1、基于振动监测的数控机床运行状态评估摘要：数控机床运行状态与振动有着紧密的联系，本文从工程实际出发提出了数控机床振动测试的方法，包括确定振动监测点、搭建信号采集模块、确定特征参量数据库、振动数据分析等关键步骤。最后，以实际故障机床为例，对其进行了振动测试分析，证明了振动测试流程及方法的有效性。 关键词：振动 数控机床 数据采集 监测 设备处于非正常运转状态时往往伴随着异常振动，振动故障诊断技术是利用诊断仪器和数据采集处理技术对机床的机械装置的故障原因、部位和故障的严重程度进行定性和定量的分析，是机械故障诊断的主要方法之一1。通过采集数控机床监测点振动信号，对振动信号进行振动频谱分析，选取合理特征
2、参量，并经过征兆分析和诊断推理即可评估机床运行状态和定位故障原因。 一、机床振动信号采集 监测机床振动可提供实时的机床状态信息，合理布置机床的监监测点位置，才能准确反映机床的振动状态。由于数控机床的主要激振源是主轴系统，而保证加工质量的关键部件是刀架系统和尾架系统，所以必须监测主轴、刀架和尾架的振动情况，寸能反映机床的振动状态23。如图 1 为机床振动监监测点布置图： 图 1 监监测点布置图 振动信号的采集利用加速度计，本文使用的是由丹麦 B&K 公司制造的 4370 型加速度传感器，性能可靠，可以作为采集模块的传感元件。信号放大与滤波功能、A/D 转换功能，可以设计专用信号变送箱和信号接口箱
3、实现。接口箱信号连接现场前端机的信号采集卡，实现机床各监监测点振动信号的采集。 对于各传感器的安装，主轴轴承座垂直方向使用螺栓连接振动加速度传感器，测量轴承的绝对振动。在机床主轴箱的主轴颈部位上焊接加速度传感器，测量主轴相对于主轴箱的振动，并反映主轴轴心在垂直方向的跳动。在刀架上安装一个三向振动加速度传感器，测量刀架在三个方向的振动加速度，监测刀具在三个方向的振动情况，连接方式为螺栓连接。在尾架垂直方向安装振动加速度传感器，主要反映加工过程中尾架振动情况及对工件的影响，连接方式为焊接方式。 二、机床状态监测和故障诊断 数控机床振动信号处理模块对机床内部信息和外部工况信息并行采集、处理、分析后存
4、储到一个特征数据库中，为智能诊断推理提供可识别与可利用的诊断信息，所以必须选择出一组最能反映机床运行状态的特征参量。通过对数控机床各监测点振动信号进行矩分析与自相关分析，同时对监测点振动信号进行自功率谱密度分析和 STFT 变换，确定频谱图上特定频率处的峰值等作为机床运行状态的特征参量。在分析数控信号的实时波形及数控工作原理的基础上，选择了信号波动度、稳定度、上升 及电流 等来反映数控和电气伺服系统的工作特性4。 在数控机床发生故障时，由前端机随时采集数控机床的运行状态和有关信息，并进行数据打包。前端机利用客户端诊断程序向服务器提出诊断请求故障信息包。通过信息传输网络将故障信息传送给诊断中心服
5、务器。服务器收到这个信息包后，将其展开，并存储在特征数据库中提供给诊断专家系统。现场操作员通过客户端诊断软件输入故障征兆和诊断请求，征兆信息送达远程诊断中心后，诊断服务中心进行故障诊断推理，诊断中心产生诊断结果，返回给客户端。现场用户可以根据系统诊断结果结合自己的经验判断确定故障，如果能顺利排除故障，则将该次诊断经验作为知识通过客户端输入计算机，诊断中心从客户端取得这些信息，并作为诊断知识存入诊断知识库，以备以后诊断使用。 三、诊断实例 数控车床加工一批盘类零件，该零件最大直径为 180mm，零件厚度40mm，加工时需在机床尾架上安装一个定位夹具，由于数控机床尾架行程的限制，尾架伸出悬臂较长，
6、加工时主轴转速为 450rpm。在加工过程中，操作人员反映工件加工误差偏大，切削噪声忽高忽低，刀具磨损较快。通过采集发生故障数控机床各监测点振动信号，形成特征数据文件，选取数控机床主轴、刀架、尾架处监测点的振动信号，显示监测点振动波形，对各监测点振动信号进行短时 STFT 变换，显示振动信号的频谱分布。 诊断系统获取频谱图上特定频率处的峰值等作为机床运行状态的特征参量。通过这些参数来判断该机床与加工质量密切相关的机床主轴、刀架、尾架的振动情况，归纳机床故障征兆表现规则。对机床各监测点振动信号进行烈度分析，从表 1 可以看出，机床尾架振动峰值为 0.019，超过危险值，刀架振动峰峰值为 0.07
7、39，超过诊断系统设定的警告值。 表 1 主要特征参数的监测点值 利用特征数据文件，归纳推理机床故障征兆并利用诊断模块诊断故障，结果为：定心尾架偏心或尾架刚度下降。诊断结果表明由于定心尾架存在偏心，尾架系统总体刚度下降造成加工质量下降，经维护人员进一步分析，造成故障的深层原因是由于尾架上定位夹具安装不精确造成偏心的存在，另外由于尾架悬臂伸出太长，引起尾架系统刚度下降，通过重新安装定位夹具消除偏心，增加中心支撑加强尾架刚度，机床恢复正常，零件加工质量得以保证。 参考文献 1张魁林.数控机床故障诊断M.北京：机械工业出版社， 2002 2韩西京，史铁林，李录平等，故障诊断中几种征兆自动获取技术研究，华中理工大学学报 1997.Vol.25（8） 3冯水新，王巍，黄文虎.模型故障诊断中测量点优选技术研究，信息与控制 1996.Vol25（5）：301305 4孙苗钟，陈诗滔，谈丙发，机械设备故障诊断系统软件的研制，振动、测试与诊断 2001 vol.21（3）
