智能化數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)淺析

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摘要：作為當(dāng)下現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，數(shù)控機(jī)床的重要性毋庸置疑，在航空航天、機(jī)械等行業(yè)發(fā)揮著巨大的作用。若數(shù)控機(jī)床有故障產(chǎn)生，在影響生產(chǎn)效率的同時(shí)，也由于制造業(yè)流水線生產(chǎn)的特殊性，在設(shè)備故障停機(jī)階段將會(huì)產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，建立智能化數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，可充分發(fā)揮其多學(xué)科融合與主動(dòng)維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，提升加工效率與精度。該文簡(jiǎn)述了數(shù)控機(jī)床故障診斷技術(shù)的發(fā)展概況，并對(duì)數(shù)控機(jī)床故障機(jī)理進(jìn)行了深入分析，闡述了智能化數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能化；數(shù)控機(jī)床；故障診斷系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)狀；故障機(jī)理；要點(diǎn)分析

對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，將導(dǎo)致機(jī)床各個(gè)部位機(jī)能持續(xù)下降，進(jìn)而增大數(shù)控機(jī)床的故障風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)下所應(yīng)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(duì)電氣故障進(jìn)行自我診斷的功能與優(yōu)勢(shì)。在復(fù)雜的生產(chǎn)背景下，由于數(shù)控機(jī)床類型繁多，要想準(zhǔn)確判斷故障類型仍存在較大困難，這也對(duì)維修人員自身素質(zhì)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(jī)床故障診斷系統(tǒng)，以確保故障診斷與解決方案落實(shí)的及時(shí)性，以實(shí)現(xiàn)減少故障影響的最終目標(biāo)。

1數(shù)控機(jī)床故障診斷技術(shù)的發(fā)展概況

1.1數(shù)控機(jī)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(zhì)、報(bào)警有無(wú)、破壞性、發(fā)生原因、發(fā)生部位、發(fā)生時(shí)間、故障范圍以及故障過(guò)程，對(duì)數(shù)控機(jī)床發(fā)生的主要故障類型進(jìn)行總結(jié)后，可以發(fā)現(xiàn)：電氣系統(tǒng)故障占比約37.5%，數(shù)控機(jī)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(jī)床本體故障的主要部位為絲杠、導(dǎo)軌、氣動(dòng)裝置以及主軸箱。

1.2數(shù)控機(jī)床故障診斷方法

機(jī)械設(shè)備的故障診斷需要建立在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，收集設(shè)備振動(dòng)信號(hào)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(duì)應(yīng)的解決方案，其也是對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)的關(guān)鍵手段[1]。故障診斷的目的是將設(shè)備使用壽命予以延長(zhǎng)，在將設(shè)備使用可靠性進(jìn)一步提升的同時(shí)最大限度地降低維護(hù)成本。最為常見(jiàn)的數(shù)控機(jī)床故障判斷方法為直觀法，可根據(jù)機(jī)床所發(fā)出的聲音、氣味等現(xiàn)象對(duì)故障的具體類型進(jìn)行判斷[2]。也可以充分利用數(shù)控系統(tǒng)的自我診斷報(bào)警功能，根據(jù)參數(shù)的具體變化選擇應(yīng)用備件置換、測(cè)量比較以及故障樹(shù)分析等手段，繼而保證數(shù)控機(jī)床故障判斷的有效性。

