智能化數控機床故障診斷系統研究

熊江

(四川成飛集成科技股份有限公司 四川成都 610091)

對于數控機床來說，隨著使用時間的延長，將導致機床各個部位機能持續下降，進而增大數控機床的故障風險。當下所應用的多數高檔數控系統都包含了智能診斷系統，具有對電氣故障進行自我診斷的功能與優勢。在復雜的生產背景下，由于數控機床類型繁多，要想準確判斷故障類型仍存在較大困難，這也對維修人員自身素質水平有了較高要求。而受限于人工成本與人工的故障處理效率，就必須配合使用智能化數控機床故障診斷系統，以確保故障診斷與解決方案落實的及時性，以實現減少故障影響的最終目標。

1 數控機床故障診斷技術的發展概況

1.1 數控機床故障分類與特性

故障分類的基本條件主要包括故障部件、故障性質、報警有無、破壞性、發生原因、發生部位、發生時間、故障范圍以及故障過程，對數控機床發生的主要故障類型進行總結后，可以發現：電氣系統故障占比約37.5%，數控機床本體故障占比約37%，數控裝置故障占比約5.5%。其中，數控機床本體故障的主要部位為絲杠、導軌、氣動裝置以及主軸箱。

1.2 數控機床故障診斷方法

機械設備的故障診斷需要建立在實時監測基礎上，收集設備振動信號以及操作參數后即可明確故障發生的具體類型與產生原因，并制訂對應的解決方案，其也是對設備狀態進行預測的關鍵手段[1]。故障診斷的目的是將設備使用壽命予以延長，在將設備使用可靠性進一步提升的同時最大限度地降低維護成本。最為常見的數控機床故障判斷方法為直觀法，可根據機床所發出的聲音、氣味等現象對故障的具體類型進行判斷[2]。也可以充分利用數控系統的自我診斷報警功能，根據參數的具體變化選擇應用備件置換、測量比較以及故障樹分析等手段，繼而保證數控機床故障判斷的有效性。

2 數控機床故障機理分析

2.1 數控機床簡述

該文舉例數控機床為立式718 機床，其能夠加工多類型的、對精度有著較高要求且形狀復雜的零件，包括模具、葉片、支架、飛機零件等，具有效率與自動化程度均較高的優勢，其特性主要包括以下幾點。

2.1.1 主傳動系統扭矩較大

由于該機床包含了無極交流電機與滑移齒輪變速兩種主軸運動方式，使得其轉速范圍最低為35 r/min，最高則能達到3 600 r/min，最大的扭矩為795 N/m[3]。主軸組件精度較高，且在重錘平衡機與向心推力球軸承的輔助配合下，即使突然停電也不會影響到其余運作狀態，和傳統機床相比，其Z軸的響應性更佳。

2.1.2 換刀較為穩定且刀庫容量適中

該機床刀庫為鏈式，結構較為簡單且換刀準確性較高，在將非切削時間減少的同時能夠保證連續加工頻率。24把與32把的容量設置，讓其能夠根據實際需要自由選刀。

2.1.3 有著較為優越的傳動剛度

滾珠絲杠與高精度的聯軸節連接，使得三軸交流伺服電機能夠充分發揮其優勢，繼而將機床的定位精度予以提升[4]。在正式啟動數控機床前，需要事先預緊絲杠與螺母，繼而避免由于絲杠后續受熱膨脹所導致的位置偏差，從而將系統剛度提升。

2.1.4 有著較好的結構剛性

灰口鑄鐵是機床所使用的主要材料，無論是耐熱性還是穩定性均較高。因此，在針對機床做間斷切削的同時，也能夠將震動盡量減少[5]。再加上寬矩形導軌與十字工作臺的配合使用，使機床單位質量剛度得到進一步提升，為保證機床的整體剛性奠定基礎。

2.2 數控機床主要機械部件故障

2.2.1 主要故障部位

（1）主軸。主軸傳動機構、支承軸承皆是主軸的主要部件，也是確保機床精度的重要基礎[6]。作為主要的執行部件，主軸的作用是帶動刀具旋轉繼而進行零部件加工，因此其精度與最終的加工產品質量密切相關。主軸功率大小、回轉速率等決定了其工作效率，是否能夠發揮主軸的自動化優勢，與其變速效果、停換刀準確性密切相關，若主軸失效也將影響到數控機床的使用效率。（2）滾珠絲杠螺母。該部件決定了機床的進給系統的功能發揮，是將刀具回轉運動轉化為直線運動的關鍵部件。一旦滾珠絲杠螺母有變形趨勢，無論何種程度均會影響到機床加工精度與運行穩定性。（3）導軌。所有的部件均依托導軌進行運動，因此導軌在機床中導向與支撐作用的有效發揮極為關鍵。導軌質量與整體加工精度與機床使用壽命密切相關，其對運動平穩性以及靈敏性的要求較高，這就要求導軌需要維持部件運動時的無振動狀態，確保其在長期重負荷的流水線作業中依舊能夠保證其加工精度。

