數(shù)控機(jī)床控制及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 申?yáng)|東

摘 要：隨著時(shí)代的發(fā)展，特別是在計(jì)算機(jī)技術(shù)普及的影響下，各行各業(yè)都是發(fā)生了巨大的變化。在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，相關(guān)的科研成果的數(shù)字化程度和水平也是在不斷地提升。對(duì)于數(shù)控機(jī)床控制來(lái)說(shuō)，也是在計(jì)算機(jī)的影響下發(fā)生了新的變化，尤其是在對(duì)其控制和診斷方面，實(shí)現(xiàn)了新的突破。因此，本文以數(shù)控機(jī)床控制以及故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，具體的點(diǎn)明數(shù)控機(jī)床調(diào)控的基礎(chǔ)上，指出如何進(jìn)行相應(yīng)的故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并采取相應(yīng)的措施保證數(shù)控機(jī)床控制診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床控制；故障診斷系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)；措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.028

0 引言

數(shù)控機(jī)床對(duì)于當(dāng)前時(shí)代的發(fā)展具有重要的意義，特別是在時(shí)代發(fā)展速度不斷提升的今天，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性也是在不斷的提升。數(shù)控機(jī)床是一種典型的機(jī)電一體化的系統(tǒng)，并在實(shí)際的制造行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。但是，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)在當(dāng)前的情況下還存在較多的問(wèn)題，尤其是故障診斷的不及時(shí)，以及發(fā)生頻率較高的故障問(wèn)題，都是會(huì)對(duì)制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。因此，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，故障診斷系統(tǒng)的有效實(shí)施，對(duì)于數(shù)控機(jī)床運(yùn)行效率的顯著提升，對(duì)于當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展都是具有重要的意義，需要在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的過(guò)程中，不斷進(jìn)行故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與完善，才能保證數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原有的功能。

1 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的現(xiàn)狀

（1）數(shù)控機(jī)床的內(nèi)涵。所謂數(shù)控機(jī)床，主要是指在使用數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)上的機(jī)床，更為簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，就是在機(jī)床中安裝了數(shù)控系統(tǒng)。根據(jù)國(guó)際信息處理聯(lián)盟技術(shù)委員會(huì)對(duì)于其定義，主要是指機(jī)床中安裝有程序控制系統(tǒng)，借助于這些系統(tǒng)的存在能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床的絕大多數(shù)的功能。

（2）數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是在二十世紀(jì)四十年代中開始，當(dāng)時(shí)的機(jī)械工程師已經(jīng)是提出了在機(jī)械加工中應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)的思想。具體應(yīng)用的時(shí)間實(shí)在1970年左右，當(dāng)時(shí)英特爾公司開發(fā)出了相應(yīng)的微處理器，正式實(shí)現(xiàn)了在機(jī)械加工中應(yīng)用數(shù)字控制的目的。不僅如此，在近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展中，數(shù)字化處理技術(shù)的不斷完善，計(jì)算機(jī)的普及，以及機(jī)械加工行業(yè)的有序發(fā)展，都是促進(jìn)了數(shù)字化控制在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用，不僅是提高了生產(chǎn)效率，還在一定程度上促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的有效增長(zhǎng)。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床發(fā)展出現(xiàn)了兩個(gè)趨勢(shì)，一方面，是數(shù)控系統(tǒng)逐漸向著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普遍應(yīng)用，對(duì)于各行各業(yè)都是產(chǎn)生了巨大的影響，特別是在數(shù)控系統(tǒng)開放程度不斷提升的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的通用性和適應(yīng)性的提升。同時(shí)，利用PC機(jī)還能夠豐富數(shù)控系統(tǒng)的硬件資源，對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)的柔性和擴(kuò)展性的提升也是具有重要的意義。另一方面，是數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)了智能化的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前的時(shí)代，是一個(gè)智能的時(shí)代，人工智能的出現(xiàn)，并且伴隨著在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的滲透不斷提升，對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)的影響也是在不斷地提升。在這樣的背景下，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)是逐步引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)理、自適應(yīng)控制機(jī)理以及模糊系統(tǒng)的控制機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)編程，前饋控制以及自適應(yīng)控制等，在工藝上也是實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的自動(dòng)生成以及三維刀具補(bǔ)償?shù)?，這些技術(shù)的有效利用提升了機(jī)械加工的質(zhì)量，還能夠改善人機(jī)之間的關(guān)系，使之朝著人機(jī)互動(dòng)更加友好的方向發(fā)展。值得注意的是，在智能化發(fā)展的過(guò)程中，私服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動(dòng)和智能化進(jìn)給伺服裝置，還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)識(shí)別負(fù)載并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的目的。

