CN112613141A - 一种伺服系统中丝杆间隙的检测方法、系统和存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种伺服系统中丝杆间隙的检测方法、系统和存储介质，该方法包括：以预设时间间隔获取伺服系统的谐振参数；基于当前检测时刻的第一谐振参数与前一检测时刻的第二谐振参数，判断伺服系统中丝杆的间隙值是否超过预设间隙阈值；若丝杆的间隙值超过预设间隙阈值，则产生警告信号。通过上述方式，本申请能够在丝杆的间隙值较大时进行提醒，提升系统的精确度与可靠性。

Description

一种伺服系统中丝杆间隙的检测方法、系统和存储介质

技术领域

本申请涉及控制技术领域，具体涉及一种伺服系统中丝杆间隙的检测方法、系统和存储介质。

背景技术

滚珠丝杠等传动连接的伺服设备在安装时通常会预留一定的间隙，以保证传动的灵活，而且伺服设备经过长期运行后，间隙也会慢慢增大；间隙的存在会使伺服设备的定位精度显著下降，同时还会加大机械谐振，并使系统部分应力超出其所能承受的安全范围，最终导致伺服设备受损，产生重大损失，因而有必要对滚珠丝杆的间隙进行检测，以便及时对设备进行维护，降低损失。

发明内容

本申请提供一种伺服系统中丝杆间隙的检测方法、系统和存储介质，能够在丝杆的间隙值较大时进行提醒，提升系统的精确度与可靠性。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是：提供一种伺服系统中丝杆间隙的检测方法，该方法包括：以预设时间间隔获取伺服系统的谐振参数；基于当前检测时刻的第一谐振参数与前一检测时刻的第二谐振参数，判断伺服系统中丝杆的间隙值是否超过预设间隙阈值；若丝杆的间隙值超过预设间隙阈值，则产生警告信号。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一技术方案是：提供一种伺服系统，该伺服系统包括互相连接的存储器和处理器，其中，存储器用于存储计算机程序，计算机程序在被处理器执行时，用于实现上述技术方案中的丝杆间隙的检测方法。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一技术方案是：提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质用于存储计算机程序，计算机程序在被处理器执行时，用于实现上述技术方案中的丝杆间隙的检测方法。

通过上述方案，本申请的有益效果是：由于间隙的存在会使伺服系统的定位精度显著下降，同时还会加大机械谐振，导致伺服系统中的设备受损；本申请提供了一种在丝杆的间隙值过大时及时进行提醒的方法，先间隔预设时间间隔来获取伺服系统的谐振参数，得到当前检测时刻的第一谐振参数与前一检测时刻的第二谐振参数；然后根据第一谐振参数与第二谐振参数来判别当前检测时刻丝杆的间隙值是否超出预设间隙阈值，一旦检测到丝杆的间隙值超出设定的阈值，就发出警报，以便提醒用户对丝杆进行检修，减少因丝杆的间隙过大所导致的定位精确度下降与设备受损，提升系统的定位精确度与可靠性，且可以降低设备的受损程度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是间隙的非线性模型的示意图；

图2是含间隙的双惯量传动系统机械模型的示意图；

图3是电流环与含间隙的双惯量传动系统机械模型的示意图；

图4是本申请提供的伺服系统中丝杆间隙的检测方法一实施例的流程示意图；

图5是本申请提供的伺服系统中丝杆间隙的检测方法另一实施例的流程示意图；

图6是本申请提供的伺服系统一实施例的结构示意图；

图7是本申请提供的计算机可读存储介质一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请所提供的技术方案可以在检测到滚珠丝杆等转动装置的间隙值变大至超出设定的安全范围后，及时发出报警信号，提醒用户对丝杆进行维修或更换丝杆，下面将对实现原理进行阐述。

目前常用来描述间隙非线性的模型如图1所示，随着驱动侧和负载侧相对位置的变化，作用到负载侧的扭矩也随之变化，其大小同两者位置差成比例；当两者位置差小于间隙幅值时，输出到负载侧的扭矩为零，对应的数学表达式如下所示：

其中，T_S为传动轴轴矩，K_S为传动轴弹性系数，2*b为间隙值角度，θ_l为负载侧转轴转角，θ_m为电机侧转轴转角，Δθ＝θ_m-θ_l。

利用线性控制与数学方法，将死区非线性近似线性化，将线性关系带入普通谐振模型中，从而可以分析含有间隙的系统的振荡特性。死区模型的描述函数N(A)被定义为正弦信号的死区输出与死区输入的比值，其表达式如下所示：

其中，A为输入的正弦信号的幅值。

含有间隙的弹性系数变化为：

K′_s＝N(A)K_s (3)

