淺析數控機床爬行現象的原因和對策

摘要：本文對數控機床的爬行現象進行了分析，建立了爬行現象的力學模型，提出了消除爬行現象的措施。

關鍵詞：數控機床 爬行 低速運動數控機床在低速運動下會發(fā)生時快時慢時走時停的爬行現象，影響加工表面的加工質量，表面粗糙度及定位精度。數控機床爬行還會造成磨擦副的加速磨損，影響機床零件的使用壽命，縮短刀具的使用壽命，機床導軌爬行嚴重時，甚至使機床喪失加工能力。因此，數控機床在低速下的爬行問題的研究顯得尤為重要[1-4]。

1.爬行現象的定義爬行廣義的是指運動部件非勻速運動，如圖1所示。在機床的進給運動和調整運動中，由于運動速度很低，通常出現如圖1形式的爬行，即時走時停形式的運動，也就是所謂的粘滑運動[5]。這種形式的爬行在機床中較為常出現，所以我們通常所指的爬行，主要是指粘滑運動。圖1爬行的兩種形式

2.爬行現象的力學模型[6-7]

由于爬行現象實際上就是一種摩擦自激振動現象，為對其系統(tǒng)進行分析，可以將數控機床進給系統(tǒng)簡化為單自由度系統(tǒng)模型。各軸之間傳動看成彈簧剛度的串聯，而阻尼重點考慮導軌和工作臺，忽略其它次要因素，這樣就將復雜的系統(tǒng)簡化為單自由度系統(tǒng)。物理模型如圖2所示：圖2爬行現象的力學模型

v0——驅動速度；k——系統(tǒng)剛度；c——系統(tǒng)阻尼；m——移動部件的質量；x（t）——移動部件的位移；（t）——移動部件的速度；F——摩擦力

根據圖2列出動力學方程：

m+c（-v0）+k（x-v0t）+F=0 （1）

解此方程并推導出機床爬行的臨界速度公式：

vc=ΔF4πξkm（m/s） （2）

式中：ΔF——靜動摩擦力之差（N）

ξ——振動系統(tǒng)的阻尼比

m—運動部件的質量（kg）

從公式（2）中可以看到影響機床爬行的幾個因素有：系統(tǒng)剛度，動靜摩擦力之差，移動部件的質量和系統(tǒng)中的阻尼。

（1）傳動剛度的影響

重型數控車床縱向進給系統(tǒng)的系統(tǒng)剛度越大，臨界爬行速度越低，爬行現象越不明顯。

（2）ΔF的影響

工作臺與導軌之間的動靜摩擦系數之差是產生爬行的根本原因，差值越大，臨界速度越高，越容易出現爬行現象。

（3） 移動部件質量的影響

工作臺質量對爬行的影響比較復雜，一方面它可以降低臨界爬行速度，勻化速度波動防止爬行；另一方面質量越大慣性力越大，運動中的摩擦力越大越易出現爬行，實踐證明后者的作用要大于前者。

（4）系統(tǒng)中阻尼的影響

重型數控車床縱向進給系統(tǒng)中的阻尼是保證運動平穩(wěn)性的根本原因，阻尼越大吸振性越好，越不容易出現爬行現象。

3.爬行現象的預防措施

（1）提高傳動系統(tǒng)剛度

系統(tǒng)的剛度包括軸的抗彎剛度和抗扭剛度，齒輪的嚙合剛度以及軸承的剛度等，而系統(tǒng)剛度就是各個剛度的串聯結果，串聯的剛度大小取決于最小的剛度，因此應提高剛度最小的部分，縮短傳動鏈。合理分配傳動比，盡量采用降速傳動。對于絲桿螺母結構應加大絲桿直徑，采用整體螺母，提高螺母的接觸剛度和傳動剛度。在液壓傳動系統(tǒng)中，應縮短油缸行程，減少油缸容積，增大油缸直徑，防止空氣進入，避免爬行。

（2）減小動靜摩擦系數之差

當導軌面上缺油或者導軌面上用油不當時，導軌表面潤滑油不能起到充分的潤滑作用，就會出現爬行現象。所以在選用潤滑油時應選用粘度和油性較好的潤滑油，同時應對導軌進行定期的潤滑，這樣才能減少爬行現象的產生。

（3）零部件的裝配精度過差

機床上傳動系統(tǒng)零件裝配精度不高，出現偏心時，系統(tǒng)在低速情況下就會出現爬行現象。提高零部件的加工精度和裝配精度，找出影響裝配精度的重要零件，對其進行調整或者重新組裝使裝配良好，減少零部件的摩擦阻力，消除爬行。

（4）高速轉動件未做動平衡

機床上的高速轉動零件未進行動平衡，導致在電機轉動或高速轉動零部件轉動時出現動態(tài)不平衡，從而導致爬行現象發(fā)生。通過對電機轉子或高速轉動部件進行動平衡，消除機械振動的因素，或者將電機底座或高速轉動零部件填裝橡膠、羊毛氈等軟性材料起到減震的作用，從而消除爬行現象的產生。

4.小結

本文主要介紹了爬行現象的定義，爬行現象的力學模型及爬行現象的主要參數。并根據爬行的基本理論，對其進行分析，找出影響爬行的各種因素，提出了消除爬行的措施。（作者單位：鄭州華信學院機電工程學院）

參考文獻

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