机械故障维修特点及方法的介绍

现代的数控机床，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等，与传统机床相比都发生了很大变化，已形成了数控机床独特的机械结构。

机床在运行过程中，机械零部件会受到外力、热、摩擦以及磨损等多种因素的作用，其运行状态不断变化，往往会发生故障，从而导致不良后果。因此，必须在机床运行过程中，对机床的运行状态及时做出判断，并采取相应的措施预防故障的发生。数控机床机械故障诊断包括对机床运行状态的识别、预测和监控三个方面的内容。通过对数控机床机械装置的某些特征参数，如振动、温度和噪声等进行测定，将测量值与规定的理想参数值进行比较，以判断相应机械部件的工作状态是否正常。对机械装置的运行进行定期或连续的监控，可以获得机械装置状态变化的规律，能对机械装置的运行状态进行预测和预报，及时发现故障，以便迅速维护，提高数控机床运行的可靠性。

1.数控机床机械故障诊断的实用诊断方法

机床维护人员通过感觉器官对机床的状态进行问、看、听、触、嗅等，从而了解到机床机械部件的外貌、声音、温度、振动、颜色和气味的变化，并以此来实施故障诊断的方法称为实用诊断方法。

（1）问

询问机床故障发生的经过，弄清故障是突发性故障还是渐发性故障。一般操作者都熟知机床的各种性能，故障发生时又在现场耳闻目睹，所提供的情况对故障的分析是很有帮助的。维护人员一般询问下列情况：

①机床起动时有无异常现象。

②对比故障前后工件的精度和表面粗糙度。

③传动系统是否正常，加工参数有无变化。

④润滑油的牌号是否符合规定，润滑系统是否正常工作。

⑤机床何时进行过保养检修，上一次故障的性质及发生的时间等。

（2）看

看转速、看颜色、看伤痕、看工件、看变形、看油箱与冷却箱。

①看转速是通过观察主传动系统速度的变化。若传动带的线速度变慢，可能是传动带过松或负荷太大；对主传动系统中的齿轮，主要看它是否跳动、摆动；对传动轴，主要看它是否弯曲或晃动。

②如果机床旋转部位，特别是主轴和轴承运转不正常，就会发热。长时间升温会使机床外表颜色发生变化，大多呈黄色。油箱里的油也会因温升过高而变稀，颜色变样；但有时也会因长时间不换油、杂质过多或油变质而变成深黑色。

③机床零件碰伤损坏部位很容易被发现。若发现裂皱时，应做记号，隔一段时间后再比较它的变化情况。

④看工件是通过观察测量工件的形状、尺寸等特征量来判别机床是否出现故障。若车削后的工件表面粗糙度值大，多数情况下是由于主轴与轴承之间的间隙过大，溜板、刀架等压板楔铁松动以及滚珠丝杠预紧松动等原因所致。若是磨削后的表面粗糙度值大，则主要由于主轴或砂轮动平衡性能变差造成的。如果工件表面出现纹波，则看纹波是否与机床主传动齿轮的齿数相等，如果相等，则表示主轴齿轮啮合不良是故障的主要原因。

⑤看变形是指观察机床的传动轴、滚珠丝杠是否有变形，直径大的带轮和齿轮的端面是否跳动。

⑥看油箱与冷却箱是通过观察润滑油或切削液是否变质，确定其能否继续使用。

（3）听

通过听觉判别机床运转是否正常。一般运行正常的机床，其声响具有一定的音律和节奏，并保持稳定。机床在运行中发出均匀、连续而轻微的声音，一般认为是正常的。如果声音过大或夹有金属的敲击声、摩擦声、泄漏声等，则表明机床运转的声音不正常，这些声音通常称作噪声或异响。异响主要是由于机械部件的磨损、变形、断裂、松动和腐蚀等原因，致使在运行中发生碰撞、摩擦、冲击、振动或泄漏所引起的。有些异响表明机床中某一零件产生了故障，还有些异响则是机床可能发生更大事故性损伤的先兆。因此，当机床发出异响时应给予注意，或及时停机进行诊断和机床维护。

①在判定机床异响的性质时，应考虑新旧机床的不同特点。新机床由于技术状况比较好，运转过程中一般无杂乱的声响，一旦某种原因引起了异响，人们很容易发现并可及时进行分析诊断。旧机床随着运行时间的不断增加，其技术状况渐趋恶化，各运动件之间的间隙加大，致使运行期间声音杂乱，所以应当首先判明哪些异响是必须予以诊断并排除的。

②机床是由很多零部件连接为一个整体的，运转中一个零件产生异响，就会传导给其他零部件，这就容易混淆故障的真实部位。这时可根据机床的运行状态来确定异响部位，例如当机床变速箱产生异响时，可根据不同排挡的声响程度来判断异响发生的部位。

