摘要：機床主軸的故障診斷對確保機床的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。主軸故障診斷方法包括振動分析、溫度監(jiān)測、油液分析與聲發(fā)射檢測。振動分析法能夠?qū)崟r監(jiān)測多種不同類型的故障，而溫度監(jiān)測法則通過檢測溫度變化來診斷問題。油液分析可以提供關(guān)于軸承和齒輪磨損的直接信息，而聲發(fā)射檢測則對微小裂紋和斷裂非常敏感。然而，每種方法都有其限制，因此在實際應(yīng)用中需要綜合考慮。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來的故障診斷方法將更加智能化和精準(zhǔn)化，結(jié)合多種方法的綜合診斷系統(tǒng)有望提高診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。

關(guān)鍵詞：機床主軸故障診斷振動分析法信號處理

ComparativeAnalysisofFaultDiagnosisMethodsforMachineToolSpindle

ZHAOZhiguo1ZHOULei2GONGWei3

1.ShandongHuasongNorthIntelligentTechnologyCo.，Ltd.Zaozhuang，ShandongProvince，277599 China;

2.NationalMachineToolProductQualityInspectionandTestingCenter（Shandong），Zaozhuang，ShandongProvince，277599China;

3.ShandongJianhaYuyangHeavyIndustryMachineryCo.，Ltd.，Zaozhuang，ShandongProvince，277599China

Abstract：Faultdiagnosisofmachinetoolspindleiscrucialtoensurethestableoperationofthemachinetool.ThemethodsfordiagnosingspindlefaultsincludeVibrationAnalysis，TemperatureMonitoring，OilAnalysis，andAcousticEmissionDetection.VibrationAnalysismethodcanmonitorvarioustypesoffaultsinrealtime，whileTemperatureMonitoringmethoddiagnosesproblemsbydetectingtemperaturechanges.OilAnalysiscanprovidedirectinformationaboutbearingandgearwear，whileAcousticEmissionDetectionisverysensitivetosmallcracksandfractures.However，eachmethodhasitslimitations，soitneedstobeconsideredcomprehensivelyinpracticalapplications.Withthedevelopmentoftechnology，faultdiagnosismethodsinthefuturewillbecomemoreintelligentandaccurate，andacomprehensivediagnosticsystemcombiningmultiplemethodsisexpectedtoimprovetheaccuracyandreliabilityofdiagnosis.

KeyWords：Machinetoolspindle;Faultdiagnosis;VibrationAnalysismethod;Signalprocessing

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，機床是工業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備，其穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。機床主軸是機床的關(guān)鍵部件，其故障診斷技術(shù)對于預(yù)防事故、延長設(shè)備壽命具有重要意義。

1機床主軸故障診斷方法的比較的意義

1.1提高維修效率

機床主軸故障診斷方法的比較研究，對提升維修效率具有重要意義。通過比較不同的診斷技術(shù)，維修人員能夠更快地識別故障原因，從而縮短機床的停機時間。例如：振動分析和溫度監(jiān)測可以迅速指示出主軸的異常狀態(tài)，使維修工作能夠迅速定位問題并進行修復(fù)，不僅提高了維修工作的效率，也減少了因機床故障導(dǎo)致的生產(chǎn)延誤。

1.2降低成本

在降低成本方面，機床主軸故障診斷方法的比較同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。有效的故障診斷可以減少不必要的維修嘗試和誤診，從而避免因錯誤維修帶來的額外成本。此外，通過預(yù)防性維護和早期故障檢測，可以延長機床的使用壽命，減少頻繁的維修和更換成本[1]。這種成本節(jié)約不僅體現(xiàn)在維修費用上，也減少了因機床故障導(dǎo)致的生產(chǎn)效率下降。

1.3推動技術(shù)進步

技術(shù)進步是推動任何行業(yè)發(fā)展的核心動力，機床主軸故障診斷方法的研究與比較，正是這一動力的體現(xiàn)。隨著診斷技術(shù)的不斷進步，新的診斷工具和方法不斷涌現(xiàn)，使得故障檢測更加精確和快速。這不僅提高了機床的運行效率，也為機床制造技術(shù)的創(chuàng)新提供了支持。技術(shù)的不斷進步，使機床能夠更加智能和自動化，從而推動了整個制造業(yè)的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)升級。

2.常見的機床主軸故障類型

2.1軸承故障

軸承的性能好壞直接影響整臺機床運行的精度與穩(wěn)定性。軸承的故障一般是過熱、振動加劇、運行噪聲加大等。這些問題的產(chǎn)生可能是由于很多原因造成的，主要有軸承磨損、軸承安裝不合適或者是軸承潤滑不到位等。磨損可能是因長時間運行引起自然老化或外界顆粒入侵而異常磨損。安裝不當(dāng)主要表現(xiàn)在軸承沒有正確對中或預(yù)緊力太大或者太小，都會使軸承受到不均一的載荷，繼而加快磨損。另外，潤滑不足還會使摩擦加劇，從而進一步加劇軸承溫度上升、磨損等問題，嚴重時會使軸承卡在軸承內(nèi)。

