數控機床健康狀況監測的關鍵技術分析

吳華江，吳 瑞

（中國航發貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴州貴陽 550009）

0 引言

隨著國內經濟與科技迅速發展，數控機床得到廣泛應用。數控機床結構不斷優化，雖能夠提升企業的生產工作質量與效率，卻很容易導致故障出現。一旦數控機床出現故障，不僅會導致企業受到較大經濟損失。嚴重時，會導致安全事故出現。如何使數控機床穩定運行，最大限度規避故障出現，就要結合企業生產與數控機床需求，在數控機床機構基礎之上，構建數控機床預警系統，對數控機床[1]健康狀況加以監測，并對關鍵技術進行分析。只有這樣，才能在數控機床出現故障時，更好地對數控機床進行維護。進而在提高生產效率同時，保障安全生產工作。

1 數控機床研究意義

數控機床的可靠性，對企業的生產運營極為重要。但是，由于多數的數控機床維修工作與計劃，多為事后維修。也就是說，在故障發生前，數控機床故障難以預測。如果，數控機床在運行過程中，出現嚴重故障，不僅會導致停機，甚至會導致機床嚴重損壞。隨著現代技術不斷發展與進步，數控機床健康監測技術被重視。在數控機床健康監測關鍵技術中，采用視情維修，是數控機床健康監測技術[2]發展必然趨勢。此種維修方式，不同于傳統維修技術。可以在數控機床實際運行過程中，采取主動預防與維修技術，能夠針對數控機床可能存在的故障，及時進行預警，或是采取相應維修方式。此種維修方式，可以有效保障數控機床健康運行，最大限度規避故障出現。提前預警數控機床故障，不僅能提升企業工作效率，更能保障設備無故障、無不合格產品，能夠有效維護數控機床穩定運行，進而提升企業工作效率與質量，促進企業持續發展，推動社會經濟進步。

2 數控機床誤差模型構建

2.1 綜合幾何誤差模型

對數控機床健康狀況關鍵技術加以分析，首先，要基于多體理論基礎，在這一基礎之上，構建無幾何誤差模型。數控機床的刀具與工件，在機床坐標系中的相對應位置，這一誤差部分，決定數控機床加工的精準度。所以，在數控機床幾何模型構建過程中，要針對兩者存在的關系，也就是誤差補償理論依據。誤差模型確定下來，可以決定不同的測量方式。所以，在現有條件下，為了提升數控機床測量精準度，要基于此構建誤差模型，在具體的模型構建工作中，根據模型求解間獲得數控機床實際運行過程存在的誤差點。在模型構建過程中，要根據結構，也就是較為常見的五軸數控機床。五軸數控機床，可以分為雙轉臺類型[3]、雙擺頭類型以及回轉/擺動類型。在模型構建前，要對不同數控機床運動模型加以分析，并根據數控機床初始位置，對數控機床各軸進行操作，使其直線軸兩兩正交，才能確保數控機床旋轉軸處于正交關系，進而達到垂直平行。

2.2 數控機床誤差數學模型

要想更好地滿足企業發展需求，就要在企業生產中，合理應用數控機床，不斷優化數控機床技術、結構與精度，全面提升數控機床的精度指標。只有這樣，才能最大限度降低誤差。對于此，相關學者與專家，對數控機床精度進行大量測試。數控機床的精度測試的基本方法與原理可以分為兩大類。①機床單項誤差測量方式；②應用數學模型求解得到的綜合誤差辨別方式。由于第一種測量方式，所需的成本較高，而測量效率相對較低，并沒有得到廣泛應用。而第二種測量方式，是數控機床測量辨識主要方式，但是，由于該項測量方式，需要進一步考證與研究，并沒有得到廣泛應用。這也意味著，在具體的測量誤差工作中，還需大力研究直線軸與旋轉軸，只有對直線軸與旋轉軸進行全面分析，才能提升數控機床應用穩定性。原始誤差的辨識方式，主要是在數控機床空間內，對特定點進行定位，并對誤差問題進行分析。將得到的數據進行整理，構建誤差計算數學模型，并在這一過程中，對數學模型進行求解。只有這樣，才能確定直線軸內部的原始誤差數據，并將此作為主要測量數據。此種測量方式，不僅效率高，其成本更低。而就先位移方式，是較為常見誤差辨別方式。該方式相對簡單，隨著不斷發展得到廣泛應用。借助此種測量方式，可以有效降低光路調整難度，最終提升測量效率，優化數控機床誤差各項的辨識度，提升誤差辨識精度。

