數(shù)控機床機械故障策略研究*

雷海峰，柳光利，楊 陽

（重慶機電職業(yè)技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶 402760）

隨著我國工業(yè)水平的不斷提升，企業(yè)的競爭壓力不斷增大，為提高企業(yè)的核心競爭力，各個企業(yè)都相繼引進先進的生產(chǎn)設(shè)備，不斷提升自身生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。數(shù)控機床是機電一體化生產(chǎn)過程中的常用設(shè)備，集氣動、液壓及機床、計算機、電機、自動化控制等功能于一體，智能化水平較高，能大幅提高企業(yè)的生產(chǎn)能力。但也因為數(shù)控機床的構(gòu)成比較復(fù)雜，某一部分一旦出現(xiàn)故障，就會對整個數(shù)控機床機械的加工精度造成影響，甚至?xí)斐蓹C床停機或暫停生產(chǎn)。因此，機械設(shè)備管理人員應(yīng)總結(jié)工作經(jīng)驗，在施工生產(chǎn)過程中，應(yīng)用先進的管理技術(shù)，深入了解數(shù)控機床在運行中經(jīng)常發(fā)生的故障類型，扎實掌握故障的診斷和維修方法，準(zhǔn)確診斷數(shù)控的運行狀態(tài)和故障情況，及時地維修，才能保障數(shù)控的運行質(zhì)量，獲得最佳應(yīng)用效果。

1 數(shù)控機床故障類型

1.1 主軸運行故障

1）精度和設(shè)計不滿足相關(guān)要求。數(shù)控機床多用于加工精密、復(fù)雜、小批量的零部件，對生產(chǎn)精度的要求很高，若加工零部件過程中精度與設(shè)計要求不符，會使主軸始終處于沖擊狀態(tài)，進而影響后期安裝時的牢固度，會對數(shù)控機床的運行質(zhì)量產(chǎn)生影響。為規(guī)避該類情況的發(fā)生，機械設(shè)備管理人員應(yīng)充分重視數(shù)控機床的精度和導(dǎo)軌的精度，在運行中定期檢查精度，判斷數(shù)控機床系統(tǒng)是否處于正常運行狀態(tài)，結(jié)合數(shù)控機床的運行狀態(tài)和出現(xiàn)的問題進行針對性處理。

2）切削震動過大。數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)也可能在運行中出現(xiàn)故障，主要誘發(fā)原因有以下幾點：第一，軸承間距過長，連接緊實度不足；第二，軸承及主軸箱未按標(biāo)準(zhǔn)要求安裝；第三，因螺絲松動等原因造成主軸箱、立柱及床身分離。

造成切削震動過大的原因較多，應(yīng)根據(jù)實際情況采取針對性的處理措施。主軸箱可能在運行過程中產(chǎn)生較大噪聲。為減少噪聲對正常生產(chǎn)造成的干擾，應(yīng)將主軸箱的噪聲控制在78 dB以內(nèi)[1]。若數(shù)控機床在接電運行后，主軸箱產(chǎn)生的運行噪聲遠(yuǎn)高于78 dB，則有極大可能出現(xiàn)故障。引發(fā)主軸箱故障大多由于主軸箱內(nèi)零部件未能均衡設(shè)計，使各零部件未能均衡穩(wěn)定地工作，造成傳動帶長度不均。一旦主軸箱在運行中有異常表現(xiàn)，應(yīng)及時檢查或更換軸承或傳送帶，并調(diào)整間距情況。

3）主軸過載。數(shù)控機床機械在完成強力切削作業(yè)任務(wù)時，若電流頻繁發(fā)生正反轉(zhuǎn)動作，數(shù)控機床會在自我保護機制的作用下發(fā)出過載報警。以XH714型立式加工中心為例，若其運行中頻繁地發(fā)出過載報警，Z軸中電流過高，停機降溫不能徹底根除該故障。若想解決該問題，首先應(yīng)確認(rèn)故障的產(chǎn)生部位，分隔開機械主體和Z軸電動機，接通電源使機械運行，若運行一定時間后過載報警未出現(xiàn)，則表示故障是由于機床負(fù)荷異常引起，則應(yīng)通過調(diào)整Z軸絲杠緊固螺母或Z軸鑲條螺栓的方式，改變機械絲杠的過緊狀態(tài)，緩解機床負(fù)載，從而消除故障。

1.2 運動系統(tǒng)的常見故障

1）滾珠絲杠的副噪聲問題。引發(fā)該種故障的原因較多，如未能對絲杠及時地潤滑保養(yǎng)、絲杠滾珠經(jīng)過長時間使用后發(fā)生磨損或老化、杠支軸承損壞等，若發(fā)現(xiàn)滾珠絲杠出現(xiàn)副噪聲情況，應(yīng)及時安排機械維修人員排查以上誘發(fā)原因，調(diào)整軸承蓋，保證軸承蓋能壓實軸承端面。還應(yīng)根據(jù)實際情況添加潤滑油，或更換老化及損壞的滾珠，以確保滾珠絲杠能高效運行。

