CN110132584A - 一种滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置及方法，包括扭矩传感器、滚珠丝杠座和控制系统，与地面固定的电机，所述电机用于驱动丝杠旋转；所述电机的输出轴与扭矩传感器的一端连接，扭矩传感器的另一端与丝杠连接，所述扭矩传感器用于传递并检测丝杠所受的扭矩，所述电机输出轴、扭矩传感器及丝杠的轴线重合。扭矩传感器可以在传递电机输出轴转动的同时，精确的测量滚珠丝杠副在运行时所受的扭矩，并结合负重的重量信息，对滚珠丝杠副不同工作条件下的负载进行模拟。本发明能够收集滚珠丝杠副从待测试到运行卡滞阶段的各指标参数，便于分析滚珠丝杠副的使用寿命。

Description

一种滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置及方法

技术领域

本发明属于滚珠丝杠技术领域，具体涉及一种滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置及方法。

背景技术

滚珠丝杠副主要由丝杠、丝母、滚珠及丝母反向器构成，其作用是将旋转运动转换为直线运动，其广泛应用于机械设备定位和加载装置。滚珠丝杠副寿命是指完好的滚珠丝杠副在正常工作条件下，磨损至卡滞的时间。滚珠丝杠副寿命主要取决于工作负载、润滑、安装精度等因素。建立起滚珠丝杠副寿命模型，实现对滚珠丝杠副寿命阶段的诊断和预测，对企业合理安排采购备货的时间有着指导意义。

发明人认为：目前，国内滚珠丝杠副相关生产厂家还有一些高校已开发出针对滚珠丝杠副的精度、故障、性能测试的实验装置及方法。

但当前研究的内容主要是研究滚珠丝杠副某一阶段的性能变化，缺乏对滚珠丝杠副全寿命周期的有效监测。除了在数控机床等高端精密设备对滚珠丝杠副精度有着很高要求的场所以外，滚珠丝杠副用往往是用来做一个传动定位装置，特别是在具有反馈的系统中，对滚珠丝杠副精度并没有要求，这种情况下往往是以滚珠丝杠副能否使用作为评价滚珠丝杠副的标准。

对滚珠丝杠副寿命的评价与预测需要试验与数据的支撑，现有技术中没有滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置与方法。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置及方法。

本发明的第一目的是提供一种滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，能够收集滚珠丝杠副从待测试到运行卡滞阶段的各指标参数，便于分析滚珠丝杠副的使用寿命。

本发明的第二目的是提供一种滚珠丝杠副寿命数据采集的方法，基于上述滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，指导使用者采集滚珠丝杠副运行寿命评价与预测所需的试验数据。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，包括扭矩传感器、滚珠丝杠座和控制系统，与地面固定的电机，所述电机用于驱动丝杠旋转，所述电机的输出轴水平布置。

所述电机的输出轴与扭矩传感器的一端连接，扭矩传感器的另一端与丝杠连接，所述扭矩传感器用于传递并检测丝杠所受的扭矩，所述电机输出轴、扭矩传感器及丝杠的轴线重合。

扭矩传感器可以在传递电机输出轴转动的同时，精确的测量滚珠丝杠副在运行时所受的扭矩，并结合负重的重量信息，对滚珠丝杠副不同工作条件下的负载进行模拟。

所述滚珠丝杠座上部设有第一轴承座与第二轴承座，所述丝杠的两端分别通过轴承安装于第一轴承座或第二轴承座中；所述第一轴承座及第二轴承座能够安装在丝杠的两端以实现丝杠的轴向定位，所述第一轴承座靠近扭矩传感器设置。

所述丝母的上端设有负重，所述负重用于模拟滚珠丝杠副运动时承受的负载，所述负重通过导向装置导向；

所述滚珠丝杠副的一侧设有直线位移检测装置，所述直线位移检测装置用于检测丝母的直线位移；

所述丝杠位于第二轴承座的一端穿过第二轴承座后与编码器连接，所述编码器用于监测丝杠的角位移；

所述控制系统与位移检测装置、编码器及扭矩传感器信号连接，并根据位移检测装置与编码器的数据对应关系以判断滚珠丝杠副的行程误差。

采用直线位移检测装置与编码器的配合，当滚珠丝杠副的精度满足设计要求时，直线位移检测装置与编码器检测到的滚珠丝杠副的行程误差应处于合理范围，当行程误差大于设计要求时，滚珠丝杠副接近卡滞阶段，可以指导传感器减少采样时间间隔，采集更多的的数据进行滚珠丝杠副寿命的评价与预测。

