Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) являются высокоинтегрированными изделиями, сочетающими механические, гидравлические, электрические и компьютерные технологии. Возникновение их неисправностей в основном является комплексным отражением механических, гидравлических и электрических аспектов. Когда станок с ЧПУ испытывает такие неисправности, как ползание или вибрация, необходимо искать причину неисправности в этих трех аспектах соответственно. Только точно определив причину неисправности, можно эффективно её устранить.

I. Что такое ползание и вибрация

Во время работы движущихся частей на низкой скорости в системе подачи станка с ЧПУ может возникать явление, при котором движущиеся части сначала не запускаются, затем внезапно ускоряются после запуска, снова останавливаются и снова ускоряются. Это повторяющееся движение движущихся частей, чередующееся между остановкой и рывками, медленным и быстрым движением, называется ползанием. Однако при работе на высокой скорости движущиеся части испытывают явную вибрацию.

Причина ползания в системе подачи станка с ЧПУ обычно связывается с плохой смазкой между движущимися частями станка, что приводит к увеличению сопротивления статическому трению при движении рабочего стола станка. При приводе от мотора рабочий стол не может сдвинуться вперед, вызывая упругую деформацию шарикового винта и накопление энергии мотора в этой деформации. Когда мотор продолжает работу и упругая сила, вызванная накопленной энергией, превышает силу статического трения, рабочий стол станка сдвигается вперед. Этот процесс повторяется, вызывая явление ползания.

На самом деле это лишь одна из причин. Причинами таких неисправностей могут быть также неисправности в механической цепи передачи подачи, проблемы в электрической части системы подачи, неправильная настройка параметров системы или комбинированная неисправность механической и электрической частей.

II. Механизмы возникновения ползания и вибрации

1. Принцип ползания

Ползание — очень сложное физическое явление, но его можно упростить до механической модели системы передачи линейного движения, как показано на рисунке 1.

В этой упругой механической системе движущая часть 1 движется с постоянной скоростью V. Ведомая часть 3 соединена с упругим элементом 2 и демпфером 5 и движется по фиксированной плоскости. В начале ведомая часть 3 относительно плоскости 4 неподвижна. Движущая часть 1 движется вправо, сжимая упругий элемент 2, и упругая сила постепенно увеличивается. Когда упругая сила превышает максимальную силу статического трения между ведомой частью 3 и плоскостью 4, ведомая часть 3 быстро скользит вправо. В этот момент сила трения, действующая на ведомую часть 3, меняется с статического на динамическое трение. Поскольку сила статического трения меньше силы динамического трения, это вызывает ускорение движения ведомой части 3. Когда ведомая часть 3 сдвигается вправо до определённого положения, динамическая сила трения уравновешивается натяжением упругого элемента 2 вправо, и ведомая часть 3 останавливается. Затем через некоторое время упругий элемент 2 снова сжимается и заставляет ведомую часть 3 сдвинуться вправо ещё раз. Движение повторяется таким образом. Хотя движущая часть 1 движется с постоянной скоростью, ведомая часть 3 испытывает неравномерное прерывистое движение из-за чередования статических и динамических сил трения, то есть возникает явление ползания.

2. Принцип вибрации

На рисунке 2 показана физическая модель зазора. Если инерция выходного компонента значительно меньше инерции входного компонента, движение явно контролируется трением. Когда выход приводится во вращение входом, два компонента остаются в контакте и движутся вместе с одинаковой скоростью, пока входной компонент не начнёт двигаться в противоположном направлении. После разворота выходной компонент остаётся в исходном состоянии (неподвижен), пока входной компонент не коснётся другой стороны и зазор не исчезнет.

В другом крайнем случае, если трение выходного компонента настолько мало, что им можно пренебречь, то момент инерции становится определяющим фактором динамических характеристик механической цепи. После прохождения входного компонента через зазор он остаётся в контакте с выходным компонентом, приводя его в движение с той же скоростью, пока входной компонент не достигнет максимальной скорости. В этот процесс выходной компонент скользит с постоянной скоростью, равной максимальной скорости входного компонента, и постепенно теряет контакт с входным компонентом. После разворота входного компонента, когда выходной компонент вышел из зазора b, он будет заблокирован другой стороной входного компонента и снова будет двигаться с той же скоростью, что и входной компонент.

III. Устранение неисправностей ползания и вибрации

При возникновении неисправностей ползания и вибрации станков с ЧПУ не следует торопиться с выводами. Вместо этого, исходя из вероятности возникновения неисправности, следует составить список факторов, которые могут вызвать ползание и вибрацию станка с ЧПУ, затем последовательно проверить каждый фактор, проанализировать, локализовать и устранить неисправность. При обнаружении проблемы необходимо проанализировать, является ли она основной причиной неисправности, пока не будут выявлены все возможные факторы, способные привести к неисправности. В конце следует провести комплексный анализ и предложить комплексное решение для устранения неисправности.

1. Анализ места возникновения неисправности

Неисправности ползания и вибрации обычно требуют поиска проблем в механических компонентах и системах серводвигателей подачи. Поскольку явление ползания системы подачи станка с ЧПУ на низкой скорости часто зависит от характеристик механических компонентов передачи, а вибрация на высокой скорости обычно связана с предварительной нагрузкой подвижных пар в цепи передачи подачи. Кроме того, проблемы ползания и вибрации тесно связаны со скоростью подачи, поэтому необходимо также анализировать контур скорости и параметры системы серводвигателя подачи.

