數控機床機械故障診斷方法的研究及應用

言帆

摘 要 查找故障原因一直是數控機床故障維修的難點。要找出故障原因， 不但需要大量的理論知識及實踐經驗，還必須掌握科學的方法和專業的技術。以下介紹兩種維修中常用的診斷方法分別是“實用診斷法”和“現代診斷法”。

關鍵詞 數控機床 機械故障 診斷

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.08.012

Research and Application of Mechanical Fault Diagnosis

Method for NC Machine Tools

YAN Fan

（Changjiang Institute of Technology， Wuhan， Hubei 430212）

Abstract Finding the cause of trouble has been the difficulty of CNC machine tool maintenance. To find out the cause of the fault， not only a great deal of theoretical knowledge and practical experience are needed， but also scientific methods and professional techniques must be mastered. The following two common diagnostic methods used in maintenance are "practical diagnosis" and "modern diagnosis".

Keywords numerical control machine； mechanical fault； diagnosis

我國工業化水平的提升，工業機械設備也逐漸形成大型化、精密化和自動化的發展趨勢。高科技機械的數控機床更是常用于機械制造的工廠，發生故障后要經過仔細的設備檢查和一些專業的處理方法。機械故障可以通過系統的異常或者對設備零件的逐一排查來找到故障點。對于機電一體化的數控機床來說，大部分是由機電內部的問題引起設備故障。所以掌握自動化機械內部診斷方法，關于對數控機床設備的故障排查有很大作用。

1 對診斷機床設備故障的研究情況

機械化生產設備的發展對精度要求更高、設備也變得大型化， 傳統的維修方法已經難以適應機械發展。人們更關注的是設備使用中應該如何監測以及怎樣進行故障診斷。可以在運行中的由系統顯示數據信息來辨別機床運行狀態是否正常，根據這些獲取的信息來判斷故障的性質，排查故障部位，分析故障原因，還可以根據系統發出的報警提示來制定相應操作。自上世紀以來，故障診斷技術都在不斷更新，更專業的檢測技術和新方法被提出，如今形成了學科體系。這是以故障機理以及技術檢測為基礎，系統發出報警信號怎樣辨別，實踐性非常強，依托高新技術發展的工程技術學科。

2 分析設備結構和研究故障的原因

數控機床是高精密設備結構非常復雜，由機床基礎零件、傳送零件、定位結構和具有輔助功能的系統、機構，以及一些具有特殊功能的機構配置組成。數控機床是自動化程度極高的大型機械設備，一般只需要在開始設定是需要人為操控。而在運行過程中是基本不用人員操作的。數控機床應滿足以下要求——具備一定程度的剛度，在運行過程中應有良好的抗震功性；有一定的熱穩定性，因為在運行過程中機械運動會產生一定的熱量。數控機床是一種對精密度要求很高的設備，在操作方面有安全防護機制。由于數控機床是涉及到機械和電氣結構的大型設備，在出現故障時可以對機械部分和電氣部分逐一排查。根據以往經驗表明，大部分數控機床出現故障關鍵在于零件磨損，這也可能是由于設備精度下降造成的。所以，在故障原因排查過程中可以先有機械方面開始檢查，再檢查電氣方面的故障。

3 機床設備故障排查的依據

3.1 仔細調查故障現象

故障診斷可以從兩個方面入手：首先是檢查對操作者操作，仔細詢問發生故障的整個過程，有何現象，期間采取了什么措施。這需要操作者如實回答。還有一點，根據現場情況的觀察，包括設備外觀，CRT顯示的內容＼各個印刷線路板上報警信息提示、有沒有損傷的痕跡，任何一點小小的瑕疵都不能放過。在安全確認的情況下通電源，并按復位鍵，看看此時系統是否正常，看報警是否可以消失；可以就證明故障多為隨機發生。也不排除是操作失誤引起的。

3.2 仔細分析發生故障的具體原因

CNC系統發生故障，經常是同一現象、發生同一報警信號但是有很多因素引起的，可能是在機床上的零件磨損，但現象是反映在系統上。所以在排查故障的具體原因時，思路不可局限，不管是CNC系統、或是集成電器，還是機械零件，把所有可能造成設備故障的因素統統列舉下來。然后根據綜合分析判斷和最終可以明確最有可能造成故障的因素，要通過嚴格的檢測才能直接找到故障點并修復。數控機床設備在電氣方面故障可根據性質、現象、因素或結果等進行劃分。（1）故障發生的具體位置，分為硬件方面故障和軟件故障。硬件就是指電子元器件、電路板、電線電纜、連接插件出現損壞，經過維修或者重新替換后才可正常運行。對于軟件故障是說PLC的控制程序中出現錯誤，需要人工新輸入或修改某些程序才能恢復設備正常狀態。軟件故障比較棘手，有的甚至會造成數據丟失這解決辦法只能與生產廠商或其服務機構聯系才能排除故障。（2）以故障出現時是否有提示，劃分為有診斷指示故障和無診斷指示故障。系統本身是有自診斷功能的，可以監控整個系統的軟、硬件功能，發生故障會有報警和一些簡要的提示，可以根據提示信息解讀到故障發生的間接原因，甚至還可以直接找到故障發生部位。

