智能化數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)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(shù)控機床來說，隨著使用時間的延長，將導(dǎo)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(fēng)險。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)，具有對電氣故障進行自我診斷的功能與優(yōu)勢。在復(fù)雜的生產(chǎn)背景下，由于數(shù)控機床類型繁多，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(biāo)。

1 數(shù)控機床故障診斷技術(shù)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(zhì)、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(jié)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(dǎo)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(shè)備的故障診斷需要建立在實時監(jiān)測基礎(chǔ)上，收集設(shè)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(yīng)的解決方案，其也是對設(shè)備狀態(tài)進行預(yù)測的關(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，在將設(shè)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(yīng)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(fù)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(zhuǎn)速范圍最低為35 r/min，最高則能達(dá)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(tài)，和傳統(tǒng)機床相比，其Z軸的響應(yīng)性更佳。

2.1.2 換刀較為穩(wěn)定且刀庫容量適中

該機床刀庫為鏈?zhǔn)?，結(jié)構(gòu)較為簡單且換刀準(zhǔn)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(shè)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(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?qū)⒄饎颖M量減少[5]。再加上寬矩形導(dǎo)軌與十字工作臺的配合使用，使機床單位質(zhì)量剛度得到進一步提升，為保證機床的整體剛性奠定基礎(chǔ)。

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(gòu)、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(chǔ)[6]。作為主要的執(zhí)行部件，主軸的作用是帶動刀具旋轉(zhuǎn)繼而進行零部件加工，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)揮主軸的自動化優(yōu)勢，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(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的關(guān)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(dǎo)軌。所有的部件均依托導(dǎo)軌進行運動，因此導(dǎo)軌在機床中導(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床使用壽命密切相關(guān)，其對運動平穩(wěn)性以及靈敏性的要求較高，這就要求導(dǎo)軌需要維持部件運動時的無振動狀態(tài)，確保其在長期重負(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。一是軸承有松動表現(xiàn)，從而導(dǎo)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(dǎo)致齒輪之間嚙合間隙過大，產(chǎn)生較大振動。（2）導(dǎo)軌副。導(dǎo)致導(dǎo)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(dǎo)軌長時間承受較高負(fù)荷，潤滑不良的情況頻頻出現(xiàn)，甚至導(dǎo)致機床維護不佳從而影響到導(dǎo)軌的單位面積負(fù)載情況，導(dǎo)致導(dǎo)軌磨損增大[7]。以滾動體故障為例，鑲條調(diào)節(jié)不當(dāng)將增大滾動體的自身壓力，從而影響到導(dǎo)軌傳動的穩(wěn)定性，導(dǎo)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(fēng)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(chǔ)，為狀態(tài)實時性檢測、提取特征信號以及機床故障預(yù)測。獲取到被測設(shè)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(shè)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(yù)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(yīng)的故障解決方案以維持?jǐn)?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(shè)計要點

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

所涉及的系統(tǒng)可分為應(yīng)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(shù)，針對采集信號進行預(yù)處理以保證后續(xù)流程的展開順利性，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(luò)后即可展開訓(xùn)練，進而識別到故障類型與其模糊狀態(tài)；應(yīng)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(yīng)性，因此在應(yīng)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(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(yīng)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(zhuǎn)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(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)測信號以滿足溫度變化值測定的相關(guān)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(guān)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(qū)動電機）以及聲發(fā)射（前后滾動體調(diào)整墊）這3種；導(dǎo)軌滾動體安裝的傳感器類型包括振動（前后滾動體調(diào)整墊）、溫度（前后滾動體調(diào)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(qū)動電機）兩種。

3.3 信號采集系統(tǒng)

導(dǎo)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(dǎo)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(guān)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(dǎo)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(fēng)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(chǔ)，在選擇監(jiān)測點時應(yīng)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(yīng)將設(shè)備狀態(tài)完全展示出來，并應(yīng)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(zhuǎn)動部位連接，且應(yīng)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(cè)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(zhuǎn)換的形式獲取，并在信號調(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。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轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為不同的電壓模擬信號。二是信號調(diào)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(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，在轉(zhuǎn)換器的作用下將模擬信號轉(zhuǎn)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(shè)計，均應(yīng)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(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(shè)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(yù)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(zhuǎn)化為TXT格式將其存儲到指定位置，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(yù)測圖。數(shù)控機床由于所處環(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)，則無法滿足對故障發(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)的整體運行可靠性予以進一步提升。

4 結(jié)語

綜上所述，智能化數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)的建設(shè)是保證機床故障定位與解決及時性的重要基礎(chǔ)。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(chǔ)，繼而實現(xiàn)延長數(shù)控機床使用壽命的最終目標(biāo)。