摘要
随着国内制造业的快速发展，数控机床在国内的应用越来越广泛，但由于其成本高昂，又是企业的核心生产环节，如果出现了问题，将会对企业的经济和信誉造成巨大的损害。但是，在很多时候，很多企业仅仅关注于对数控机床的各种功能的充分利用，而忽略了它的科学、合理的使用，以及日常的维护和维护，无疑会对机械的工作造成潜在的威胁。文章介绍了几种常用的数控设备故障诊断和维护方法，以期能够为相关实践工作提供理论依据。
关键词：数控机床；故障诊断；故障类型；维修
Abstract
With the rapid development of domestic manufacturing industry, CNC machine tools are more and more widely used in China, but because of its high cost, and it is the core production link of the enterprise, if there are problems, it will cause great damage to the economy and reputation of the enterprise. However, in many cases, many enterprises only focus on the full use of the various functions of CNC machine tools, and ignore its scientific and rational use, as well as daily maintenance and maintenance, will undoubtedly cause a potential threat to the work of machinery. This paper introduces several common fault diagnosis and maintenance methods of CNC equipment, in order to provide a theoretical basis for related practical work.
Key words: CNC machine tool; fault diagnosis; fault type; maintenance
1引言
近几年，随着我国装备制造业的迅速发展，数控机床在我国的应用日益受到重视。在CNC的生产中，一个小小的失误都有可能让整条生产线、乃至整座工厂都停止运转，从而极大的限制和影响到这些先进的生产体系的整体效益。因此，在高速上，CNC机床；在实现高精度、高精度、多轴联动等复杂表面加工和高自动化功能的前提下，还要保持性能和功能性；因此，必须加大对数控机床关键部件的故障诊断和维护技术的研究。从可靠性设计、生产和装配的角度出发，改善设备的可靠性，延长设备的工作寿命；维修性是以提高数控机床的使用单位为基础，以保证其工作可靠度，减少维护停机时间。目前国内外对CNC可用性的研究大都侧重于可靠性，忽视了维护性，但其内在可靠性的提高受到技术、工业水平和经济状况的制约。这时，为了保证设备的可靠性，改善设备的维修能力，降低停机次数，降低停机损失，是保证设备的持续运行，提高企业的经济效益。目前，常规的维护管理理论与方法已不再适合于CNC加工设备，导致了两个严重的问题：维护过剩与维护不足；维护决策方法落后，不能适应现代灵活制造对数控机床维护管理的需求。因此，必须针对其结构特点、故障特点，制定科学的维修管理理论，以指导其进行维修管理，并建立相应的维修决策模型，以便于对其进行维护和管理，对提高企业设备投资效益和保障企业正常生产秩序具有重要意义。本文就是在这样的大环境下进行的，旨在通过对数控机床的主要部件进行故障诊断和维护技术的探讨，以期对国内数控机场维修技术的发展有所帮助。
