一種數(shù)控機床滾珠絲杠磨損狀態(tài)的預測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于滾珠絲杠磨損狀態(tài)預測領域，更具體地，涉及一種數(shù)控機床滾珠絲杠 磨損狀態(tài)的預測方法。
【背景技術】
[0002] 滾珠絲杠的設計壽命為1-1. 5萬小時，隨著數(shù)控機床加工朝著高速、高加速、高 精、重載發(fā)展，往往達不到設計壽命滾珠絲杠就出現(xiàn)了損壞。滾珠絲杠最容易出現(xiàn)的損壞形 式是磨損，對機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠磨損狀態(tài)進行預測，以對滾珠絲杠出現(xiàn)磨損狀態(tài)得到 一個相對量化的指標，可及時采取措施，保證工件加工品質，降低廢品率，提高加工效率。
[0003] 目前機床設備磨損監(jiān)測方法主要分為直接監(jiān)測法和間接監(jiān)測法。直接監(jiān)測法是對 其磨損量進行直接測量，直接監(jiān)測法雖然能比較準確的測量出磨損部件的磨損量，但是其 測量不便，有些部件如滾珠絲杠、軸承、導軌，沒有專門測量磨損的儀器，不易獲得準確的磨 損量。間接監(jiān)測法是通過獲取機床信號，通過對信號進行分析來實現(xiàn)機床部件的磨損狀態(tài) 監(jiān)測，監(jiān)測信號通過不同的傳感器獲取，傳感器可以獲得比較豐富的傳感信號，如神戶大學 的Ryuta SATO利用電機電流信號輔助速度、位置等信號建立了滾珠絲杠副的磨損測量方 法，通過與實測的反向間隙對比，驗證了此方法的有效性，但是作者認為反向間隙即為滾珠 絲杠的磨損量；又如2013年西南交通大學的黃海鳳，通過采集與滾珠絲杠相連的電機的電 流信號、振動信號，來對滾珠絲杠的性能退化進行監(jiān)測，但是其主要是通過構建電流信號、 振動信號與摩擦系數(shù)的變化構建出絲杠磨損的監(jiān)測方法。
[0004] 然而，進一步的研究，上述現(xiàn)有技術仍然存在以下的缺陷或不足：雖然上述方法存 在一定的可行性，但是其在工程應用中很不方便，測試成本較高；雖然電流信號的獲取相對 簡單，但上述方法中沒有提到，一則沒有涉及到機床加工狀態(tài)下的快速辨識，二則沒有從機 床電流信號結合機床激起能量的變化趨勢預測絲杠磨損狀態(tài)。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種數(shù)控機床滾珠絲杠磨損 狀態(tài)的預測方法，其通過獲取機床進給軸電機電流信號，預處理后經(jīng)過小波包分解，提取對 應頻段方差特征值，實現(xiàn)對滾珠絲杠磨損狀態(tài)的預測，其采用電流信號作為監(jiān)測信號，具有 信號獲取容易，傳感器成本低，安裝方便等特點，同時小波包分解能將信號分解到不同的頻 段，從滾珠絲杠磨損前后變化頻率所在的頻段中提取的特征值更加穩(wěn)定，可有效反應滾珠 絲杠磨損狀態(tài)，具有計算速度快等優(yōu)點，因而尤其適用于數(shù)控機床滾珠絲杠磨損狀態(tài)的在 線預測。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種數(shù)控機床滾珠絲杠磨損狀態(tài)的預測方法，其 特征在于，包括如下步驟：
[0007] (1)采集待測的數(shù)控機床進給軸電機的三相電流信號，對所述三相電流信號進行 預處理，然后計算獲得三相電流的均方根值Irms;
[0008] (2)對所述均方根值Irms進行頻域分析，獲得所述進給軸的滾珠絲杠磨損前后的 電流信號頻域能量分布，根據(jù)所述滾珠絲杠磨損后的電流信號頻域能量分布與其磨損前的 電流信號頻域能量分布的對比，獲取電流信號突變時所對應的頻率；
[0009] (3)根據(jù)步驟（2)中獲取的頻率選擇小波包分解層數(shù)，然后根據(jù)該小波包分解層 數(shù)對所述均方根值1_進行小波包分解，將所述均方根值I RMS的時域信號分解到不同的頻 段，由此獲得多個小波包分量，對包含所述頻率的小波包分量進行信號重構，獲取該信號重 構后的小波包分量的方差特征值，以該方差特征值實現(xiàn)數(shù)控機床滾珠絲杠磨損狀態(tài)的預 測 。