2. Проверка и устранение неисправностей механических компонентов

Если причина ползания и вибрации кроется в механических компонентах, следует в первую очередь проверить направляющие. Поскольку сопротивление трения, испытываемое движущимися частями, в основном исходит от направляющих, если коэффициенты динамического и статического трения направляющих велики и разница между ними значительна, это может вызвать ползание. Хотя в направляющих станков с ЧПУ широко используются роликовые, гидростатические или пластиковые направляющие, неправильная их регулировка может привести к ползанию или вибрации. Для гидростатических направляющих необходимо особенно проверить, установлен ли гидростатический напор. Пластиковые направляющие следует проверить на наличие загрязнений или посторонних предметов, препятствующих движению направляющей пары. Для роликовых направляющих необходимо проверить предварительную нагрузку, чтобы убедиться в её исправности.

Плохая смазка направляющих также может вызвать проблемы с ползанием. Иногда ползание возникает просто из-за плохого состояния смазки направляющих. В этом случае использование смазочного масла для направляющих с антиползучей функцией является очень эффективной мерой. Это масло содержит полярные добавки, которые могут образовывать на поверхности направляющей слой масляной пленки, который трудно разрушить, тем самым улучшая характеристики трения направляющей.

Во-вторых, необходимо проверить цепь привода подачи. В системе подачи серводвигатель должен передавать движение через цепь передачи, состоящую из зубчатых передач, пар винт-гайка или других пар передачи между движущимися частями. Эффективное повышение крутильной и осевой жесткости этой цепи передачи очень полезно для повышения точности движения и устранения ползания. Одной из причин ползания движущихся частей часто является неудовлетворительная предварительная затяжка или натяжение подшипников, пар винт-гайка и самого винта. Слишком длинная цепь передачи, слишком малый диаметр вала передачи и недостаточная жесткость опор и стоек также являются факторами, которые нельзя игнорировать при возникновении ползания. Поэтому при проверке необходимо учитывать возможные дефекты в этих аспектах.

Кроме того, плохие механические соединения системы, такие как поврежденные муфты, могут также вызывать вибрацию и ползание станка.

3. Проверка и устранение неисправностей системы серводвигателя подачи

Если причина ползания и вибрации кроется в системе серводвигателя подачи, необходимо отдельно проверить каждое соответствующее звено в системе серводвигателя. Нужно проверить регулятор скорости, серводвигатель или тахогенератор, точность интерполяции системы, коэффициент усиления системы, наличие ошибок в настройке параметров системы, связанных с управлением положением, правильность установки короткозамыкающего перемычки на блоке управления скоростью, наличие отклонений в регулировке потенциометра усиления и состояние цепи блока управления скоростью и т.д. Проверять каждый пункт по очереди, классифицировать и устранять неисправности.

При неисправностях регулятора скорости основное внимание уделяется проверке наличия проблем с заданным сигналом, сигналом обратной связи и самим регулятором скорости. Заданный сигнал можно обнаружить по аналоговому сигналу VCMD, который подается на регулятор скорости через D/A-преобразование от счетчика отклонения положения. Если присутствует сигнал вибрации с одной цикличностью, это однозначно указывает на правильность вибрации станка и отсутствие проблем с частью регулятора скорости, а проблема заключается в предусилителе. Затем следует искать проблему в D/A-преобразователе или счетчике отклонения. Если результаты измерений не показывают периодических колебаний вибрации, проблема должна быть в сигнале обратной связи и регуляторе скорости.

При неисправности сигнала обратной связи тахомотора, поскольку сигнал обратной связи и заданный сигнал для регулятора абсолютно одинаковы, колебания сигнала обратной связи неизбежно заставят регулятор скорости корректировать в противоположном направлении, что, в свою очередь, приводит к вибрации станка.

При неисправностях мотора, когда частота вибрации станка находится в определенном соотношении с скоростью мотора, первым шагом является проверка исправности мотора. Осмотрите состояние угольных щеток и коллектора, а также смазку шарикоподшипников.

При неисправности импульсного энкодера или тахогенератора измерения и проверки можно проводить следующими методами. Сначала отключите контур положения и контур скорости, вручную вращайте мотор и наблюдайте напряжение на преобразователе F/V на печатной плате блока управления скоростью. Если наблюдается резкое падение формы сигнала напряжения, это указывает на неисправность компонента обратной связи.

Распространенной проблемой тахогенераторов является накопление угольной пыли, счищаемой угольными щетками, в пазах между сегментами коллектора, что вызывает короткие замыкания между сегментами коллектора тахогенератора. При возникновении такой проблемы возникает вибрация.

В системе с замкнутым контуром также может возникать колебание системы из-за нерациональных настроек параметров. Лучший способ устранить колебания — уменьшить коэффициент усиления. В системе FUNAC при регулировке RV1 поворачивайте его против часовой стрелки. В этот момент можно наблюдать значительное улучшение ситуации. Однако из-за относительно малого диапазона регулировки потенциометра RV1 иногда его нельзя отрегулировать должным образом. В таких случаях необходимо изменить короткозамыкающую перемычку, то есть отключить сопротивление обратной связи, чтобы уменьшить коэффициент усиления всего регулятора.

Для внешних помех, если это фиксированная помеха, можно проверить формы сигналов преобразователя F/V, терминала обнаружения тока и терминала синхронизации, чтобы определить наличие помех и принять соответствующие меры. Для случайных помех можно лишь максимально избегать их с помощью эффективного экранирования, надежного заземления и других мер.