进一步,所述第一轴承座及丝母中均设有加速度传感器及温度传感器，所述电机的供电电路中设有电流传感器，所述加速度传感器、温度传感器及电流传感器均与控制系统信号连接。

采用加速度传感器及温度传感器的配合使用，能够增加滚珠丝杠副运行中各性能参数采集的范围，对滚珠丝杠副寿命的评价与预测更加准确。

一种滚珠丝杠副寿命数据采集方法，包括以下步骤：

步骤1，实验室保持恒定温度，根据试验用滚珠丝杠副的正常工作条件，调整负重块的重量以及电机设置。

步骤2，依次安装待试验滚珠丝杠副、扭矩传感器、电机，保证三者同轴。

步骤3，利用电机驱动滚珠丝杠副的运动，采样频率为设定值，每隔设定时间采集丝母运动一个周期的振动、温度、电流、扭矩、转速及行程信息，储存至控制系统；

步骤4，通过直线位移检测装置和编码器监控每一组数据中滚珠丝杠副精度的变化；

步骤5，当滚珠丝杠副运行出现卡滞时，试验终止；

步骤6，对滚珠丝杠副全寿命数据进行分析，提取每组数据能够反映滚珠丝杠副寿命的特征值，通过特征值完成对滚珠丝杠副寿命阶段划分以及寿命预测。

本发明的有益效果：

本发明能够实现滚珠丝杠副在模拟工况下的试验，能够采集试验中丝杠的各性能参数，并根据直线位移检测装置与编码器的配合使用判断滚珠丝杠副的使用精度是否满足设计值，能够在滚珠丝杠副的使用精度不满足使用精度时，传感器减少采样时间间隔，采集更密集时间的数据进行滚珠丝杠副寿命的评价与预测。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例中整体结构示意图；

图2为本发明实施例中各传感器、电机等结构与控制系统的连接关系示意图。

图中：1、底板；2、电机安装座；3、调整垫片；4、扭矩传感器座；5、第一轴承座；6、滚珠丝杠座；7、垫板；8、动尺；9、连接板；10、光栅尺；11、导轨；12、丝母；14、编码器；15、挡板；16、延长轴；17、第二轴承座；18、负重板；19、丝杠；20、温度传感器；21、加速度传感器；22、第一联轴器；23、扭矩传感器；24、第二联轴器；25、电机；26、电流传感器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种典型实施方式中，如图1-2所示，一种滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，包括扭矩传感器23、滚珠丝杠座6和控制系统，与地面固定的电机25，所述电机25用于驱动丝杠19旋转，所述电机的输出轴水平布置。

进一步,所述电机25的机壳与电机安装座2固定连接，所述电机安装座2与底板1的上端面固定连接，底板1固定设置于地面，所述电机安装座2中设有第一长条形孔，所述电机25输出轴穿过第一长条形孔后与扭矩传感器23连接，所述电机25的输出轴高度可调。

具体的，可以通过上下移动电机25来调整电机25输出轴的高度，长条形孔的结构使得电机安装座2不会影响电机25的移动，将电机25移动到设定高度后固定电机25的机壳与安装座，固定的方式可采用螺栓连接，此时需要在电机安装座2中设置两列竖直方向的螺栓孔，螺栓孔应为竖直布置的长条形结构，旋松螺栓使得螺栓可以在长条形结构的螺栓孔中上下移动。

在其他实施方式中，也可以采用其他方式固定电机25与电机安装座2，可由本领域技术人员自行设计。

所述电机25的输出轴与扭矩传感器23的一端连接，扭矩传感器23的另一端与丝杠19连接，所述扭矩传感器23用于传递并检测丝杠19所受的扭矩，所述电机25输出轴、扭矩传感器23及丝杠19的轴线重合。

具体的，扭矩传感器23的一端通过第一联轴器22与丝杠19固定连接，另一端通过第二联轴器24与电机25的输出轴固定连接。

进一步,所述底板1的上端面固定设有扭矩传感器座4，所述扭矩传感器座4用于支撑扭矩传感器23，所述扭矩传感器23与扭矩传感器座4之间设有调整垫片3，所述调整垫片3用于调整扭矩传感器23的高度。

