一种考虑多工况的滚珠丝杠磨损预测方法

本发明涉及了一种丝杠磨损预测方法，具体涉及一种考虑多工况的滚珠丝杠磨损预测方法。

背景技术：

1、滚珠丝杠的设计寿命一般为1-1.5万小时，随着数控机床加工朝着高精、高速度、高可靠性、重载方向发展，对滚珠丝杠的精度保持性和可靠性提出了很高的要求。当滚珠丝杠达不到这些要求后，就会出现失效，其最常见的失效形式是磨损。因此，对滚珠丝杠进行磨损量预测就显得尤为重要，这样不仅可以保证加工质量和精度，使得良品率大大提高，还可以提高加工效率。

2、目前监测滚珠丝杠磨损的方法有很多，主要可以分为两大类，直接测量法和间接测量法。直接测量法主要有：光学法、接触电阻法、放射性法等。间接测量法主要有：功率测量法、温度测量法、振动分析法、ae法、电机电流或功率测量法等。直接测量法是对丝杠的磨损量直接进行测量，该方法虽然可以比较准确地测量得到实际的磨损量，但是具体的实施方法不是很明确，针对滚珠丝杠、导轨、轴承等部件，并没有专门的测量仪器和设备可以测量。间接测量法是获取数控机床不同传感器的信号，然后对这些信号进行提取，经过时域分析、频域分析等步骤，获得相应的特征值，用以表征滚珠丝杠的磨损量。比如wei c将采集力信号的压电传感器嵌入到螺母结构中，研究了丝杠不同磨损程度与预紧力的变化规律，通过预紧力的变化规律监测滚珠丝杠的磨损量。又比如通过在驱动电机端安装型号为chb-50a的电流传感器来采集驱动电机的电流信号，与振动传感器采集到的振动信号联合建立特征集来评估滚珠丝杠的磨损量。

3、通过研究发现，现有技术还存在着一些不足。虽然传感器信号的获取比较容易，但是没有提及数控机床传感器信号状态的快速辨识，以及没有考虑到通过传感器信号提取滚珠丝杠直线运动的不同速度以及丝杠进给系统伺服电机负载功率来预测丝杠的磨损量。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种考虑多工况的滚珠丝杠磨损预测方法。本发明方法使用传感器采集的信号具有抗干扰能力强、易处理、信号稳定、便于控制的优点，并且传感器安装方便，可以更好地获取丝杠磨损多工况下的信息，能够更好地对滚珠丝杠的磨损量进行预测。

2、本发明采用的技术方案是：

3、本发明滚珠丝杠磨损预测方法包括如下步骤：

4、步骤一：在滚珠丝杠工作过程中使用传感器采集滚珠丝杠的工作信号，对滚珠丝杠的工作信号进行预处理获得预处理工作信号。

5、步骤二：根据预处理工作信号将滚珠丝杠的工作过程分为若干连续的工作子区间。

6、步骤三：建立磨损量预测模型，将滚珠丝杠在每个工作子区间内的磨损速率输入磨损量预测模型中，磨损量预测模型输出滚珠丝杠的总磨损量，实现对滚珠丝杠的磨损预测。

7、所述的步骤一中，滚珠丝杠的工作信号包括滚珠丝杠直线运动的速度和滚珠丝杠的丝杠进给系统伺服电机负载功率。传感器包括速度传感器和功率传感器；传感器的信号采集不影响滚珠丝杠工作过程的动态特性。

8、所述的步骤一中，对滚珠丝杠的工作信号进行预处理获得预处理工作信号，具体为对滚珠丝杠的工作信号进行低通滤波处理获得预处理工作信号，去除信号中的噪音，减少干扰，提高信噪比。

9、所述的步骤二中，根据预处理工作信号将滚珠丝杠的工作过程分为若干连续的工作子区间，在每个工作子区间内，滚珠丝杠均处于其中一种工况下，每种工况下的预处理工作信号的数值均在预设范围内，即预处理工作信号中的预处理后的滚珠丝杠直线运动的速度在预设速度范围内，滚珠丝杠的丝杠进给系统伺服电机负载功率在预设功率范围内，每种工况下的预设速度范围和/或预设功率范围不相同。

10、滚珠丝杠每个工作子区间si的工作状况都相同，并且在时间上是连续的。滚珠丝杠的不同工况，是根据滚珠丝杠直线运动的速度以及丝杠进给系统伺服电机负载功率来共同判定的，当滚珠丝杠直线运动的速度和丝杠进给系统伺服电机负载功率均在规定的某个范围内，可以判定为同一个工况。