[0010] 作為進一步優(yōu)選的，所述預處理為對所述三相電流信號進行低通濾波，以濾除噪
聲，提尚?目噪比。
[0011] 作為進一步優(yōu)選的，所述三相電流的均方根值 ，其中i u、iv、 iw為電機的三相交流電流。
[0012] 作為進一步優(yōu)選的，所述小波包分解層數(shù)優(yōu)選為5層。
[0013] 作為進一步優(yōu)選的，隨著所述滾珠絲杠磨損的逐步加大，獲取的方差特征值逐步 增大，當所述滾珠絲杠完全達到壽命的終點時，所述方差特征值為〇. 2。
[0014] 作為進一步優(yōu)選的，當更換新的滾珠絲杠后，所述方差特征值會明顯減小，趨近于 0〇
[0015] 總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，主要具備以下的 技術優(yōu)點：本發(fā)明采用電流信號作為監(jiān)測信號，具有信號獲取容易，抗干擾能力強，傳感器 成本低，安裝方便等特點，在工程實踐中具有很好的普適性，因此在實際應用中有很大優(yōu) 勢；本發(fā)明采用小波包分解可以將信號分解到不同的頻段，更有利于提取出與滾珠絲杠磨 損狀態(tài)相關的信息；本發(fā)明從滾珠絲杠磨損前后變化頻率所在的頻段中提取特征值，且特 征值基于包含頻率的小波包分量重構后的信號求其方差特征值，可以有效反映滾珠絲杠磨 損的磨損狀態(tài)，具有計算速度快，識別準確率高，預測更加穩(wěn)定的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明實施例提供的預測方法流程示意圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明電流信號監(jiān)測系統(tǒng)示意圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明采集到的加工過程的電流信號頻譜圖；
[0019] 圖4(a)和圖4(b)分別是本發(fā)明滾珠絲杠磨損前后電流信號頻域能量分布對比 圖；
[0020] 圖5是本發(fā)明小波包分解示意圖；
[0021] 圖6是本發(fā)明電流信號特征值提取過程示意圖；
[0022] 圖7是本發(fā)明提取的電流信號特征值；
[0023] 圖8是不同機床提取的方差特征值。
【具體實施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0025] 本發(fā)明提供的滾珠絲杠磨損狀態(tài)預測方法，通過獲取機床進給軸電機的電流信 號，預處理后經(jīng)過小波包分解與特征值提取過程，建立滾珠絲杠磨損狀態(tài)辨識模型，通過長 時間的監(jiān)測，達到通過電流信號預測滾珠絲杠磨損狀態(tài)的目的。
[0026] 本發(fā)明的對象針對在美國MG公司生產的XS211臥式加工中心，選取其生產缸蓋 中的某個加工工序進行分析，對其X軸絲杠的磨損狀態(tài)進行辨識，本發(fā)明進行了長時間的 加工過程中的電流信號獲取，對滾珠絲杠磨損狀態(tài)進行預測。如圖1所示，本發(fā)明實施例具 體包括以下步驟：
[0027] (1)采集待測的數(shù)控機床進給軸電機的三相電流信號，對所述三相電流信號進行 預處理，然后計算獲得三相電流的均方根值I RMS。
[0028] 具體的，如圖2所示，利用霍爾傳感器采集數(shù)控機床進給軸電機的三相電流，并對 電流信號進行低通濾波，濾除噪聲，提高信噪比。電機輸出的電流分別為電機三相交流電流 iu、iv、iw，^為三相電流的均方根值
，其電流信號中含有機床進給系 統(tǒng)絲杠的傳動工作狀態(tài)，采集到的電流信號Irms值如圖3所示。
[0029] (2)對加工過程中的電流信號均方根值Irms進行快速傅里葉變換，分析其頻域能 量分布情況，獲得滾珠絲杠不同狀態(tài)下的頻譜，對比滾珠絲杠磨損前后電流信號頻域能量 分布變化，根據(jù)所述滾珠絲杠磨損后的電流信號頻域能量分布與其磨損前的電流信號頻域 能量分布的對比，選取出其頻率能量改變比較大的頻率（即電流信號突