数控机床爬行现象分析
摘要：数控机床爬行现象的力学模型和运动学描述。借助模型分析，给出解决爬行问题的思路和方法。
机床进给系统低速时出现爬行具有严重的危害，不仅影响加工精度，而且还有可能损坏工具，产生严重噪声，甚至引起机械故障，使加工过程不能顺利进行。爬行现象的产生不仅与机械传动结构有关，也与进给部分的电气系统密切相联。了解机床产生爬行的机理，对机床的维护和改进有重大的现实意义。 一、机床爬行现象描述
数控机床进给伺服系统在作低速运动或微量位移运动时，移动部件出现速度不均匀——时走时停或时快时慢的现象。例如：移动部件开始不能启动，启动后又突然做加速运动，而后又停顿，继而又做加速运动，如此周而复始，就是爬行现象。
1．爬行现象的力学模型擂述
爬行运动是一种非常复杂的自激振现象，产生这一现象的主要原因在于摩擦因数的变化和传动机构的刚度不足。可以用直线运动传动系统的力学模型来描述。
在这个弹性机械系统中，传动机构简化为一个弹性件（刚度为k）和一个等效阻尼（阻尼系数为β）主动件作等速运动，速度为v，从动件与弹性件和阻尼器相连，并沿着导轨面移动。开始时从动件相对于固定面静止不动，主动件向右移动使弹性件压缩，其弹性力逐渐增大。当弹性力超过从动件与静导轨面之间的zui大静摩擦力时，从动件向右快速滑动，此时从动件所受的摩擦力由静摩擦力fx转化为动摩擦力fk。由于导轨副间存在动、静摩擦因数之间的差异，而且静摩擦因数和动摩擦因数本身也是变化的，所以会产生速度的振动。设主动件以等速＋v1运动，经时间t后，从动件的位移为x，速度为，加速度，则运动方程为
式中，f－αx为摩擦力，由弹簧力f和随从动件的速度而变化的分量－αx组成，α为比例系数该方程的解为：
式中，，称为阻尼比；为角频率；△f为动、静摩擦力之差；s1为动静、柔度修正系数，取值为1。将（2）式对t进行微分，得速度和加速度计算公式：
从式（4）可以看出，执行部件的运动速度包括两部分：恒量v1和振动量v1｛ewt［cosωt-（ξ－a）sinωt］｝，则执行部件的速度将会时快时慢，甚至会出现停顿，即所谓的爬行现象。
2．爬行现象的运动学描述
根据不同的爬行类型，可以用不同类型的爬行曲线来描述，再根据爬行曲线确定爬行参数[2]。通常爬行可描述为3种类型。
（1）x—t曲线描述
对时走时停的爬行，x—t曲线可以直观地描述爬行规律（图2）。t1为停顿时间，t2为突跳时间，△x为突跳位移量（即爬行量），f为爬行频率（f=1/t=1/（t1+t2）。其中爬行量△x 是加工精度的主要因素，是表征爬行的主要参数。
（2） v—t曲线描述进给速度的不均匀性是造成加工工件较大的表面波度和较高表面粗糙度的主要原因，严重影响了零件的加工质量。对时快时慢的爬行，根据v—t曲线（图3），可以求得zui大爬行速度，zui小爬行速度。此时相对速度差δv （δv =vmax－vmin）/vmin是描述爬行的主要参数。
（3）偏差描述
由于爬行现象较为复杂，通常x—t曲线及v—t曲线无简单明显的规律性，不能给定每一瞬间机床的偏差程度。所以我们通过x—t曲线及v—t曲线确定理想运动曲线（图4），以此作为与实际运动曲线的比较标准。
进一步分析整个运动过程，可以求出位移误差曲线和速度误差曲线如图5，在爬行误差曲线中给出了zui大位移误差的dxmax及zui大速度误差dvmax，这更能清晰地反映爬行频率特征，在一定程度上反映了系统的特点，便于系统运动缺陷的分析与改进。
二、机床爬行的危害
1．影响加工精度。机械加工时，可使加工表面出现明显刀痕，影响表面粗糙度；
2．影响定位精度。在定位精度要求较高的数控系统中，很难实现定位，不能保证位置精度；
3．损坏工具。运动的不稳定，造成加工负载突变，会损坏刀具，降低机床的使用寿命；
4．容易造成机械故障。如在液压系统中，活塞杆运动不稳定，极易造成系统的倾斜，机械卡死。
此外，由于运行不稳定，还会产生噪声，严重影响环境。
三、影响机床爬行的各种因素
机床移动部件的动、静摩擦力的差异是产生爬行的根本原因，减少摩擦可以从根本上改善爬行。另外的几个因素也不容忽视。造成机床产生爬行故障的因素可以归结为5个方面。
1．机械进给传动链出现了故障。
2．润滑不良。
3．进给系统电气部分出现了问题。
4．系统参数设置不当。
5．机械部分与电气部分的综合故障。
四、解决爬行问题的对策与方法
1．首先应找出发生故障的部位
数控机床可能发生故障的部位有：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、数控装置爬行故障通常产生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，爬行问题都与进给速度密切相关，所以必须分析进给伺服系统的速度环[3]。
2．机械部分故障分析
动、静摩擦力的差异是产生爬行的根本原因，检查机械部分时，首先检查导轨副。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、静摩擦因数大，且其差值也大，就容易造成爬行。虽然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，但如果调整不好，仍会造成爬行或振动。对于静压导轨副，应着重检查静压是否建立对于塑料导轨，可检查是否有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得当，效果是否良好。
其次要检查进给传动链因为在进给系统中，从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[4]。引起移动部件爬行的原因常常是因为对轴承、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重要因素因此，在检查时也要考虑这些方面是否有缺陷。
