智能化數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)淺析

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摘要：作為當下現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的重要基礎，數(shù)控機床的重要性毋庸置疑，在航空航天、機械等行業(yè)發(fā)揮著巨大的作用。若數(shù)控機床有故障產(chǎn)生，在影響生產(chǎn)效率的同時，也由于制造業(yè)流水線生產(chǎn)的特殊性，在設備故障停機階段將會產(chǎn)生巨大經(jīng)濟損失。因此，建立智能化數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)具有極為重要的現(xiàn)實意義，可充分發(fā)揮其多學科融合與主動維護等優(yōu)勢，提升加工效率與精度。該文簡述了數(shù)控機床故障診斷技術的發(fā)展概況，并對數(shù)控機床故障機理進行了深入分析，闡述了智能化數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)的設計要點。

關鍵詞：智能化；數(shù)控機床；故障診斷系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)狀；故障機理；要點分析

對于數(shù)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(xù)下降，進而增大數(shù)控機床的故障風險。當下所應用的多數(shù)高檔數(shù)控系統(tǒng)都包含了智能診斷系統(tǒng)，具有對電氣故障進行自我診斷的功能與優(yōu)勢。在復雜的生產(chǎn)背景下，由于數(shù)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(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)，以確保故障診斷與解決方案落實的及時性，以實現(xiàn)減少故障影響的最終目標。

1數(shù)控機床故障診斷技術的發(fā)展概況

1.1數(shù)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(fā)生原因、發(fā)生部位、發(fā)生時間、故障范圍以及故障過程，對數(shù)控機床發(fā)生的主要故障類型進行總結后，可以發(fā)現(xiàn)：電氣系統(tǒng)故障占比約37.5%，數(shù)控機床本體故障占比約37%，數(shù)控裝置故障占比約5.5%。其中，數(shù)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(shù)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(jiān)測基礎上，收集設備振動信號以及操作參數(shù)后即可明確故障發(fā)生的具體類型與產(chǎn)生原因，并制訂對應的解決方案，其也是對設備狀態(tài)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(shù)控機床故障判斷方法為直觀法，可根據(jù)機床所發(fā)出的聲音、氣味等現(xiàn)象對故障的具體類型進行判斷[2]。也可以充分利用數(shù)控系統(tǒng)的自我診斷報警功能，根據(jù)參數(shù)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(shù)控機床故障判斷的有效性。

2數(shù)控機床故障機理分析

2.1數(shù)控機床簡述

該文舉例數(shù)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(yōu)勢，其特性主要包括以下幾點。2.1.1主傳動系統(tǒng)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35r/min，最高則能達到3600r/min，最大的扭矩為795N/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(tài)，和傳統(tǒng)機床相比，其Z軸的響應性更佳。2.1.2換刀較為穩(wěn)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(xù)加工頻率。24把與32把的容量設置，讓其能夠根據(jù)實際需要自由選刀。2.1.3有著較為優(yōu)越的傳動剛度。滾珠絲杠與高精度的聯(lián)軸節(jié)連接，使得三軸交流伺服電機能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，繼而將機床的定位精度予以提升[4]。在正式啟動數(shù)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(xù)受熱膨脹所導致的位置偏差，從而將系統(tǒng)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(wěn)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(shù)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(zhí)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(chǎn)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(fā)揮主軸的自動化優(yōu)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(shù)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(tǒng)的功能發(fā)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(wěn)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(fā)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(wěn)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(tài)，確保其在長期重負荷的流水線作業(yè)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(xiàn)，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(fā)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(chǎn)生較大振動。（2）導軌副。導致導軌損壞的原因較多，機床經(jīng)過長時間使用將影響到地基與床身的水平狀態(tài)。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(xiàn)，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(jié)不當將增大滾動體的自身壓力，從而影響到導軌傳動的穩(wěn)定性，導致其有振動或爬行現(xiàn)象出現(xiàn)。（3）絲杠副。若絲杠支撐軸承有損壞現(xiàn)象，將增大局部拉毛風險?；蛴捎诮z杠螺母產(chǎn)生故障，無論是由此誘發(fā)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(chǎn)生。