（3）數(shù)控機(jī)床發(fā)展的現(xiàn)狀。數(shù)控機(jī)床具有較高的生產(chǎn)能力，在制造業(yè)中發(fā)揮了巨大的功能，因此，數(shù)控機(jī)床一經(jīng)面世，就是收到了較高的關(guān)注，獲得了較大的市場(chǎng)。但是，在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的過(guò)程中，還是存在著一些問(wèn)題，這些數(shù)控機(jī)床中存在的故障，不僅是難以保證其生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)效率，還會(huì)在一定程度上造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)的損失。對(duì)于數(shù)控機(jī)床中存在的故障，具體可以歸納為以下幾類：

首先，數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)部件存在的問(wèn)題。數(shù)控機(jī)床中的驅(qū)動(dòng)部件主要是指伺服電動(dòng)機(jī)，主要發(fā)生故障的驅(qū)動(dòng)部件就是異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)。在這種伺服電動(dòng)機(jī)中由于軸承、轉(zhuǎn)子以及定子等各個(gè)部位的不同，發(fā)生故障的嚴(yán)重程度和影響程度也是會(huì)有所不同。在軸承中經(jīng)常發(fā)生的故障是軸承的脫落或者是磨損，并且由于轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙存在的不均衡問(wèn)題，不僅是會(huì)造成機(jī)床的振動(dòng)超速，還會(huì)造成倒條和端環(huán)承受力分布的渙散。

其次，數(shù)控機(jī)床支承部件存在的問(wèn)題。在數(shù)控機(jī)床中的支承部件主要是指其軸承。軸承對(duì)于數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要的作用，在多數(shù)情況下是有內(nèi)外圈、保護(hù)架以及滾動(dòng)體等部分組成的。在數(shù)控機(jī)床支承部件中最為重要的軸承是滾動(dòng)軸承，該軸承有著彈簧性和非彈簧性兩種性質(zhì)，并且在使用的過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)部件之間的振動(dòng)。由于非線性彈簧性質(zhì)的存在，極為容易造成滾動(dòng)軸承的磨損，一旦出現(xiàn)磨損甚至?xí){到整個(gè)設(shè)備的正常使用。

最后，數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)設(shè)備存在的問(wèn)題。數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)設(shè)備只要是指機(jī)床導(dǎo)軌、工作臺(tái)以及溜板和滑座，在這些部件中機(jī)床導(dǎo)軌的對(duì)于整個(gè)產(chǎn)生的意義最為重大，幾乎是影響到了數(shù)控機(jī)床加工的精密程度以及機(jī)床的使用壽命。因此，機(jī)床導(dǎo)軌與數(shù)控機(jī)床之間的關(guān)系最為緊密。在傳動(dòng)設(shè)備中最常見(jiàn)的問(wèn)題就是在于導(dǎo)軌表面出現(xiàn)變形的問(wèn)題，這種變形會(huì)使得整個(gè)導(dǎo)軌表面的摩擦阻力發(fā)生變化，會(huì)在機(jī)床運(yùn)行的過(guò)程中影響到潤(rùn)滑問(wèn)題，以及受力面積不均衡問(wèn)題。

2 對(duì)數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在數(shù)控機(jī)床中可能出現(xiàn)的問(wèn)題不僅是會(huì)影響到數(shù)控機(jī)床的實(shí)際生產(chǎn)，還會(huì)對(duì)企業(yè)以及社會(huì)的產(chǎn)生不利的影響。因此，針對(duì)于在數(shù)控機(jī)床中存在的問(wèn)題，應(yīng)該設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)，盡可能保證在最高效的時(shí)間內(nèi)解決問(wèn)題。

（1）設(shè)計(jì)出數(shù)控機(jī)床自我診斷功能。目前，數(shù)控機(jī)床對(duì)于我國(guó)的制造業(yè)的發(fā)展具有重要的意義，因此，在實(shí)際的應(yīng)用中的范圍較大，應(yīng)用數(shù)量也是相對(duì)較多，需要在數(shù)控機(jī)床研發(fā)的過(guò)程中，借助于先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備，尤其是精密水平儀、精密方箱以及測(cè)微儀等，實(shí)現(xiàn)直接對(duì)于故障源的測(cè)量，并且結(jié)合人工智能檢測(cè)的方法，對(duì)在電氣系統(tǒng)中存在的問(wèn)題進(jìn)行診斷和解決。不僅是如此，一旦發(fā)生多臺(tái)機(jī)床同時(shí)運(yùn)作的過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，就需要進(jìn)行信號(hào)處理和邏輯推斷的方式，才能實(shí)現(xiàn)故障的診斷和解決。

