數控機床控制及故障診斷系統設計與實現 申東東

摘 要：隨著時代的發展，特別是在計算機技術普及的影響下，各行各業都是發生了巨大的變化。在計算機技術的支持下，相關的科研成果的數字化程度和水平也是在不斷地提升。對于數控機床控制來說，也是在計算機的影響下發生了新的變化，尤其是在對其控制和診斷方面，實現了新的突破。因此，本文以數控機床控制以及故障診斷系統的設計為出發點，具體的點明數控機床調控的基礎上，指出如何進行相應的故障診斷系統的設計，并采取相應的措施保證數控機床控制診斷系統的實現。

關鍵詞：數控機床控制；故障診斷系統；設計；實現；措施

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

0 引言

數控機床對于當前時代的發展具有重要的意義，特別是在時代發展速度不斷提升的今天，對于我國經濟發展的重要性也是在不斷的提升。數控機床是一種典型的機電一體化的系統，并在實際的制造行業發展中發揮了重要的作用。但是，數控機床控制系統在當前的情況下還存在較多的問題，尤其是故障診斷的不及時，以及發生頻率較高的故障問題，都是會對制造業的進一步發展產生較大的影響。因此，數控機床的控制系統設計，故障診斷系統的有效實施，對于數控機床運行效率的顯著提升，對于當前經濟的進一步發展都是具有重要的意義，需要在數控機床應用的過程中，不斷進行故障診斷系統的設計與完善，才能保證數控機床控制系統實現原有的功能。

1 數控機床發展的現狀

（1）數控機床的內涵。所謂數控機床，主要是指在使用數控技術基礎上的機床，更為簡單的來說，就是在機床中安裝了數控系統。根據國際信息處理聯盟技術委員會對于其定義，主要是指機床中安裝有程序控制系統，借助于這些系統的存在能夠實現機床的絕大多數的功能。

（2）數控機床的發展歷程。數控機床的發展是在二十世紀四十年代中開始，當時的機械工程師已經是提出了在機械加工中應用數字控制技術的思想。具體應用的時間實在1970年左右，當時英特爾公司開發出了相應的微處理器，正式實現了在機械加工中應用數字控制的目的。不僅如此，在近半個世紀的發展中，數字化處理技術的不斷完善，計算機的普及，以及機械加工行業的有序發展，都是促進了數字化控制在機械加工行業中的應用，不僅是提高了生產效率，還在一定程度上促進了社會經濟的有效增長。當前，數控機床發展出現了兩個趨勢，一方面，是數控系統逐漸向著網絡化的方向發展。隨著計算機技術的普遍應用，對于各行各業都是產生了巨大的影響，特別是在數控系統開放程度不斷提升的過程中，實現了數控系統的通用性和適應性的提升。同時，利用PC機還能夠豐富數控系統的硬件資源，對于數控系統的柔性和擴展性的提升也是具有重要的意義。另一方面，是數控系統出現了智能化的發展趨勢。當前的時代，是一個智能的時代，人工智能的出現，并且伴隨著在計算機領域的滲透不斷提升，對于數控系統的影響也是在不斷地提升。在這樣的背景下，數控系統已經是逐步引入了神經網絡控制機理、自適應控制機理以及模糊系統的控制機理，實現了數控系統的自動編程，前饋控制以及自適應控制等，在工藝上也是實現工藝參數的自動生成以及三維刀具補償等，這些技術的有效利用提升了機械加工的質量，還能夠改善人機之間的關系，使之朝著人機互動更加友好的方向發展。值得注意的是，在智能化發展的過程中，私服系統智能化的主軸交流驅動和智能化進給伺服裝置，還能夠實現自動識別負載并進行參數優化的目的。

（3）數控機床發展的現狀。數控機床具有較高的生產能力，在制造業中發揮了巨大的功能，因此，數控機床一經面世，就是收到了較高的關注，獲得了較大的市場。但是，在數控機床應用的過程中，還是存在著一些問題，這些數控機床中存在的故障，不僅是難以保證其生產進度和生產效率，還會在一定程度上造成社會經濟的損失。對于數控機床中存在的故障，具體可以歸納為以下幾類：

首先，數控機床的驅動部件存在的問題。數控機床中的驅動部件主要是指伺服電動機，主要發生故障的驅動部件就是異步型交流伺服電動機。在這種伺服電動機中由于軸承、轉子以及定子等各個部位的不同，發生故障的嚴重程度和影響程度也是會有所不同。在軸承中經常發生的故障是軸承的脫落或者是磨損，并且由于轉子和定子之間的氣隙存在的不均衡問題，不僅是會造成機床的振動超速，還會造成倒條和端環承受力分布的渙散。