所述滚珠丝杠座6上部设有第一轴承座5与第二轴承座17，所述丝杠19的两端分别通过轴承安装于第一轴承座5或第二轴承座17中。第一轴承座位于第二轴承座与扭矩传感器之间，即第一轴承座靠近扭矩传感器设置。

所述丝母12的上端设有负重，所述负重用于模拟滚珠丝杠副运动时承受的负载，所述负重通过导向装置导向；

进一步,所述负重为能够改变自身重量以改变滚珠丝杠副的负载，所述负重包括负重板18。

在一些实施方式中，所述负重板18的上表面设有水箱，所述水箱通过水管与水泵连通，所述水泵与外界水源连通。通过向水箱中注入不同容量的水，以改变负重的重量。

所述滚珠丝杠副的一侧设有直线位移检测装置，所述直线位移检测装置用于检测丝母12的位移；

进一步,所述直线位移检测装置包括光栅尺10，所述光栅尺10与导轨11平行设置，所述光栅尺10中动尺8通过连接板9与负重固定连接。

具体的，光栅尺10与支撑板之间设有垫板7，所述垫板7用于增加光栅尺10在竖直方向的高度，实现尺寸弥补。

所述丝杠19位于第二轴承座17的一端穿过第二轴承座后与编码器14连接，所述编码器14用于监测丝杠19的角位移。

具体的，所述丝杠19穿过第二轴承座后与延长轴16固定连接，所述延长轴16与编码器14固定连接，所述编码器14与挡板15固定连接，所述挡板15用于实现负重在沿丝杠19轴向运动时的限位。

所述控制系统与位移检测装置、编码器14及扭矩传感器23信号连接，并根据位移检测装置与编码器14的数据的对应关系以判断滚珠丝杠副的行程误差。

进一步,所述第一轴承座5及丝母12中均设有加速度传感器21及温度传感器20，所述电机25的供电电路中设有电流传感器26，所述加速度传感器21、温度传感器20及电流传感器26均与控制系统信号连接。

进一步,所述底板1上表面设有滚珠丝杠副座6，所述滚珠丝杠副座6包括支撑座以及固定与支撑座上表面的水平板，所述水平板的上表面设有所述导向装置。

进一步,所述导向装置包括平行设置于水平板上表面的两个导轨11，所述负重的下表面设有滑块，所述导轨11与滑块配合使用。

如图2所示，控制系统包括数据采集卡、工业控制计算机和PLC，数据采集卡与光栅尺、编码传感器、扭矩传感器、加速度传感器、温度传感器及电流传感器信号连接，所述数据采集卡与工业控制计算机信号连接，工业控制计算机与PLC信号连接，PLC与伺服驱动器连接，伺服驱动器与伺服电机连接。

一种滚珠丝杠副寿命数据采集方法，包括以下步骤：

步骤1，实验室保持恒定温度，根据实验滚珠丝杠副的正常工作条件，调整负重块的重量以及电机25设置；

实验室中优选的环境温度为24摄氏度，但是在其他实施方式中，环境温度可由本领域技术人员自行设置。

步骤2，依次安装待试验滚珠丝杠副、扭矩传感器23、电机25，保证三者同轴对扭矩传感器23和电机25的位置的调整能够通过在沿第一长条孔方向移动电机25和打磨调整垫片3厚度实现。

步骤3，利用电机25驱动滚珠丝杠副的运动，传感器采样频率为设定值，每设定时间采集丝母12运动一个周期的振动、温度、电流、扭矩、转速及行程信息，储存至控制系统；

具体的，如图2所示，控制系统包括数据采集卡、工业控制计算机和PLC，数据采集卡与光栅尺、编码传感器、扭矩传感器、加速度传感器、温度传感器及电流传感器信号连接，所述数据采集卡与工业控制计算机信号连接，工业控制计算机与PLC信号连接，PLC与伺服驱动器连接，伺服驱动器与伺服电机连接。

优选的，各传感器采样频率的一个优选数值为10K，每个20分钟采集丝母12运动一个周期内的各参数。但是在其他实施方式中，传感器的采样频率及间隔时间可由本领域技术人员自行设置。