2數(shù)控機(jī)床故障機(jī)理分析

2.1數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)述

該文舉例數(shù)控機(jī)床為立式718機(jī)床，其能夠加工多類型的、對(duì)精度有著較高要求且形狀復(fù)雜的零件，包括模具、葉片、支架、飛機(jī)零件等，具有效率與自動(dòng)化程度均較高的優(yōu)勢(shì)，其特性主要包括以下幾點(diǎn)。2.1.1主傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩較大。由于該機(jī)床包含了無(wú)極交流電機(jī)與滑移齒輪變速兩種主軸運(yùn)動(dòng)方式，使得其轉(zhuǎn)速范圍最低為35r/min，最高則能達(dá)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(jī)與向心推力球軸承的輔助配合下，即使突然停電也不會(huì)影響到其余運(yùn)作狀態(tài)，和傳統(tǒng)機(jī)床相比，其Z軸的響應(yīng)性更佳。2.1.2換刀較為穩(wěn)定且刀庫(kù)容量適中。該機(jī)床刀庫(kù)為鏈?zhǔn)?，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單且換刀準(zhǔn)確性較高，在將非切削時(shí)間減少的同時(shí)能夠保證連續(xù)加工頻率。24把與32把的容量設(shè)置，讓其能夠根據(jù)實(shí)際需要自由選刀。2.1.3有著較為優(yōu)越的傳動(dòng)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(jī)能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，繼而將機(jī)床的定位精度予以提升[4]。在正式啟動(dòng)數(shù)控機(jī)床前，需要事先預(yù)緊絲杠與螺母，繼而避免由于絲杠后續(xù)受熱膨脹所導(dǎo)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(jié)構(gòu)剛性灰口鑄鐵是機(jī)床所使用的主要材料，無(wú)論是耐熱性還是穩(wěn)定性均較高。因此，在針對(duì)機(jī)床做間斷切削的同時(shí)，也能夠?qū)⒄饎?dòng)盡量減少[5]。再加上寬矩形導(dǎo)軌與十字工作臺(tái)的配合使用，使機(jī)床單位質(zhì)量剛度得到進(jìn)一步提升，為保證機(jī)床的整體剛性奠定基礎(chǔ)。

2.2數(shù)控機(jī)床主要機(jī)械部件故障

2.2.1主要故障部位。（1）主軸。主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支承軸承皆是主軸的主要部件，也是確保機(jī)床精度的重要基礎(chǔ)[6]。作為主要的執(zhí)行部件，主軸的作用是帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)繼而進(jìn)行零部件加工，因此其精度與最終的加工產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。主軸功率大小、回轉(zhuǎn)速率等決定了其工作效率，是否能夠發(fā)揮主軸的自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)，與其變速效果、停換刀準(zhǔn)確性密切相關(guān)，若主軸失效也將影響到數(shù)控機(jī)床的使用效率。（2）滾珠絲杠螺母。該部件決定了機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)的功能發(fā)揮，是將刀具回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件。一旦滾珠絲杠螺母有變形趨勢(shì)，無(wú)論何種程度均會(huì)影響到機(jī)床加工精度與運(yùn)行穩(wěn)定性。（3）導(dǎo)軌。所有的部件均依托導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)軌在機(jī)床中導(dǎo)向與支撐作用的有效發(fā)揮極為關(guān)鍵。導(dǎo)軌質(zhì)量與整體加工精度與機(jī)床使用壽命密切相關(guān)，其對(duì)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性以及靈敏性的要求較高，這就要求導(dǎo)軌需要維持部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的無(wú)振動(dòng)狀態(tài)，確保其在長(zhǎng)期重負(fù)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(dòng)表現(xiàn)，從而導(dǎo)致其切削振動(dòng)同時(shí)變大，噪聲較大；二是軸承損壞，或潤(rùn)滑不足，從而延長(zhǎng)主軸發(fā)熱時(shí)間；三是主軸齒輪箱損壞，導(dǎo)致齒輪之間嚙合間隙過(guò)大，產(chǎn)生較大振動(dòng)。（2）導(dǎo)軌副。導(dǎo)致導(dǎo)軌損壞的原因較多，機(jī)床經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用將影響到地基與床身的水平狀態(tài)。再加上導(dǎo)軌長(zhǎng)時(shí)間承受較高負(fù)荷，潤(rùn)滑不良的情況頻頻出現(xiàn)，甚至導(dǎo)致機(jī)床維護(hù)不佳從而影響到導(dǎo)軌的單位面積負(fù)載情況，導(dǎo)致導(dǎo)軌磨損增大[7]。以滾動(dòng)體故障為例，鑲條調(diào)節(jié)不當(dāng)將增大滾動(dòng)體的自身壓力，從而影響到導(dǎo)軌傳動(dòng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其有振動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。或由于絲杠螺母產(chǎn)生故障，無(wú)論是由此誘發(fā)的滾珠破損還是反相器損毀，均會(huì)影響到其進(jìn)給的靈活性，并同時(shí)有較大振動(dòng)產(chǎn)生。