2.2電機故障

電機故障的表現(xiàn)形式有電機啟動困難、工作時電機溫度過高、功率輸出減小或者電機燒壞等。這些故障可能由電機繞組損壞、電機軸承損壞或電源問題（如電壓不穩(wěn)定）引起。電機繞組損壞可由絕緣材料的老化或過電流引起。電機軸承的損壞可能會使電機的運行變得不穩(wěn)定，從而進一步提高繞組受損的可能性[2]。如果電源出現(xiàn)問題，電機可能無法正常運行或頻繁地啟動和停止，這不僅會降低機床的工作效率，還可能導(dǎo)致電機遭受更嚴重的損壞。

2.3傳動系統(tǒng)故障

傳動系統(tǒng)的故障主要有傳動帶打滑、齒輪磨損、聯(lián)軸器破損。傳動帶打滑可由帶張力不足引起，也可由帶表面磨損、過大引起傳動效率降低、輸出扭矩不穩(wěn)等引起。齒輪磨損一般由長期工作造成自然老化或潤滑不足。而且聯(lián)軸器損壞可能是由于安裝不合適或長時間承受過大負荷所致。這些問題既影響主軸傳動效率又可能產(chǎn)生振動與噪聲而使機床加工精度下降。

2.4潤滑系統(tǒng)故障

潤滑系統(tǒng)故障是機床主軸上經(jīng)常碰到的故障之一。良好的潤滑是確保主軸及各部件正常工作的關(guān)鍵。潤滑系統(tǒng)的故障可包括潤滑油分布不均勻、潤滑油粘度不合適或潤滑系統(tǒng)堵塞等。這些問題會使主軸部件之間摩擦加劇，進而加快磨損和過熱現(xiàn)象[3]。另外，潤滑不足也會造成運動部件卡滯，甚至使整個主軸系統(tǒng)失效。

2.5其他故障

還有一些故障會涉及機床主軸諸多方面，主要表現(xiàn)在控制系統(tǒng)的故障、冷卻系統(tǒng)存在問題和機械結(jié)構(gòu)損壞等。控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障會造成主軸運轉(zhuǎn)控制不準(zhǔn)，從而影響加工精度。冷卻系統(tǒng)不佳又會使主軸溫度過高，從而影響主軸的性能及壽命。床身裂紋或者組件變形等機械結(jié)構(gòu)損壞將對主軸穩(wěn)定性及加工精度41c0602c9a2df6a3ed60b1596c1d6187造成嚴重的影響。這類問題需定期進行系統(tǒng)檢查，及時診斷故障，采取適當(dāng)維修措施進行治理。

3機床主軸故障診斷方法的比較與分析

3.1不同方法的原理和特點

3.1.1振動分析法

振動分析法是一種通過監(jiān)測機床主軸在運行中的振動信號來診斷潛在故障的方法。這種方法的核心在于利用傳感器捕捉振動數(shù)據(jù)，然后通過分析這些數(shù)據(jù)來識別軸承磨損、不平衡、松動等故障的跡象。振動分析法的優(yōu)點在于能夠?qū)崟r監(jiān)測，且對操作人員的技術(shù)要求不高。這種方法需要專業(yè)的分析軟件來解讀數(shù)據(jù)，且在噪聲干擾較大的環(huán)境中準(zhǔn)確性可能會受到影響。

3.1.2溫度監(jiān)測法

溫度監(jiān)測法通過測量機床主軸及其相關(guān)部件的溫度變化來診斷故障。溫度變化往往能反映出部件的運行狀況，如過熱可能意味著潤滑不足或負載過大。這種方法簡單易行，可以通過安裝溫度傳感器來實現(xiàn)，且數(shù)據(jù)的讀取直觀易懂[4]。溫度監(jiān)測法需要預(yù)先設(shè)定溫度閾值，且面對溫度分布不均或環(huán)境溫度影響較大的情況，其診斷準(zhǔn)確性可能會降低。

3.1.3油液分析法

油液分析法對機床主軸油液進行取樣分析，以檢測磨損金屬顆粒、污染物和油液老化程度等指標(biāo)來診斷故障的方法。這種方法可以提供有關(guān)軸承、齒輪等部件磨損狀態(tài)的信息。油液分析法具有非侵入性、對設(shè)備影響小的優(yōu)點，且能夠?qū)崿F(xiàn)早期故障預(yù)警。油液分析需要專業(yè)的設(shè)備和技術(shù)人員來操作，且對于油液污染控制要求較高。

3.1.4聲發(fā)射檢測法

聲發(fā)射檢測法是通過捕捉機床主軸在運行中發(fā)出的聲發(fā)射信號來診斷故障的方法。聲發(fā)射信號是由材料或結(jié)構(gòu)在受到應(yīng)力時產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波。這種方法可以實時監(jiān)測材料的微小裂紋和斷裂，對預(yù)防突發(fā)性故障有很好的效果。聲發(fā)射檢測法對檢測設(shè)備的靈敏度和信號處理能力要求較高，且在復(fù)雜噪聲環(huán)境中可能難以準(zhǔn)確捕捉聲發(fā)射信號。