③机床的异响，常因产生异响零件的形状、大小、材质、工作状态和振动频率不同而各有其特点。

④根据异响与其他故障的关系，进一步确诊或验证异响零件。同样的异响，如同样是冲击声，其高低、大小、尖锐、沉重及脆哑等不一定相同，而且每个人的听觉也有差异，所以仅凭声响特征确诊机床异响的零件，有时还不够确切。这时，可根据异响与其他故障象征的关系，对异响零件进一步确诊与验证。

a.机床有异响存在时，其异响零件就会产生振动，而且振动频率与异响的声频是有关联的，据此可进一步确诊和验证异响零件。例如对于动不平衡引起的冲击声，其声响次数与振动频率相同，根据两者间的关系，来查找和确诊由于动不平衡而发出冲击声的零件。

b.有些零件产生故障后，不仅有异响，还伴有热量的产生，滚动轴承就是典型的例子。如果某一轴上两个轴承中有一个产生故障，运行中就会听到“隆隆”的声音，这时只要用手一摸，就可确诊发热的轴承是损坏了的轴承。

（4）触

通常是感觉机床的温升、振动、伤痕和波纹、爬行、间隙等，从而判别机床故障。

①人的手指触觉是很灵敏的，能相当可靠地判断各种异常的温升，其误差可准确到3～5℃。根据经验，当机床温度在0℃左右时，手指感觉冰凉，长时间触摸会产生刺骨的痛感；10℃左右，手感较凉，但可忍受；20℃左右时，手感到稍凉，随着接触时间延长，手感湿潮；30℃左右时，手感微温有舒适感；40℃左右时，手感如触摸高烧病人；50℃以上时，手感较烫，时间较长时掌心可有汗感；60℃左右时，手感很烫，但可忍受10s左右；70℃左右时，手有灼痛感，且手的接触部位很快出现红色；80℃以上时，瞬时接触手感“麻辣、火烧”，时间过长，可出现烫伤。为了防止手指烫伤，要注意手的触摸方法，一般先用右手并拢的食指、中指和无名指指背中节部位轻轻触及机器零部件表面，断定对皮肤无损害后才可用手指或手掌触摸。

②轻微振动可用手感鉴别，至于振动的大小可找一个固定基点，然后用手去触摸，从而比较振动的大小。

③有些眼睛看不清楚的表面伤痕和波纹，若用手指去摸则很容易感觉出来。对圆形零件要沿切向和轴向分别去摸，对平面则要左右、前后均匀去摸。摸时不能用太大的力，只要让手指轻轻地接触被检查对象的表面便可。(www.xing528.com)

④用手触摸可直观地感觉出机器的爬行。造成爬行的原因很多，常见的情况是润滑不足、润滑方式选择不当、活塞密封过紧、磨损造成机械摩擦阻力加大、液压系统进入空气、压力不足等。

⑤用手转动或摇动机床某些部位，如转动主轴或摇动手轮，即可感到接触部位的间隙是否恰当，从而可判断出这些部位是否完好可用。

（5）嗅

由于剧烈摩擦或电器元件绝缘层破损短路，会使附着的油脂或其他可燃物质发生氧化蒸发甚至燃烧，并产生油烟味、焦糊气等异味，所以靠嗅觉可以很快发现故障的部位。

2.机械故障诊断技术

在很多情况下，实用诊断方法并不一定能判断出故障的原因及性质，这时就必须利用一些诊断技术来进行故障诊断。

（1）振动诊断技术

机床运转时会发生振动，其振动一般用加速度、速度和位移表示，其频谱也各具特征形状。这种振动幅值与频率构成的频谱通常称为机床的振动特征。处于正常状态下的机床具有典型的频谱，当机床磨损、基础下沉或部件变形时，机床原有的振动特征将会发生变化，并通过机床振动能量的增加反映出来。通过监测和分析机床的振动信号，可以判断出机床发生故障的部位、性质和严重程度。

如图4-6所示，一般振动测试系统包括测振传感器、信号记录仪、信号分析与处理设备等。测振传感器的作用是将机械振动量转变为适合的电参量，俗称拾振器。常用的测振传感器有涡流传感器、磁电式传感器和压电式加速度传感器。信号记录仪的功能是将所测的振动信号记录存储，如光线示波器、电子示波器、笔式记录仪、磁带机以及数据采集器等多种。信号分析与处理设备则负责对所记录的信号进行分析处理。

图4-6 振动测试系统的一般组成

图4-7为安装于磨床尾座的超声波传感器，磨削时用来对砂轮的状态进行在线实时监测。

（2）油样分析技术

在数控设备中，广泛存在着两类工作油：液压油和润滑油。液压油和润滑油都携带有大量关于数控设备运行状态的信息，特别是润滑油（脂），所涉及的各摩擦副的磨损碎屑都将落入其中并随之一起流动。这样，通过对工作油的合理采样，并进行必要的分析处理后，就能取得关于该数控设备各摩擦副的磨损状况，包括磨损部位、磨损机理以及磨损程度等方面的信息，从而对设备所处工况状态做出科学的判断。