步骤4，通过光栅尺10和编码器14监控每一组数据中滚珠丝杠副精度的变化；在试验中期精度稳定时，可以延长采样间隔。

步骤5，当滚珠丝杠副运行出现卡滞时，试验终止；

步骤6，对滚珠丝杠副全寿命数据进行分析，提取每组数据能够反映滚珠丝杠副寿命的特征值，通过特征值完成对滚珠丝杠副寿命阶段划分以及寿命预测。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，其特征在于，包括，

与地面固定的电机，所述电机的输出轴水平布置，所述电机用于驱动丝杠旋转；

扭矩传感器，所述电机的输出轴与扭矩传感器的一端连接，扭矩传感器的另一端用于连接丝杠，所述扭矩传感器能够传递并检测丝杠所受的扭矩，所述电机输出轴、扭矩传感器及丝杠的轴线重合；

滚珠丝杠座，所述滚珠丝杠座上部设有第一轴承座与第二轴承座，所述第一轴承座及第二轴承座能够安装在丝杠的两端以实现丝杠的轴向定位，所述第一轴承座靠近扭矩传感器设置；

负重，所述负重能够固定安装于丝母的上端，所述负重用于模拟滚珠丝杠副运动时承受的负载，所述负重通过导向装置导向；

所述滚珠丝杠副的一侧设有直线位移检测装置，所述直线位移检测装置用于检测丝母的位移；

所述丝杠位于第二轴承座的一端穿过第二轴承座后与编码器连接，所述编码器用于监测丝杠的角位移；

控制系统，所述控制系统与位移检测装置、编码器及扭矩传感器信号连接，并根据位移检测装置与编码器的数据的对应关系以判断滚珠丝杠副的行程误差。

2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，其特征在于，所述第一轴承座及丝母中均设有加速度传感器及温度传感器，所述电机的供电电路中设有电流传感器，所述加速度传感器、温度传感器及电流传感器均与控制系统信号连接。

3.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，其特征在于，所述电机的机壳与电机安装座固定连接，所述电机安装座与底板的上端面固定连接，所述电机安装座中设有第一长条形孔，所述电机输出轴穿过第一长条形孔后与扭矩传感器连接，所述电机的输出轴高度可调。

4.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，其特征在于，所述底板的上端面固定设有扭矩传感器座，所述扭矩传感器座用于支撑扭矩传感器，所述扭矩传感器与扭矩传感器座之间设有调整垫片，所述调整垫片用于调整扭矩传感器的高度。

5.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，其特征在于，所述底板上表面设有滚珠丝杠副座，所述滚珠丝杠副座包括支撑座以及固定与支撑座上表面的水平板，所述水平板的上表面设有所述导向装置。

6.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，其特征在于,所述导向装置包括平行设置于水平板上表面的两个导轨，所述负重的下表面设有滑块，所述导轨与滑块配合使用。

7.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，其特征在于,所述直线位移检测装置包括光栅尺，所述光栅尺与导轨平行设置，所述光栅尺中动尺通过连接板与负重固定连接。

8.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，其特征在于,所述负重为能够改变自身重量以改变滚珠丝杠副的负载，所述负重包括负重板，所述负重板的上表面设有水箱，所述水箱通过水管与水泵连通，所述水泵与外界水源连通。

9.一种滚珠丝杠副寿命数据采集方法，利用了权利要求1-8中任意一项所述的滚珠丝杠副寿命预测的数据采集装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，实验室保持恒定温度，根据实验滚珠丝杠副的正常工作条件，调整负重块的重量以及电机设置；

步骤2，依次安装待试验滚珠丝杠副、扭矩传感器、电机，保证三者同轴；

步骤3，利用电机驱动滚珠丝杠副的运动，采样频率为设定值，每设定时间采集丝母运动一个周期的振动、温度、电流、扭矩、转速及行程信息，储存至控制系统；

步骤4，通过光栅尺和编码器监控每一组数据中滚珠丝杠副精度的变化；

步骤5，当滚珠丝杠副运行出现卡滞时，试验终止；

步骤6，对滚珠丝杠副全寿命数据进行分析，提取每组数据能够反映滚珠丝杠副寿命的特征值，通过特征值完成对滚珠丝杠副寿命阶段划分以及寿命预测。

10.根据权利要求9中所述的滚珠丝杠副寿命数据采集方法，其特征在于，对扭矩传感器和电机的位置的调整能够通过在沿第一长条孔方向移动电机和打磨调整垫片厚度实现。