2.3故障診斷流程

對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行診斷的基礎(chǔ)，為狀態(tài)實(shí)時(shí)性檢測(cè)、提取特征信號(hào)以及機(jī)床故障預(yù)測(cè)。獲取到被測(cè)設(shè)備信號(hào)后提取特征信號(hào)，對(duì)比正常狀態(tài)后基于故障數(shù)據(jù)庫(kù)明確故障類型并進(jìn)行運(yùn)行趨勢(shì)分析，最后制訂解決方案并將其及時(shí)落實(shí)到被測(cè)設(shè)備中[8]。具體流程為：由于被測(cè)機(jī)床處于實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，各個(gè)部件均會(huì)有能量與溫度的變化產(chǎn)生，從而發(fā)出變化信號(hào)；而各類傳感器在獲取信號(hào)后，即可對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理從而將機(jī)床故障特征值予以提取，從而保證頻域與時(shí)頻域分析及時(shí)性；完成處理后的信號(hào)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(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，制訂對(duì)應(yīng)的故障解決方案以維持?jǐn)?shù)控機(jī)床的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3智能化數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

所涉及的系統(tǒng)可分為應(yīng)用層、評(píng)估層、處理層，以及采集層這4個(gè)層級(jí)。采集系統(tǒng)的作用，在于搜集位于機(jī)床各個(gè)部位的傳感器信號(hào)；處理層所使用的主要為信號(hào)處理技術(shù)，針對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理以保證后續(xù)流程的展開(kāi)順利性，其中選擇應(yīng)用了去噪、濾波以及零均值化處理這3種手段，用以提取機(jī)床故障特征值；評(píng)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(luò)后即可展開(kāi)訓(xùn)練，進(jìn)而識(shí)別到故障類型與其模糊狀態(tài)；應(yīng)用層級(jí)可直接在軟件的作用下直觀看到機(jī)床的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，繼而保證機(jī)床故障定位的及時(shí)性。

3.2傳感器

3.2.1選擇。（1）振動(dòng)傳感器。以INV9821加速度傳感器為例，其具有了極強(qiáng)的適應(yīng)性，因此在應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床后充分發(fā)揮了信號(hào)穩(wěn)定與性價(jià)比較高等優(yōu)勢(shì)，且表現(xiàn)出了較高的應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)變，預(yù)處理完成后即可提取到聲發(fā)射特征值，繼而對(duì)發(fā)射源的特征與狀態(tài)進(jìn)行推測(cè)。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(jiǎn)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(jī)床表面，并涂抹適量耦合劑即可發(fā)揮傳感器應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。（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(zhuǎn)速狀態(tài)下溫度在70℃以下，且機(jī)床傳動(dòng)部位多數(shù)空間狹小。因此，選擇的傳感器應(yīng)具有體積小巧的特性，以保證其安裝準(zhǔn)確性與功能發(fā)揮的全面性，獲取到準(zhǔn)確的輔助監(jiān)測(cè)信號(hào)以滿足溫度變化值測(cè)定的相關(guān)要求。3.2.2安裝。數(shù)據(jù)采集信號(hào)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(guān)鍵在于盡量靠近信號(hào)源，從而保證獲取機(jī)床實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的完整性，但不可對(duì)機(jī)床的正常運(yùn)行情況造成影響。機(jī)械主軸安裝的傳感器主要包括振動(dòng)（主軸支撐座下部）、電流（主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)）以及聲發(fā)射（前后滾動(dòng)體調(diào)整墊）這3種；導(dǎo)軌滾動(dòng)體安裝的傳感器類型包括振動(dòng)（前后滾動(dòng)體調(diào)整墊）、溫度（前后滾動(dòng)體調(diào)整墊），傳動(dòng)絲杠安裝振動(dòng)（3個(gè)方向絲杠螺母座）與電流（3個(gè)方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)）兩種。

3.3信號(hào)采集系統(tǒng)

