關于數控機床故障診斷技術的探究

【摘要】本文介紹了幾種目前已應用于生產中和正在研究中的關鍵故障診斷技術。

【關鍵詞】數控機床；故障診斷；技術分析

【中圖分類號】TG659 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672—5158（2012）08—0183-02

1.故障診斷技術組成

數控機床的故障診斷技術大體由三部分組成：（1）對造成電氣和機械部件失效的疲勞、磨損、斷裂、腐蝕、蠕變、氧化等物化原因的研究；（2）對故障診斷的信息研究。即故障信號的采集、處理與分析的研究；（3）對數學原理與診斷邏輯方面的研究。通過模型方法、邏輯方法、推理和人工智能（AI）方法，判斷故障發生的部位和發生故障的原因。

2.數控機床故障診斷概述

2.1 故障診斷主要內容現代故障診斷的主要內容應包括實時監測技術，故障分析（診斷）技術和故障修復方法三個部分。從信息獲取到故障定位，再到故障的排除，作為單獨的技術領域發展的同時，又作為故障診斷的技術共同協調發展。

2.2 數控機床故障診斷常用的方法

2.2.1 直觀法由維修人員利用感覺器官，觀察故障發生時的各種聲、光、味等異?，F象，查看CNC機床系統的各個模塊和線路，有無燒毀和損傷痕跡，迅速將故障范圍縮小到一個模塊或一塊印刷線路板。這是一種最基本和常用的方法。2.2.2.CNC系統自診斷法數控系統的自診斷功能，已經成為衡量數控系統性能的重要指標，數控系統的自診斷功能實時監視數控系統的工作狀態。一旦發生異常情況，立即在CRT上顯示報警信息，或通過發光二極管指示故障的原因、故障模塊，這是CNC機床故障診斷維修中最有效和直接的—種方法。

2.2.3 功能程序測試法功能程序測試法就是將數控系統的常用功能和特殊功能用手工編程或自動編程的方法，編制成一個功能測試程序，送入數控系統，然后讓數控系統運行這個測試程序，借以檢查機床執行這些功能的準確性和可靠性，進而判斷出故障發生可能的部位和故障原因。

2.2.4 模塊交換法所謂模塊交換法就是在分析出故障大致起因的情況下，利用備用的印刷線路板、模板、集成電路芯片或元件替換有疑點的部分，將功能相同的模板或單元相互交換，觀察故障的轉移情況，從而快速判斷故障部位的方法。

2.2.5 原理分析法根據CNC組成原理，從系統各部件的工作原理著手進行分析和判斷，從邏輯關系上分析電路故障疑點的邏輯電平和特征參數，從而確定故障部位的方法。這種方法對維修人員要求很高，必須熟悉整個系統或每個部件的工作原理，才能對故障部位進行定位。

3.數控機床故障診斷的關鍵技術分析

3.1 通信診斷通信診斷也稱為遠距離系統診斷或“海外診斷”。比如西門子公司在CNC系統診斷中采用了這種功能。用戶把CNC系統中專用“通信接口”連接到普通電話線上，維修中心的專用通信診斷計算機中的“數據接口”也連接到網絡上，然后由計算機向CNC系統發送診斷程序，并將測試數據輸回到計算機進行分析并得出診斷結論，然后將診斷結論和處理方法通知用戶。通信診斷系統除用于故障發生后的診斷外，還可為用戶作定期的預防性診斷，維修人員不必到現場，只需按預定的時間對機床做一系列試運行檢查，在維修中心分析數據，即可診斷出數控機床可能存在的故障隱患。但這類CNC系統必須具備遠距離診斷接口及聯網功能。

3.2 自修復系統在CNC系統的軟件中裝有自修復程序，該軟件一旦發現某個模塊有故障時，系統一方面將故障信息顯示在CRT上，同時自動尋找是否有備用模塊。如有則系統能自動使故障模塊脫機而接通備用模塊，從而使系統較快地進入正常工作狀態。所謂自修復實際上是“冗余”概念的一種應用，非常適用于無人管理的自動化工廠或不允許長時間停止工作的重要場合。但自修復技術需要將備用板插到機籠的備用插槽上，從理論上講，備用模塊的品種越多越好，但這無疑會增加系統成本。所以，往往系統只配備一些極其重要的或易出故障的備用板。另外，要求備用板與系統其他部分通信聯系應與替代的模板相同。因此，本方案只適用于總線結構的CNC系統。

