降低整个调节器的放大倍数。

　　采用这些方法后，还做不到完全消除振动，甚至是无效的，就要考虑对速度调节器板更换或换下后彻底检查各处波形。

　　在这个实例中，出现爬行时，电机是在低速，一旦提高速度就震起来，这时电流就可能出现过流报警。产生这种报警的原因是机床工作台面为了迅速跟限反馈信号的变化而变化，必须有一个很大的加速度才行，这个加速度就是由电机的转矩给出的。电机转矩的变化来响应这个速度给定信号（实际上是反馈信号）的变化。转矩就是电流信号。大的转矩，就是大的电流信号造成的，在电流环中出现了一个电流的激烈变化，从而出现了过电流现象。

　　在振动时不报警，而在振动加大时，出现了过电流报警。

　　从这个例子中，我们可以这样总结：位置问题去找位置环，而速度问题去找速度环。所谓位置环就是研究零件加工的尺寸问题，零件的尺寸的精度要去研究位置环。当然，零件尺寸的重复精度还和基准点有关，我们在后面还要讨论基准点返回问题。但总的说来，尺寸问题，位置问题，要求考虑的对象是位置环，或者说与位置环有关的部分应是考虑的主要对象。速度的问题就要去研究速度环以及与速度环有关的部分。

　　加工零件形状有了问题，这显然是由几个轴进行插补造成的。这就是NC对轴进行的脉冲分配，那么如果我们认为NC对轴的脉冲分配是正确的（常常是这样，很少遇到是NC出了毛病，或插补软件出了毛病而出现形状不对的现象），那么各轴在忠实地执行NC的指令上肯定存在问题。我们可以去查各个轴伺服单元存在的问题。我们如果想加工一条有一定斜率的直线，那么这两个轴的速度要按斜率的比率关系给定。

　　由于数控机床是机电一体化产品，这里边影响机床正常工作的因素很多，例如上面我们曾讨论过的加工形状误差的原因，除了电气方面的问题之外，我们在数控机床的验收一节中曾经讨论过失动量的测定，这也是影响加工的几何形状一个重要问题，这个机械方面的问题也与电气的问题混在一起，这种情况就十分难以分辨出到底哪个因素在这个问题中的比重占有多少。

　　这些相关的因素是制约我们迅速查出故障的重要因素。

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