導(dǎo)致監(jiān)測(cè)對(duì)象出現(xiàn)噪聲、振動(dòng)或異常溫度變化的原因主要包括以下幾點(diǎn)。3.3.1噪聲。作為常見(jiàn)的故障類型，機(jī)械零部件有磨損或變化表現(xiàn)，將會(huì)導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生，此時(shí)對(duì)聲音變化進(jìn)行分析即可明確機(jī)床此時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。3.3.2故障診斷環(huán)節(jié)。振動(dòng)同樣是判斷機(jī)床狀態(tài)的關(guān)鍵因素。部件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其觀察點(diǎn)將會(huì)在平均值上下有浮動(dòng)表現(xiàn)，此時(shí)振動(dòng)信號(hào)整體呈現(xiàn)出不平穩(wěn)與非線性的信號(hào)變化趨勢(shì)。在提取到信號(hào)中包含的故障信息后，即可明確故障類型。3.3.3機(jī)床的異常磨損將會(huì)導(dǎo)致其在運(yùn)行過(guò)程中不同部件有溫度上升的異常表現(xiàn)。在對(duì)產(chǎn)品性能造成影響的同時(shí)，也將增大部件燒壞的風(fēng)險(xiǎn)，因此做好溫度的觀察工作極為重要。信號(hào)測(cè)點(diǎn)的正確選擇是判斷故障類型的重要基礎(chǔ)，在選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)充分考慮到機(jī)床所在環(huán)境，避開(kāi)溫度變化較大的位置，從而為故障檢測(cè)提供有利條件。所選擇的故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)將設(shè)備狀態(tài)完全展示出來(lái)，并應(yīng)保證距離機(jī)床足夠近。以軸承振動(dòng)信號(hào)為例，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇需要避免與轉(zhuǎn)動(dòng)部位連接，且應(yīng)保證測(cè)量點(diǎn)的剛度。因此，一般監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇位置為軸承座的側(cè)面與軸承座。

3.4采集系統(tǒng)建立

數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將對(duì)象的各種特征值以傳感器轉(zhuǎn)換的形式獲取，并在信號(hào)調(diào)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(chǔ)。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(shè)的采集系統(tǒng)作用是將獲取到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，從而在工控儀的作用下將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來(lái)。主要硬件的作用為以下幾點(diǎn)。一是傳感器。其作用主要為將機(jī)床運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)獲取，并將其轉(zhuǎn)化為不同的電壓模擬信號(hào)。二是信號(hào)調(diào)理儀。此類系統(tǒng)的作用是放大采集器獲取的信號(hào)，并對(duì)其做濾波處理，為后續(xù)采集卡識(shí)別信號(hào)奠定基礎(chǔ)。三是數(shù)據(jù)采集卡。該硬件的作用為收集預(yù)處理完成的信號(hào)，在轉(zhuǎn)換器的作用下將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以方便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的特征分析。

3.5系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.5.1平臺(tái)與環(huán)境。無(wú)論何種系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，均應(yīng)事先選定開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以要求實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能為前提明確需求的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)類型，并充分考慮軟件類型與技術(shù)要求，以選擇出最為合適的編程工具，其也是保證系統(tǒng)應(yīng)用效果的重要基礎(chǔ)。該研究最終選擇的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為MATLAB，并將Oracle作為故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，以方便儲(chǔ)存故障信息。3.5.2整體設(shè)計(jì)。所開(kāi)發(fā)出的智能化數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)采集、性能退化評(píng)估以及故障預(yù)警系統(tǒng)這三類，各個(gè)子系統(tǒng)之間以數(shù)據(jù)庫(kù)作為主要連接，可進(jìn)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(zhuǎn)化為TXT格式將其存儲(chǔ)到指定位置，為后續(xù)故障預(yù)警與性能退化系統(tǒng)的科學(xué)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。而作為整個(gè)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(jī)床主要機(jī)械部件的檢測(cè)實(shí)時(shí)性，從而獲取到各個(gè)部件的實(shí)際條件，并根據(jù)在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的溫度、振動(dòng)等因素的變化情況明確數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，從而制定出其壽命預(yù)測(cè)圖。數(shù)控機(jī)床由于所處環(huán)境較為復(fù)雜，因此存在著大量可能影響到其應(yīng)用狀態(tài)的因素，這就導(dǎo)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(wú)法滿足對(duì)故障發(fā)生原因與類型的判斷準(zhǔn)確性。為此，需要配合使用故障預(yù)警系統(tǒng)，以將系統(tǒng)的整體運(yùn)行可靠性予以進(jìn)一步提升。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能化數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)的建設(shè)是保證機(jī)床故障定位與解決及時(shí)性的重要基礎(chǔ)。需要重點(diǎn)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(qiáng)化故障診斷效果奠定基礎(chǔ)，繼而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)數(shù)控機(jī)床使用壽命的最終目標(biāo)。

作者:熊江 單位:四川成飛集成科技股份有限公司