Les machines-outils à commande numérique (CNC) sont des produits hautement intégrés qui combinent des technologies mécaniques, hydrauliques, électriques et informatiques. L'apparition de leurs pannes est généralement une réflexion globale des aspects mécaniques, hydrauliques et électriques. Lorsqu'une machine-outil CNC présente des défauts tels que le grippage ou les vibrations, il est également nécessaire de rechercher la cause de la panne dans ces trois aspects respectivement. Ce n'est qu'en identifiant avec précision la cause de la panne que l'on peut l'éliminer de manière précise.

I. Qu'est-ce que le grippage et la vibration

Lors du fonctionnement à basse vitesse des pièces mobiles, le système d'avance de la machine-outil CNC peut présenter un phénomène où les pièces mobiles ne démarrent pas au début, puis accélèrent soudainement après le démarrage, s'arrêtent à nouveau, puis accélèrent encore. Ce mouvement répétitif des pièces mobiles, qui alterne entre arrêt et saut, lent et rapide, est appelé grippage. Cependant, lorsqu'elle fonctionne à grande vitesse, les pièces mobiles subissent des vibrations évidentes.

La cause du grippage dans le système d'avance d'une machine-outil CNC est généralement attribuée à une mauvaise lubrification entre les pièces mobiles de la machine, ce qui entraîne une augmentation de la résistance au frottement statique lorsque la table de travail de la machine se déplace. Lorsque la table de travail est entraînée par le moteur, elle ne peut pas avancer, ce qui provoque une déformation élastique de la vis à billes et stocke l'énergie du moteur dans cette déformation. Lorsque le moteur continue à entraîner et que la force élastique produite par l'énergie stockée est supérieure à la force de frottement statique, la table de travail de la machine avance. Ce processus se répète, entraînant un phénomène de grippage.

En fait, ce n'est qu'une des raisons. Les causes de ces pannes peuvent également être des défauts dans la chaîne de transmission mécanique de l'avance, des problèmes dans la partie électrique du système d'avance, un mauvais réglage des paramètres du système, ou une panne combinée des parties mécaniques et électriques.

II. Mécanismes de génération du grippage et des vibrations

1. Principe du grippage

Le grippage est un phénomène physique très complexe, mais il peut être simplifié en un modèle mécanique d'un système de transmission de mouvement linéaire, comme illustré à la Figure 1.

Dans ce système mécanique élastique, le composant moteur 1 se déplace à une vitesse constante, avec une vitesse V. Le suiveur 3 est relié à son élément élastique 2 et à l'amortisseur 5, et se déplace le long d'un plan fixe. Au début, le composant entraîné 3 reste immobile par rapport au plan 4. Le composant moteur 1 se déplace vers la droite, comprimant l'élément élastique 2, et sa force élastique augmente progressivement. Lorsque la force élastique dépasse la force maximale de frottement statique entre le suiveur 3 et le plan 4, le suiveur 3 glisse rapidement vers la droite. À ce moment, la force de frottement agissant sur le suiveur 3 passe du frottement statique au frottement dynamique. Comme la force de frottement statique est inférieure à la force de frottement dynamique, cela provoque une accélération du mouvement du suiveur 3. Lorsque le suiveur 3 glisse vers la droite jusqu'à une certaine position, la force de frottement dynamique qu'il subit est égale à la tension exercée par l'élément élastique 2 vers la droite, et le suiveur 3 s'arrête. Ensuite, après un certain temps, l'élément élastique 2 est à nouveau comprimé et force le suiveur 3 à glisser encore vers la droite. Le mouvement se répète ainsi. Bien que le composant moteur 1 se déplace à une vitesse constante, le composant entraîné 3 subit un mouvement intermittent irrégulier en raison de l'effet alterné des forces de frottement statique et dynamique, c'est-à-dire que le phénomène de grippage se produit.

2. Principe de la vibration

La Figure 2 montre le modèle physique du jeu. Si l'inertie du composant de sortie est beaucoup plus petite que celle du composant d'entrée, le mouvement est évidemment contrôlé par le frottement. Lorsque la sortie est entraînée par l'entrée, les deux composants restent en contact et se déplacent ensemble à la même vitesse jusqu'à ce que le composant d'entrée se déplace dans la direction opposée. Après l'inversion, le composant de sortie reste dans son état initial (immobile) jusqu'à ce que le composant d'entrée entre en contact avec l'autre côté et que le jeu disparaisse.