图4-7 安装于磨床尾座的超声波传感器

油样分析技术的内容非常广泛，包括油品理化性能指标化验、以颗粒计数为代表的油样污染度评定以及油样铁谱和光谱分析技术等。理论上讲，这些有关油样的分析测试都可用作数控机床机械系统故障诊断的信息来源。

油样分析技术主要是指油样的铁谱分析技术和油样的光谱分析技术。它们的共性都是对铁磁性物质颗粒（光谱分析不仅限于铁磁性物质）进行收集和分析，但各有不同的微粒尺寸敏感范围。光谱分析检测磨屑的有效尺寸范围为0.1～10_μm，对大于2_μm的微粒，其检测效率就大大降低；铁谱分析技术能有效地检测从1_μm到上百微米量级的微粒。通过对磨屑的分析，可对设备或零部件摩擦副的工况做出比较符合实际的判断。如磨屑的浓度和颗粒的大小反映了设备磨损严重程度；而磨屑的大小和形貌特征则可反映磨屑产生的原因，进而明确磨损发生的机理；从磨屑的成分可判断出磨屑产生的部位，即设备磨损的部位等。

所谓铁谱分析，就是利用铁谱仪从润滑油（脂）样试样中，分离和检测出磨屑和碎屑，进而分析和判断机器运动副表面的磨损类型、磨损程度和磨损部位的技术。油样铁谱分析技术源于20世纪70年代的美国，开始主要用作实验室磨损机理的研究，现已成为用于机械设备工况检测诊断的重要工具之一。

油样光谱分析是利用油样中所含金属元素原子，在原子内能级间跃迁产生的特征谱线来检测该种元素的存在与否，而特征谱线的强度则与该种金属元素的含量多少有关。这样，通过光谱分析就能检测出油样中所含金属元素的种类及其浓度，以此推断磨损发生部位及其严重程度，并依此对相应零件的工况做出判断。

（3）无损检测技术

无损诊断是利用无损探测技术，检测数控机床主要机械零部件可能产生的裂纹、腐蚀、机械性能超差、损坏等变化，并根据这些变化的种类、大小、部位、应力水平、应力方向等信息预测损伤和缺陷的发展趋势。

无损诊断的种类有光学检测诊断、射线探伤诊断、超声探伤诊断、磁性探测诊断、涡流探测诊断、声发射诊断等。在数控机床故障诊断中，无损检测通常有射线检测和超声波检测两种。

1）射线检测法 射线检测也称射线探伤，常用的射线有X射线、γ射线和中子射线等。射线探伤是利用各种射线源对材料的不同厚度的透射性不同及各种材料对射线的衰减程度不同，使感光底片成为不同灰度的图像。该方法主要用来探测设备内部的气孔、夹渣、铸造孔洞等立体缺陷。射线检测法的优点是检测的图像较直观，容易对缺陷尺寸和性质进行判断，检测结果可以记录下来作为诊断档案资料长期保存。缺点是当裂纹面与射线近于垂直时就难于探查出来，对微小裂纹的检测灵敏度低、设备费用较大、射线对人体有害、需有防护措施。

射线探伤的主要方法有透视照相法、电离探测法、X射线荧光屏观察法、电视观察法以及X射线计算机层析摄影等，其基本原理都是利用射线通过物质时发生衰减这一规律。当射线通过物质时，由于射线与物质的相互作用发生吸收和散射而衰减，其衰减程度因通过部位的材质、厚度、所存在缺陷的性质而异，从而形成了辐射线强度不均匀的分布图。若通过一定方式将这种射线强度不均匀的分布图进行照相或转换成电信号，并给予记录或显示，便可以评定被测机件的内部质量，以达到预估机件寿命或故障预测的目的。

2）超声波检测法 超声波探伤是利用超声波射入被检设备，由被检设备内部缺陷处反射回来的声波来判断缺陷的存在、位置、性质和大小等。该方法可以检测垂直于超声波的金属和非金属材料的平面缺陷，探测的厚度大、检测灵敏度高。其缺点是检测时有一定的近场盲区、检测结果不能记录、检测中采用的耦合剂易污染等。

（4）温度检测技术

数控机床在运行过程中，受切削热、摩擦热等热源的影响，各个部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对位置关系遭到破坏，从而影响机床的加工精度。同时，过高的温度会使机床部件的机械性能降低，严重时还会造成零部件的烧损。另外，润滑系统发生故障时，也会造成机床局部温度异常。因此，温度是表征机床机械故障的一个特征参量。基于这种原因，温度检测技术通常用于数控机床的故障诊断与工况监测。

（5）交叉诊断

交叉诊断也称为综合诊断，是指对故障现象可能反映的故障进行交叉判断，从而判别故障的部位和原因。虽然数控机床的故障具有复杂性、特殊性等特征，但是其故障的产生或发展会通过一些现象反映出来，且故障和现象之间往往不具有一一对应的关系。交叉诊断技术通常用于数控机床的疑难问题的排除。