浅析数控机床爬行现象的原因和对策

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摘要：本文对数控机床的爬行现象进行了分析，建立了爬行现象的力学模型，提出了消除爬行现象的措施。

关键词：数控机床 爬行 低速运动数控机床在低速运动下会发生时快时慢时走时停的爬行现象，影响加工表面的加工质量，表面粗糙度及定位精度。数控机床爬行还会造成磨擦副的加速磨损，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，甚至使机床丧失加工能力。因此，数控机床在低速下的爬行问题的研究显得尤为重要[1-4]。

1.爬行现象的定义爬行广义的是指运动部件非匀速运动，如图1所示。在机床的进给运动和调整运动中，由于运动速度很低，通常出现如图1形式的爬行，即时走时停形式的运动，也就是所谓的粘滑运动[5]。这种形式的爬行在机床中较为常出现，所以我们通常所指的爬行，主要是指粘滑运动。图1爬行的两种形式

2.爬行现象的力学模型[6-7]

由于爬行现象实际上就是一种摩擦自激振动现象，为对其系统进行分析，可以将数控机床进给系统简化为单自由度系统模型。各轴之间传动看成弹簧刚度的串联，而阻尼重点考虑导轨和工作台，忽略其它次要因素，这样就将复杂的系统简化为单自由度系统。物理模型如图2所示：图2爬行现象的力学模型

v0——驱动速度；k——系统刚度；c——系统阻尼；m——移动部件的质量；x（t）——移动部件的位移；（t）——移动部件的速度；F——摩擦力

根据图2列出动力学方程：

m+c（-v0）+k（x-v0t）+F=0 （1）

解此方程并推导出机床爬行的临界速度公式：

vc=ΔF4πξkm（m/s） （2）

式中：ΔF——静动摩擦力之差（N）

ξ——振动系统的阻尼比

m—运动部件的质量（kg）

从公式（2）中可以看到影响机床爬行的几个因素有：系统刚度，动静摩擦力之差，移动部件的质量和系统中的阻尼。

（1）传动刚度的影响

重型数控车床纵向进给系统的系统刚度越大，临界爬行速度越低，爬行现象越不明显。

（2）ΔF的影响

工作台与导轨之间的动静摩擦系数之差是产生爬行的根本原因，差值越大，临界速度越高，越容易出现爬行现象。

（3） 移动部件质量的影响

工作台质量对爬行的影响比较复杂，一方面它可以降低临界爬行速度，匀化速度波动防止爬行；另一方面质量越大惯性力越大，运动中的摩擦力越大越易出现爬行，实践证明后者的作用要大于前者。

（4）系统中阻尼的影响

重型数控车床纵向进给系统中的阻尼是保证运动平稳性的根本原因，阻尼越大吸振性越好，越不容易出现爬行现象。

3.爬行现象的预防措施

（1）提高传动系统刚度

系统的刚度包括轴的抗弯刚度和抗扭刚度，齿轮的啮合刚度以及轴承的刚度等，而系统刚度就是各个刚度的串联结果，串联的刚度大小取决于最小的刚度，因此应提高刚度最小的部分，缩短传动链。合理分配传动比，尽量采用降速传动。对于丝杆螺母结构应加大丝杆直径，采用整体螺母，提高螺母的接触刚度和传动刚度。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，防止空气进入，避免爬行。

（2）减小动静摩擦系数之差

当导轨面上缺油或者导轨面上用油不当时，导轨表面油不能起到充分的作用，就会出现爬行现象。所以在选用油时应选用粘度和油性较好的油，同时应对导轨进行定期的，这样才能减少爬行现象的产生。

（3）零部件的装配精度过差

机床上传动系统零件装配精度不高，出现偏心时，系统在低速情况下就会出现爬行现象。提高零部件的加工精度和装配精度，找出影响装配精度的重要零件，对其进行调整或者重新组装使装配良好，减少零部件的摩擦阻力，消除爬行。

（4）高速转动件未做动平衡

机床上的高速转动零件未进行动平衡，导致在电机转动或高速转动零部件转动时出现动态不平衡，从而导致爬行现象发生。通过对电机转子或高速转动部件进行动平衡，消除机械振动的因素，或者将电机底座或高速转动零部件填装橡胶、羊毛毡等软性材料起到减震的作用，从而消除爬行现象的产生。

4.小结

本文主要介绍了爬行现象的定义，爬行现象的力学模型及爬行现象的主要参数。并根据爬行的基本理论，对其进行分析，找出影响爬行的各种因素，提出了消除爬行的措施。（作者单位：郑州华信学院机电工程学院）

参考文献

[1]陈循介.中国机床工业六十年发展中的主要经验教训[J].WMEM，2009（5）：64-67.

[2]尹明，张晓锋.数控机床进给系统产生爬行的机理分析[J].机床与液压，2007，35（12）：82-83.

[3]杨延水，董传军，孙学斌.数控磨床工作台爬行现象浅析[J].金属加工，2009（5）：68.

[4]杨丽敏.国内外重型数控机床的技术对比与发展[J].金属加工，2010（7）：17-19.

[5]于英华，徐平，刘大木，机床低速爬行研究现状及分析[J].辽宁工程技术大学学报，2004，23（2）：243-246.

[6]于英华，徐平.机床低速爬行参数的测试与分析[J].辽宁工程技术大学学报，1998，17（6）：606-609.

[7]袁秀平，刘建亭，张洛平，李鹤一.数控机床低速爬行实验系统的验证[J].机电工程，2002，19（2）：35-37.