数控机床机械故障策略研究*

雷海峰，柳光利，杨 阳

（重庆机电职业技术大学机械工程学院，重庆 402760）

随着我国工业水平的不断提升，企业的竞争压力不断增大，为提高企业的核心竞争力，各个企业都相继引进先进的生产设备，不断提升自身生产效率和生产质量。数控机床是机电一体化生产过程中的常用设备，集气动、液压及机床、计算机、电机、自动化控制等功能于一体，智能化水平较高，能大幅提高企业的生产能力。但也因为数控机床的构成比较复杂，某一部分一旦出现故障，就会对整个数控机床机械的加工精度造成影响，甚至会造成机床停机或暂停生产。因此，机械设备管理人员应总结工作经验，在施工生产过程中，应用先进的管理技术，深入了解数控机床在运行中经常发生的故障类型，扎实掌握故障的诊断和维修方法，准确诊断数控的运行状态和故障情况，及时地维修，才能保障数控的运行质量，获得最佳应用效果。

1 数控机床故障类型

1.1 主轴运行故障

1）精度和设计不满足相关要求。数控机床多用于加工精密、复杂、小批量的零部件，对生产精度的要求很高，若加工零部件过程中精度与设计要求不符，会使主轴始终处于冲击状态，进而影响后期安装时的牢固度，会对数控机床的运行质量产生影响。为规避该类情况的发生，机械设备管理人员应充分重视数控机床的精度和导轨的精度，在运行中定期检查精度，判断数控机床系统是否处于正常运行状态，结合数控机床的运行状态和出现的问题进行针对性处理。

2）切削震动过大。数控机床的结构也可能在运行中出现故障，主要诱发原因有以下几点：第一，轴承间距过长，连接紧实度不足；第二，轴承及主轴箱未按标准要求安装；第三，因螺丝松动等原因造成主轴箱、立柱及床身分离。

造成切削震动过大的原因较多，应根据实际情况采取针对性的处理措施。主轴箱可能在运行过程中产生较大噪声。为减少噪声对正常生产造成的干扰，应将主轴箱的噪声控制在78 dB以内[1]。若数控机床在接电运行后，主轴箱产生的运行噪声远高于78 dB，则有极大可能出现故障。引发主轴箱故障大多由于主轴箱内零部件未能均衡设计，使各零部件未能均衡稳定地工作，造成传动带长度不均。一旦主轴箱在运行中有异常表现，应及时检查或更换轴承或传送带，并调整间距情况。

3）主轴过载。数控机床机械在完成强力切削作业任务时，若电流频繁发生正反转动作，数控机床会在自我保护机制的作用下发出过载报警。以XH714型立式加工中心为例，若其运行中频繁地发出过载报警，Z轴中电流过高，停机降温不能彻底根除该故障。若想解决该问题，首先应确认故障的产生部位，分隔开机械主体和Z轴电动机，接通电源使机械运行，若运行一定时间后过载报警未出现，则表示故障是由于机床负荷异常引起，则应通过调整Z轴丝杠紧固螺母或Z轴镶条螺栓的方式，改变机械丝杠的过紧状态，缓解机床负载，从而消除故障。

1.2 运动系统的常见故障

1）滚珠丝杠的副噪声问题。引发该种故障的原因较多，如未能对丝杠及时地润滑保养、丝杠滚珠经过长时间使用后发生磨损或老化、杠支轴承损坏等，若发现滚珠丝杠出现副噪声情况，应及时安排机械维修人员排查以上诱发原因，调整轴承盖，保证轴承盖能压实轴承端面。还应根据实际情况添加润滑油，或更换老化及损坏的滚珠，以确保滚珠丝杠能高效运行。

2）滚珠丝杠在运行期间的灵敏度较差。出现该种情况的原因是滚珠丝杠的负载过高，使丝杠未与导轨保持平行状态。此时，应根据实际情况调节轴向间距，强化滚珠丝杠的负载能力，使丝杠和导轨能始终处于平行工作状态。

1.3 导轨运行中的故障

1）导轨研伤故障。若数控机床机械在运行中产生研伤，可能会大幅增加数控机床机械的床身和地基局部的负载，对机械造成严重的损害。同时，短时间内多次使用数控机床机械，也可能造成机械的损耗。此时，应加强对导轨的管理与维护作业，用润滑油润滑保养数控机床机械，保证其处于健康的运行状态，减少导轨破损的概率。

2）导轨运行过程中未能最大化发挥零部件的应用价值，加工区域平整度不符合运行规范。处理该类问题时应充分考虑现场实际条件，详细分析不同情况的产生原因，控制允许误差值，更换综合性能和质量都更好的零部件。

2 数控机床故障诊断方法

2.1 油样分析检测方法

数控机床机械在运行中多采用润滑油和液压油润滑及保养，减少机械异常摩擦情况，延长设备的使用寿命。所以，润滑油和液压油的质量可能对数控机床机械的运行状态产生影响，分析油样对保障数控机床机械的运行质量的影响具有非常重要的意义。通过分析油样数据，还能反推对数控机床机械正常运行产生影响的各类因素，如分析油样数据、使用过的油样中碎屑的成分、使用润滑油或液压油进行养护后机械零部件的现行状态等，反推各类故障的发生原因，帮助维修人员准确地判断故障发生位置，及时维修故障。

2.2 无损探伤检测方法

无损探伤是一种新型的数控机床机械故障检测方法，该故障诊断技术能在数控机床机械正常运行过程中检测故障点，使维修人员能在不影响生产的情况下发现数控机床机械的伤痕位置，为后续数控机床机械的检修提供数据支持。但应用该检测方法时应注意，需要保证数控机床内无危险源存在。