2数控机床主要机械部件故障机理
2.1故障的基本概念
结构、机器或机械零件在尺寸、形状、材料性质方面的改变，机械失效是指由于形状、材料性质发生变化而导致结构、机械或机械部件不能满足原始设计的功能或使其各项性能发生变化的原因。比如：某些零件的损坏，磨损，焊缝开裂，螺栓松动，发动机功率降低；传动系统不稳定，噪音加大，工作机构的工作性能降低，燃油、润滑油的消耗量等。所谓的“设备失效”，是指某一机械设备(或它的部件)无法发挥它的作用。其失效的改变过程可以分为三个阶段：早期故障阶段、偶发故障阶段和耗损故障阶段。
(1)早期故障阶段，这一阶段的失效，是由于设备设计、制造和装配的问题。随着工作周期的增加，装置各个部分处于最优工作条件下，故障率逐步下降。 (2)偶发故障阶段的故障的主要是因为机器操作不当、润滑状况不佳、维修不及时等偶然因素所致，而非具体的失效机制，因而该阶段的失效具有一定的随机性。该过程中出现的失败几率较小，运行稳定，运行良好。。
(3)长期使用后，由于长期磨损、疲劳等原因，导致部件的强度和装配质量大幅下降，从而使设备进入损耗失
效期。这一阶段的失效率大幅上升，磨损严重，失效时间已过。
2.2故障的机理分析
故障机理是由元件引起的；元件；物理、化学、电气和机械的故障。也可以说是造成这种情况的根源。失效机制也是指在CNC设备出现一定缺陷以前，它的内在演化和原因。在分析失效机制时，必须考虑三个因素。 (1)对象。指由失效自身的内在条件和构造对失效的诱导效应，也就是机械设备的内在功能；强度，内部缺陷，设计方法，安全系数，安装条件等。 (2)原因。可导致设备和系统失效的失效因素，例如工作压力(质量，电流);电压、辐射能量等)、周围的应力 (温度、湿度、放射线、日照等)、人为的错误(操作错误、装配错误、调整错误等)、时间因素(时间周期、负荷周期、时间)。
(3)结果。产生的异常状态，或则说是由a影响因子b的结果。当基础因子a的状况超出一定限度时，就会出现失效，也就是基本因子C。
一般而言，失效方式体现了不同的失效机制。然而，同一类型的失效，其失效机制也不尽相同。同样的失效机制，也会有不同的失效方式。故障发生的空间、时间、设备(故障部件)的内外多个因素都会产生不同的影响。要了解故障是如何产生的，就必须明确造成直接和间接的原因以及它们的影响。
3数控机床典型机械故障分类
3.1齿轮故障
3.1.1常见的齿轮故障
在我国现代工业中，齿轮是一种广泛使用的机械零件，它具有比其它传动更好的稳定性；由于其精度较高，所以在交通、航天等行业中，齿轮是最理想的选择。齿轮因其本身的特性，容易产生诸如齿面磨损等问题；局部失效如齿面疲劳，齿面划痕，裂纹等。根据相关资料，齿轮在齿轮箱中所占到的六成以上，其中百分之九十是由于局部失效所致。齿轮的运转是否正常，对整个机器的运转有很大的影响。所以，对其工作状况进行监控与检测，就显得尤为重要。齿轮在运转过程中，因齿轮的加工而产生的误差；工人装配不当或操作保养不当，会造成各种形式的失效，而失效的形式也可归因于齿轮材质；热处理、运行状态等各方面的影响也不尽相同。常见的故障有：齿面磨损、齿面疲劳、齿面胶合、齿根疲劳开裂、齿牙断裂等。
常见的齿轮故障有以下几类形式。
(1)齿面磨损
因机油油量不足、油质不洁净、轮齿超载等原因，会使齿面产生磨损，使齿形发生变化，使侧隙增大，使轮齿极度减薄，从而产生断齿。比如，在运转过程中，如果细小的粒子掉到了润滑油或者齿面上，就会造成齿面的磨粒磨损。
(2)齿面胶合和擦伤