2.2.2 部件故障

（1）主軸故障。一是軸承有松動表現，從而導致其切削振動同時變大，噪聲較大；二是軸承損壞，或潤滑不足，從而延長主軸發熱時間；三是主軸齒輪箱損壞，導致齒輪之間嚙合間隙過大，產生較大振動。（2）導軌副。導致導軌損壞的原因較多，機床經過長時間使用將影響到地基與床身的水平狀態。再加上導軌長時間承受較高負荷，潤滑不良的情況頻頻出現，甚至導致機床維護不佳從而影響到導軌的單位面積負載情況，導致導軌磨損增大[7]。以滾動體故障為例，鑲條調節不當將增大滾動體的自身壓力，從而影響到導軌傳動的穩定性，導致其有振動或爬行現象出現。（3）絲杠副。若絲杠支撐軸承有損壞現象，將增大局部拉毛風險。或由于絲杠螺母產生故障，無論是由此誘發的滾珠破損還是反相器損毀，均會影響到其進給的靈活性，并同時有較大振動產生。

2.3 故障診斷流程

對數控機床進行診斷的基礎，為狀態實時性檢測、提取特征信號以及機床故障預測。獲取到被測設備信號后提取特征信號，對比正常狀態后基于故障數據庫明確故障類型并進行運行趨勢分析，最后制訂解決方案并將其及時落實到被測設備中[8]。具體流程為：由于被測機床處于實時運行狀態時，各個部件均會有能量與溫度的變化產生，從而發出變化信號；而各類傳感器在獲取信號后，即可對信號進行預處理從而將機床故障特征值予以提取，從而保證頻域與時頻域分析及時性；完成處理后的信號需要與正常參數相比較，繼而判斷是否有骨折光那出現，并分析故障產生原因；最后根據機床的運行狀態，制訂對應的故障解決方案以維持數控機床的穩定運行狀態。

3 智能化數控機床故障診斷系統的設計要點

3.1 系統整體設計

所涉及的系統可分為應用層、評估層、處理層，以及采集層這4 個層級。采集系統的作用，在于搜集位于機床各個部位的傳感器信號；處理層所使用的主要為信號處理技術，針對采集信號進行預處理以保證后續流程的展開順利性，其中選擇應用了去噪、濾波以及零均值化處理這3 種手段，用以提取機床故障特征值；評估層主要作用為建立模型，只需將特征值輸入神經網絡后即可展開訓練，進而識別到故障類型與其模糊狀態；應用層級可直接在軟件的作用下直觀看到機床的實時運行狀態，繼而保證機床故障定位的及時性。

3.2 傳感器

3.2.1 選擇

（1）振動傳感器。以INV9821加速度傳感器為例，其具有了極強的適應性，因此在應用于數控機床后充分發揮了信號穩定與性價比較高等優勢，且表現出了較高的應用精度。（2）聲發射傳感器。該種傳感器主要依靠彈性波的電信號轉變，預處理完成后即可提取到聲發射特征值，繼而對發射源的特征與狀態進行推測。以諧振式聲發射傳感器為例，不僅靈敏度較高且操作較為簡單。此種傳感器的安裝方式為磁吸附，在安裝前只需要清理機床表面，并涂抹適量耦合劑即可發揮傳感器應用優勢。（3）溫度傳感器。該種傳感器的安裝部位主要為主軸箱、軸承等極易發熱的部位。滾珠軸承在正常的主軸高轉速狀態下溫度在70 ℃以下，且機床傳動部位多數空間狹小。因此，選擇的傳感器應具有體積小巧的特性，以保證其安裝準確性與功能發揮的全面性，獲取到準確的輔助監測信號以滿足溫度變化值測定的相關要求。

