数控机床机械故障诊断方法的研究及应用

言帆

摘 要 查找故障原因一直是数控机床故障维修的难点。要找出故障原因， 不但需要大量的理论知识及实践经验，还必须掌握科学的方法和专业的技术。以下介绍两种维修中常用的诊断方法分别是“实用诊斷法”和“现代诊断法”。

关键词 数控机床 机械故障 诊断

中图分类号：TG659 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.08.012

Research and Application of Mechanical Fault Diagnosis

Method for NC Machine Tools

YAN Fan

（Changjiang Institute of Technology， Wuhan， Hubei 430212）

Abstract Finding the cause of trouble has been the difficulty of CNC machine tool maintenance. To find out the cause of the fault， not only a great deal of theoretical knowledge and practical experience are needed， but also scientific methods and professional techniques must be mastered. The following two common diagnostic methods used in maintenance are "practical diagnosis" and "modern diagnosis".

Keywords numerical control machine； mechanical fault； diagnosis

我国工业化水平的提升，工业机械设备也逐渐形成大型化、精密化和自动化的发展趋势。高科技机械的数控机床更是常用于机械制造的工厂，发生故障后要经过仔细的设备检查和一些专业的处理方法。机械故障可以通过系统的异常或者对设备零件的逐一排查来找到故障点。对于机电一体化的数控机床来说，大部分是由机电内部的问题引起设备故障。所以掌握自动化机械内部诊断方法，关于对数控机床设备的故障排查有很大作用。

1 对诊断机床设备故障的研究情况

机械化生产设备的发展对精度要求更高、设备也变得大型化， 传统的维修方法已经难以适应机械发展。人们更关注的是设备使用中应该如何监测以及怎样进行故障诊断。可以在运行中的由系统显示数据信息来辨别机床运行状态是否正常，根据这些获取的信息来判断故障的性质，排查故障部位，分析故障原因，还可以根据系统发出的报警提示来制定相应操作。自上世纪以来，故障诊断技术都在不断更新，更专业的检测技术和新方法被提出，如今形成了学科体系。这是以故障机理以及技术检测为基础，系统发出报警信号怎样辨别，实践性非常强，依托高新技术发展的工程技术学科。

2 分析设备结构和研究故障的原因

数控机床是高精密设备结构非常复杂，由机床基础零件、传送零件、定位结构和具有辅助功能的系统、机构，以及一些具有特殊功能的机构配置组成。数控机床是自动化程度极高的大型机械设备，一般只需要在开始设定是需要人为操控。而在运行过程中是基本不用人员操作的。数控机床应满足以下要求——具备一定程度的刚度，在运行过程中应有良好的抗震功性；有一定的热稳定性，因为在运行过程中机械运动会产生一定的热量。数控机床是一种对精密度要求很高的设备，在操作方面有安全防护机制。由于数控机床是涉及到机械和电气结构的大型设备，在出现故障时可以对机械部分和电气部分逐一排查。根据以往经验表明，大部分数控机床出现故障关键在于零件磨损，这也可能是由于设备精度下降造成的。所以，在故障原因排查过程中可以先有机械方面开始检查，再检查电气方面的故障。

3 机床设备故障排查的依据

3.1 仔细调查故障现象

故障诊断可以从两个方面入手：首先是检查对操作者操作，仔细询问发生故障的整个过程，有何现象，期间采取了什么措施。这需要操作者如实回答。还有一点，根据现场情况的观察，包括设备外观，CRT显示的内容＼各个印刷线路板上报警信息提示、有没有损伤的痕迹，任何一点小小的瑕疵都不能放过。在安全确认的情况下通电源，并按复位键，看看此时系统是否正常，看报警是否可以消失；可以就证明故障多为随机发生。也不排除是操作失误引起的。

3.2 仔细分析发生故障的具体原因

CNC系统发生故障，经常是同一现象、发生同一报警信号但是有很多因素引起的，可能是在机床上的零件磨损，但现象是反映在系统上。所以在排查故障的具体原因时，思路不可局限，不管是CNC系统、或是集成电器，还是机械零件，把所有可能造成设备故障的因素统统列举下来。然后根据综合分析判断和最终可以明确最有可能造成故障的因素，要通过严格的检测才能直接找到故障点并修复。数控机床设备在电气方面故障可根据性质、现象、因素或结果等进行划分。（1）故障发生的具体位置，分为硬件方面故障和软件故障。硬件就是指电子元器件、电路板、电线电缆、连接插件出现损坏，经过维修或者重新替换后才可正常运行。对于软件故障是说PLC的控制程序中出现错误，需要人工新输入或修改某些程序才能恢复设备正常状态。软件故障比较棘手，有的甚至会造成数据丢失这解决办法只能与生产厂商或其服务机构联系才能排除故障。（2）以故障出现时是否有提示，划分为有诊断指示故障和无诊断指示故障。系统本身是有自诊断功能的，可以监控整个系统的软、硬件功能，发生故障会有报警和一些简要的提示，可以根据提示信息解读到故障发生的间接原因，甚至还可以直接找到故障发生部位。

4 数控机床传统故障检测方式

关于数控机床的机械部分的故障可分三过程诊断：（1）辨别数控机床的是否正常工作，有无存在异常现象。（2）对运行过程中显示的数据进行动态观察看有报警情况。（3）根据机床的数据显示大概可以知道未来一段期间内数控机床是怎样的运行情况。熟练的工作人员可根据机床机械部分的一些参数显示就能判断是否故障，以及查出故障点在哪。基本上是包括机床的振动、运行温度是否在合理范围内。如果特征值是在规定范围内，就证明数控机床是没有什么大问题；一旦数据或者特征出现异常情况，就说明设备是存在一些故障。还可以通过以下几个方面进行诊断。