其中，K′_s为含有间隙的传动轴弹性系数。

将间隙模型与双惯量传动系统模型相结合，可以得到图2所示的含间隙的双惯量传动系统机械模型，可忽略系统的粘滞系数或阻尼系数等。

在忽略负载转矩时，电机速度到电磁转矩的传递函数如下所示：

在忽略负载转矩时，负载速度到电磁转矩的传递函数如下所示：

对G₁(s)进行拉普拉斯反变换，可以得到：

由上式可以得知系统的共振点的频率(记作共振频率)如下所示：

利用函数G₁(s)的零点特性，可知系统的反共振点的频率(记作反共振频率)如下所示：

由于0≤N(A)<1，由公式(7)-(8)可以推断出：间隙的存在会降低系统的弹性系数，同时也会降低系统的共振频率或者反共振频率。

对伺服系统的电流环和机械模型采用开环扫频，注入如图3所示的转矩信号

其中，ω_ref为转矩信号的频率，B为转矩信号的最大幅度，可将ω_ref逐步增大至采样频率的一半。

对

进行拉普拉斯变换，可以得到：

通常伺服系统的电流环带宽可以达到2～4kHz，因此可以认为电流环的传递函数近似为1，可推得如下公式：

对公式(11)进行拉普拉斯反变换，可以得到：

其中，系数a、b以及c的表达式如下所示：

由系数a、b以及c的表达式可以得到：

1)当

时，即ω_ref＝ω_RES，电机转速响应的幅值接近+∞；当

时，即ω_ref＝ω_ARS，电机转速响应的幅值为0，与开环频率特性一致。

2)当J₂＝0时，无共振点。

3)K′_s影响幅值响应大小。

由上述分析可知，间隙与系统的共振频率以及反共振频率相关，当间隙改变时，系统的共振频率与反共振频率跟随改变，因而可通过共振频率与反共振频率来表征丝杆的间隙是否发生较大的变化，具体实现方案将在下文进行阐述。

请参阅图4，图4是本申请提供的伺服系统中丝杆间隙的检测方法一实施例的流程示意图，该方法包括：

步骤41：以预设时间间隔获取伺服系统的谐振参数。

可通过闭环扫频、开环扫频或快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)等手段来获取伺服系统的谐振参数，该谐振参数包括共振点的频率(记作共振频率)、反共振点的频率(记作反共振频率)或共振点的幅度(记作共振幅度)，该预设时间间隔可以为根据经验预先设置的时间值。

可以理解地，也可以不按照固定的时间间隔来获取伺服系统的谐振参数，可以通过其他方式来获取不同时刻的谐振参数，比如，可以在接收到用户下发的指令后再获取谐振参数。

步骤42：基于当前检测时刻的第一谐振参数与前一检测时刻的第二谐振参数，判断伺服系统中丝杆的间隙值是否超过预设间隙阈值。

在获取到不同检测时刻的两组谐振参数后，可将获取到的当前时刻的谐振参数记作第一谐振参数，将当前检测时刻之前的时刻(即前一检测时刻)获取到的谐振参数记作第二谐振参数；通过对第一谐振参数与第二谐振参数进行比对，可以判别当前丝杆的间隙是否较大。

进一步地，可以通过比较前后两个检测时刻的谐振参数之间的差值是否小于设定的差值，来判断丝杆的间隙状态；或者比较前后两个检测时刻的谐振参数之间的比值是否小于设定的比值，以检测当前丝杆的间隙值是否超过预设间隙阈值，该预设间隙阈值可以为根据经验设置的间隙容许值；或者还可以通过计算平均值等合理方式来进行计算，以判定当前丝杆的间隙值是否过大。

步骤43：若丝杆的间隙值超过预设间隙阈值，则产生警告信号。

如果判断出当前丝杆的间隙值大于预设间隙阈值，则表明当前检测时刻丝杆的间隙已经增大至超出安全范围，此时可以产生一警告信号，以提醒用户及时对伺服系统进行维护，防止因丝杆的间隙过大导致定位精度下降或设备受损；具体地，该警告信号可以为语音信号、文字信号或图像信号，伺服系统中的驱动器可对该警告信号进行发送、播放或显示等，以便将该警告信号显示在伺服系统的显示屏上供用户查看，或者通过扬声器播放该警告信号，或者还可以通过伺服系统中的通信模块将该警告信号发送至用户的手机或电脑上。

进一步地，还可设置一最大容许间隙阈值，该最大容许间隙阈值大于预设间隙阈值，当丝杆的间隙逐渐变大超过预设间隙阈值时，生成一警告信号，此时伺服系统仍然运行，当丝杆的间隙增大至超过最大容许间隙阈值时，控制伺服系统停止工作，以便提升系统运行的安全性。

