Las máquinas herramienta CNC son productos altamente integrados que combinan tecnologías mecánicas, hidráulicas, eléctricas y de computación. La ocurrencia de sus fallas es mayormente una reflexión integral de los aspectos mecánicos, hidráulicos y eléctricos. Cuando una máquina herramienta CNC experimenta fallas como el arrastre o la vibración, también necesitamos buscar la causa de la falla desde estos tres aspectos respectivamente. Solo identificando con precisión la causa de la falla podemos eliminarla con exactitud.

I. ¿Qué son el arrastre y la vibración?

Durante la operación a baja velocidad de las partes móviles, el sistema de alimentación de la máquina herramienta CNC puede experimentar un fenómeno donde las partes móviles no logran arrancar al principio, luego aceleran repentinamente después de arrancar, se detienen nuevamente y aceleran una vez más. Este movimiento repetitivo de las partes móviles, que alterna entre detenerse y saltar, lento y rápido, se llama arrastre. Sin embargo, cuando opera a alta velocidad, las partes móviles experimentan vibraciones evidentes.

La causa del arrastre en el sistema de alimentación de una máquina herramienta CNC generalmente se cree que es una mala lubricación entre las partes móviles de la máquina, lo que conduce a un aumento en la resistencia de fricción estática cuando la mesa de trabajo de la máquina se mueve. Cuando es impulsada por el motor, la mesa de trabajo no puede avanzar, causando que el husillo de bolas sufra una deformación elástica y almacene la energía del motor en dicha deformación. Cuando el motor continúa impulsando y la fuerza elástica producida por la energía almacenada es mayor que la fuerza de fricción estática, la mesa de trabajo de la máquina avanza. Este proceso se repite, resultando en un fenómeno de arrastre.

De hecho, esta es solo una de las razones. Las causas de tales fallas también pueden ser fallas en la cadena de transmisión mecánica de alimentación, o problemas en la parte eléctrica del sistema de alimentación, o debido a una configuración incorrecta de los parámetros del sistema, o puede ser causado por una falla combinada de las partes mecánicas y eléctricas.

II. Mecanismos de generación del arrastre y la vibración

1. Principio del arrastre

El arrastre es un fenómeno físico muy complejo, pero puede simplificarse a un modelo mecánico de un sistema de transmisión de movimiento lineal, como se muestra en la Figura 1.

En este sistema mecánico elástico, el componente impulsor 1 se mueve a una velocidad constante, con una velocidad V. El seguidor 3 está conectado a su miembro elástico 2 y al amortiguador 5, y se mueve a lo largo de un plano fijo. Al principio, el miembro impulsado 3 permanece estacionario respecto al plano 4. El miembro impulsor 1 se mueve hacia la derecha, comprimiendo el miembro elástico 2, y su fuerza elástica aumenta gradualmente. Cuando la fuerza elástica supera la fuerza máxima de fricción estática entre el seguidor 3 y el plano 4, el seguidor 3 se desliza rápidamente hacia la derecha. En este punto, la fuerza de fricción que actúa sobre el seguidor 3 cambia de fricción estática a fricción dinámica. Dado que la fuerza de fricción estática es menor que la fuerza de fricción dinámica, causará una aceleración en el movimiento del seguidor 3. Cuando el seguidor 3 se desliza hacia la derecha hasta cierta posición, la fuerza de fricción dinámica que experimenta es igual a la tensión ejercida por el miembro elástico 2 hacia la derecha, y el seguidor 3 se detendrá. Luego, después de un tiempo, el miembro elástico 2 se comprime nuevamente y fuerza al seguidor 3 a deslizarse hacia la derecha una vez más. El movimiento se repetirá de esta manera. Aunque el miembro impulsor 1 se mueve a una velocidad constante, el miembro impulsado 3 experimenta un movimiento intermitente desigual debido al efecto alternante de las fuerzas de fricción estática y dinámica, es decir, ocurre el fenómeno de arrastre.

2. Principio de la vibración

La Figura 2 muestra el modelo físico del juego. Si la inercia del componente de salida es mucho menor que la del componente de entrada, el movimiento está obviamente controlado por la fricción. Cuando la salida es impulsada por la entrada, los dos componentes permanecen en contacto y se mueven juntos a la misma velocidad hasta que el componente de entrada se mueve en dirección opuesta. Después de invertir, el componente de salida permanece en su estado original (estacionario) hasta que el componente de entrada entra en contacto con el otro lado y el juego desaparece.