2）滾珠絲杠在運行期間的靈敏度較差。出現(xiàn)該種情況的原因是滾珠絲杠的負(fù)載過高，使絲杠未與導(dǎo)軌保持平行狀態(tài)。此時，應(yīng)根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)軸向間距，強化滾珠絲杠的負(fù)載能力，使絲杠和導(dǎo)軌能始終處于平行工作狀態(tài)。

1.3 導(dǎo)軌運行中的故障

1）導(dǎo)軌研傷故障。若數(shù)控機床機械在運行中產(chǎn)生研傷，可能會大幅增加數(shù)控機床機械的床身和地基局部的負(fù)載，對機械造成嚴(yán)重的損害。同時，短時間內(nèi)多次使用數(shù)控機床機械，也可能造成機械的損耗。此時，應(yīng)加強對導(dǎo)軌的管理與維護作業(yè)，用潤滑油潤滑保養(yǎng)數(shù)控機床機械，保證其處于健康的運行狀態(tài)，減少導(dǎo)軌破損的概率。

2）導(dǎo)軌運行過程中未能最大化發(fā)揮零部件的應(yīng)用價值，加工區(qū)域平整度不符合運行規(guī)范。處理該類問題時應(yīng)充分考慮現(xiàn)場實際條件，詳細(xì)分析不同情況的產(chǎn)生原因，控制允許誤差值，更換綜合性能和質(zhì)量都更好的零部件。

2 數(shù)控機床故障診斷方法

2.1 油樣分析檢測方法

數(shù)控機床機械在運行中多采用潤滑油和液壓油潤滑及保養(yǎng)，減少機械異常摩擦情況，延長設(shè)備的使用壽命。所以，潤滑油和液壓油的質(zhì)量可能對數(shù)控機床機械的運行狀態(tài)產(chǎn)生影響，分析油樣對保障數(shù)控機床機械的運行質(zhì)量的影響具有非常重要的意義。通過分析油樣數(shù)據(jù)，還能反推對數(shù)控機床機械正常運行產(chǎn)生影響的各類因素，如分析油樣數(shù)據(jù)、使用過的油樣中碎屑的成分、使用潤滑油或液壓油進行養(yǎng)護后機械零部件的現(xiàn)行狀態(tài)等，反推各類故障的發(fā)生原因，幫助維修人員準(zhǔn)確地判斷故障發(fā)生位置，及時維修故障。

2.2 無損探傷檢測方法

無損探傷是一種新型的數(shù)控機床機械故障檢測方法，該故障診斷技術(shù)能在數(shù)控機床機械正常運行過程中檢測故障點，使維修人員能在不影響生產(chǎn)的情況下發(fā)現(xiàn)數(shù)控機床機械的傷痕位置，為后續(xù)數(shù)控機床機械的檢修提供數(shù)據(jù)支持。但應(yīng)用該檢測方法時應(yīng)注意，需要保證數(shù)控機床內(nèi)無危險源存在。

2.3 機械振動檢測方法

應(yīng)用機械振動檢測方法的前提是檢修人員需要對數(shù)控機床機械的運行狀況有充足的了解，才能判斷數(shù)控機床機械是否處于正常運行狀況，判斷機床是否存在異常情況、速度檔位是否產(chǎn)生變化等[2]。其次，維修人員應(yīng)檢查機床和機床零部件質(zhì)量是否達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并檢查數(shù)控機床機械設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計圖紙和軸承分布圖紙，確認(rèn)零部件質(zhì)量和設(shè)計方案具有高度科學(xué)性。最后，在采用機械振動檢測法檢測數(shù)控機床機械的故障時，應(yīng)根據(jù)信號和設(shè)備的詳細(xì)位置，選用相應(yīng)的傳感器，以先高后低的次序測試，調(diào)增放大器的增益，確保數(shù)控機床機械設(shè)備能一直接收到良好的信號。

2.4 實用診斷法

實用診斷法是通過常規(guī)工具廣泛性地檢查數(shù)控機床機械，結(jié)合檢查人員自身的工作經(jīng)驗和感官體驗初步判斷數(shù)控機床機械可能存在的故障。實用診斷法的診斷原理與中醫(yī)類似，也使通過望、聞、問、切等排查故障發(fā)生位置和發(fā)生原因。

望，是觀察數(shù)控機床機械的運行表現(xiàn)，觀察數(shù)控機床機械表面及可觀測的系統(tǒng)位置中是否存在變形、磨損的部分；聞，即為聽音，通常情況下，數(shù)控機床機械在運行中發(fā)出的聲音應(yīng)始終保持均勻、穩(wěn)定的發(fā)聲規(guī)律，若在聽音中發(fā)現(xiàn)運行聲音雜亂、毫無規(guī)律，或偶有金屬撞擊聲音出現(xiàn)，則表示數(shù)控機床機械內(nèi)部可能出現(xiàn)零部件松動、變形等問題；問，除依據(jù)自身工作經(jīng)驗觀察數(shù)控機床機械的運行狀態(tài)，還需要對機械設(shè)備的操作人員詢問數(shù)控機床機械的異常表現(xiàn)，操作人員與機械設(shè)備長時間接觸，對機械的異常情況敏感度更高，故障診斷人員往往能依照操作人員對問題的描述推理出故障的發(fā)生位置和發(fā)生原因；切，觸摸機床，感受機床是否在運行過程中表面溫度過高，是否振幅過大、是否出現(xiàn)箱體爬行等情況；嗅，若數(shù)控機床機械已經(jīng)產(chǎn)生故障，多數(shù)會發(fā)生局部溫度異常升高的情況，此時內(nèi)部零部件可能在高溫的影響下產(chǎn)生焦糊味道，故障診斷人員可通過查找焦糊味道來源，查找故障的發(fā)生位置。

