CN107831010B - 一种机电作动器滚珠丝杠故障监测系统 - Google Patents

一种机电作动器滚珠丝杠故障监测系统 Download PDF

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    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms

Abstract

本发明公开了一种机电作动器滚珠丝杠故障监测系统。所述机电作动器滚珠丝杠故障监测系统根据激光测量仪测量的滚珠丝杠的表面形状参数、机电作动器线位移传感器测量的杠螺母到达预定位置的工作次数、电机电流传感器测量的滚珠丝杠的负载力和电机旋转变压器测量的滚珠丝杠的转速来判断滚珠丝杠磨损情况，并预估滚珠丝杠的使用寿命。

Description

一种机电作动器滚珠丝杠故障监测系统
技术领域
本发明属于机电伺服机电作动器领域，特别涉及一种机电作动器滚珠丝杠故障监测系统。
背景技术
目前机电伺服主要应用在航天或无人机领域，在载人航空领域应用较少，主要原因是机电伺服相比液压伺服存在滚珠丝杠卡死的弊端。因此，需要对滚珠丝杠的使用寿命进行在线监测。机电作动器主要由电机、减速器、滚珠丝杠等重要部件组成，作为机械结构，电机和减速器可以通过余度设计来提高可靠性，而滚珠丝杠很难通过余度来提高可靠性，滚珠丝杠作为机电作动器的关键功能部件，其故障成为了机电作动器的单点故障。目前的针对丝杠高温在线检测的设备通过激光测温来记录滚珠丝杠在重载下温度的变化，但还没有针对机电作动器用滚珠丝杠在线监测系统，滚珠丝杠作为机电作动器的关键传动部件，需要一种机电作动器滚珠丝杠故障监测系统进行滚珠丝杠运行状态的在线监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题：
本发明目的是提供机电作动器滚珠丝杠故障在线监测，可以实时了解滚珠丝杠的工作状况，对滚珠丝杠使用寿命提供数据支撑，提高滚珠丝杠使用时的可靠性。
本发明的技术解决方案是：
提供了一种机电作动器滚珠丝杠故障监测系统，包括控制器、激光测量仪、机电作动器线位移传感器、电机电流传感器和电机旋转变压器；
激光测量仪，安装在机电作动器内部，被配置为测量滚珠丝杠的表面形状参数，并发送至控制器；
机电作动器线位移传感器，安装在丝杠螺母上，被配置为测量滚珠丝杠的位置数据，并记录滚珠丝杠到达预定位置的工作次数，并发送至控制器；
电机电流传感器，安装在所述控制器中，被配置为测量电机电流，并根据所述电机电流计算滚珠丝杠的负载力，并发送至控制器；
电机旋转变压器，安装在电机上，被配置为测量电机转速，并根据所述电机转速计算所述滚珠丝杠的线速度，并发送至控制器；
其中，所述控制器被配置为读取并存储滚珠丝杠的表面形状参数、滚珠丝杠到达预定位置的工作次数、滚珠丝杠的负载力和滚珠丝杠的转速，并根据滚珠丝杠的表面形状参数、杠螺母到达预定位置的工作次数、滚珠丝杠的负载力和滚珠丝杠的转速来判断滚珠丝杠磨损情况，并预估滚珠丝杠的使用寿命。
根据本发明的一个实施例，如果滚珠丝杠直接连接在电机上，则电机电流传感器根据等式T0＝Ia计算电机输出转矩，再根据等式2πT0η＝Fp计算滚珠丝杠的负载力，其中，T0为电机输出转矩，I为电机相电流，a为电机转矩系数，η为丝杠效率，p为丝杠导程，F为滚珠丝杠的负载力。
根据本发明的一个实施例，如果滚珠丝杠通过减速器连接在电机上，则电机电流传感器根据等式T1＝T0iη1计算减速器的输出转矩，再根据等式2πT1η1＝Fp计算滚珠丝杠的负载力，其中，i为减速器减速比，η1为减速器效率。
根据本发明的一个实施例，如果滚珠丝杠直接连接在电机上，则电机旋转变压器根据等式V＝pN0/60计算滚珠丝杠的线速度，其中，V为滚珠丝杠的线速度，N0为电机转速。
根据本发明的一个实施例，如果滚珠丝杠通过减速器连接在电机上，则电机旋转变压器根据等式V＝pN0/60i计算滚珠丝杠的线速度。
根据本发明的一个实施例，控制器判断滚珠丝杠磨损情况，并预估滚珠丝杠的使用寿命包括以下步骤：
设定滚珠丝杠的表面变形阈值；
读取滚珠丝杠的表面形状参数、滚珠丝杠到达预定位置的工作次数、滚珠丝杠的负载力、和滚珠丝杠的线速度；
计算当前工作次数中的滚珠丝杠的平均负载力和滚珠丝杠的平均线速度；