3.2.2 安裝

數據采集信號效果與傳感器是否安裝在正確的位置有著密切聯系，傳感器布局的關鍵在于盡量靠近信號源，從而保證獲取機床實時運行狀態的完整性，但不可對機床的正常運行情況造成影響。機械主軸安裝的傳感器主要包括振動（主軸支撐座下部）、電流（主軸驅動電機）以及聲發射（前后滾動體調整墊）這3種；導軌滾動體安裝的傳感器類型包括振動（前后滾動體調整墊）、溫度（前后滾動體調整墊），傳動絲杠安裝振動（3個方向絲杠螺母座）與電流（3個方向驅動電機）兩種。

3.3 信號采集系統

導致監測對象出現噪聲、振動或異常溫度變化的原因主要包括以下幾點。

3.3.1 噪聲

作為常見的故障類型，機械零部件有磨損或變化表現，將會導致噪聲產生，此時對聲音變化進行分析即可明確機床此時的運行狀態。

3.3.2 故障診斷環節

振動同樣是判斷機床狀態的關鍵因素。部件運動過程中其觀察點將會在平均值上下有浮動表現，此時振動信號整體呈現出不平穩與非線性的信號變化趨勢。在提取到信號中包含的故障信息后，即可明確故障類型。

3.3.3 機床的異常磨損

將會導致其在運行過程中不同部件有溫度上升的異常表現。在對產品性能造成影響的同時，也將增大部件燒壞的風險，因此做好溫度的觀察工作極為重要。

信號測點的正確選擇是判斷故障類型的重要基礎，在選擇監測點時應充分考慮到機床所在環境，避開溫度變化較大的位置，從而為故障檢測提供有利條件。所選擇的故障監測點應將設備狀態完全展示出來，并應保證距離機床足夠近。以軸承振動信號為例，監測點的選擇需要避免與轉動部位連接，且應保證測量點的剛度。因此，一般監測點的選擇位置為軸承座的側面與軸承座。

3.4 采集系統建立

數據采集簡單來說就是將對象的各種特征值以傳感器轉換的形式獲取，并在信號調節、編碼以及采樣等措施詹卡后，傳輸至電腦中用于數據的處理與存儲。所建立的采集系統主要包括配采集卡、傳感器、工控儀等。所建設的采集系統作用是將獲取到的信號轉化為數字信號，從而在工控儀的作用下將數據呈現出來。主要硬件的作用為以下幾點。一是傳感器。其作用主要為將機床運動的振動信號獲取，并將其轉化為不同的電壓模擬信號。二是信號調理儀。此類系統的作用是放大采集器獲取的信號，并對其做濾波處理，為后續采集卡識別信號奠定基礎。三是數據采集卡。該硬件的作用為收集預處理完成的信號，在轉換器的作用下將模擬信號轉化為數字信號，以方便后續進行數據的特征分析。

3.5 系統開發

3.5.1 平臺與環境

無論何種系統的開發與設計，均應事先選定開發平臺，以要求實現的系統功能為前提明確需求的軟件開發平臺類型，并充分考慮軟件類型與技術要求，以選擇出最為合適的編程工具，其也是保證系統應用效果的重要基礎。該研究最終選擇的軟件開發平臺為MATLAB，并將Oracle 作為故障診斷系統的數據庫，以方便儲存故障信息。

3.5.2 整體設計

所開發出的智能化數控機床故障診斷系統包含了數據采集、性能退化評估以及故障預警系統這三類，各個子系統之間以數據庫作為主要連接，可進行文本與信息交互。數據采集系統的作用是獲取傳感器的信息，并將信息轉化為TXT格式將其存儲到指定位置，為后續故障預警與性能退化系統的科學應用奠定基礎。而作為整個系統功能效果展現的核心，性能退化系統的作用在于保證機床主要機械部件的檢測實時性，從而獲取到各個部件的實際條件，并根據在不同時間節點的溫度、振動等因素的變化情況明確數控機床的運行狀態，從而制定出其壽命預測圖。數控機床由于所處環境較為復雜，因此存在著大量可能影響到其應用狀態的因素，這就導致故障的發生包含著較多的不確定性。因此，若完全依賴性能退化系統，則無法滿足對故障發生原因與類型的判斷準確性。為此，需要配合使用故障預警系統，以將系統的整體運行可靠性予以進一步提升。

4 結語

綜上所述，智能化數控機床故障診斷系統的建設是保證機床故障定位與解決及時性的重要基礎。需要重點考慮的是在數據采集環節周邊因素的干擾情況，明確可靠性與分析精度的系統完善方向，為強化故障診斷效果奠定基礎，繼而實現延長數控機床使用壽命的最終目標。