3.3 人工智能與專家系統這種方法是通過調用知識庫的相應知識，經推理機構的推理獲得所需的結論。應用于數控系統診斷的人工智能技術有兩方面的內容，即診斷專家系統和人工智能數據庫。

3.3.1 診斷專家系統故障診斷專家系統與傳統診斷技術相比具有如下特點：①通過對各種診斷經驗性專門知識的形式化描述，不僅可突破專家個人的局限性而廣為傳播，而且也是對科學方法論的一個發展；②克服人類診斷專家供不應求的矛盾；③可以結合其他診斷方法，綜合利用各類專家的知識、經驗，實現在線監測故障、離線診斷與分離故障；④具有人一機聯合診斷功能，可充分發揮人的主觀能動性；⑤具有知識獲取和自學習功能，能在使用過程中日趨完善。3.3.2.人工智能數據庫主要包括加工參數的自動設定和圖形功能等。加工參數的自動設定功能實際是一個工藝參數庫，能根據被加工工件的材料、加工余量等自動確定切削用量、選取加工刀具及設定加工條件，它不但需要積累大量工藝數據，還必須具有某種學習功能及推理能力。通常將其與故障診斷專家系統聯系在一起，建立一個綜合專家系統，以提高系統的可靠性及診斷維修性能。

3.4 神經網絡診斷3.4.神經網絡診斷神經網絡（ANN）具有聯想、容錯、自適應、自學習和處理復雜多模式等特點。將被診斷系統的癥狀作為網絡輸入，所得到的故障原因作為網絡輸出，且將經過學習所得到的知識以分布的方式隱式地存儲在網絡上，每個輸出神經元對應—個故障原因。目前常用的算法有誤差反向傳播（BP）算法、雙向聯想記憶（BAM）模型和模糊認識映射（FCM）等。3.5.多傳感器信息融合技術多傳感器信息融合就是充分合理地選取各種傳感器，提取對象的有效信息，把空間或時間上的冗余信息或互補信息依據某種準則進行組合，以獲得被測對象的一致性解釋或描述，由此獲得比各組成部分的子集所構成的系統更為優越的性能。利用多傳感器對CNC進行診斷能大大降低誤判率、漏判率，提高診斷準確度。先對同一層次的信息進行融合，獲得更高層次的信息，再匯入相應的信息融合層次，這樣從低層至頂層對多元信息進行整理合并，逐層抽象，從而取得比單一傳感器更準確更具體的診斷結果。神經網絡可用于多傳感器信息融合。

4.常見電氣故障維修和排除

電氣故障的分析過程也就是故障的排除過程，因此電氣故障的一些常用排除方法在上一節的分析方法中已綜合介紹過了，本節則列舉幾個常見電氣故障做一簡要介紹，供維修者參考。

4.1 電源電源是維修系統乃至整個機床正常工作的能量來源，它的失效或者故障輕者會丟數據、造成停機。重者會毀壞系統局部甚至全部。西方國家由于電力充足，電網質量高，因此其電氣系統的電源設計考慮較少，這對于我國有較大波動和高次諧波的電力供電網來說就顯不足，再加上某些人為的因素，難免出現由電源而引起的故障。

4.2 數控系統位置環故障

4.2.1 位置環報警可能是位置測量回路開路；測量元件損壞；位置控制建立的接口信號不存在等。

4.2.2 坐標軸在沒有指令的情況下產生運動。可能是漂移過大；位置環或速度環接成正反饋；反饋接線開路；測量元件損壞。

4.2.3 機床坐標找不到零點可能是零方向在遠離零點；編碼器損壞或接線開路；光柵零點標記移位；回零減速開關失靈。

5.結束語

數控機床故障診斷及維護在內容、手段和方法上與傳統機床有很大的區別，具備數控機床故障診斷技術是正確使用數控機床的基礎。維修好數控機床，充分發揮設備的使用功能具有極大的經濟價值和社會意義。

參考文獻

[1]丁乃建.近幾年數控系統發展的特點[J].世界制造技術與裝備市場，2000

[2]孫漢卿.數控機床維修技術[M].北京：機械工業出版社，2000