數(shù)控機床調(diào)控與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：當(dāng)今計算機信息時代，計算機理論已在各個領(lǐng)域得到了廣泛的、充分的運用，在它的輔佐下，科研成果的涌現(xiàn)也是有目共睹的。制造業(yè)也是國家經(jīng)濟發(fā)展的重要領(lǐng)域，結(jié)合計算機技術(shù)對制造業(yè)朝運行高速、控制智能化、加工精度化等方向發(fā)展，已迫在眉睫。從而數(shù)控技術(shù)在生產(chǎn)領(lǐng)域中迅速的加以研制并得以應(yīng)用。最耀眼的制造明星就是數(shù)控機床，它憑借精度高、經(jīng)濟性能好的功能，在制造業(yè)領(lǐng)域里的御用成為閃耀的明星。數(shù)控機床的構(gòu)造、功能比較復(fù)雜，在帶來高速發(fā)展的同時，也會有故障的困擾。本文就數(shù)控機床如何調(diào)控，故障出現(xiàn)時，如何排查，進行診斷、監(jiān)測，做一簡要的概述。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床 精度 分析

伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在各個領(lǐng)域的滲透，行業(yè)運行高速化、控制智能化、加工精度化等強大功能被各領(lǐng)域的精英所接受。制造業(yè)的數(shù)控設(shè)備也應(yīng)運而生，運用最廣泛、最普及的就是數(shù)控機床。數(shù)控機床帶來的高效率、高品質(zhì)得到了制造業(yè)的肯定，但隨之而來的是由于結(jié)構(gòu)、程序復(fù)雜，出現(xiàn)故障難以監(jiān)測，進行分析的問題，成為研究人員關(guān)注的焦點。

1 數(shù)控機床出現(xiàn)故障的主要癥狀

稱為“工業(yè)母機”的機床，是我國制造業(yè)水平的標(biāo)桿。高精度，高柔性的數(shù)控機床被制造業(yè)廣泛的應(yīng)用。但在應(yīng)用過程中，操作不當(dāng)或超負荷使用而帶來的故障也使得操作者們束手無策，嚴重影響了生產(chǎn)進度和生產(chǎn)效率，給社會經(jīng)濟帶來損失。其故障歸納為下列幾項：

1.1 驅(qū)動部件的失效。伺服電動機是數(shù)控機床的驅(qū)動部件。最易發(fā)生故障的是異步型交流伺服電動機。在不同的部位，比如定子、轉(zhuǎn)子、軸承等部位，異步型交流伺服電動機的故障癥狀有所不同。匝間短路、絕緣體被破壞，就會出現(xiàn)斷條、偏心等故障；定子與轉(zhuǎn)子之間氣隙不均衡、轉(zhuǎn)子偏心使設(shè)備振動超速、導(dǎo)條與端環(huán)承受力分布渙散、軸承磨損、脫落等跡象都是電動機故障的原因之一。

1.2 支承部件的損壞。數(shù)控機床的支承部件是軸承。其中最重要的支承部件是滾動軸承。它是以規(guī)定的頻率運轉(zhuǎn)，由內(nèi)圈、外圈、滾動體、保護架組成。滾動軸承分為彈簧與非彈簧的性質(zhì)，承載剛度的變化，決定著滾動軸承的性質(zhì)。也就是說，滾動軸承在承載時，各部件之間的振動及沖擊力所形成的頻率變化，按固有的頻率變化，滾動軸承體現(xiàn)為彈簧性質(zhì)，否則就是非線性彈簧性質(zhì)。非線性彈簧性質(zhì)，導(dǎo)致軸承的磨損，甚至機器設(shè)備的損壞。

1.3 傳動設(shè)備的故障。傳動設(shè)備包括機床導(dǎo)軌、工作臺、溜板、滑座等部件。其中最關(guān)鍵的部件就是機床導(dǎo)軌，它與數(shù)控機床的加工精密度和機床的使用壽命息息相關(guān)，兩者具有一榮俱榮，一損俱損的緊密關(guān)系。最常見故障表現(xiàn)為導(dǎo)軌表面局部變形，使摩擦阻力發(fā)生變化，造成受力面積不均衡、運行部件潤滑不到位、機床零部件的誤安裝而顛簸等故障。