根据滚珠丝杠的表面形状参数与滚珠丝杠的表面变形阈值的比值j，以及滚珠丝杠到达预定位置的工作次数n，预估在当前滚珠丝杠的平均负载力和滚珠丝杠的平均线速度不变的情况下的滚珠丝杠的使用寿命
根据本发明的一个实施例，在当前滚珠丝杠的平均负载力和滚珠丝杠的平均线速度不变的情况下的滚珠丝杠的使用寿命为n(1-j)/j次。
根据本发明的一个实施例，如果在未来使用中的平均负载力或滚珠丝杠的平均线速度增大，则预估滚珠丝杠的使用寿命减少，如果在未来使用中的平均负载力或滚珠丝杠的平均线速度减小，则预估滚珠丝杠的使用寿命增大。
本发明的有益效果：
本发明能够实现机电作动器滚珠丝杠在线监测，提高机电作动器使用可靠性，做到机电作动器的故障预测预警，满足了高可靠、长寿命等领域(特别是载人航空领域)的应用需求。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的机电作动器滚珠丝杠故障监测系统的示意图。
图2是根据本发明的实施例的机电作动器滚珠丝杠故障监测系统的控制逻辑图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的实施例做出进一步的详细描述：
图1是根据本发明的实施例的机电作动器滚珠丝杠故障监测系统的示意图。如图1所示，机电作动器滚珠丝杠故障监测系统包括：三个激光测量仪，机电作动器线位移传感器。在实施例中，机电作动器滚珠丝杠故障监测系统还包括电机电流传感器和电机旋转变压器。其中，机电作动器主要由电机、减速器、滚珠丝杠等重要部件组成。
三个激光测量仪安装在机电作动器的壳体内部的激光测量点上(即激光测量点1、激光测量点2和激光测量点3)，可测量滚珠丝杠的表面形状参数，其中，机电作动器主要由电机、减速器、滚珠丝杠和丝杠螺母构成。机电作动器线位移传感器，安装在丝杠螺母上，可测量丝杠螺母的位置数据，并记录丝杠螺母到达预定位置的工作次数。电机电流传感器，安装在控制器中，可测量电机电流，并根据所述电机电流计算滚珠丝杠的负载力。电机旋转变压器，安装在电机上，可为测量电机转速，并根据所述电机转速计算所述滚珠丝杠的转速。
图2是根据本发明的实施例的机电作动器滚珠丝杠故障监测系统的控制逻辑图。如图2所示，所述控制器可读取并存储滚珠丝杠滚道的表面形状参数、滚珠丝杠到达预定位置的工作次数、滚珠丝杠的负载力和滚珠丝杠的转速。
在本发明的实施例中，如果滚珠丝杠直接连接在电机上(即滚珠丝杠和电机之间无减速器)，则电机电流传感器根据等式(1)计算电机输出转矩：
T0＝Ia (1)
其中，T0为电机输出转矩，I为电机相电流，a为电机转矩系数。
再根据等式(2)计算滚珠丝杠的负载力：
2πT0η＝Fp (2)
其中，η为丝杠效率，p为丝杠导程，F为滚珠丝杠的负载力。
如果滚珠丝杠通过减速器连接在电机上，则电机电流传感器根据等式(3)计算减速器的输出转矩：
T1＝T0iη1 (3)
其中，i为减速器减速比，η1为减速器效率
再根据等式(4)计算滚珠丝杠的负载力：
2πT1η1＝Fp (4)
在本发明的实施例中，如果滚珠丝杠直接连接在电机上，则电机旋转变压器根据等式(5)计算滚珠丝杠的线速度，
V＝pN0/60 (5)
其中，V为滚珠丝杠的线速度，N0为电机转速。
如果滚珠丝杠通过减速器连接在电机上，则电机旋转变压器根据等式(6)计算滚珠丝杠的线速度：
V＝pN0/60i (6)
控制器在预估滚珠丝杠的使用寿命时，可设定滚珠丝杠的表面变形阈值并读取滚珠丝杠的表面形状参数、滚珠丝杠到达预定位置的工作次数n、滚珠丝杠的负载力F、和滚珠丝杠的线速度V。
计算当前工作次数中的滚珠丝杠的平均负载力和滚珠丝杠的平均线速度，在本发明的实施例中，控制器读取并保存滚珠丝杠每次工作的线速度V1、V2…Vn，以及滚珠丝杠每次工作的负载力F1、F2…Fn。因此，滚珠丝杠的平均线速度为(V1+V2+…+Vn)/n，滚珠丝杠的平均负载力为(F1+F2+…+Fn)/n。
根据滚珠丝杠的表面形状参数与滚珠丝杠的表面变形阈值的比值j，以及滚珠丝杠到达预定位置的工作次数n，预估在当前滚珠丝杠的平均负载力和滚珠丝杠的平均线速度不变的情况下的滚珠丝杠的使用寿命为n(1-j)/j次。
如果在未来使用中预计平均负载力或滚珠丝杠的平均线速度增大，则滚珠丝杠的使用寿命减少，如果在未来使用中预计平均负载力或滚珠丝杠的平均线速度减小，则滚珠丝杠的使用寿命增大。