由于间隙的存在会使伺服系统的定位精度显著下降，同时还会加大机械谐振，并使系统部分应力超出其所能承受的安全范围，导致伺服系统中的设备受损，产生重大损失；本申请提供了一种丝杆间隙的检测方法，能够通过对不同检测时刻的谐振参数进行分析，来确定当前丝杆的间隙是否发生较大的变化，一旦发现丝杆的间隙变化较大，就及时发出警报，从而能够及时提醒用户对丝杆进行检修，降低因丝杆的间隙过大所导致的损失，提升系统运行的安全性与定位精确度。

请参阅图5，图5是本申请提供的伺服系统中丝杆间隙的检测方法另一实施例的流程示意图，该方法包括：

步骤51：向伺服系统输入多个频率的测试信号，对伺服系统输出的信号进行检测，得到反馈信号。

可以在开环扫频时，向伺服系统输入不同频率的测试信号，该测试信号包括正弦信号、阶跃信号或者其他类型的信号；然后测量在不同频率的测试信号下伺服系统所输出的信号，生成反馈信号。

进一步地，可以利用外部传感器或伺服系统中的传感器获取伺服系统输出的信号，生成反馈信号，外部传感器或伺服系统中的传感器可以为编码器。例如，可利用外部传感器获知含

的负载速度对电磁转矩响应的开/闭环扫频特性，获取到相应的共振频率或反共振频率。

步骤52：对反馈信号进行分析，得到谐振参数。

在获取到反馈信号后，可利用FFT对反馈信号进行处理，得到共振频率或反共振频率。

步骤53：判断第一谐振参数与第二谐振参数之间的比值是否小于预设比值。

预设比值的具体数值可以根据具体应用场景进行设置，比如，可将预设比值设置为0.5～0.95。

在一具体的实施例中，谐振参数包括共振频率，预设比值包括第一预设比值，可以判断当前检测时刻的第一共振频率与前一检测时刻的第二共振频率之间的比值是否小于第一预设比值。

进一步地，可以采用如下步骤进行检测：

1)在设备第一次上电时，利用开环扫频获知当前的共振频率，记作第二共振频率ω_{2_RES}。

在系统运行一定时间后，丝杆的间隙变大，死区模型的描述函数N(A)的值变小，含有间隙的弹性系数K′_s变小，共振频率相应变小。

2)在设备第二次上电时，再次利用开环扫频获知当前的共振频率，记作第一共振频率ω_{1_RES}。

3)若判断出ω_{2_RES}/ω_{1_RES}<R₁，则判定丝杆的间隙发生较大的变化，其中，R₁为第一预设比值，R₁的取值可以为0.5～0.95，R₁可依据实际情况进行调整。

在另一具体的实施例中，谐振参数包括反共振频率，预设比值包括第二预设比值，可判断当前检测时刻的第一反共振频率与前一检测时刻的第二反共振频率之间的比值是否小于第二预设比值。

进一步地，可以采用如下步骤进行检测：

1)在设备第一次上电时，利用开环扫频获知当前的反共振频率，记作第二反共振频率ω_{2_ARS}。

在设备运行一定时间后，丝杆的间隙变大，死区模型的描述函数N(A)的值变小，含有间隙的弹性系数K′_s变小，反共振频率相应变小。

2)在设备第二次上电时，再次利用开环扫频获知当前的反共振频率，记作第一反共振频率ω_{1_ARS}。

3)若判断出ω_{1_ARS}/ω_{2_ARS}<R₂，则判定丝杆的间隙发生较大的变化，其中，R₂为第二预设比值，R₂的取值可以为0.5～0.95，R₂可依据实际情况进行调整。

在另一具体的实施例中，谐振参数包括共振频率与反共振频率，预设比值包括第三预设比值，可以计算当前检测时刻的第一共振频率与前一检测时刻的第二共振频率之间的比值，记作共振频率比值；计算当前检测时刻的第一反共振频率与前一检测时刻的第二反共振频率之间的比值，记作反共振频率比值；对共振频率比值与反共振频率比值进行加权求和，得到求和结果，即采用如下公式进行计算：

ω_sum＝h₁×(ω_{2_RES}/ω_{1_RES})+h₂×(ω_{2_ARS}/ω_{1_ARS}) (14)

其中，ω_sum为求和结果，h₁和h₂为加权系数，二者之和可以为1。

在计算出求和结果后，可以判断该求和结果是否小于第三预设比值；可以理解地，还可以设置其他综合权益等式来判定丝杆的间隙是否发生较大的变化，并不仅限于本实施例所提供的加权求和的方式。

