数控机床机械振动故障的监测

数控机床机械振动故障的监测

摘要：现代数控机床的控制系统虽然都具有丰富的自诊断功能，但是对于机械内部结构的某些故障，系统一般不能呈现相应的报警信息。为了解决数控机床机械方面一些既没有报警，又不能直接观测到的故障，可以采取监测及分析运动部位振动信号的方法，以便能及时准确地掌握运行状态，为设备的安全运行提供可靠的技术保障。

关键词：故障预测振动传感器监测系统安全生产

1 概述

数控机床在长期运行过程中，机械零部件受到冲击、磨损、高温、腐蚀等多种工作应力的作用，性能和状态会不断发生变化，当出现降低或丧失其规定功能的事件时即是发生故障，故障往往会导致不良后果。因此，在机床运行过程中或基本不拆卸的情况下，能够对机床的运行状态进行定量测定，及时判断机床某部位的异常及故障原因，并预测、预报机床未来的状态，对于做好预防性维修工作是很必要的。

现代数控机床的控制系统都已经具备了丰富的自诊断功能，但多是基于电物理量信号，因此在监测数控系统内部软、硬件，伺服驱动与电机，反馈测量和电气等方面的故障卓有成效，并能及时以报警信息形式呈现，以保证故障在未达到恶果前采取相应措施，从而大大提高机床运行的可靠性，提高机床的利用率。

但是对于数控机床机械内部结构的某些故障，系统一般不能呈现相应的报警信息。这种故障的监视、识别和预测，可通过对振动、温度、噪声等物理量进行测定，并将测定结果与先前测定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。当然，要做到这一点，需要具备必要的测试设备和丰富的经验。如数控机床的主传动、进给传动等运动控制系统，运行过程中会产生振动，因此在现场可通过安放在主轴箱、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，达到对故障进行预测和监测的目的，从而解决数控机床机械系统某些既没有报警，又不能直接观测到的故障。这个过程如同医生对病人号脉、用听诊器检查或对患部使用X光、CT、B超等诊断仪器进行诊断。

振动测量仪器有多种，购置需要一定的资金投入。为达到经济实用的目的，我们利用现有的资源和条件，选定一种方便、快捷、省钱的问题解决方案，在试验应用过程中已经取得初步效果。

2振动信号的拾取

2.1 基本原理

数控机床的功能部件、传动部件、甚至直流与交流驱动电机，在异常运行中都会产生振动，在不同的异常状态下其振幅与频率是不同的，因此检测振动并对其规律进行摸索、研究，便能直接反映出机械系统的运行状态。为了抓住振动这一关键物理量，先后试验了几种不同方法，其中一种用参量式传感器变换成电信号既简捷又便利。该传感器基于检测运动加速度的原理，即利用悬臂梁弹性敏感元件。当末端附有重物的悬臂梁受到附近的振源作用时，即会产生弹性应变，而且应变与振源的强度、加速度成正比。如果在适当位置粘贴电阻应变片并组成电路，就能检测出所要的动态信号。然后经放大处理后，再用仪器或计算机进行实时显示或数据处理，做定量分析，确认异常状态，以获得诊断信息。

2.2 传感器结构

传感器结构如图1所示，它装在磁力表座上，然后借助于磁力表座的强吸力吸在测点上。

图中1是悬臂梁，规格48×16×0.6mm，为等截面悬臂梁，材质30Cr。2是箔式电阻应变片，4只应变片分别贴在悬臂梁上下面中部，引出线接成全桥工作方式，这种方式的测量灵敏度最高。3是末端重物，质量与受到振动时促使悬臂梁发生弹性应变量成正比，过轻信号幅值低，过重会影响动态灵敏度。4是印制电路板，主要为运算放大器信号放大电路，把应变片输出的检测信号放大到后级仪器的输入量程范围（如2.5V/5V/10V），并向应变片桥路提供12VDC电源。5是电缆插座。6是磁力表座。

2.3 传感器的输出信号，可以接至示波器（用超低频双线慢扫描示波器），如图2所示，直接观测波形。也可以接波形记录仪或瞬态记录仪记录波形。还可以用A/D变换电路及数据采集卡通过微机的总线送入微机系统。