Dans l'autre cas extrême, si le frottement du composant de sortie est si faible qu'il peut être ignoré, alors le moment d'inertie devient le facteur déterminant des caractéristiques dynamiques de la chaîne mécanique. Après que le composant d'entrée a passé le jeu, il reste en contact avec le composant de sortie, entraînant ce dernier à se déplacer à la même vitesse jusqu'à ce que le composant d'entrée atteigne sa vitesse maximale. Pendant ce processus, le composant de sortie glisse à une vitesse constante à la vitesse maximale que le composant d'entrée peut atteindre et se désengage progressivement du contact avec le composant d'entrée. Après l'inversion du composant d'entrée, lorsque le composant de sortie a quitté le jeu b, il sera bloqué par l'autre côté du composant d'entrée, et le composant de sortie supportera à nouveau la vitesse du composant d'entrée.

III. Élimination des pannes de grippage et de vibration

En ce qui concerne les pannes de grippage et de vibration des machines-outils CNC, il ne faut pas tirer de conclusion hâtive. Au lieu de cela, en fonction de la probabilité d'apparition de la panne, il faut dresser la liste des facteurs pertinents pouvant causer le grippage et la vibration de la machine-outil CNC, puis les examiner un par un, analyser, localiser et éliminer la panne. Chaque fois qu'un problème est trouvé, il faut l'analyser pour voir s'il s'agit du principal facteur causant le dysfonctionnement, jusqu'à ce que tous les facteurs possibles pouvant entraîner le dysfonctionnement soient identifiés. Enfin, il faut prendre une considération globale et proposer une solution complète au problème pour éliminer la panne.

1. Analyser l'emplacement où la panne s'est produite

Les pannes de grippage et de vibration nécessitent généralement de rechercher des problèmes dans les composants mécaniques et les systèmes servo d'avance. En effet, le phénomène de grippage du système d'avance d'une machine-outil CNC à basse vitesse dépend souvent des caractéristiques des composants de transmission mécanique, et le phénomène de vibration à haute vitesse est généralement lié à la force de précharge des paires mobiles dans la chaîne de transmission d'avance. De plus, les problèmes de grippage et de vibration sont étroitement liés à la vitesse d'avance, il est donc également nécessaire d'analyser la boucle de vitesse et les paramètres du système du système servo d'avance.

2. Inspection et élimination des pannes des composants mécaniques

Si la cause du grippage et des vibrations réside dans les composants mécaniques, il faut d'abord inspecter la paire de rails guides. Comme la résistance au frottement subie par les pièces mobiles provient principalement de la paire de rails guides, si les coefficients de frottement dynamique et statique de la paire de rails guides sont élevés et que la différence entre eux est également significative, cela favorisera le grippage. Bien que les guides à rouleaux, les guides hydrostatiques ou les guides en plastique soient largement utilisés dans les paires de rails guides des machines-outils CNC, s'ils ne sont pas correctement réglés, ils peuvent toujours provoquer du grippage ou des vibrations. Pour les rails guides hydrostatiques, il faut accorder une attention particulière à la vérification de l'établissement de la pression hydrostatique. Les rails guides en plastique doivent être inspectés pour détecter toute impureté ou corps étranger pouvant entraver le mouvement de la paire de rails guides. Pour les rails guides à rouleaux, la précharge doit être vérifiée pour s'assurer qu'elle est en bon état.

Une mauvaise lubrification de la paire de rails guides peut également causer des problèmes de grippage. Parfois, le grippage est simplement dû à une mauvaise condition de lubrification de la paire de rails guides. À ce stade, l'utilisation d'une huile de lubrification pour rails guides avec fonction anti-grippage est une mesure très efficace. Cette huile de lubrification contient des additifs polaires qui peuvent former une couche de film d'huile sur la surface du rail guide difficile à rompre, améliorant ainsi les caractéristiques de frottement du rail guide.

Deuxièmement, il est nécessaire d'inspecter la chaîne d'entraînement de l'avance. Dans le système d'avance, le dispositif d'entraînement servo doit passer par une chaîne de transmission composée d'engrenages, de paires vis-écrou ou d'autres paires de transmission entre les pièces mobiles. Renforcer efficacement la rigidité en torsion et en tension-compression de cette chaîne de transmission est très bénéfique pour améliorer la précision du mouvement et éliminer le grippage. Une des raisons du grippage des pièces mobiles est souvent due à un pré-serrage ou une pré-tension insatisfaisants des roulements, des paires vis-écrou et de la vis elle-même. Une chaîne de transmission trop longue, un diamètre d'arbre de transmission trop petit, et une rigidité insuffisante du support et du palier sont également des facteurs à ne pas négliger dans la cause du grippage. Par conséquent, lors de l'inspection, il est également nécessaire de vérifier s'il existe des défauts dans ces aspects.