实施例：
设定滚珠丝杠的表面变形阈值为滚道曲率半径的10％，即如果滚珠丝杠的表面变形达到滚道曲率半径的10％，则滚珠丝杠滚道磨损严重，达到滚珠丝杠使用寿命。如果激光测量仪测得滚珠丝杠的表面变形达到滚道曲率半径的5％，当前工作次数为200次，则在当前滚珠丝杠的平均负载力和滚珠丝杠的平均线速度不变的情况下，滚珠丝杠的剩余使用寿命为200次。
在示例中，如果预计在未来使用中，平均负载力将增大10％，则滚珠丝杠的剩余使用寿命预计减少10％，滚珠丝杠的平均线速度增大5％，则滚珠丝杠的剩余使用寿命在此基础上再预计减少5％。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种机电作动器滚珠丝杠故障监测系统，其特征在于，包括：控制器、激光测量仪、机电作动器线位移传感器、电机电流传感器和电机旋转变压器；
激光测量仪，安装在机电作动器内部，被配置为测量滚珠丝杠的表面形状参数，并发送至控制器；
机电作动器线位移传感器，安装在丝杠螺母上，被配置为测量滚珠丝杠的位置数据，并记录滚珠丝杠到达预定位置的工作次数，并发送至控制器；
电机电流传感器，安装在所述控制器中，被配置为测量电机电流，并根据所述电机电流计算滚珠丝杠的负载力，并发送至控制器；
电机旋转变压器，安装在电机上，被配置为测量电机转速，并根据所述电机转速计算所述滚珠丝杠的线速度，并发送至控制器；
其中，所述控制器被配置为读取并存储滚珠丝杠的表面形状参数、滚珠丝杠到达预定位置的工作次数、滚珠丝杠的负载力和滚珠丝杠的线速度，并根据滚珠丝杠的表面形状参数、丝杠螺母到达预定位置的工作次数、滚珠丝杠的负载力和滚珠丝杠的线速度来判断滚珠丝杠磨损情况，并预估滚珠丝杠的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的机电作动器滚珠丝杠故障监测系统，其特征在于，如果滚珠丝杠直接连接在电机上，则电机电流传感器根据等式T0＝Ia计算电机输出转矩，再根据等式2πT0η＝Fp计算滚珠丝杠的负载力，其中，T0为电机输出转矩，I为电机电流，a为电机转矩系数，η为丝杠效率，p为丝杠导程，F为滚珠丝杠的负载力。
3.根据权利要求2所述的机电作动器滚珠丝杠故障监测系统，其特征在于，如果滚珠丝杠通过减速器连接在电机上，则电机电流传感器根据等式T1＝T0iη1计算减速器的输出转矩，再根据等式2πT1η1＝Fp计算滚珠丝杠的负载力，其中，i为减速器减速比，η1为减速器效率。
4.根据权利要求1所述的机电作动器滚珠丝杠故障监测系统，其特征在于，如果滚珠丝杠直接连接在电机上，则电机旋转变压器根据等式V＝pN0/60计算滚珠丝杠的线速度，其中，V为滚珠丝杠的线速度，N0为电机转速，p为丝杠导程。
5.根据权利要求4所述的机电作动器滚珠丝杠故障监测系统，其特征在于，如果滚珠丝杠通过减速器连接在电机上，则电机旋转变压器根据等式V＝pN0/60i计算滚珠丝杠的线速度，其中，i为减速器减速比。
6.根据权利要求1所述的机电作动器滚珠丝杠故障监测系统，其特征在于，控制器判断滚珠丝杠磨损情况，并预估滚珠丝杠的使用寿命包括以下步骤：
设定滚珠丝杠的表面变形阈值；
读取滚珠丝杠的表面形状参数、滚珠丝杠到达预定位置的工作次数n、滚珠丝杠的负载力F、和滚珠丝杠的线速度V；
计算当前工作次数中的滚珠丝杠的平均负载力和滚珠丝杠的平均线速度；
根据滚珠丝杠的表面形状参数与滚珠丝杠的表面变形阈值的比值j，以及滚珠丝杠到达预定位置的工作次数n，预估在当前滚珠丝杠的平均负载力和滚珠丝杠的平均线速度不变的情况下的滚珠丝杠的使用寿命。
7.根据权利要求6所述的机电作动器滚珠丝杠故障监测系统，其特征在于，在当前滚珠丝杠的平均负载力和滚珠丝杠的平均线速度不变的情况下的滚珠丝杠的使用寿命为n(1-j)/j次。
8.根据权利要求6所述的机电作动器滚珠丝杠故障监测系统，其特征在于，如果在未来使用中的平均负载力或滚珠丝杠的平均线速度增大，则预估滚珠丝杠的使用寿命减少，如果在未来使用中的平均负载力或滚珠丝杠的平均线速度减小，则预估滚珠丝杠的使用寿命增大。
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