另外，应检查导轨副的润滑。导轨副润滑状态不好也会造成爬行[5]。
3．进给伺服系统
爬行问题与进给速度密切相关，进给伺服系统的不稳定会引起爬行现象产生，所以要对伺服系统中各有关环节逐项检查，分类排除。如检查速度调节器根据故障特点（如振动周期与进给速度是否成比例变化），检查电动机或测速发电机是否有问题；还可检查系统增益是否太高；与位置控制有关的系统参数设定有无错误；速度控制单元的线路是否良好。
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数控机床进给伺服系统在作低速运动或微量位移运动时，移动部件出现速度不均匀——时走时停或时快时慢的现象。例如：移动部件开始不能启动，启动后又突然做加速运动，而后又停顿，继而又做加速运动，如此周而复始，就是爬行现象。
1．爬行现象的力学模型擂述
爬行运动是一种非常复杂的自激振现象，产生这一现象的主要原因在于摩擦因数的变化和传动机构的刚度不足。可以用直线运动传动系统的力学模型来描述。
在这个弹性机械系统中，传动机构简化为一个弹性件（刚度为k）和一个等效阻尼（阻尼系数为β）主动件作等速运动，速度为v，从动件与弹性件和阻尼器相连，并沿着导轨面移动。开始时从动件相对于固定面静止不动，主动件向右移动使弹性件压缩，其弹性力逐渐增大。当弹性力超过从动件与静导轨面之间的zui大静摩擦力时，从动件向右快速滑动，此时从动件所受的摩擦力由静摩擦力fx转化为动摩擦力fk。由于导轨副间存在动、静摩擦因数之间的差异，而且静摩擦因数和动摩擦因数本身也是变化的，所以会产生速度的振动。设主动件以等速＋v1运动，经时间t后，从动件的位移为x，速度为，加速度，则运动方程为
式中，f－αx为摩擦力，由弹簧力f和随从动件的速度而变化的分量－αx组成，α为比例系数该方程的解为：
式中，，称为阻尼比；为角频率；△f为动、静摩擦力之差；s1为动静、柔度修正系数，取值为1。将（2）式对t进行微分，得速度和加速度计算公式：
从式（4）可以看出，执行部件的运动速度包括两部分：恒量v1和振动量v1｛ewt［cosωt-（ξ－a）sinωt］｝，则执行部件的速度将会时快时慢，甚至会出现停顿，即所谓的爬行现象。
2．爬行现象的运动学描述
根据不同的爬行类型，可以用不同类型的爬行曲线来描述，再根据爬行曲线确定爬行参数[2]。通常爬行可描述为3种类型。
（1）x—t曲线描述
对时走时停的爬行，x—t曲线可以直观地描述爬行规律（图2）。t1为停顿时间，t2为突跳时间，△x为突跳位移量（即爬行量），f为爬行频率（f=1/t=1/（t1+t2）。其中爬行量△x 是加工精度的主要因素，是表征爬行的主要参数。
（2） v—t曲线描述进给速度的不均匀性是造成加工工件较大的表面波度和较高表面粗糙度的主要原因，严重影响了零件的加工质量。对时快时慢的爬行，根据v—t曲线（图3），可以求得zui大爬行速度，zui小爬行速度。此时相对速度差δv （δv =vmax－vmin）/vmin是描述爬行的主要参数。
（3）偏差描述
由于爬行现象较为复杂，通常x—t曲线及v—t曲线无简单明显的规律性，不能给定每一瞬间机床的偏差程度。所以我们通过x—t曲线及v—t曲线确定理想运动曲线（图4），以此作为与实际运动曲线的比较标准。
进一步分析整个运动过程，可以求出位移误差曲线和速度误差曲线如图5，在爬行误差曲线中给出了zui大位移误差的dxmax及zui大速度误差dvmax，这更能清晰地反映爬行频率特征，在一定程度上反映了系统的特点，便于系统运动缺陷的分析与改进。
二、机床爬行的危害
1．影响加工精度。机械加工时，可使加工表面出现明显刀痕，影响表面粗糙度；
2．影响定位精度。在定位精度要求较高的数控系统中，很难实现定位，不能保证位置精度；
3．损坏工具。运动的不稳定，造成加工负载突变，会损坏刀具，降低机床的使用寿命；
4．容易造成机械故障。如在液压系统中，活塞杆运动不稳定，极易造成系统的倾斜，机械卡死。
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三、影响机床爬行的各种因素
机床移动部件的动、静摩擦力的差异是产生爬行的根本原因，减少摩擦可以从根本上改善爬行。另外的几个因素也不容忽视。造成机床产生爬行故障的因素可以归结为5个方面。
1．机械进给传动链出现了故障。
2．润滑不良。
3．进给系统电气部分出现了问题。
4．系统参数设置不当。
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2．机械部分故障分析
动、静摩擦力的差异是产生爬行的根本原因，检查机械部分时，首先检查导轨副。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、静摩擦因数大，且其差值也大，就容易造成爬行。虽然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，但如果调整不好，仍会造成爬行或振动。对于静压导轨副，应着重检查静压是否建立对于塑料导轨，可检查是否有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得当，效果是否良好。
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另外，应检查导轨副的润滑。导轨副润滑状态不好也会造成爬行[5]。
3．进给伺服系统
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