其次，數控機床支承部件存在的問題。在數控機床中的支承部件主要是指其軸承。軸承對于數控機床的正常運轉具有重要的作用，在多數情況下是有內外圈、保護架以及滾動體等部分組成的。在數控機床支承部件中最為重要的軸承是滾動軸承，該軸承有著彈簧性和非彈簧性兩種性質，并且在使用的過程中能夠實現各個部件之間的振動。由于非線性彈簧性質的存在，極為容易造成滾動軸承的磨損，一旦出現磨損甚至會威脅到整個設備的正常使用。

最后，數控機床傳動設備存在的問題。數控機床的傳動設備只要是指機床導軌、工作臺以及溜板和滑座，在這些部件中機床導軌的對于整個產生的意義最為重大，幾乎是影響到了數控機床加工的精密程度以及機床的使用壽命。因此，機床導軌與數控機床之間的關系最為緊密。在傳動設備中最常見的問題就是在于導軌表面出現變形的問題，這種變形會使得整個導軌表面的摩擦阻力發生變化，會在機床運行的過程中影響到潤滑問題，以及受力面積不均衡問題。

2 對數控機床故障診斷系統的設計

在數控機床中可能出現的問題不僅是會影響到數控機床的實際生產，還會對企業以及社會的產生不利的影響。因此，針對于在數控機床中存在的問題，應該設計出相應的數控機床故障診斷系統，盡可能保證在最高效的時間內解決問題。

（1）設計出數控機床自我診斷功能。目前，數控機床對于我國的制造業的發展具有重要的意義，因此，在實際的應用中的范圍較大，應用數量也是相對較多，需要在數控機床研發的過程中，借助于先進的檢測設備，尤其是精密水平儀、精密方箱以及測微儀等，實現直接對于故障源的測量，并且結合人工智能檢測的方法，對在電氣系統中存在的問題進行診斷和解決。不僅是如此，一旦發生多臺機床同時運作的過程中出現問題，就需要進行信號處理和邏輯推斷的方式，才能實現故障的診斷和解決。

在對多臺數控機床進行問題診斷的過程中可以采用信號分析的方法，這種方法能夠更為精確的判斷機床的振動以及溫度變化的情況，精確的找到故障源。信號分析方法主要是有兩種，一種是時域分析法，另外一種是頻域分析法，前者主要是在分析的過程中使用原有確定的數學模型，并針對數控機床在實際操作中的信號的波形在時間變化中的規律，應用典型數據抽樣的方式進行相關的分析和計算。其實質是借助于數學函數計算信號的峰值與標準偏差。相對于前者來說，頻域分析法是一種以非正弦周轉性電路為基礎，并且能夠實現子啊動態數據分析的基礎上，對信號進行更為深層次的分析和處理。

（2）數控機床控制診斷系統的設計。在診斷數控機床診斷的基礎上，應該設計出相應的數控機床解決系統，才能保證盡可能降低問題產生的后續影響。一方面，應該建立起相應的硬件控制系統。建立這樣一個系統的主要目的是，能夠在這個系統平臺中實現為用戶搭建電路的目的不僅是如此，還能夠實現各個相關的硬件儀器之間的有效連接。當收集到一定得數控機床操作數據之后，還需要將相應的圖像輸送到數據庫中，在傳遞的過程中要保證傳遞的信息具有較高的真實性和準確性。為了達到這個目的，需要選擇一些精度較高，分辨率高的數據采集卡，并且配置高質量的數據電線電纜，只有只有這樣才能保證傳輸信號的質量較高。

另一方面，制定出數控機床控制的網絡化結構。在現在社會中，由于計算機的普遍使用，各行各業之間的聯系愈加緊密，已經是形成了網絡化的社會結構。這種結構的形成在數控機床控制中也是具有重要的作用，需要在診斷數控機床問題的過程中，實現與網絡技術，通信技術等進行聯系，保證在前端診斷出相應問題的基礎上，在后臺控制中能夠盡可能實時的解決問題。這就需要將互聯網設備與數控機床有機的連接起來，在系統分析問題的基礎上，有維修工程師實時的對問題進行計算，制定出最佳的或者是最優的解決方案，實現數控機床問題的快速解決。

3 結論

數控機床是一種典型的機電一體化的系統，數控機床故障診斷系統的設計與實現，對于提升數控機床生產的效率具有重要的意義。不僅如此，數控機床故障的及時診斷，不僅是可以降低問題帶來的損失，還可以借助于前饋診斷技術，消滅一些尚未出現的問題，進一步提升其生產效率。在當前時代發展的過程中，由于市場以及消費者對于機械加工提出了更多新的要求，對于機械加工產品的質量要求也是在不斷地提升，在這樣的情況下，需要對于數控機床的控制系統和診斷系統進行深入的研究，并且借助于現代化的技術手段，實現有效提升數控機床的運行效率，改善數控機床中存在的問題。

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作者簡介：申東東（1980-），男，河南鶴壁人，研究生，講師，研究方向：數控技術。