As máquinas-ferramenta CNC são produtos altamente integrados que combinam tecnologias mecânicas, hidráulicas, elétricas e de computação. A ocorrência de suas falhas é, na maioria das vezes, um reflexo abrangente dos aspectos mecânicos, hidráulicos e elétricos. Quando uma máquina-ferramenta CNC apresenta falhas como engasgos ou vibrações, também precisamos buscar a causa da falha nesses três aspectos, respectivamente. Somente identificando com precisão a causa da falha podemos eliminá-la com precisão.

I. O que são Engasgos e Vibrações

Durante a operação em baixa velocidade das partes móveis, o sistema de alimentação da máquina-ferramenta CNC pode apresentar um fenômeno onde as partes móveis não conseguem iniciar o movimento no começo, depois aceleram repentinamente após o início, param novamente e aceleram mais uma vez. Esse movimento repetitivo das partes móveis, que alterna entre parar e saltar, lento e rápido, é chamado de engasgo. No entanto, quando opera em alta velocidade, as partes móveis apresentam vibrações evidentes.

A causa do engasgo no sistema de alimentação de uma máquina-ferramenta CNC é geralmente atribuída à má lubrificação entre as partes móveis da máquina, o que leva a um aumento da resistência ao atrito estático quando a mesa de trabalho da máquina se move. Quando acionada pelo motor, a mesa de trabalho não consegue avançar, fazendo com que o parafuso de esferas sofra deformação elástica e armazene a energia do motor nessa deformação. Quando o motor continua a acionar e a força elástica produzida pela energia armazenada é maior que a força de atrito estático, a mesa de trabalho da máquina avança. Esse processo se repete, resultando no fenômeno de engasgo.

Na verdade, essa é apenas uma das razões. As causas dessas falhas também podem ser defeitos na cadeia de transmissão mecânica da alimentação, problemas na parte elétrica do sistema de alimentação, configurações inadequadas dos parâmetros do sistema, ou podem ser causadas por uma falha combinada das partes mecânica e elétrica.

II. Mecanismos de Geração do Engasgo e da Vibração

1. Princípio do engasgo

O engasgo é um fenômeno físico muito complexo, mas pode ser simplificado para um modelo mecânico de um sistema de transmissão de movimento linear, como mostrado na Figura 1.

Neste sistema mecânico elástico, o componente acionador 1 move-se a uma velocidade constante, com velocidade V. O seguidor 3 está conectado ao seu elemento elástico 2 e ao amortecedor 5, e move-se ao longo de um plano fixo. No início, o componente acionado 3 permanece estacionário em relação ao plano 4. O componente acionador 1 move-se para a direita, comprimindo o elemento elástico 2, e sua força elástica aumenta gradualmente. Quando a força elástica excede a força máxima de atrito estático entre o seguidor 3 e o plano 4, o seguidor 3 desliza rapidamente para a direita. Neste ponto, a força de atrito que atua sobre o seguidor 3 muda de atrito estático para atrito dinâmico. Como a força de atrito estático é menor que a força de atrito dinâmico, isso causará uma aceleração no movimento do seguidor 3. Quando o seguidor 3 desliza para a direita até uma certa posição, a força de atrito dinâmico que ele experimenta é igual à tensão exercida pelo elemento elástico 2 para a direita, e o seguidor 3 para. Então, após algum tempo, o elemento elástico 2 é comprimido novamente e força o seguidor 3 a deslizar para a direita mais uma vez. O movimento se repetirá dessa forma. Embora o componente acionador 1 se mova a uma velocidade constante, o componente acionado 3 sofre um movimento intermitente irregular devido ao efeito alternado das forças de atrito estático e dinâmico, ou seja, ocorre o fenômeno de engasgo.

2. Princípio da vibração

A Figura 2 mostra o modelo físico da folga. Se a inércia do componente de saída for muito menor que a do componente de entrada, o movimento é claramente controlado pelo atrito. Quando a saída é acionada pela entrada, os dois componentes permanecem em contato e movem-se juntos na mesma velocidade até que o componente de entrada se mova na direção oposta. Após a reversão, o componente de saída permanece em seu estado original (parado) até que o componente de entrada entre em contato com o outro lado e a folga desapareça.

