数控机床主轴的故障类型和监测手段

其中经常做旋转运动的部件，如轴承和齿轮等，比较容易发生故障。数控机床主轴系统的电气部分由主轴电机、驱动器、准停装置、主轴转速检测装置、数控装置等部件构成，其中经常启动和停机的部件，如主轴电机等，比较容易发生故障。

机械部分主要故障类型

第一种是轴承故障。当滚动轴承工作时，滚子与滚道之间会发生滑动摩擦、滚动摩擦和扭动摩擦。如果轴承如润滑不良、载荷过大、冲击载荷或转速过高，都会导致摩擦过大，这些摩擦会导致滚子与滚道接触的表面产生疲劳、磨损、腐蚀、断裂、压痕和胶合等失效形式。

第二种是齿轮故障。齿轮故障大部分情况是发生在齿面上，包括点蚀、剥落、磨损、疲劳、断齿和胶合等失效形式。长时间工作导致的疲劳，恶劣的工作环境，这些都会导致齿轮失效。另外，齿轮的加工、安装、润滑维护等不到位，也都有可能成为造成齿轮故障的原因。

第三种是主轴故障。主轴常见的故障主要有不平衡、不对中、支撑松动等。当主轴出现以上故障时，主轴会产生与转速同步的周期激振力。从而引起主轴振动加剧。振动的强烈程度与主轴旋转速度有关，旋转速度越大振动越大。

电气部分主要故障类型

主轴电机在运行中会受到来自周围环境及电、热、机械等各种因素的影响，使电机的性能逐渐下降，最终发生故障。主轴电机常见的故障类型主要包括以下4种：气隙偏心、轴承磨损、转子断条以及定子故障。

基于故障机理的监测方案

分析了机床主轴可能出现的故障类型，下面我们来看一下基于这些故障机理，针对主轴系统的故障检测有哪些方法。

第一种是用振动法对轴承和主轴进行监测。轴承失效以后，工作过程中可能会产生振动、升温和噪声等现象。由于振动信号携带了丰富的运行状态信息，而且容易处理和分析，所以振动分析是最有效的故障分析手段。同样，主轴也可以采用振动分析法进行监测。由于轴承是安装在主轴上，且随着主轴一起旋转的，所以只要在主轴外壳上安装一个加速度传感器，就可以同时兼顾主轴和轴承的故障监测。

第二种是用定子电流法对齿轮和主轴电机进行监测。由于齿轮磨损等退化形式会引起齿轮回转轴扭转发生振动，从而引起电机扭矩的波动，并最终通过定子磁通变化引起定子电流变化。所以，可以采用定子电流频率变化分析的方法来判断齿轮部件是否发生故障。

因为电流传感器的价格比较低廉，且安装方便，采用非侵入式的检测方式不会对系统本身造成影响，所以这种设备广泛应用于数控机床加工行业。在实际应用中，特征频率的计算在轴承等故障检测中是有效而且便捷的，因此可以先计算出轴承等部件的特征频率，作为下一步性能退化检测的理论依据。