2 數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)控機床的高效、精準、高柔的強勢，不可避免的也受到機器故障的困擾。針對數(shù)控機床的故障，設(shè)計對其主要部件的優(yōu)化設(shè)計，建立一套完整的、靈活性、快速定位故障的系統(tǒng)。其中數(shù)控遠程網(wǎng)絡(luò)診斷與控制故障最受關(guān)注。

2.1 數(shù)控機床的自我診斷功能。目前，數(shù)控機床在研發(fā)過程中，利用檢測設(shè)備（精密水平儀、直角尺、精密方箱、測微儀、高精度主軸檢驗芯棒等）對故障源的直接測量，同時根據(jù)經(jīng)驗采用望、聞、聽、問、摸等人工智能的方法來診斷電氣系統(tǒng)的故障。這種檢測故障的方式，稱為“硬診斷”。

2.2 信號分析方法在數(shù)控機床的運用。由于多臺機床的同時運作，并發(fā)故障的診斷，“硬診斷”是不能勝任并解決的，只有通過基于信號處理和邏輯推理來診斷，比如：機床的振動、溫度的變化、切削力的強弱等癥狀，采用信號處理，加以數(shù)據(jù)分析，來確診故障源的方法。

①傳統(tǒng)的信號分析法包括了時域分析法和頻域分析法。時域分析方法首先要確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)研究信號的波形與時間變化的相互規(guī)律，對典型數(shù)據(jù)進行抽樣提取，利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行計算和分析，主要數(shù)學(xué)原理是傳遞函數(shù)等方法計算時域信號的平均值、峰值、標(biāo)準偏差等。頻域分析方法是一種分析非正弦周轉(zhuǎn)性電路的基本方法，是動態(tài)數(shù)據(jù)分析法，是對信號分析處理的深化。

②時頻分析方法。較傳統(tǒng)信號分析方法，時頻分析方法克服了前兩種方法的不足。主要表現(xiàn)在可以多角度的觀察信號的變化，從特定局部頻率處的信號分析出特定局部時刻的信號。時頻分析方法的基本思想主要以較短時間間隔內(nèi)的信號作為分析體，將這段時間視為理想的平衡狀態(tài)，將整個頻率域分為不同段的頻率域，用平穩(wěn)的信號建立數(shù)學(xué)模型，然后再進行分析的方法。

3 遠程故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計

隨著數(shù)控機床的大量運用，數(shù)控機床綜合了機械、液壓、電氣于一體，不論哪個環(huán)節(jié)出了故障，在短時間快速的定位，找到問題的癥結(jié)，是相當(dāng)不容易的。利用維修工程師望、聞、聽、問、摸等方法，采用排除法去排除故障，不僅效率低下，而且可能有誤診斷的情況。利用遠程故障診斷系統(tǒng)來快速定位機床故障不失為一個好的思路。

3.1 建立硬件系統(tǒng)平臺。建立一個系統(tǒng)，首先要有個系統(tǒng)平臺。為了使平臺工作站達到為用戶搭建電路平臺，平臺工作站起著提供連接相關(guān)硬件的儀器的作用。當(dāng)收集的數(shù)據(jù)、圖像待輸送到計算機資料庫，以便以后搜索、閱讀、取證，在信息傳達過程中，數(shù)據(jù)采集卡就充當(dāng)了系統(tǒng)的硬件的重要角色。為了保證數(shù)據(jù)采集的精確性，減少數(shù)據(jù)的偏差，要選擇高精度、高分辨率、多功能的數(shù)據(jù)采集卡，同時也配備高質(zhì)量的數(shù)據(jù)電線電纜用來傳輸信息。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)。基于目前社會網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)形成，集合了設(shè)備診斷技術(shù)與通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高科技信息技術(shù)的遠程診斷故障系統(tǒng)，成為了時尚的應(yīng)用系統(tǒng)。它通過互聯(lián)網(wǎng)將機器設(shè)備與技術(shù)服務(wù)連接起來，維修工程師可以根據(jù)運行時的實時數(shù)據(jù)，計算分析出運行狀態(tài)，診斷故障，及時制定出故障的解決方案，快速通過網(wǎng)絡(luò)對機床的故障進行排除，提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

隨著數(shù)控機床的廣泛運用，建立數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)，對我國的制造業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)起著推動作用，對設(shè)備故障實時診斷、連續(xù)監(jiān)控，使企業(yè)生產(chǎn)效率提高，生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量提升，增強我國數(shù)控機床在世界的競爭力有著不可估量的意義。

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作者簡介：舒曉春（1983-），男，安徽旌德人，碩士。