李沛軒

摘要：滾珠絲杠在機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用。隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，市場對產(chǎn)品的要求越來越嚴(yán)苛，企業(yè)對機(jī)床的加工精度提出了更高的要求。因此，滾珠絲杠的可靠性和工作表現(xiàn)成為了重要的要求標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)給系統(tǒng)中，滾珠絲杠的磨損會造成預(yù)緊力的下降，這也是滾珠絲杠最常見的問題。適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力可以避免產(chǎn)生軸向的沖擊和過多的熱量，有利于提高滾珠絲杠的精確度和使用周期。本篇文章將會淺析滾珠絲杠產(chǎn)生的問題以及討論可行的預(yù)測性維護(hù)，從而規(guī)避滾珠的磨損。

關(guān)鍵詞：摩擦;預(yù)緊力; 精度;預(yù)測性維護(hù);電信號

0 ?引言

滾珠絲杠是一個將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動的線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)，廣泛運(yùn)用于機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。滾珠絲杠的主要優(yōu)勢是可以在高速運(yùn)行情況下保證精準(zhǔn)的定位，并有很高的機(jī)械效率。由于具有較低的摩擦力，其傳動效率可達(dá)百分之九十，低摩擦力也增加了滾珠絲杠的使用壽命并且降低了保養(yǎng)的停機(jī)時間。

由于滾珠絲杠和螺母之間存在摩擦和線性沖撞，精確的進(jìn)給系統(tǒng)非常難實(shí)現(xiàn)。通常選擇使用適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力去消除線性沖撞并增加滾珠絲杠的剛度，過高的預(yù)緊力反而會增大摩擦力。同時預(yù)緊力也對滾珠絲杠的剛度，噪音和位置精度有著重要的作用。當(dāng)機(jī)床啟動或停止時，滾珠絲杠的加速或減速會導(dǎo)致滾珠接觸面的潤滑油缺失。潤滑油的缺失則會導(dǎo)致散熱變差并加劇滾珠絲杠的磨損。隨著磨損深度的增加，預(yù)緊力則會隨之減少，這也是滾珠絲杠最主要的問題點(diǎn)。

1 ?摩擦引起的滾珠絲杠的磨損

1.1 平面磨損的分析

滾珠表面的粗糙度相對于滑道更為光滑，因此滾珠與滑道的相對運(yùn)動可以相當(dāng)于一個光滑的平面與粗糙的平面的相對運(yùn)動。

如果較硬的粗糙面反復(fù)沿著同一方向犁較軟的表面，單向塑性變形在每一個周期都會累積。在這種“棘輪失效”或“漸進(jìn)式坍塌”的過程中，有證據(jù)表明，磨損是通過一種韌性斷裂機(jī)制產(chǎn)生非常細(xì)小的板裝碎片而發(fā)生的，如圖1。

1.2 滾珠絲杠的動態(tài)測試

在加速的過程中，轉(zhuǎn)矩首先增加到一個高值，然后轉(zhuǎn)矩開始減少。因?yàn)楸Ｗo(hù)接觸面的潤滑膜需要一定的時間生成，在潤滑膜生成之前會造成滾珠和滑道的摩擦力增大，因此需要更大的轉(zhuǎn)矩來帶動滾珠絲杠系統(tǒng)的軸。通過表1我們可以得到，由于高轉(zhuǎn)速需要更多的加速時間，所以隨著轉(zhuǎn)速的增加加速轉(zhuǎn)矩也會增加。

在減速過程中，它的表現(xiàn)與加速過程不一樣，但它也要求更高的轉(zhuǎn)矩減速。當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增長逐漸增加。轉(zhuǎn)矩的區(qū)別是來相對于相似穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的瞬時步長，并且這個現(xiàn)象可以顯示出加速、減速和穩(wěn)定速度的潤滑體制是不同的。因此，接觸面承受大的加載和低相對速度導(dǎo)致了加速和減速過程中臨界潤滑油的問題。

2 ?維護(hù)方案

2.1 預(yù)測性維護(hù)

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，機(jī)器和系統(tǒng)變得更加智能，更加具有互聯(lián)性。相對于“防護(hù)性維護(hù)”，制造產(chǎn)業(yè)逐漸衍變出了新一代的維護(hù)方法“預(yù)測性維護(hù)”。預(yù)測性維護(hù)是指使用傳感器監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，將傳感器的數(shù)據(jù)與其生命周期參數(shù)結(jié)合確定設(shè)備的維護(hù)時間，以此來最大化增加維護(hù)時間間隔并減少停機(jī)所造成的成本提升。預(yù)測性維護(hù)可以減少未預(yù)料的機(jī)械故障并且防止問題變得更加嚴(yán)重。如果機(jī)械問題可以被提前發(fā)現(xiàn)并修復(fù)，大部分的機(jī)械問題都可以被降低。因此預(yù)測性維護(hù)的能夠提升產(chǎn)品質(zhì)量并且提高工廠和生產(chǎn)線的效率。

檢測方法主要可以分為直接方法和間接方法。直接方法是指直接檢測被測部件的運(yùn)行精度和位置狀態(tài)。間接方法是指搜集相關(guān)部件的信號和信息來推測被測部件的狀態(tài)。本文主要聚焦于直接方法，檢測信號的選擇對于直接方法是至關(guān)重要的。探測信號主要有聲發(fā)射信號、激光檢測、電流信號檢測、振動信號檢測和機(jī)床內(nèi)部信號檢測。

2.2 基于電動機(jī)電流的滾珠絲杠的維護(hù)

通常來說，電信號會使用時域分析方法來進(jìn)行分析。小波理論是一個新的時域分析方法。因?yàn)殡娦盘柾瑫r包含了許多錯誤信息和大量的噪音信息。小波信號可以合理的分離不同時間和頻帶的信號，這可以消除噪音信號并且可以重建一個更加清晰的信號圖。

電流信號的采集選用霍爾電流傳感器，霍爾電流傳感器基于磁平衡霍爾原理和閉環(huán)回路原理，如圖2。輸入端的電流產(chǎn)生的磁場穿過高質(zhì)量磁芯產(chǎn)生的磁通回路?；魻栐t固定在很小的氣隙中。利用盤繞在磁芯的線圈可以輸出相反的補(bǔ)償電流。反向補(bǔ)償電流可以用來抵消輸入電流產(chǎn)生的磁通。這可以使磁通回路中始終保持零磁通。經(jīng)過特殊的電路處理，霍爾元件的輸出電勢可以精確反應(yīng)如電流的變化。因此可以使用霍爾電流傳感器監(jiān)測滾珠絲杠驅(qū)動電機(jī)的電流變化。通過收集到的電流變化的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到滾珠絲杠運(yùn)行的準(zhǔn)確狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Chin-chung Wei， Wei-Lun Liou， Ruei-Syuan Lai Wear analysis of the offset type preloaded ball–screw operating at high speed， Wear 292-293 （2012） 111- 123.

[2]Xing Liu， Xinyong Mao， Yongjun He， A new approach to identify the ball screw wear based on feed motor current， ICAIR and CACRE '16， July 13 - 15 （2016） Kitakyushu， Japan.

[3]Y. Xie， J.A. Williams The prediction of friction and wear when a soft surface slides against a harder rough surface， wear 196 （1996） 2t-34.

[4]李云霞，蘇帥，蘇貴鴻，薛超，李潛彤.五軸聯(lián)動拋光機(jī)床的研制與應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（12）：15-17.