３用示波器配合监测数控机床几例

一年多来，选择了十余台运行的数控机床进行了定点、定期的监测，并且认真作好记录。结合多次出现的异常现象，进行对比分析，总结规律，从而及时发现、排除了一些故障问题。

例1：国产XKA5750工作台升降式立卧两用数控铣床，生产机械密封件，铣削异形槽、钻孔。

某次监测时将传感器吸附在工作台上，分别运行三个坐标轴电机，测量X、Y、Z三个轴的运行状况，发现在Z轴中部约100mm段波形严重异常，检查该段导轨部位很正常，初步确认滚珠丝杠有局部不良现象。由于拆解Z轴滚珠丝杠较困难，起初希望采取强润滑能起作用，经注人大量机油后冲出不少污物，但测量结果依然如故，最后只得将工作台解体检查，果然发现滚珠丝杠局部已经研磨损坏。购买南京工艺装备厂滚珠丝杠并适当改制后进行更换，故障彻底排除。

例2：国产CK61401数控车床，加工生产套类零件。该型号数控车床主轴箱为机械变速。将传感器吸附在主轴箱监测运行状况时，测出某台有异常波形，而对相同型号的另一台机床测得运行在同一速度下波形，然后将主轴变速手柄换在另一档位，没有异常波形。这说明主轴部件及轴承没有问题，故障在传动部分。经打开主轴箱后进一步检查，查出传动二轴（花键轴）有弯曲现象，由此造成齿轮跳动，啮合一面紧、一面松。经详细追查，反映出操作员一周前曾因操作失误将刀架撞到运转的主轴卡盘，而且隐瞒不报，属于责任性的事故。由于原机床厂已没有备件，只得将故障轴拆下，测绘后定做一根并更换，问题得到解决。

例3:国产XH754卧式加工中心，加工生产箱体零件。

据操作员反映，工作中闻到X轴进给直流伺服电机有异味且外壳高热。将传感器先后吸附在X、Y、Z 电机外壳上，用示波器察看电机运转时传感器的输出波形，发现X轴电机有明显异常，用电流表测量伺服驱动器电流比Y、Z轴电机大，却不报警，显然电机内部有结构性故障。将电机拆下后解体检查，定子的永磁体有3个已经脱落，吸在了转子上，电机运转时转子与磁极摩擦导致了电流增大且使电机发热。经过将电机彻底清理，用302改性丙烯酸酯胶A、B各一份调好，涂在粘接面上，将磁极按照原来位置重新粘好，固化后恢复原状，重新装好电机，开机后运行正常，故障得到解决。

例4:台湾产135A立式加工中心，加工箱盖类零件。

根据操作员反映加工的工件有严重超差问题，先将传感器吸在工作台边沿，检测各进给轴运行状况。当X轴单独进给时，传感器输出波形明显异常，再用千分表测量X轴轴向间隙己大大超过规定值。将交流伺服电机拆下，解体X轴进给传动系统，发现滚珠丝杠外端的止推轴承滚珠已研碎。经更换原型号轴承后传感器输出波形恢复正常，机床故障问题得到解决。

4 与计算机组成“数控机床振动信号分析及状态监测系统”

为进一步做好数控机床机械故障的监视、识别和预测，在上述基础上，与计算机搭建组成数控机床振动信号分析及状态监测系统，结构包括：在机床相关监测点安放振动传感器；将传感器测得的模拟信号接入数据采集器中，经信号调理、A/D转换，由Modem经车间局域网将采集的数据传至诊断中心计算机；实现连续实时地采集机床状态数据，并且对直接获取的各监测点状态信号与历史数据比较，进行数据处理，得到诊断结果，从而形成一个完整的监测系统，实现对机床故障的早期诊断。其预期功能是：（1）实现以最方便的方式对诊断对象的状态信号进行检测采集。

（2）从伴有环境噪声和其它干扰的综合信号中，把能反映机床状态的特征信号提取出来。

（3）对经过处理的状态信号的特征进行识别和判断，对是否存在故障，以及故障部位、原因和严重程度予以确定。

（4）对未发生或目前还不够明确的设备状态进行预估和推测，以判断故障可能的发展过程，以及何时将进人危险范围。

（5）研究故障的形成与发展过程，了解故障的形态特征，进一步掌握故障信号，提取故障特征并建立故障档案。

该系统软件采用数据库结构，已经在车间试验运行。

5 小结

通过监测数控机床振动实现预防性维修，可以及早发现故障隐患，及时准确地掌握数控设备的状态，减少机床停机时间，防止突发事故，提高生产率。计算机监测系统能为设备的安全运行提供更可靠的技术保障，