数控机床调控与故障诊断系统的设计与实现

摘要：当今计算机信息时代，计算机理论已在各个领域得到了广泛的、充分的运用，在它的辅佐下，科研成果的涌现也是有目共睹的。制造业也是国家经济发展的重要领域，结合计算机技术对制造业朝运行高速、控制智能化、加工精度化等方向发展，已迫在眉睫。从而数控技术在生产领域中迅速的加以研制并得以应用。最耀眼的制造明星就是数控机床，它凭借精度高、经济性能好的功能，在制造业领域里的御用成为闪耀的明星。数控机床的构造、功能比较复杂，在带来高速发展的同时，也会有故障的困扰。本文就数控机床如何调控，故障出现时，如何排查，进行诊断、监测，做一简要的概述。

关键词：数控机床 精度 分析

伴隨着计算机网络技术在各个领域的渗透，行业运行高速化、控制智能化、加工精度化等强大功能被各领域的精英所接受。制造业的数控设备也应运而生，运用最广泛、最普及的就是数控机床。数控机床带来的高效率、高品质得到了制造业的肯定，但随之而来的是由于结构、程序复杂，出现故障难以监测，进行分析的问题，成为研究人员关注的焦点。

1 数控机床出现故障的主要症状

称为“工业母机”的机床，是我国制造业水平的标杆。高精度，高柔性的数控机床被制造业广泛的应用。但在应用过程中，操作不当或超负荷使用而带来的故障也使得操作者们束手无策，严重影响了生产进度和生产效率，给社会经济带来损失。其故障归纳为下列几项：

1.1 驱动部件的失效。伺服电动机是数控机床的驱动部件。最易发生故障的是异步型交流伺服电动机。在不同的部位，比如定子、转子、轴承等部位，异步型交流伺服电动机的故障症状有所不同。匝间短路、绝缘体被破坏，就会出现断条、偏心等故障；定子与转子之间气隙不均衡、转子偏心使设备振动超速、导条与端环承受力分布涣散、轴承磨损、脱落等迹象都是电动机故障的原因之一。

1.2 支承部件的损坏。数控机床的支承部件是轴承。其中最重要的支承部件是滚动轴承。它是以规定的频率运转，由内圈、外圈、滚动体、保护架组成。滚动轴承分为弹簧与非弹簧的性质，承载刚度的变化，决定着滚动轴承的性质。也就是说，滚动轴承在承载时，各部件之间的振动及冲击力所形成的频率变化，按固有的频率变化，滚动轴承体现为弹簧性质，否则就是非线性弹簧性质。非线性弹簧性质，导致轴承的磨损，甚至机器设备的损坏。

1.3 传动设备的故障。传动设备包括机床导轨、工作台、溜板、滑座等部件。其中最关键的部件就是机床导轨，它与数控机床的加工精密度和机床的使用寿命息息相关，两者具有一荣俱荣，一损俱损的紧密关系。最常见故障表现为导轨表面局部变形，使摩擦阻力发生变化，造成受力面积不均衡、运行部件润滑不到位、机床零部件的误安装而颠簸等故障。

2 数控机床故障诊断系统的设计

数控机床的高效、精准、高柔的强势，不可避免的也受到机器故障的困扰。针对数控机床的故障，设计对其主要部件的优化设计，建立一套完整的、灵活性、快速定位故障的系统。其中数控远程网络诊断与控制故障最受关注。

2.1 数控机床的自我诊断功能。目前，数控机床在研发过程中，利用检测设备（精密水平仪、直角尺、精密方箱、测微仪、高精度主轴检验芯棒等）对故障源的直接测量，同时根据经验采用望、闻、听、问、摸等人工智能的方法来诊断电气系统的故障。这种检测故障的方式，称为“硬诊断”。

2.2 信号分析方法在数控机床的运用。由于多台机床的同时运作，并发故障的诊断，“硬诊断”是不能胜任并解决的，只有通过基于信号处理和逻辑推理来诊断，比如：机床的振动、温度的变化、切削力的强弱等症状，采用信号处理，加以数据分析，来确诊故障源的方法。

①传统的信号分析法包括了时域分析法和频域分析法。时域分析方法首先要确定系统的数学模型，依据研究信号的波形与时间变化的相互规律，对典型数据进行抽样提取，利用系统的数学模型进行计算和分析，主要数学原理是传递函数等方法计算时域信号的平均值、峰值、标准偏差等。频域分析方法是一种分析非正弦周转性电路的基本方法，是动态数据分析法，是对信号分析处理的深化。

②时频分析方法。较传统信号分析方法，时频分析方法克服了前两种方法的不足。主要表现在可以多角度的观察信号的变化，从特定局部频率处的信号分析出特定局部时刻的信号。时频分析方法的基本思想主要以较短时间间隔内的信号作为分析体，将这段时间视为理想的平衡状态，将整个频率域分为不同段的频率域，用平稳的信号建立数学模型，然后再进行分析的方法。

3 远程故障诊断系统的设计

随着数控机床的大量运用，数控机床综合了机械、液压、电气于一体，不论哪个环节出了故障，在短时间快速的定位，找到问题的症结，是相当不容易的。利用维修工程师望、闻、听、问、摸等方法，采用排除法去排除故障，不仅效率低下，而且可能有误诊断的情况。利用远程故障诊断系统来快速定位机床故障不失为一个好的思路。

3.1 建立硬件系统平台。建立一个系统，首先要有个系统平台。为了使平台工作站达到为用户搭建电路平台，平台工作站起着提供连接相关硬件的仪器的作用。当收集的数据、图像待输送到计算机资料库，以便以后搜索、阅读、取证，在信息传达过程中，数据采集卡就充当了系统的硬件的重要角色。为了保证数据采集的精确性，减少数据的偏差，要选择高精度、高分辨率、多功能的数据采集卡，同时也配备高质量的数据电线电缆用来传输信息。

3.2 系统开发，网络化结构。基于目前社会网络化已经形成，集合了设备诊断技术与通信技术、网络技术等高科技信息技术的远程诊断故障系统，成为了时尚的应用系统。它通过互联网将机器设备与技术服务连接起来，维修工程师可以根据运行时的实时数据，计算分析出运行状态，诊断故障，及时制定出故障的解决方案，快速通过网络对机床的故障进行排除，提高了生产效率。

4 结束语

随着数控机床的广泛运用，建立数控机床故障诊断系统，对我国的制造业现代化建设起着推动作用，对设备故障实时诊断、连续监控，使企业生产效率提高，生产产品质量提升，增强我国数控机床在世界的竞争力有着不可估量的意义。

参考文献：

[1]杜娟，阎献国，韩建华，兰国生.基于混合神经网络的数控机床故障诊断技术研究[J].组合机床与自动化加工技术，2011（12）.

[2]杨瑜，肖继学，饶莉.数控机床分布式远程诊断系统的开发[J].机床与液压，2010（09）.

[3]毛维龙，孙立琳，刘先才.故障诊断技术在矿井机电设备中的应用[J].硅谷，2012（02）.

[4]梁伟，王先.数控机床发展趋势[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2010（02）.

[5]任艺，王冬梅.数控技术的发展方向[J].科技资讯，2009（18）.

[6]肖明，伍衡.CIMT2011国产数控系统展品综述[J].制造技术与机床，2011（08）.

作者简介：舒晓春（1983-），男，安徽旌德人，硕士。