2.3 机械振动检测方法

应用机械振动检测方法的前提是检修人员需要对数控机床机械的运行状况有充足的了解，才能判断数控机床机械是否处于正常运行状况，判断机床是否存在异常情况、速度档位是否产生变化等[2]。其次，维修人员应检查机床和机床零部件质量是否达到相关标准，并检查数控机床机械设备系统的设计图纸和轴承分布图纸，确认零部件质量和设计方案具有高度科学性。最后，在采用机械振动检测法检测数控机床机械的故障时，应根据信号和设备的详细位置，选用相应的传感器，以先高后低的次序测试，调增放大器的增益，确保数控机床机械设备能一直接收到良好的信号。

2.4 实用诊断法

实用诊断法是通过常规工具广泛性地检查数控机床机械，结合检查人员自身的工作经验和感官体验初步判断数控机床机械可能存在的故障。实用诊断法的诊断原理与中医类似，也使通过望、闻、问、切等排查故障发生位置和发生原因。

望，是观察数控机床机械的运行表现，观察数控机床机械表面及可观测的系统位置中是否存在变形、磨损的部分；闻，即为听音，通常情况下，数控机床机械在运行中发出的声音应始终保持均匀、稳定的发声规律，若在听音中发现运行声音杂乱、毫无规律，或偶有金属撞击声音出现，则表示数控机床机械内部可能出现零部件松动、变形等问题；问，除依据自身工作经验观察数控机床机械的运行状态，还需要对机械设备的操作人员询问数控机床机械的异常表现，操作人员与机械设备长时间接触，对机械的异常情况敏感度更高，故障诊断人员往往能依照操作人员对问题的描述推理出故障的发生位置和发生原因；切，触摸机床，感受机床是否在运行过程中表面温度过高，是否振幅过大、是否出现箱体爬行等情况；嗅，若数控机床机械已经产生故障，多数会发生局部温度异常升高的情况，此时内部零部件可能在高温的影响下产生焦糊味道，故障诊断人员可通过查找焦糊味道来源，查找故障的发生位置。

3 数控机床故障诊断方法应用的建议

3.1 依据相关原则实施诊断，保证诊断的规范性

1）先内后外的检测原则。当数控机床机械出现故障后，应及时地检测故障发生位置，检查数控机床的方式可应用望、闻、问、切等，如检测零部件质量和温度、灵敏度和油污，以及传感设备、开关、电路板等各类部件的运行状态。

2）先简单后复杂的检测原则。由于数控机床机械的故障类型较多，若数控机床机械运行异常是由于多个故障交杂共同引发的，会大幅增加故障的处理难度，此时，可优先处理相对简单的故障，减少综合故障的处理难度，提高故障的检修效率。

3）先机械后电气的检测原则。机械类故障的表现形式更加直接和明显，所以，在对故障进行处理时应优先处理机械类故障。另外，很多电气故障的发生原因都是由机械故障引发的，优先处理机械故障也能相应降低电气故障的诊断和维修难度。

3.2 明确故障的类别及内容，科学选择诊断方法

通常从性质和种类上对数控机床机械的故障类型进行分类，性质上的故障有确定性和随机性两种故障类型；种类上的故障分为机械类和电气类故障两种[3]。在诊断数控机床机械的故障类型时，应先分析故障的总类别，在总类别条件下选用针对性的诊断方式，如上文已经介绍的油样分析检测法、无损探伤检测法、机械振动检测法等，提高故障诊断质量。随着国内科学技术水平的不断提高，多种新型的故障检测方法被不断应用到数控机床机械诊断工作中，有效提高了数控机床机械故障诊断效率。检修人员应在工作中，根据数控机床机械情况，积极地将先进的检测方法与传统检测方法进行有机的结合，提高故障诊断质量。如，可用自动化诊断方式，在CNC系统接通电源后，由CNC系统的内部程序对数控机床机械的故障进行自动检测和诊断，通过此方法不需要断电停机操作数控机床机械，对数控机床机械的正常生产影响较小；还可选用在线检测方法，自动检测和诊断与CNC装置关联的各个单元及数控机床机械内外部设备的运行情况和故障。

3.3 规划故障诊断流程，精准判断故障点

数控机床机械的诊断流程为：观察故障表现—确定故障范围—排查故障点[4]。在诊断故障的过程中，应依照此流程有效地排查具体故障点，能最大化提高诊断的准确性。同时，检修人员也应在诊断过程中做好以下细节工作。

1）分析机床故障。采用望、闻、问、切等方法初步观察和判断数控机床机械的基础故障，最大化调动自身的各个感官，提高故障诊断准确性[5]。

2）确定故障范围。结合故障表现划分故障的发生范围，并根据数控机床机械的实际表现逐渐缩小故障范围，直至找到精准的故障发生位置。

3）查找故障点。排查故障点应遵循由易到难的检查原则，做好故障诊断流程规划，才能更高效地判断和排查故障点的位置[6]。

4 结语

综上所述，数控机床对促进我国工业的发展具有非常重要的意义，但是数控机床机械在实际作业中受多种因素的影响，常会发生故障，若不能及时有效判断及排查故障的发生位置和发生原因，会极大程度地影响数控机床生产效率。因此，提升数控机床机械故障的诊断水平，能最大化提高我国工业生产效率。在实际诊断数控机床机械故障时，应遵循不同的诊断原则精准地判断故障类型，提高排查故障点的效率及诊断结果的准确性。