De plus, de mauvaises connexions du système mécanique, telles que des accouplements endommagés, peuvent également provoquer des vibrations et des déplacements erratiques de la machine-outil.

3. Inspection et dépannage des pannes du système servo d'avance

Si la cause des pannes de déplacement erratique et de vibration réside dans le système servo d'avance, il est nécessaire de vérifier chaque lien pertinent du système servo séparément. Il faut vérifier le régulateur de vitesse, le servomoteur ou le tachogénérateur, la précision d'interpolation du système, le gain du système, s'il y a des erreurs dans le réglage des paramètres du système liés au contrôle de position, si la barre de court-circuit sur l'unité de contrôle de vitesse est correctement réglée, s'il y a un quelconque écart dans le réglage du potentiomètre de gain, et si le circuit de l'unité de contrôle de vitesse est en bon état, etc. Vérifiez chaque élément un par un, classez-les et éliminez-les.

Pour les pannes du régulateur de vitesse, l'accent principal est mis sur la vérification de la présence de problèmes avec le signal donné, le signal de rétroaction et le régulateur de vitesse lui-même. Le signal donné peut être détecté par le signal analogique VCMD envoyé au régulateur de vitesse via une conversion D/A à partir du compteur de déviation de position. S'il y a un signal de vibration d'un cycle, il ne fait aucun doute que la vibration de la machine-outil est correcte, et il n'y a pas de problème avec la partie régulateur de vitesse, mais le problème réside dans le préamplificateur. Ensuite, recherchez le problème avec le convertisseur D/A ou le compteur de déviation. Si les résultats de mesure ne montrent aucune forme d'onde périodique de vibration, le problème doit se situer dans le signal de rétroaction et le régulateur de vitesse.

Pour la panne du signal de rétroaction du tachomoteur, puisque le signal de rétroaction et le signal donné sont exactement les mêmes pour le régulateur, la fluctuation du signal de rétroaction entraînera inévitablement un ajustement du régulateur de vitesse dans la direction opposée, ce qui conduit à son tour à la vibration de la machine-outil.

Pour les pannes du moteur, lorsque la fréquence de vibration de la machine-outil est dans un certain rapport avec la vitesse du moteur, la première étape consiste à vérifier si le moteur est défectueux. Inspectez l'état de surface de ses balais en carbone et des collecteurs, ainsi que la lubrification des roulements à billes.

Pour le dysfonctionnement de l'encodeur à impulsions ou du tachogénérateur, la mesure et l'inspection peuvent être effectuées selon les méthodes suivantes. Tout d'abord, déconnectez la boucle de position et la boucle de vitesse, faites tourner le moteur manuel et observez la tension du convertisseur F/V sur la carte de circuit imprimé de l'unité de contrôle de vitesse. S'il y a une chute soudaine de la forme d'onde de tension, cela indique que le composant de rétroaction est défectueux.

Un problème courant dans les tachogénérateurs est que la poudre de carbone usée par les balais en carbone s'accumule dans les rainures entre les segments du collecteur, provoquant des courts-circuits entre les segments du collecteur du tachogénérateur. Une fois qu'un tel problème survient, cela provoque des vibrations.

Un système en boucle fermée peut également subir des oscillations du système en raison de réglages de paramètres déraisonnables. La meilleure façon d'éliminer les oscillations est de réduire le facteur d'amplification. Dans le système FUNAC, lors du réglage de RV1, tournez-le dans le sens antihoraire. À ce moment, on peut observer que la situation s'améliore immédiatement de manière significative. Cependant, en raison de la plage relativement petite de réglage du potentiomètre RV1, il arrive parfois qu'il ne puisse pas être ajusté correctement. Dans de tels cas, la barre de court-circuit doit être changée, c'est-à-dire que la valeur de la résistance de rétroaction est coupée pour réduire le facteur d'amplification de l'ensemble du régulateur.

Pour les interférences externes, s'il s'agit d'une interférence fixe, les formes d'onde du convertisseur F/V, du terminal de détection de courant et du terminal de synchronisation peuvent être vérifiées pour voir s'il y a des interférences et des mesures correspondantes peuvent être prises. Pour les interférences accidentelles, elles ne peuvent être évitées que dans la mesure du possible par un blindage efficace, une mise à la terre fiable et d'autres mesures.