4.1询问

当接到机床故障的消息时，应立即赶到到机床使用地点，首要是找到操作者询问故障期间的真实情况，这很关键，要了解这次故障是偶然突发的还是历史遗留问题。操作者在现场提供的消息对进行下一步的调查故障原因是很重要的。一般会从几个方面进行询问：（1）数控机床之前是否经常出现的故障是哪些；（2）机床设备在启动时有什么不正常的情况；（3）发生故障后加工的工件的精度是否与原来相比有很大差别；（4）询问机床的保养情况；（5）机床的传动系统是否正常运行。有没有出现速度不均匀的现象。

4.2细看

大概了解日常情况后，维修人员在到设备使用地还需要进行勘察，仔细观察机床以下方面情况：（1）机床零部件是否有磨损的情况。这很容易就可以发现，按理说每周定期检查的话可以在记录表中就可以找到，因为磨损是经过一段时间才会引起故障。要做好记录，可能看似不起眼的零件就能导致整个机器的故障；（2）看工件。机床的精度是非常高的，可以加工出来的产品质量来识别机床故障程度。甚至可以缩小排查范围，尺寸问题就有可能与传动系统有关。对于表明有波纹的产品要看波纹数与机床主轴传动齿轮是否一致；（3）看变形。通电运行的机床滚珠丝杠、传动轴有没有发生变形；带轮和齿轮的端面有没有跳动的现象；（4）看转速。传送带的速度是否均匀，要是速度异常可以看看齿轮有没有什么缺失；（5）看颜色。机床的主轴和轴承转动异常时，会出现发烫的现象，长期如此机床颜色变泛黄。此外还要注意油箱以及冷却液有没有杂质的介入或者高温使颜色变得奇怪。

4.3 傾听

正常运行的机床在工作状态下发出的声响是有规律的，并且是持续稳定的。而不正常的机器在运行是可能会出现杂音。或者是设备断断续续的声音。比如可以从以下方面听这些异声：（1）一些零件的损坏是在内部，很难发现。这是可以使用小手锤击打零件听是否破损，有裂纹的零部件发出的声音是沉闷的；（2）撞击声。在不敞亮的环境下有间断冲击声，可能是由于螺丝松动或有物体撞击导致的；（3）摩擦声。机器在运行过程中要是由于零件松动，与另一部件发生接触可能会有尖锐的摩擦声。（4）泄漏声。对于漏气孔较小，会听到嘶的一声。持续时间长，常见的是漏气、漏液。

4.4 触摸

用手触碰也能判断机床故障点：（1）继续在运行时如果长时间摩擦会感觉发烫；（2）用手触摸，有震感，这可以排查机械部分的故障问题；（3）如果感觉到有爬行，可能是润滑油不够，或者是液压系统有空气进入；（4）检查手轮或转动主轴，观察它们的松紧程度是否合适，可以初步判断这些部件是否有问题。

4.5 嗅觉

这个基本用不到但还是简单介绍一下，如果闻到浓烈的油烟气、或者焦糊味，先找出产生的部位，可能是电气原因造成线路短路。

以上是常用的诊断方法，成本少、操作简单，在日常维修中也是经常使用。也可以根据自己的实际情况不断积累经验完善检验流程。

5 全新的诊断方式

5.1 油样分析法

在数控机床在工作中会用到润滑油和液压油。大量的数控机床信息可以直接通过油样分析结果就可以得到。设备使用过程中会出现摩擦的现象，润滑油可以减小摩擦。润滑油是用在机床内部的，使用过程会产生一些的碎屑，一些机械零件的磨损程度可以通过对润滑油的检验分析就可以识别，也能分析找出零件磨损位置。

5.2无损探伤法

无损探伤法完全是高科技术的故障排查方法，保障机械完好的情况下，对机械内部和外部进行“体检”，可以快速找到伤痕部位，这对于数控机床的传统排查方式有突破性的发展。但要确保机械内部是没有危险源的情况下才可使用。

5.3其它现代诊断法

主要借用现代科技对设备进行非破坏性监测包括温升监测、噪声谱分析、振动监测、油液光谱分析等，根据定量和定性的分析判断，逐一找出故障原因。可以由如下方面找出故障点：（1）关于温度监测方面。利用温度探头，在指定位置固定好分别测量运行轴承，电机和齿轮箱等表面温度变化；（2）非破坏性监测。探伤仪可以监测到体内部的缺陷，找到裂纹或损伤零件等；（3）噪声谱分析。通过精密仪器声波仪对齿轮发出的噪声信号进行频谱变化分析，从而判断齿轮磨损情况。

6 结论

查找故障产生的原因是灵活多样的，不是生搬硬套，这也是数控机床发生故障维修棘手的地方。而要查明原因，首先要具备丰富的基本知识和丰富的实践经验。一定要有正确的指导方法，不能随心所欲，不然可能会做出错误的判断和进行错误的操作。

参考文献

[1] 薛光辉，吴淼.机电设备故障诊断方法研究现状与发展趋势[J].煤炭工程，2010（5）.

[2] 王侃夫.数控机床故障诊断及维护[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3] 秦立高.机床维修手册[M].北京：国防工业出版社，2000.