在齿轮重载和高速运转的时候，齿轮表面的温度会升高，如果齿轮的润滑不良，会导致齿面之间的油膜变薄，或者消失，从而导致齿轮表面的金属熔化，从而导致齿轮表面出现划痕和划痕。
(3)齿面接触疲劳
齿轮在实际运转时，会发生相对的滚动和相对的滑动，同时由于摩擦的作用，会引起反向的摩擦，产生脉动和负载。在两种力的作用下，齿轮的表面会产生剪切应力，当剪切应力超过了齿轮的疲劳极限，就会出现疲劳裂纹，在疲劳状态下，齿面会出现点蚀现象，从而引起齿表面的大量金属脱落。另外，齿轮材料的不均匀性和部分损坏也会使齿面产生接触疲劳。
(4)轮齿折断
齿轮在运转时会受到负荷，齿根处的应力、齿根圆和齿面的突然应力集中引起。在长时间使用中，由于疲劳裂纹、冲击振动等原因，也会导致轮齿断裂。
(5)塑性变形
这种故障主要是由于齿轮传动过程中应力过大，齿面硬度低造成的。
3.1.2齿轮故障的原因
产生上述齿轮故障的原因较多，但从大量故障的分析统计结果来看，主要原因有以下几个方面：
(1)制造误差
齿轮的加工误差有偏心、齿距、齿型等。偏心是指与转动中心相脱离的齿轮几何中心。齿轮的实际齿距与公称齿距的误差很大，这就是所谓的齿距偏差。而齿面误差是指实际齿面与理论面的偏差。
(2)装配不良
齿轮的装配不合理，会造成其工作状况不良。当齿轮轴发生非相对平行时，在齿宽度方向上，仅有一端与齿宽度接触，从而导致齿宽度不均匀，从而无法顺利地传递扭矩，从而导致齿轮局部受力过度，从而导致轮齿断裂。
(3)润滑不良在高速、重负荷的情况下，由于润滑状况不好，会引起齿面局部高温，从而引起齿面粘连等失效。油路不畅通，润滑油不干净，油温过高等，是导致润滑油不能正常工作的重要因素。
(4)超载
驱动系统长期的超载运行会导致齿轮在此过程中过载而断裂，或者长期过载导致轮齿根部疲劳裂纹、断裂。(5)操作失误
缺油、超载、长期超速等都属于操作失误，都会造成齿轮的损伤以及损坏。
3.2滚动轴承故障
3.2.1滚动轴承振动机理
在机床工作中，滚动轴承的振动因素主要有内部因素、外部因素和动力因素三个方面。内部原因主要有：滚动轴承本身的构造特点、装配之间的偏差、运行中的失效等。外部因素主要有：部分零件的振动和彼此间的作用力。在高负荷运行时，驱动轴的振动会对由轴承、支座、壳体构成的振动系统进行激励，从而引起系统的振动。
(1)轴承结构本身引起的振动
滚动轴承是由轴承外圈、轴承内圈、滚动体以及保持架等元器件组成。轴承内环和外环分别与轴颈及轴承座装配在一起，一般情况下内圈转动而外圈不动。轴承结构本身引起的振动包括：外圈波纹、内圈波纹、滚动体波纹以及滚动体直径不一致等引起的振动。
(2)轴承故障引起的振动
轴承磨损、表面损伤以及轴承弯曲或轴承偏斜引起的振动。
(3)轴承加工装配造成的振动
轴承在制造以及装配不可避免地存在加工误差、装配误差等，这些都能造成轴承的振动。
3.2.2滚动轴承异常的基本形式
(1)疲劳剥落
在滚动轴承运行过程中，滚道和滚动体在相互承载荷载的情况下，产生了相对滚动。当切割应力发生周期性改变时，轴承内部会出现一定程度的疲劳裂纹，并逐步向外扩展，最终在轴承表面形成大面积的金属脱落。在图1中显示了疲劳剥离时的区域信号。
图3.1疲劳剥落时域信号
(2)磨损
由于长期使用滚动轴承，导致轴承滚道和滚动体、保持架、座孔、轴颈等部件的磨损是不可避免的。外部异物侵入、润滑条件不足、轴承自身的构造特性等均会使磨损加重。长期磨损会使轴承间隙增大，从而降低机床的工作精度，使其振动和噪音增大。
(3)塑性变形
由于受到冲击负荷、过载和外来硬质杂质的侵入，轴承滚道表面会出现凹痕或着刮痕，而刮痕所引起的冲击负荷会使相邻表面的金属脱落，长期的负荷积累和瞬间超载都会使轴承发生塑性变形。
(4)腐蚀