4 數控機床傳統故障檢測方式

關于數控機床的機械部分的故障可分三過程診斷：（1）辨別數控機床的是否正常工作，有無存在異常現象。（2）對運行過程中顯示的數據進行動態觀察看有報警情況。（3）根據機床的數據顯示大概可以知道未來一段期間內數控機床是怎樣的運行情況。熟練的工作人員可根據機床機械部分的一些參數顯示就能判斷是否故障，以及查出故障點在哪。基本上是包括機床的振動、運行溫度是否在合理范圍內。如果特征值是在規定范圍內，就證明數控機床是沒有什么大問題；一旦數據或者特征出現異常情況，就說明設備是存在一些故障。還可以通過以下幾個方面進行診斷。

4.1詢問

當接到機床故障的消息時，應立即趕到到機床使用地點，首要是找到操作者詢問故障期間的真實情況，這很關鍵，要了解這次故障是偶然突發的還是歷史遺留問題。操作者在現場提供的消息對進行下一步的調查故障原因是很重要的。一般會從幾個方面進行詢問：（1）數控機床之前是否經常出現的故障是哪些；（2）機床設備在啟動時有什么不正常的情況；（3）發生故障后加工的工件的精度是否與原來相比有很大差別；（4）詢問機床的保養情況；（5）機床的傳動系統是否正常運行。有沒有出現速度不均勻的現象。

4.2細看

大概了解日常情況后，維修人員在到設備使用地還需要進行勘察，仔細觀察機床以下方面情況：（1）機床零部件是否有磨損的情況。這很容易就可以發現，按理說每周定期檢查的話可以在記錄表中就可以找到，因為磨損是經過一段時間才會引起故障。要做好記錄，可能看似不起眼的零件就能導致整個機器的故障；（2）看工件。機床的精度是非常高的，可以加工出來的產品質量來識別機床故障程度。甚至可以縮小排查范圍，尺寸問題就有可能與傳動系統有關。對于表明有波紋的產品要看波紋數與機床主軸傳動齒輪是否一致；（3）看變形。通電運行的機床滾珠絲杠、傳動軸有沒有發生變形；帶輪和齒輪的端面有沒有跳動的現象；（4）看轉速。傳送帶的速度是否均勻，要是速度異常可以看看齒輪有沒有什么缺失；（5）看顏色。機床的主軸和軸承轉動異常時，會出現發燙的現象，長期如此機床顏色變泛黃。此外還要注意油箱以及冷卻液有沒有雜質的介入或者高溫使顏色變得奇怪。

4.3 傾聽

正常運行的機床在工作狀態下發出的聲響是有規律的，并且是持續穩定的。而不正常的機器在運行是可能會出現雜音。或者是設備斷斷續續的聲音。比如可以從以下方面聽這些異聲：（1）一些零件的損壞是在內部，很難發現。這是可以使用小手錘擊打零件聽是否破損，有裂紋的零部件發出的聲音是沉悶的；（2）撞擊聲。在不敞亮的環境下有間斷沖擊聲，可能是由于螺絲松動或有物體撞擊導致的；（3）摩擦聲。機器在運行過程中要是由于零件松動，與另一部件發生接觸可能會有尖銳的摩擦聲。（4）泄漏聲。對于漏氣孔較小，會聽到嘶的一聲。持續時間長，常見的是漏氣、漏液。

4.4 觸摸

用手觸碰也能判斷機床故障點：（1）繼續在運行時如果長時間摩擦會感覺發燙；（2）用手觸摸，有震感，這可以排查機械部分的故障問題；（3）如果感覺到有爬行，可能是潤滑油不夠，或者是液壓系統有空氣進入；（4）檢查手輪或轉動主軸，觀察它們的松緊程度是否合適，可以初步判斷這些部件是否有問題。

4.5 嗅覺

這個基本用不到但還是簡單介紹一下，如果聞到濃烈的油煙氣、或者焦糊味，先找出產生的部位，可能是電氣原因造成線路短路。

以上是常用的診斷方法，成本少、操作簡單，在日常維修中也是經常使用。也可以根據自己的實際情況不斷積累經驗完善檢驗流程。

5 全新的診斷方式

5.1 油樣分析法

在數控機床在工作中會用到潤滑油和液壓油。大量的數控機床信息可以直接通過油樣分析結果就可以得到。設備使用過程中會出現摩擦的現象，潤滑油可以減小摩擦。潤滑油是用在機床內部的，使用過程會產生一些的碎屑，一些機械零件的磨損程度可以通過對潤滑油的檢驗分析就可以識別，也能分析找出零件磨損位置。

5.2無損探傷法

無損探傷法完全是高科技術的故障排查方法，保障機械完好的情況下，對機械內部和外部進行“體檢”，可以快速找到傷痕部位，這對于數控機床的傳統排查方式有突破性的發展。但要確保機械內部是沒有危險源的情況下才可使用。

5.3其它現代診斷法

主要借用現代科技對設備進行非破壞性監測包括溫升監測、噪聲譜分析、振動監測、油液光譜分析等，根據定量和定性的分析判斷，逐一找出故障原因。可以由如下方面找出故障點：（1）關于溫度監測方面。利用溫度探頭，在指定位置固定好分別測量運行軸承，電機和齒輪箱等表面溫度變化；（2）非破壞性監測。探傷儀可以監測到體內部的缺陷，找到裂紋或損傷零件等；（3）噪聲譜分析。通過精密儀器聲波儀對齒輪發出的噪聲信號進行頻譜變化分析，從而判斷齒輪磨損情況。

6 結論

查找故障產生的原因是靈活多樣的，不是生搬硬套，這也是數控機床發生故障維修棘手的地方。而要查明原因，首先要具備豐富的基本知識和豐富的實踐經驗。一定要有正確的指導方法，不能隨心所欲，不然可能會做出錯誤的判斷和進行錯誤的操作。

參考文獻

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