En el otro caso extremo, si la fricción del componente de salida es tan pequeña que puede ignorarse, entonces el momento de inercia se convierte en el factor determinante para las características dinámicas de la cadena mecánica. Después de que el componente de entrada pasa por el juego, permanece en contacto con el componente de salida, impulsando al componente de salida a moverse a la misma velocidad hasta que el componente de entrada alcanza su velocidad máxima. Durante este proceso, el componente de salida se desliza a una velocidad constante a la velocidad máxima que el componente de entrada puede alcanzar y se desacopla gradualmente del contacto con el componente de entrada. Después de que el componente de entrada invierte, cuando el componente de salida ha salido del juego b, será bloqueado por el otro lado del componente de entrada, y el componente de salida volverá a soportar la velocidad del componente de entrada.

III. Eliminación de fallas de arrastre y vibración

Cuando se trata de las fallas de arrastre y vibración de las máquinas herramienta CNC, no se debe apresurar a sacar una conclusión. En cambio, basándose en la posibilidad de que ocurra la falla, se deben enumerar los factores relevantes que pueden causar el arrastre y la vibración de la máquina herramienta CNC, y luego revisar uno por uno, analizar, localizar y eliminar la falla. Donde se encuentre un problema, analizar si es la contradicción principal que causa el mal funcionamiento, hasta identificar todos los factores posibles que podrían llevar al mal funcionamiento. Finalmente, tomar una consideración integral y proponer una solución integral al problema para eliminar la falla.

1. Analizar la ubicación donde ocurrió la falla

Las fallas de arrastre y vibración usualmente requieren buscar problemas en los componentes mecánicos y en los sistemas servo de alimentación. Porque el fenómeno de arrastre del sistema de alimentación de una máquina herramienta CNC a baja velocidad a menudo depende de las características de los componentes de transmisión mecánica, y el fenómeno de vibración a alta velocidad generalmente está relacionado con la fuerza de precarga de los pares móviles en la cadena de transmisión de alimentación. Además, los problemas de arrastre y vibración están estrechamente relacionados con la velocidad de alimentación, por lo que también se deben analizar el lazo de velocidad y los parámetros del sistema del sistema servo de alimentación.

2. Inspección y eliminación de fallas en componentes mecánicos

Si la causa del arrastre y la vibración radica en los componentes mecánicos, primero se debe inspeccionar el par de guías. Dado que la resistencia por fricción que experimentan las partes móviles proviene principalmente del par de guías, si los coeficientes de fricción dinámica y estática del par de guías son grandes y la diferencia entre ellos también es significativa, será fácil causar arrastre. Aunque las guías rodantes, guías hidrostáticas o guías plásticas se usan ampliamente en los pares de guías de las máquinas herramienta CNC, si no se ajustan adecuadamente, aún pueden causar arrastre o vibración. Para las guías hidrostáticas, se debe prestar especial atención a verificar si se establece la presión hidrostática. Las guías plásticas deben inspeccionarse para detectar cualquier impureza u objeto extraño que pueda impedir el movimiento del par de guías. Para las guías rodantes, se debe verificar la precarga para asegurar que esté en buen estado.

La mala lubricación del par de guías también puede causar problemas de arrastre. A veces, la ocurrencia del arrastre se debe simplemente a la mala condición de lubricación del par de guías. En este punto, usar aceite lubricante para guías con función anti-arrastre es una medida muy efectiva. Este aceite lubricante para guías contiene aditivos polares que pueden formar una capa de película de aceite en la superficie de la guía que no se rompe fácilmente, mejorando así las características de fricción de la guía.

En segundo lugar, es necesario inspeccionar la cadena de transmisión de alimentación. En el sistema de alimentación, el dispositivo de accionamiento servo debe pasar a través de una cadena de transmisión compuesta por engranajes, pares de tuerca y husillo o otros pares de transmisión entre las partes móviles. Mejorar efectivamente la rigidez torsional y de tensión-compresión de esta cadena de transmisión es muy beneficioso para mejorar la precisión del movimiento y eliminar el arrastre. Una de las razones del arrastre de las partes móviles suele deberse a un apriete o pretensado insatisfactorio de los rodamientos, pares de tuerca y husillo, y del husillo mismo. La cadena de transmisión demasiado larga, el diámetro del eje de transmisión demasiado pequeño y la rigidez insuficiente del soporte y asiento de soporte también son factores que no se pueden ignorar para causar arrastre. Por lo tanto, al inspeccionar, también es necesario considerar si existen defectos en estos aspectos.