2.3故障診斷流程

對數(shù)控機床進行診斷的基礎，為狀態(tài)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(tài)后基于故障數(shù)據(jù)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(tài)時，各個部件均會有能量與溫度的變化產(chǎn)生，從而發(fā)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(shù)相比較，繼而判斷是否有骨折光那出現(xiàn)，并分析故障產(chǎn)生原因；最后根據(jù)機床的運行狀態(tài)，制訂對應的故障解決方案以維持數(shù)控機床的穩(wěn)定運行狀態(tài)。

3智能化數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)的設計要點

3.1系統(tǒng)整體設計

所涉及的系統(tǒng)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(tǒng)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(xù)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(jīng)網(wǎng)絡后即可展開訓練，進而識別到故障類型與其模糊狀態(tài)；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(tài)，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(shù)控機床后充分發(fā)揮了信號穩(wěn)定與性價比較高等優(yōu)勢，且表現(xiàn)出了較高的應用精度。（2）聲發(fā)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(fā)射特征值，繼而對發(fā)射源的特征與狀態(tài)進行推測。以諧振式聲發(fā)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(fā)揮傳感器應用優(yōu)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(fā)熱的部位。滾珠軸承在正常的主軸高轉速狀態(tài)下溫度在70℃以下，且機床傳動部位多數(shù)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(fā)揮的全面性，獲取到準確的輔助監(jiān)測信號以滿足溫度變化值測定的相關要求。3.2.2安裝。數(shù)據(jù)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(lián)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(tài)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(fā)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(tǒng)

導致監(jiān)測對象出現(xiàn)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(xiàn)，將會導致噪聲產(chǎn)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(tài)。3.3.2故障診斷環(huán)節(jié)。振動同樣是判斷機床狀態(tài)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(xiàn)，此時振動信號整體呈現(xiàn)出不平穩(wěn)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(xiàn)。在對產(chǎn)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(jiān)測點時應充分考慮到機床所在環(huán)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(jiān)測點應將設備狀態(tài)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(jiān)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(jiān)測點的選擇位置為軸承座的側面與軸承座。

3.4采集系統(tǒng)建立

數(shù)據(jù)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(jié)、編碼以及采樣等措施詹卡后，傳輸至電腦中用于數(shù)據(jù)的處理與存儲。所建立的采集系統(tǒng)主要包括配采集卡、傳感器、工控儀等。所建設的采集系統(tǒng)作用是將獲取到的信號轉化為數(shù)字信號，從而在工控儀的作用下將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)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(tǒng)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(xù)采集卡識別信號奠定基礎。三是數(shù)據(jù)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(shù)字信號，以方便后續(xù)進行數(shù)據(jù)的特征分析。

3.5系統(tǒng)開發(fā)

3.5.1平臺與環(huán)境。無論何種系統(tǒng)的開發(fā)與設計，均應事先選定開發(fā)平臺，以要求實現(xiàn)的系統(tǒng)功能為前提明確需求的軟件開發(fā)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(tǒng)應用效果的重要基礎。該研究最終選擇的軟件開發(fā)平臺為MATLAB，并將Oracle作為故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，以方便儲存故障信息。3.5.2整體設計。所開發(fā)出的智能化數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)采集、性能退化評估以及故障預警系統(tǒng)這三類，各個子系統(tǒng)之間以數(shù)據(jù)庫作為主要連接，可進行文本與信息交互。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(xù)故障預警與性能退化系統(tǒng)的科學應用奠定基礎。而作為整個系統(tǒng)功能效果展現(xiàn)的核心，性能退化系統(tǒng)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(jù)在不同時間節(jié)點的溫度、振動等因素的變化情況明確數(shù)控機床的運行狀態(tài)，從而制定出其壽命預測圖。數(shù)控機床由于所處環(huán)境較為復雜，因此存在著大量可能影響到其應用狀態(tài)的因素，這就導致故障的發(fā)生包含著較多的不確定性。因此，若完全依賴性能退化系統(tǒng)，則無法滿足對故障發(fā)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(tǒng)，以將系統(tǒng)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(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)周邊因素的干擾情況，明確可靠性與分析精度的系統(tǒng)完善方向，為強化故障診斷效果奠定基礎，繼而實現(xiàn)延長數(shù)控機床使用壽命的最終目標。

作者:熊江 單位:四川成飛集成科技股份有限公司