No outro extremo, se o atrito do componente de saída for tão pequeno que possa ser ignorado, então o momento de inércia torna-se o fator determinante para as características dinâmicas da cadeia mecânica. Após o componente de entrada passar pela folga, ele permanece em contato com o componente de saída, acionando o componente de saída para mover-se na mesma velocidade até que o componente de entrada atinja sua velocidade máxima. Durante esse processo, o componente de saída desliza a uma velocidade constante na velocidade máxima que o componente de entrada pode alcançar e gradualmente se desengaja do contato com o componente de entrada. Após a reversão do componente de entrada, quando o componente de saída tiver saído da folga b, ele será bloqueado pelo outro lado do componente de entrada, e o componente de saída suportará novamente a velocidade do componente de entrada.

III. Eliminação das Falhas de Engasgo e Vibração

Quando se trata das falhas de engasgo e vibração das máquinas-ferramenta CNC, não se deve apressar a tirar conclusões. Em vez disso, com base na possibilidade da falha ocorrer, deve-se listar os fatores relevantes que podem causar o engasgo e a vibração da máquina-ferramenta CNC, e então verificar item por item, analisar, localizar e eliminar a falha. Sempre que um problema for encontrado, analise para ver se é a principal contradição que causa a falha, até que todos os fatores possíveis que possam levar à falha sejam identificados. Finalmente, faça uma consideração abrangente e proponha uma solução completa para eliminar a falha.

1. Analisar o local onde a falha ocorreu

Falhas de engasgo e vibração geralmente requerem a busca de problemas em componentes mecânicos e sistemas servo de alimentação. Porque o fenômeno de engasgo do sistema de alimentação de uma máquina-ferramenta CNC em baixa velocidade frequentemente depende das características dos componentes de transmissão mecânica, e o fenômeno de vibração em alta velocidade está geralmente relacionado à força de pré-carga dos pares móveis na cadeia de transmissão da alimentação. Além disso, problemas de engasgo e vibração estão intimamente relacionados à velocidade de alimentação, portanto, o laço de velocidade e os parâmetros do sistema do sistema servo de alimentação também precisam ser analisados.

2. Inspeção e eliminação de falhas em componentes mecânicos

Se a causa do engasgo e da vibração estiver nos componentes mecânicos, o par de trilhos-guia deve ser inspecionado primeiro. Como a resistência ao atrito experimentada pelas partes móveis vem principalmente do par de trilhos-guia, se os coeficientes de atrito dinâmico e estático do par de trilhos-guia forem grandes e a diferença entre eles também for significativa, será fácil causar engasgo. Embora guias de rolos, guias hidrostáticas ou guias plásticas sejam amplamente usadas nos pares de guias das máquinas-ferramenta CNC, se não forem ajustadas corretamente, ainda podem causar engasgo ou vibração. Para trilhos-guia hidrostáticos, deve-se prestar atenção especial para verificar se a pressão hidrostática está estabelecida. Trilhos-guia plásticos devem ser inspecionados para quaisquer impurezas ou objetos estranhos que possam impedir o movimento do par de trilhos-guia. Para trilhos-guia de rolos, a pré-carga deve ser verificada para garantir que esteja em boas condições.

A má lubrificação do par de trilhos-guia também pode causar problemas de engasgo. Às vezes, a ocorrência de engasgo é apenas devido à condição de lubrificação inadequada do par de trilhos-guia. Nesse caso, usar óleo lubrificante para trilhos-guia com função anti-engasgo é uma medida muito eficaz. Esse óleo lubrificante contém aditivos polares que podem formar uma camada de filme de óleo na superfície do trilho que não se rompe facilmente, melhorando assim as características de atrito do trilho.

Em segundo lugar, é necessário inspecionar a cadeia de acionamento da alimentação. No sistema de alimentação, o dispositivo de acionamento servo deve passar por uma cadeia de transmissão composta por engrenagens, pares de porca e parafuso de avanço ou outros pares de transmissão entre as partes móveis. Melhorar efetivamente a rigidez torsional e de tensão-compressão dessa cadeia de transmissão é altamente benéfico para melhorar a precisão do movimento e eliminar o engasgo. Uma das razões para o engasgo das partes móveis é frequentemente devido à pré-tensão ou pré-aperto insatisfatório dos rolamentos, pares de porca e parafuso de avanço e do próprio parafuso de avanço. A cadeia de transmissão muito longa, o diâmetro do eixo de transmissão muito pequeno e a rigidez insuficiente do suporte e da base do suporte também são fatores que não podem ser ignorados na causa do engasgo. Portanto, ao inspecionar, também é necessário considerar se há defeitos nesses aspectos.