酸碱性物质、水、电流、冲击荷载以及超载所造成轴承表面的凹凸不平等都有可能造成轴承零件表面的腐蚀。
(5)断裂
轴承运转过程中所受负载过大以及过度疲劳会造成其断裂。轴承经过热处理、装配后所产生的残余应力也会造成轴承表面形成裂纹，裂纹逐渐扩散进而转变成断裂。
(6)胶合
胶合是指轴承在润滑条件不足、速度过高、过载以及启动时加速度过大的情况下，轴承轨道与滚动体之间由于温度过高而局部粘结的现象。如图2所示，为滚动轴承胶合故障温度曲线。
图3.2胶合故障温度曲线
从上述情况可以看出，导致轴承失效的因素很多。轴承失效后，其振动信号根据故障类型的不同而呈现出不同的特征，从时域和频域上观察到的振动信号的振幅、温度值等，可以对轴承的状态进行分析。为了降低生产成本，我们可以采取如下措施来改善轴承的使用寿命、精度和生产效率。第一，改善了各个部件在轴承生产中的精确性。第二种是减少安装误差。第三，要做好滚动轴承的防护，这样可以避免滚动轴承的负荷和润滑问题。
3.3机床导轨故障
3.3.1机床导轨的功用
在机床上，所有直线运动的零件都是沿其床体；在横向构件上的导轨，其功能大致上为移动构件提供引导和支撑的功能，也就是说，在外部力的作用下，移动构件能够沿某一方向精确地移动(例如：移动构件自身的重量、工件的重量、切削力、拉力等)。导轨的加工精度和保持精度是影响机床加工精度的关键因素。
3.3.2导轨应满足的基本要求
(1)高的导向精度
导引精度保证了各个零件的运动轨迹。导轨导轨精度主要是指导轨的制造精度、导轨的刚性、导轨的结构和组装质量。
(2)良好的耐磨性
导轨的非均匀性会影响导轨的导引精度，进而降低数控机床的加工精度。所以，良好的耐磨性能是保证导轨导引精度的一个重要条件。
(3)足够的刚度
在数控机床的加工中，导轨的刚性是另一项重要的要求。导轨的刚度对导轨的导引精度和导轨的磨损有很大的关系，因此导轨的刚性要求很高。
(4)低速平稳性
机床导轨在低速下移动时，必须确保其移动平顺，不能发生爬行。机床的爬行会使工件的精确度下降，特别是高精密的CNC机床，要确保它不会发生爬行。
(5)结构工艺性好
导轨结构简单、工艺性要好：设计时应尽量使导轨结构简单，以便于导轨的生产制造、调整和维护。
3.4机床导轨常见故障及产生原因
机床运转过程中，导轨有时会出现间断性停顿等现象称为导轨爬行。导轨爬行主要分为以下几种。(1)导轨研伤
导轨研伤产生原因有以下几点：
①由于机床使用时间较长，基础和床身的水平方向发生了变化，导致了部分导轨的单位面积负载偏大。
②导轨材料差。
③刮擦的质量不合格。
④机床保养不当，导致导轨内有异物掉落。
处理方法：调节导轨的润滑油，确保液压。为了提高导轨的摩擦力，在导轨上加入了锌-铝同板，从而提高了导轨的摩擦力。通过改善刮削和修理质量、强化设备维护等措施，减少导轨研磨几率。
(2)导轨上移动部件运动不良或不能移动导轨部件运动不良原因有以下几点：
①导轨面研伤。
②导轨压板研伤。
③导轨镶条与导轨间隙太小，调整的太紧。
解决措施：卸下压板，调整压板与导轨间隙，松开镶条防松螺钉，调整防松螺栓使运动部件灵活运行。
(3)导轨面静动摩擦力不一致导轨面静动摩擦力不一致原因有：
①导轨结构不合理。
②导轨油槽分布不合理。
③导轨材质选用不当。
④制造装配质量差。
(4)机床导轨伤痕的爬行故障
数控机床在使用时，经常会因为润滑油油量不够、油品不好、没有相应的保护措施而发生爬行故障。比如，细小的硬粒子掉到润滑油或机床的导轨上，很容易引起导轨表面的损伤和刮擦，从而使工作台的转速不均匀，从而出现爬行。
(5)机床润滑油质差引起的爬行故障
