數控機床調控與故障診斷系統的設計與實現

摘要：當今計算機信息時代，計算機理論已在各個領域得到了廣泛的、充分的運用，在它的輔佐下，科研成果的涌現也是有目共睹的。制造業也是國家經濟發展的重要領域，結合計算機技術對制造業朝運行高速、控制智能化、加工精度化等方向發展，已迫在眉睫。從而數控技術在生產領域中迅速的加以研制并得以應用。最耀眼的制造明星就是數控機床，它憑借精度高、經濟性能好的功能，在制造業領域里的御用成為閃耀的明星。數控機床的構造、功能比較復雜，在帶來高速發展的同時，也會有故障的困擾。本文就數控機床如何調控，故障出現時，如何排查，進行診斷、監測，做一簡要的概述。

關鍵詞：數控機床 精度 分析

伴隨著計算機網絡技術在各個領域的滲透，行業運行高速化、控制智能化、加工精度化等強大功能被各領域的精英所接受。制造業的數控設備也應運而生，運用最廣泛、最普及的就是數控機床。數控機床帶來的高效率、高品質得到了制造業的肯定，但隨之而來的是由于結構、程序復雜，出現故障難以監測，進行分析的問題，成為研究人員關注的焦點。

1 數控機床出現故障的主要癥狀

稱為“工業母機”的機床，是我國制造業水平的標桿。高精度，高柔性的數控機床被制造業廣泛的應用。但在應用過程中，操作不當或超負荷使用而帶來的故障也使得操作者們束手無策，嚴重影響了生產進度和生產效率，給社會經濟帶來損失。其故障歸納為下列幾項：

1.1 驅動部件的失效。伺服電動機是數控機床的驅動部件。最易發生故障的是異步型交流伺服電動機。在不同的部位，比如定子、轉子、軸承等部位，異步型交流伺服電動機的故障癥狀有所不同。匝間短路、絕緣體被破壞，就會出現斷條、偏心等故障；定子與轉子之間氣隙不均衡、轉子偏心使設備振動超速、導條與端環承受力分布渙散、軸承磨損、脫落等跡象都是電動機故障的原因之一。

1.2 支承部件的損壞。數控機床的支承部件是軸承。其中最重要的支承部件是滾動軸承。它是以規定的頻率運轉，由內圈、外圈、滾動體、保護架組成。滾動軸承分為彈簧與非彈簧的性質，承載剛度的變化，決定著滾動軸承的性質。也就是說，滾動軸承在承載時，各部件之間的振動及沖擊力所形成的頻率變化，按固有的頻率變化，滾動軸承體現為彈簧性質，否則就是非線性彈簧性質。非線性彈簧性質，導致軸承的磨損，甚至機器設備的損壞。

1.3 傳動設備的故障。傳動設備包括機床導軌、工作臺、溜板、滑座等部件。其中最關鍵的部件就是機床導軌，它與數控機床的加工精密度和機床的使用壽命息息相關，兩者具有一榮俱榮，一損俱損的緊密關系。最常見故障表現為導軌表面局部變形，使摩擦阻力發生變化，造成受力面積不均衡、運行部件潤滑不到位、機床零部件的誤安裝而顛簸等故障。

2 數控機床故障診斷系統的設計

數控機床的高效、精準、高柔的強勢，不可避免的也受到機器故障的困擾。針對數控機床的故障，設計對其主要部件的優化設計，建立一套完整的、靈活性、快速定位故障的系統。其中數控遠程網絡診斷與控制故障最受關注。

2.1 數控機床的自我診斷功能。目前，數控機床在研發過程中，利用檢測設備（精密水平儀、直角尺、精密方箱、測微儀、高精度主軸檢驗芯棒等）對故障源的直接測量，同時根據經驗采用望、聞、聽、問、摸等人工智能的方法來診斷電氣系統的故障。這種檢測故障的方式，稱為“硬診斷”。

2.2 信號分析方法在數控機床的運用。由于多臺機床的同時運作，并發故障的診斷，“硬診斷”是不能勝任并解決的，只有通過基于信號處理和邏輯推理來診斷，比如：機床的振動、溫度的變化、切削力的強弱等癥狀，采用信號處理，加以數據分析，來確診故障源的方法。

①傳統的信號分析法包括了時域分析法和頻域分析法。時域分析方法首先要確定系統的數學模型，依據研究信號的波形與時間變化的相互規律，對典型數據進行抽樣提取，利用系統的數學模型進行計算和分析，主要數學原理是傳遞函數等方法計算時域信號的平均值、峰值、標準偏差等。頻域分析方法是一種分析非正弦周轉性電路的基本方法，是動態數據分析法，是對信號分析處理的深化。

②時頻分析方法。較傳統信號分析方法，時頻分析方法克服了前兩種方法的不足。主要表現在可以多角度的觀察信號的變化，從特定局部頻率處的信號分析出特定局部時刻的信號。時頻分析方法的基本思想主要以較短時間間隔內的信號作為分析體，將這段時間視為理想的平衡狀態，將整個頻率域分為不同段的頻率域，用平穩的信號建立數學模型，然后再進行分析的方法。

3 遠程故障診斷系統的設計

隨著數控機床的大量運用，數控機床綜合了機械、液壓、電氣于一體，不論哪個環節出了故障，在短時間快速的定位，找到問題的癥結，是相當不容易的。利用維修工程師望、聞、聽、問、摸等方法，采用排除法去排除故障，不僅效率低下，而且可能有誤診斷的情況。利用遠程故障診斷系統來快速定位機床故障不失為一個好的思路。

3.1 建立硬件系統平臺。建立一個系統，首先要有個系統平臺。為了使平臺工作站達到為用戶搭建電路平臺，平臺工作站起著提供連接相關硬件的儀器的作用。當收集的數據、圖像待輸送到計算機資料庫，以便以后搜索、閱讀、取證，在信息傳達過程中，數據采集卡就充當了系統的硬件的重要角色。為了保證數據采集的精確性，減少數據的偏差，要選擇高精度、高分辨率、多功能的數據采集卡，同時也配備高質量的數據電線電纜用來傳輸信息。

3.2 系統開發，網絡化結構。基于目前社會網絡化已經形成，集合了設備診斷技術與通信技術、網絡技術等高科技信息技術的遠程診斷故障系統，成為了時尚的應用系統。它通過互聯網將機器設備與技術服務連接起來，維修工程師可以根據運行時的實時數據，計算分析出運行狀態，診斷故障，及時制定出故障的解決方案，快速通過網絡對機床的故障進行排除，提高了生產效率。

4 結束語

隨著數控機床的廣泛運用，建立數控機床故障診斷系統，對我國的制造業現代化建設起著推動作用，對設備故障實時診斷、連續監控，使企業生產效率提高，生產產品質量提升，增強我國數控機床在世界的競爭力有著不可估量的意義。

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作者簡介：舒曉春（1983-），男，安徽旌德人，碩士。