Além disso, conexões mecânicas deficientes, como acoplamentos danificados, também podem causar vibração e rastejamento da máquina-ferramenta.

3. Inspeção e solução de problemas de falhas no sistema servo de alimentação

Se a causa das falhas de rastejamento e vibração estiver no sistema servo de alimentação, é necessário verificar cada elo relevante no sistema servo separadamente. É necessário verificar o regulador de velocidade, o servo motor ou tacogerador, a precisão da interpolação do sistema, o ganho do sistema, se há erros na configuração dos parâmetros do sistema relacionados ao controle de posição, se a haste de curto-circuito na unidade de controle de velocidade está configurada corretamente, se há algum desvio no ajuste do potenciômetro de ganho e se o circuito da unidade de controle de velocidade está em boas condições, etc. Verifique cada item um por um, classifique e elimine-os.

Para falhas no regulador de velocidade, o foco principal é verificar se há problemas com o sinal dado, o sinal de feedback e o próprio regulador de velocidade. O sinal dado pode ser detectado pelo sinal analógico VCMD enviado ao regulador de velocidade através da conversão D/A do contador de desvio de posição. Se houver um sinal de vibração de um ciclo, não há dúvida de que a vibração da máquina-ferramenta está correta e não há problema na parte do regulador de velocidade, mas o problema está no pré-amplificador. Então, procure o problema no conversor D/A ou no contador de desvio. Se os resultados da medição não mostrarem formas de onda periódicas de vibração, o problema deve estar no sinal de feedback e no regulador de velocidade.

Para a falha do sinal de feedback do tacomotor, como o sinal de feedback e o sinal dado são exatamente os mesmos para o regulador, a flutuação do sinal de feedback inevitavelmente fará com que o regulador de velocidade ajuste na direção oposta, o que por sua vez leva à vibração da máquina-ferramenta.

Para falhas no motor, quando a frequência de vibração da máquina-ferramenta está em uma certa proporção com a velocidade do motor, o primeiro passo é verificar se o motor está com defeito. Inspecione as condições superficiais das suas escovas de carbono e comutadores, bem como a lubrificação dos rolamentos de esferas.

Para o mau funcionamento do codificador de pulso ou tacogerador, a medição e inspeção podem ser realizadas de acordo com os seguintes métodos. Primeiro, desconecte o circuito de posição e o circuito de velocidade, gire o motor manualmente e observe a tensão do conversor F/V na placa de circuito impresso da unidade de controle de velocidade. Se houver uma queda repentina na forma de onda da tensão, isso indica que o componente de feedback está com defeito.

Um problema comum em tacogeradores é que o pó de carbono desgastado pelas escovas de carbono se acumula nas ranhuras entre os segmentos do comutador, causando curtos-circuitos entre os segmentos do comutador do tacogerador. Uma vez que tal problema ocorre, causará vibração.

Um sistema de malha fechada também pode experimentar oscilações do sistema devido a configurações de parâmetros inadequadas. A melhor maneira de eliminar a oscilação é reduzir o fator de amplificação. No sistema FUNAC, ao ajustar o RV1, gire-o no sentido anti-horário. Neste ponto, pode-se observar que a situação melhorará significativamente imediatamente. No entanto, devido à faixa relativamente pequena de ajuste do potenciômetro RV1, às vezes ele não pode ser ajustado adequadamente. Nesses casos, a haste de curto-circuito deve ser alterada, ou seja, o valor da resistência de feedback é cortado para reduzir o fator de amplificação de todo o regulador.

Para interferência externa, se for uma interferência fixa, as formas de onda do conversor F/V, do terminal de detecção de corrente e do terminal de sincronização podem ser verificadas para ver se há interferência e medidas correspondentes podem ser tomadas. Para interferência acidental, só pode ser evitada o máximo possível por meio de blindagem eficaz, aterramento confiável e outras medidas.