3 數(shù)控機床故障診斷方法應(yīng)用的建議

3.1 依據(jù)相關(guān)原則實施診斷，保證診斷的規(guī)范性

1）先內(nèi)后外的檢測原則。當(dāng)數(shù)控機床機械出現(xiàn)故障后，應(yīng)及時地檢測故障發(fā)生位置，檢查數(shù)控機床的方式可應(yīng)用望、聞、問、切等，如檢測零部件質(zhì)量和溫度、靈敏度和油污，以及傳感設(shè)備、開關(guān)、電路板等各類部件的運行狀態(tài)。

2）先簡單后復(fù)雜的檢測原則。由于數(shù)控機床機械的故障類型較多，若數(shù)控機床機械運行異常是由于多個故障交雜共同引發(fā)的，會大幅增加故障的處理難度，此時，可優(yōu)先處理相對簡單的故障，減少綜合故障的處理難度，提高故障的檢修效率。

3）先機械后電氣的檢測原則。機械類故障的表現(xiàn)形式更加直接和明顯，所以，在對故障進行處理時應(yīng)優(yōu)先處理機械類故障。另外，很多電氣故障的發(fā)生原因都是由機械故障引發(fā)的，優(yōu)先處理機械故障也能相應(yīng)降低電氣故障的診斷和維修難度。

3.2 明確故障的類別及內(nèi)容，科學(xué)選擇診斷方法

通常從性質(zhì)和種類上對數(shù)控機床機械的故障類型進行分類，性質(zhì)上的故障有確定性和隨機性兩種故障類型；種類上的故障分為機械類和電氣類故障兩種[3]。在診斷數(shù)控機床機械的故障類型時，應(yīng)先分析故障的總類別，在總類別條件下選用針對性的診斷方式，如上文已經(jīng)介紹的油樣分析檢測法、無損探傷檢測法、機械振動檢測法等，提高故障診斷質(zhì)量。隨著國內(nèi)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，多種新型的故障檢測方法被不斷應(yīng)用到數(shù)控機床機械診斷工作中，有效提高了數(shù)控機床機械故障診斷效率。檢修人員應(yīng)在工作中，根據(jù)數(shù)控機床機械情況，積極地將先進的檢測方法與傳統(tǒng)檢測方法進行有機的結(jié)合，提高故障診斷質(zhì)量。如，可用自動化診斷方式，在CNC系統(tǒng)接通電源后，由CNC系統(tǒng)的內(nèi)部程序?qū)?shù)控機床機械的故障進行自動檢測和診斷，通過此方法不需要斷電停機操作數(shù)控機床機械，對數(shù)控機床機械的正常生產(chǎn)影響較小；還可選用在線檢測方法，自動檢測和診斷與CNC裝置關(guān)聯(lián)的各個單元及數(shù)控機床機械內(nèi)外部設(shè)備的運行情況和故障。

3.3 規(guī)劃故障診斷流程，精準(zhǔn)判斷故障點

數(shù)控機床機械的診斷流程為：觀察故障表現(xiàn)—確定故障范圍—排查故障點[4]。在診斷故障的過程中，應(yīng)依照此流程有效地排查具體故障點，能最大化提高診斷的準(zhǔn)確性。同時，檢修人員也應(yīng)在診斷過程中做好以下細(xì)節(jié)工作。

1）分析機床故障。采用望、聞、問、切等方法初步觀察和判斷數(shù)控機床機械的基礎(chǔ)故障，最大化調(diào)動自身的各個感官，提高故障診斷準(zhǔn)確性[5]。

2）確定故障范圍。結(jié)合故障表現(xiàn)劃分故障的發(fā)生范圍，并根據(jù)數(shù)控機床機械的實際表現(xiàn)逐漸縮小故障范圍，直至找到精準(zhǔn)的故障發(fā)生位置。

3）查找故障點。排查故障點應(yīng)遵循由易到難的檢查原則，做好故障診斷流程規(guī)劃，才能更高效地判斷和排查故障點的位置[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，數(shù)控機床對促進我國工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義，但是數(shù)控機床機械在實際作業(yè)中受多種因素的影響，常會發(fā)生故障，若不能及時有效判斷及排查故障的發(fā)生位置和發(fā)生原因，會極大程度地影響數(shù)控機床生產(chǎn)效率。因此，提升數(shù)控機床機械故障的診斷水平，能最大化提高我國工業(yè)生產(chǎn)效率。在實際診斷數(shù)控機床機械故障時，應(yīng)遵循不同的診斷原則精準(zhǔn)地判斷故障類型，提高排查故障點的效率及診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。