在對(duì)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行問(wèn)題診斷的過(guò)程中可以采用信號(hào)分析的方法，這種方法能夠更為精確的判斷機(jī)床的振動(dòng)以及溫度變化的情況，精確的找到故障源。信號(hào)分析方法主要是有兩種，一種是時(shí)域分析法，另外一種是頻域分析法，前者主要是在分析的過(guò)程中使用原有確定的數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)數(shù)控機(jī)床在實(shí)際操作中的信號(hào)的波形在時(shí)間變化中的規(guī)律，應(yīng)用典型數(shù)據(jù)抽樣的方式進(jìn)行相關(guān)的分析和計(jì)算。其實(shí)質(zhì)是借助于數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算信號(hào)的峰值與標(biāo)準(zhǔn)偏差。相對(duì)于前者來(lái)說(shuō)，頻域分析法是一種以非正弦周轉(zhuǎn)性電路為基礎(chǔ)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)子啊動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)信號(hào)進(jìn)行更為深層次的分析和處理。

（2）數(shù)控機(jī)床控制診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在診斷數(shù)控機(jī)床診斷的基礎(chǔ)上，應(yīng)該設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)控機(jī)床解決系統(tǒng)，才能保證盡可能降低問(wèn)題產(chǎn)生的后續(xù)影響。一方面，應(yīng)該建立起相應(yīng)的硬件控制系統(tǒng)。建立這樣一個(gè)系統(tǒng)的主要目的是，能夠在這個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)為用戶搭建電路的目的不僅是如此，還能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)相關(guān)的硬件儀器之間的有效連接。當(dāng)收集到一定得數(shù)控機(jī)床操作數(shù)據(jù)之后，還需要將相應(yīng)的圖像輸送到數(shù)據(jù)庫(kù)中，在傳遞的過(guò)程中要保證傳遞的信息具有較高的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。為了達(dá)到這個(gè)目的，需要選擇一些精度較高，分辨率高的數(shù)據(jù)采集卡，并且配置高質(zhì)量的數(shù)據(jù)電線電纜，只有只有這樣才能保證傳輸信號(hào)的質(zhì)量較高。

另一方面，制定出數(shù)控機(jī)床控制的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)在社會(huì)中，由于計(jì)算機(jī)的普遍使用，各行各業(yè)之間的聯(lián)系愈加緊密，已經(jīng)是形成了網(wǎng)絡(luò)化的社會(huì)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的形成在數(shù)控機(jī)床控制中也是具有重要的作用，需要在診斷數(shù)控機(jī)床問(wèn)題的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通信技術(shù)等進(jìn)行聯(lián)系，保證在前端診斷出相應(yīng)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，在后臺(tái)控制中能夠盡可能實(shí)時(shí)的解決問(wèn)題。這就需要將互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與數(shù)控機(jī)床有機(jī)的連接起來(lái)，在系統(tǒng)分析問(wèn)題的基礎(chǔ)上，有維修工程師實(shí)時(shí)的對(duì)問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，制定出最佳的或者是最優(yōu)的解決方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床問(wèn)題的快速解決。

3 結(jié)論

數(shù)控機(jī)床是一種典型的機(jī)電一體化的系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)于提升數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)的效率具有重要的意義。不僅如此，數(shù)控機(jī)床故障的及時(shí)診斷，不僅是可以降低問(wèn)題帶來(lái)的損失，還可以借助于前饋診斷技術(shù)，消滅一些尚未出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)一步提升其生產(chǎn)效率。在當(dāng)前時(shí)代發(fā)展的過(guò)程中，由于市場(chǎng)以及消費(fèi)者對(duì)于機(jī)械加工提出了更多新的要求，對(duì)于機(jī)械加工產(chǎn)品的質(zhì)量要求也是在不斷地提升，在這樣的情況下，需要對(duì)于數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)和診斷系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，并且借助于現(xiàn)代化的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)有效提升數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行效率，改善數(shù)控機(jī)床中存在的問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)介：申?yáng)|東（1980-），男，河南鶴壁人，研究生，講師，研究方向：數(shù)控技術(shù)。