关键词： 数控机床；主轴单元；故障；监测；振动诊断 

 

Fault diagnosis technology in CNC machine tool spindle diagnosis application

 

Pick to: This paper explains the application of the technique of mechanical fault diagnosis of CNC machine tool spindle unit to carry out monitoring, diagnosis method for the specific application, repair personnel to accurately judge the fault position, provides useful information.

Keywords: CNC machine tool; spindle unit; fault diagnosis; vibration monitoring;

 

数控机床机械零部件故障，是影响零件加工品质、设备运行状态的关键因素，是设备维修人员及广大科技工作者着力研究的主要内容。

机械故障诊断技术，在往复机械、旋转机械、轴承、齿轮等设备和零部件的故障诊断中，应用得非常普遍。尤其是振动诊断方法，也已比较成熟，给企业带来了可观的经济效益。机械故障诊断技术，在数控机床故障诊断中的应用也日益广泛。

    数控机床内部结构的某些故障，系统一般不呈现报警信息，诊断故障比较困难。故障的监测、识别和预测，可通过对振动、温度、噪声等物理量进行测定，将测定结果与正常值或规定值进行比较分析，以判断机械系统的工作状态是否正常。如数控机床的主传动、进给传动等，运行过程中会产生振动、噪声、温升等异常信息，因此可通过安装在主轴箱、工作台某些特征点上的传感器，测量其振级，位移、速度、加速度及幅频特征等，达到对故障进行监测和诊断的目的。

数控机床主轴部件，是机床实现旋转运动的执行件，安装在主轴内的工件或刀具实现主切削运动。主传动系统和主轴部件，一般都设计成一个主轴箱，主轴组件的回转精度、刚度、抗振性和热变形，直接影响加工零件的尺寸、位置精度和表面品质。

 

1  CK7815数控车床主轴故障信号采集

 

1.1检测原理

如图1所示。

 

图1 测试原理框图

1.2  测点选择及测量参数确定

数控机床运行一段时间后，尤其是某些突发因素，比如超载、操作失误、零件磨损等，会引起主轴本体、主轴轴承发热，导致主轴旋转精度超过允许值。这时，主轴单元的振动、温升将会出现异常值。基于此特点，在CK7815数控车床主轴轴承处布置A、B两个传感器，采集信号（如图2所示）。

                                             

                       图2. 测点选择及测量参数确定图

 

数控机床信号采集，主要确定信号采集部位及传感器的选型与安装。信号采集部位，主要考虑主轴轴承位对振动信号较敏感，因此在前、后轴承位置安装传感器。传感器类型主要有位移、速度、加速度这3种类型。

由于振动参数中，加速度参数对高频振动（＞1 000 Hz）比较敏感，所以选择加速度传感器。选用VM9503振动数据采集仪，进行数据采集。

 

2  信号分析方法

 

2.1  时域分析 

时域描述——直接观测到或记录的信号，一般是以时间为独立变量的，称其为时域描述。

信号时域描述，能反映信号幅值随时间变化的关系，而不能明显揭示信号的频率的组成关系。

2.2  频域分析

把振动信号按其频率、范围和结构进行分类分析，从而进行故障诊断的方法叫频率分析。

信号的频域描述——把信号的时域描述通过适当方法，变成信号的频域描述，即是以频率为独立变量来表示信号，其揭示了各频率成分幅值所占的比重。

2.3  小波分析

传统的傅立叶变换，只能对信号在整个时间段上进行分析，是一种全局的变换。因此，在分析实际的时变信号时，具有很大的局限性。小波变换在时域和频域同时具有良好的局部化特性，是对非平稳信号进行时频分析的理想分析工具。

小波变换之所以可以检测信号的奇异点，正在于它的“小”．因为用小的波去近似奇异信号，要比正弦波要好得多．

    本文采用传统的频谱分析法进行故障检测。

 

3  数据处理

 

针对所检测信号，按照图3所示进行故障诊断。在收集信号时，观察数据采集器所示的d B值。该值越大，说明振动能量越大，故障严重，反之故障轻微或不存在。检测数据如表1。

 

图3 机械故障诊断过程

 

表1 数控机床主轴A处故障诊断检测值

时间（次数） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

幅值（m/s2） 13 16 17 19 25 35 29 25 18 12

 

近两年使用振动诊断技术，对数控机床主轴系统的机械故障进行诊断，获得较好的效果。例如通过定期检测，掌握了机床的磨损劣化情况；通过修理前后的检测对比，了解修理效果及遗留问题等。数控机床与一般机床相比，机械结构相对简单，因此若对数控机床实施故障诊断，正确率较高。

 

4  结束语

 

当今数控机床，正在朝着高速度、高精度化、多功能化、智能化、数控编程自动化、可靠性最大化、控制系统小型化方向发展。故障诊断技术在数控机床机械故障诊断中等应用，必将有更多、更新、更实用的技术应运而生，比如小波分析、人工智能、远程检测系统等，都将在数控系统中被不断尝试。

 

参考文献：

[1] 李松生，裴翠红，王永坚. 高速精密角接触球轴承支承特性分析[J]. 轴承，2001，（2）：11-14.

[2] 梅宏斌，吴  雅，师汉民，等. 滚动轴承损伤类故障的一种精确诊断模型[J]. 华中理工大学学报，1992，（20）：177-181

[3] 段晨东，李凌均，何正嘉. 第二代小波变换在旋转机械故障诊断中的应用[J]. 机械科学与技术，2004，23（2）：224-226