数控机床在使用过程中，润滑油的质量会发生变化，其中一个主要原因是使用油不正确。主要润滑；冷却；清洗，密封，防锈，防腐蚀等功能。其主要品质指标为色度，粘度，密度，酸碱值，凝点和倾点，灰分和残余碳值。机床运转时，导轨在工作温度下，润滑油容易氧化，氧化形成的氧化物附着在导轨上，引起导轨的酸蚀，从而降低导轨的润滑性，从而引起导轨的爬行。因此，对导轨进行定点、定量、定期的加油、加油、清洁、更换润滑油十分必要。
4数控机床主要零件故障诊断常用方法
4.1直接法
当出现问题时，维护员可以透过不同的灯光；声音；注意检查各种不正常的情况，仔细检查各部件，把失效区域缩减为一组或一片印制电路板。对线路的损坏进行了观察，并认真地观察是否熔断丝熔断、元器件烧坏、开裂等现象，以判断是否存在过流、过压或短路。用手触碰元件是否有松动，是否存在虚焊、断裂等问题。例如，某配置有法那科系统FANUCOiMATEC的数控车床，在进行加工时，主轴突然停止工作。首先要检查一下主要的电源插口，如果它的供电状况良好，请进行安全的检验。开启电器箱内，发现电动机的主要线路保护管道烧毁，请重新安装。造成这种现象的主要因素是由于机床的动力不足、切削量大以及电动机超负荷运转等。用新的安全装置替换，排除了所有的问题，并使机器重新工作。
4.2交换法
交换方法是通过对电路故障的基本原因进行分析，然后使用备用的印制电路板；用IC晶片或元件代替可疑的零件，使失效区域减少至印制电路板或晶片。比如，一台工业级的CNC铣床，安装了华星HNC-2lm系统，出现了一个故障，即Y轴在加工过程中突然停止，没有任何警报，之后无论手动、自动、MDI模式，Y轴都没有任何反应，而X轴、Z轴都是正常的。首先确认机器部件是否有问题，然后找出故障所在的电器部件。对Y轴控制所涉及的数控设备、伺服驱动器、伺服马达进行分析。X轴与Y轴伺服驱动相同，利用交换方法，将Y轴与X轴伺服驱动进行了替换，结果显示Y轴的故障已消除，X轴保持不动。这时可以判断出原来的Y轴驱动装置已经损坏。替换新的驱动装置，使机器恢复到原来的状态。
4.3原理分析法
依据CNC构成原理，对各个点的逻辑电平、特性参数进行逻辑分析，并从各个部分的工作原理出发，对其进行分析和判定，从而找出故障所在的检修办法。在使用该方法时，维护人员必须清楚地、深入地理解整个系统或各部分的工作原理，以便确定故障的位置。比如，西门子810D数控设备，在螺纹加工过程中，会产生锯齿。根据CNC的位置控制理论，判断出了问题出在转动编码器上，并且极有可能是由于缺少了反馈信号，因此，当数控设备给出了进给量的命令后，反馈的实际位置总是不准确，位置偏差总是无法消除，造成了螺纹插入的问题。在替换了编码器之后，排除了错误。
4.4参数检查法
当数控系统发现故障时，必须对系统的参数进行校验，因为系统参数的改变会对机床的工作造成很大的影响，严重的可能导致机器无法工作，从而导致故障。比如，华国星辰公司的HNC-21数控设备，在加工过程中出现了一个错误的尺寸，从而导致了生产的失败。找出问题的根源，先检查程式中的大小，若无问题，则检查初始参数设置。在进行参数调整之前，应先了解参数的作用，熟悉初始设定值，若参数不正确，则会导致严重的结果。首先，在F10上进行参数选择的开关，然后按F3键进入参数索引，然后在F3键上键入密码。输入密码后，即可按F1键选定轴参数，选定0轴后，再对外部脉冲等效分子和外部脉冲分母进行测量。根据机器的参数，机床采用10000线编码器的伺服马达，螺杆6毫米，传动比2:3，所以每转动一次，机床就会移动6毫米。6×2/3~4毫米，按照公式，外脉冲当量分子(um)/外脉冲等值分母二马达每转动一圈，机床的运动距离为10000，也就是4000个内脉冲当量，4000/10000=2/5。在参数更改之后，要使新的参数生效，必须重新开始CNC设备。
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