11、所述的步骤三中，建立的磨损量预测模型具体如下：

12、

13、wi＝ti×δki

14、

15、其中，wm表示滚珠丝杠在m个工作子区间内滚珠丝杠的总磨损量；m表示滚珠丝杠的工作子区间个数；wi表示滚珠丝杠在第i个工作子区间si内的磨损量；ti表示滚珠丝杠在第i个工作子区间si内的工作时间；δki表示滚珠丝杠在第i个工作子区间si内的磨损速率，即单位时间内的磨损量，可以通过经验公式计算得到或实验测试得到；hi表示传感器在第i个工作子区间si内采样信号的数据个数；f0表示传感器的信号的预设固定采样频率。传感器信号的采样频率是固定的，并且在时间上是连续的。

16、滚珠丝杠直线运动的速度vs具体如下：

17、vs＝n·ph

18、其中，n为滚珠丝杠工作时的转速；ph为滚珠丝杠基本导程。

19、本发明的有益效果是：

20、1、本发明传感器采集的信号具有抗干扰能力强、易处理、便于控制的优点，传感器安装方便，实际应用场景比较广泛。

21、2、本发明传感器信号的采集不需要搭建实验平台，不需要对丝杠进给系统进行拆装，不影响滚珠丝杠工作过程的动态特性，比较方便。

22、3、根据采集到的传感器信号对不同的工况进行分类，对每个不同的工况下丝杠的磨损量分开计算，这样更符合实际工作情况，所得到的结果也会更加准确。

23、4、在根据采集到的传感器信号进行工况分类时，考虑到滚珠丝杠基本导程对最终磨损量的影响，因此提供了滚珠丝杠直线运动的速度计算公式，为结果的准确性提供了保障。

24、5、本发明可以实现对丝杠磨损量的准确预测，当丝杠磨损量大于规定阈值时提供报警，便于及时处理，降低滚珠丝杠发生故障的概率，提高数控机床的可靠性。

技术特征：

1.一种考虑多工况的滚珠丝杠磨损预测方法，其特征在于：方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种考虑多工况的滚珠丝杠磨损预测方法，其特征在于：所述的步骤一中，滚珠丝杠的工作信号包括滚珠丝杠直线运动的速度和滚珠丝杠的丝杠进给系统伺服电机负载功率。

3.根据权利要求1所述的一种考虑多工况的滚珠丝杠磨损预测方法，其特征在于：所述的步骤一中，对滚珠丝杠的工作信号进行预处理获得预处理工作信号，具体为对滚珠丝杠的工作信号进行低通滤波处理获得预处理工作信号。

4.根据权利要求2所述的一种考虑多工况的滚珠丝杠磨损预测方法，其特征在于：所述的步骤二中，根据预处理工作信号将滚珠丝杠的工作过程分为若干连续的工作子区间，在每个工作子区间内，滚珠丝杠均处于其中一种工况下，每种工况下的预处理工作信号的数值均在预设范围内，即预处理工作信号中的预处理后的滚珠丝杠直线运动的速度在预设速度范围内，滚珠丝杠的丝杠进给系统伺服电机负载功率在预设功率范围内，每种工况下的预设速度范围和/或预设功率范围不相同。

5.根据权利要求1所述的一种考虑多工况的滚珠丝杠磨损预测方法，其特征在于：所述的步骤三中，建立的磨损量预测模型具体如下：

技术总结
本发明公开了一种考虑多工况的滚珠丝杠磨损预测方法。方法包括：在滚珠丝杠工作过程中使用传感器采集滚珠丝杠的工作信号，对滚珠丝杠的工作信号进行预处理获得预处理工作信号；根据预处理工作信号将滚珠丝杠的工作过程分为若干连续的工作子区间；建立磨损量预测模型，将滚珠丝杠在每个工作子区间内的磨损速率输入磨损量预测模型中，磨损量预测模型输出滚珠丝杠的总磨损量，实现对滚珠丝杠的磨损预测。本发明方法使用传感器采集的信号具有抗干扰能力强、易处理、信号稳定、便于控制的优点，并且传感器安装方便，可以更好地获取丝杠磨损多工况下的信息，能够更好地对滚珠丝杠的磨损量进行预测。

技术研发人员：何超,潘柏松
受保护的技术使用者：浙江工业大学台州研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12