3 多元融合模型研究與構建

3.1 多元信息融合基本原理

除去上述構建模型，提升數控機床穩定性，借助模型，對數控機床健康狀況加以監測。在具體的工作中，還應構建良好預警系統，借助傳感器，對多樣化數控機床數據進行收集與整理，并基于數據基礎，對數控機床運行進行評估工作。所以，在具體的工作之中，要根據不同的信息融合層次，對其進行詳細劃分，再基于模糊集合證據理論，對數控機床故障因素以及性能退化因素加以分析。只有這樣，才能結合數控機床實際情況，對影響數控機床穩定運行因素進行監控。首先，要想構建故障預警系統，就要將多傳感器信息進行融合，并確保信息融合處，可以對收集信息進行合理支配與應用。同時，要對信息進行合理優化與組合。結合數控機床實際情況，借助信息之間的互補，產生更有效、更有價值信息，可以提升數控機床健康智能監測技術，提升其檢測結果可靠性。此外，要結合多融合技術，對故障進行診斷與預警。同時，要基于融合后的設備運行狀態信息，對設備故障問題加以診斷。為保證數控機床穩定運行，對故障問題進行預警。必要時，可以應用實時性監測，對設備運行狀態加以監管。此種故障診斷方式，需要手機大量數據。所以，在具體工作之中，需要不斷從數據中進行提取，并構建特征分類器，對數控機床狀態進行識別，進而滿足維修決策需求，對故障進行處理。

3.2 結合證據理論對數控機床健康狀況進行評估

對數控機床健康狀況進行檢測，檢測數控機床存在的故障，需要借助多融合技術，借助多融合技術，可以對數控機床整體情況進行評估。數控機床是由多個零部件組成，單一的零部件，并不具備代表性，難以呈現整個設備的健康狀況。單一的某零部件出現問題，并不能明確數控機床整體健康狀況。所以，應借助多融合技術，應用傳感器，對數控機床零部件性能加以監測，并對零部件狀態進行具體評估。只有權衡多種因素，結合不同數據進行綜合性分析，才能從局部延伸到整體。此外，在數控機床零部件評估工作中，除去要參考零部件本身因素，還需考量不同環境問題，采取更為多樣的考核方式，更好地對故障進行診斷。最后，要在數控機床動態監測工作中，監控系統要具有一定容錯能力。也就是說，監控系統要在噪音、測量誤差等多方面因素影響下，應用融合技術，不斷提升監測精準度，更好地掌握數控機床整體情況，對數控機床健康狀況加以評估。

4 借助大數據對數控機床關鍵部分進行診斷

4.1 構建滾動軸承故障診斷模型

要想對數控機床健康狀況進行全面監控，首先，要對產生的數據加以監管。數控機床監測數據極為龐大，且較為復雜。目前的故障預警方式，很難解決數控機床存在的故障，做好數控機床健康狀況預警工作。所以，要想不斷提升數控機床預警能力。在實際的工作中，就要對數控機床關鍵技術進行監測。滾動軸承作為數控機床重要構成部分之一，是數控機床關鍵部件。數控機床內部的滾動軸承運轉精度，能夠直接決定數控機床整體精度性能。對數控機床故障因素加以分析，造成數控機床出現故障主要與滾動軸承相關。滾動軸承由于在數控機床操作中，所面對環境以及工作狀態相對復雜，很難借助數學模型構建，對滾動軸承故障問題進行診斷與預警。而且在沒有相關專家以及專業人員指導情況下，亦難以合理應用歷史數據，挖掘其中存在的隱藏問題。現代科技發展極為迅速，要想提升數控機床健康狀況監測能力，可以在實際的工作中，結合大數據環境，融合多種相關異構狀態監測數據，應用分布式技術，借助集群滾動軸承[4]故障進行建模。構建故障預警模型。在該模型構建過程中，需要對不同數據進行采集，并將得到的數據進行整合。數據主要來源于數控機床系統內部，并在多個傳感器作用下，收集不同數據，進而對數控機床零部件實際情況加以監測。

4.2 滾動軸承故障預警方式

對滾動軸承故障進行預警以及分析，需要借助多種歷史數據，并針對當前的故障主要特征，對數控機床退化問題進行全面分析。該項技術的關鍵部分，主要在于挖掘故障的狀態以及對故障類型進行識別。首先，可以應用小波包分解方式，對不同信號進行處理，并根據不同信號特征，提升信號特征量。同時，可以記住模糊C均值聚類，對數控機床滾動軸承不同模糊狀態加以識別，并在這一過程中，不斷拓展研究，對數控機床故障特征加以提取。

5 結束語

數控機床自出現后，逐漸被廣泛應用，并且隨著現代技術發展與進步，數控機床逐漸應用在更多領域，例如航空航天、汽車以及船舶等重點行業中。隨著技術不斷發展以及社會各界關注，數控機床結構不斷完善，具有更高運行能力。但是，在這一過程中，數控機床穩定運行，對數控機床故障因素加以診斷，需要得到重視。所以，在實際的數控機床健康狀況監測工作中，要對數控機床關鍵技術加以分析，并結合先進技術，更好地提升監測精度，優化監測方式。只有這樣，才能進一步提升數控機床監測能力，更好地提升監測質量，維護數控機床穩定運行。