3.2應(yīng)用范圍和限制

3.2.1振動分析法

振動分析法在機床主軸故障診斷中具有廣泛的應(yīng)用，它通過監(jiān)測主軸的振動信號來識別潛在的問題。這種方法的優(yōu)勢在于能夠?qū)崟r監(jiān)測，且對多種不同類型的故障敏感，如不平衡、軸承損壞或齒輪嚙合問題[5]。振動分析法的準(zhǔn)確性受到設(shè)備安裝和環(huán)境噪聲的影響，有時需要專業(yè)的設(shè)備和技術(shù)人員來解讀數(shù)據(jù)。

3.2.2溫度監(jiān)測法

溫度監(jiān)測法通過檢測主軸及其軸承的溫度變化來診斷故障。這種方法簡單直觀，因為過熱往往意味著摩擦增大或潤滑不足，可能是由于潤滑系統(tǒng)故障或負載過大引起的。溫度監(jiān)測法的應(yīng)用需要安裝溫度傳感器，且對溫度變化不敏感的問題可能無法有效檢測。

3.2.3油液分析法

油液分析法通過檢測機床油液中的金屬顆粒和化學(xué)成分來診斷主軸的磨損情況。這種方法可以提供有關(guān)軸承和齒輪磨損的直接信息，有助于預(yù)測潛在的故障。油液分析法的準(zhǔn)確性依賴于定期和正確的樣本采集，且對非金屬磨損或微小裂紋等問題的檢測能力有限。

3.2.4聲發(fā)射檢測法

聲發(fā)射檢測法通過捕捉由材料或結(jié)構(gòu)在受力時產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波來識別故障。這種方法對檢測裂紋和斷裂等微觀損傷非常有效，且可以在不拆卸設(shè)備的情況下進行。聲發(fā)射檢測法對操作者的經(jīng)驗要求較高，且在噪聲干擾較大的環(huán)境中可能難以準(zhǔn)確捕捉聲發(fā)射信號。

3.3診斷準(zhǔn)確性和可靠性

3.3.1準(zhǔn)確性

基于振動分析的診斷方法，通過測量主軸的振動信號，可以提取出與故障相關(guān)的特征信息，從而實現(xiàn)對故障類型的準(zhǔn)確識別。然而，這種方法對于早期微弱故障的檢測能力有限，且受到環(huán)境噪聲和干擾的影響較大。相比之下，基于溫度監(jiān)測的診斷方法能夠更敏感地捕捉主軸的異常情況。通過實時監(jiān)測主軸的溫度變化，可以及時發(fā)現(xiàn)主軸的故障跡象，從而采取相應(yīng)的維護措施。除了上述兩種常用的診斷方法外，還有一些基于聲學(xué)、光學(xué)等原理的診斷方法，它們各自具有獨特的優(yōu)勢和適用場景。

3.3.2可靠性

在機床主軸的故障診斷中，可靠性分析顯得尤為重要。傳統(tǒng)的故障診斷方法，如振動分析、溫度監(jiān)測和聲音識別等，雖然在一定程度上能夠識別主軸的異常狀態(tài)，但往往存在診斷精度不高、實時性不強等問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，一些新的故障診斷方法逐漸嶄露頭角，如基于大數(shù)據(jù)分析的智能診斷、基于機器學(xué)習(xí)模型的預(yù)測性維護等。這些方法通過深入挖掘主軸運行過程中的數(shù)據(jù)特征，能夠更準(zhǔn)確地識別潛在故障，并提前預(yù)警，從而大大提高了機床主軸的可靠性。

4結(jié)語

綜上所述，通過對機床主軸故障診斷方法的比較與分析可以看到，每種方法都有其獨特的優(yōu)勢和適用場景。振動分析法適用于實時監(jiān)測和早期故障診斷，溫度監(jiān)測法能夠有效預(yù)防過熱故障，油液分析法有助于發(fā)現(xiàn)潤滑系統(tǒng)的問題，而聲發(fā)射檢測法則適用于微小裂紋的早期發(fā)現(xiàn)。隨著傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)和人工智能的發(fā)展，未來的故障診斷方法將更加智能化、精準(zhǔn)化。同時，結(jié)合多種方法的綜合診斷系統(tǒng)將成為發(fā)展趨勢，以提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。

參考文獻

[1]王書暢，方達.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)控機床主軸電氣故障診斷[J].南方農(nóng)機，2022，53（17）：27-30.

[2]陳勇，丁文政，卞榮.數(shù)控機床主軸的多傳感器遷移學(xué)習(xí)故障診斷[J].機械設(shè)計與制造，2021（10）：259-262.

[3]黃健，黃勝.機電設(shè)備故障診斷與維修[J].設(shè)備管理與維修，2021（15）：57-58.

[4]李夢梅，陳學(xué)振.基于LabVIEW的主軸機械狀態(tài)識別與故障診斷[J].制造技術(shù)與機床，2020（12）：32-36.

[5]雷楠南.FANUC0iD系統(tǒng)數(shù)控機床常見故障診斷與排除方法研究[J].內(nèi)燃機與配件，2019（19）：145-147.