Además, las conexiones deficientes del sistema mecánico, como los acoplamientos dañados, también pueden causar vibración y desplazamiento de la máquina herramienta.

3. Inspección y solución de problemas de fallos en el sistema servo de alimentación

Si la causa de los fallos de desplazamiento y vibración radica en el sistema servo de alimentación, es necesario revisar cada enlace relevante en el sistema servo por separado. Es necesario comprobar el regulador de velocidad, el servomotor o tacogenerador, la precisión de interpolación del sistema, la ganancia del sistema, si hay errores en la configuración de los parámetros del sistema relacionados con el control de posición, si la barra de cortocircuito en la unidad de control de velocidad está configurada correctamente, si hay alguna desviación en el ajuste del potenciómetro de ganancia y si el circuito de la unidad de control de velocidad está en buen estado, etc. Revisar cada ítem uno por uno, clasificarlos y eliminarlos.

Para fallos en el regulador de velocidad, el enfoque principal es verificar si hay problemas con la señal dada, la señal de retroalimentación y el propio regulador de velocidad. La señal dada puede detectarse mediante la señal analógica VCMD enviada al regulador de velocidad a través de la conversión D/A desde el contador de desviación de posición. Si hay una señal de vibración de un ciclo, no hay duda de que la vibración de la máquina herramienta es correcta y no hay problema con la parte del regulador de velocidad, pero el problema radica en el preamplificador. Luego se busca el problema en el convertidor D/A o en el contador de desviación. Si los resultados de la medición no muestran ninguna forma de onda periódica de vibración, el problema debe estar en la señal de retroalimentación y en el regulador de velocidad.

Para el fallo de la señal de retroalimentación del tacomotor, dado que la señal de retroalimentación y la señal dada son exactamente las mismas para el regulador, la fluctuación de la señal de retroalimentación inevitablemente hará que el regulador de velocidad se ajuste en la dirección opuesta, lo que a su vez provoca la vibración de la máquina herramienta.

Para fallos del motor, cuando la frecuencia de vibración de la máquina herramienta está en cierta proporción con la velocidad del motor, el primer paso es comprobar si el motor está defectuoso. Inspeccionar las condiciones superficiales de sus escobillas de carbono y conmutadores, así como la lubricación de los rodamientos de bolas.

Para el mal funcionamiento del codificador de pulsos o tacogenerador, la medición e inspección pueden realizarse según los siguientes métodos. Primero, desconectar el lazo de posición y el lazo de velocidad, girar el motor manualmente y observar el voltaje del convertidor F/V en la placa de circuito impreso de la unidad de control de velocidad. Si hay una caída repentina en la forma de onda de voltaje, indica que el componente de retroalimentación está defectuoso.

Un problema común en los tacogeneradores es que el polvo de carbono desgastado por las escobillas de carbono se acumula en las ranuras entre los segmentos del conmutador, causando cortocircuitos entre los segmentos del conmutador del tacogenerador. Una vez que ocurre tal problema, causará vibración.

Un sistema de lazo cerrado también puede experimentar oscilación del sistema debido a configuraciones de parámetros poco razonables. La mejor manera de eliminar la oscilación es reducir el factor de amplificación. En el sistema FUNAC, al ajustar RV1, gírelo en sentido contrario a las agujas del reloj. En este punto, se puede observar que la situación mejorará significativamente de inmediato. Sin embargo, debido al rango relativamente pequeño del ajuste del potenciómetro RV1, a veces no se puede ajustar correctamente. En tales casos, se debe cambiar la barra de cortocircuito, es decir, se corta el valor de la resistencia de retroalimentación para reducir el factor de amplificación de todo el regulador.

Para interferencias externas, si es una interferencia fija, se pueden verificar las formas de onda del convertidor F/V, el terminal de detección de corriente y el terminal de sincronización para ver si hay interferencias y se pueden tomar medidas correspondientes. Para interferencias accidentales, solo se puede evitar tanto como sea posible mediante un blindaje efectivo, una conexión a tierra confiable y otras medidas.