步骤54：若第一谐振参数与第二谐振参数之间的比值小于预设比值，则确定伺服系统中丝杆的间隙值超过预设间隙阈值，产生警告信号。

如果检测到第一共振频率与第二共振频率的比值小于第一预设比值，或者第一反共振频率与第二反共振频率的比值小于第二预设比值，或者共振频率比值与反共振频率比值的求和结果小于第三预设比值，则表明当前检测时刻丝杆的间隙较大，可能有安全隐患或影响作业精度，此时可生成一用来提醒用户注意丝杆间隙较大的警告信号。

可以理解地，除了利用开环扫频获取谐振参数外，在伺服系统中的电机实时运行时，在某些特定条件下，可以利用FFT获知共振频率或反共振频率，以便判定丝杆的间隙是否变化较大；或者在某些特定条件下，还可以利用闭环扫频获知伺服系统的共振频率或反共振频率，再判定间隙是否发生较大的变化。

在其他具体的实施例中，还利用幅度来判别当前丝杆的间隙值是否过大，即谐振参数包括共振幅度；向伺服系统输入的测试信号为阶跃信号，进行开环扫频，获取不同检测时刻的共振幅度，然后判断当前检测时刻的第一共振幅度与前一检测时刻的第二共振幅度之间的比值是否大于第四预设比值；若当前检测时刻的第一共振幅度与前一检测时刻的第二共振幅度之间的比值大于第四预设比值，则确定伺服系统中丝杆的间隙值超过预设间隙阈值，产生警告信号。

本申请通过多次开环扫频或其他手段，获知系统的共振点或反共振点的频率/幅值变化，从而判断丝杆的间隙是否发生较大的变化；如果前后两次获取到的频率或幅度发生了较大的变化，则判定丝杆的间隙发生了较大的变化，此时可发出警报，以提醒用户保养丝杆或更换丝杆，维护设备的安全与精确度。

请参阅图6，图6是本申请提供的伺服系统一实施例的结构示意图，伺服系统60包括互相连接的存储器61和处理器62，存储器61用于存储计算机程序，计算机程序在被处理器62执行时，用于实现上述实施例中的伺服系统中丝杆间隙的检测方法。

请参阅图7，图7是本申请提供的计算机可读存储介质一实施例的结构示意图，计算机可读存储介质70用于存储计算机程序71，计算机程序71在被处理器执行时，用于实现上述实施例中的伺服系统中丝杆间隙的检测方法。

计算机可读存储介质70可以是服务端、U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本申请所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的方法以及设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施方式仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。

另外，在本申请各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种伺服系统中丝杆间隙的检测方法，其特征在于，包括：

以预设时间间隔获取伺服系统的谐振参数；

基于当前检测时刻的第一谐振参数与前一检测时刻的第二谐振参数，判断所述伺服系统中丝杆的间隙值是否超过预设间隙阈值；

若是，则产生警告信号。

2.根据权利要求1所述的伺服系统中丝杆间隙的检测方法，其特征在于，所述获取伺服系统的谐振参数的步骤，包括：

向所述伺服系统输入多个频率的测试信号，对所述伺服系统输出的信号进行检测，得到反馈信号；

对所述反馈信号进行分析，得到所述谐振参数。

3.根据权利要求2所述的伺服系统中丝杆间隙的检测方法，其特征在于，所述基于当前检测时刻的第一谐振参数与前一检测时刻的第二谐振参数，判断所述伺服系统中丝杆的间隙值是否超过预设间隙阈值的步骤，包括：

判断所述第一谐振参数与所述第二谐振参数之间的比值是否小于预设比值；

若是，则确定所述伺服系统中丝杆的间隙值超过所述预设间隙阈值。

4.根据权利要求3所述的伺服系统中丝杆间隙的检测方法，其特征在于，所述谐振参数包括共振频率或反共振频率，所述预设比值包括第一预设比值或第二预设比值，所述判断所述第一谐振参数与所述第二谐振参数之间的比值是否小于预设比值的步骤，包括：

判断所述当前检测时刻的第一共振频率与所述前一检测时刻的第二共振频率之间的比值是否小于所述第一预设比值；或者

判断所述当前检测时刻的第一反共振频率与所述前一检测时刻的第二反共振频率之间的比值是否小于所述第二预设比值。

5.根据权利要求4所述的伺服系统中丝杆间隙的检测方法，其特征在于，所述对所述反馈信号进行分析，得到所述谐振参数的步骤，包括：

利用快速傅里叶变换对所述反馈信号进行处理，得到所述共振频率或所述反共振频率。

6.根据权利要求2所述的伺服系统中丝杆间隙的检测方法，其特征在于，所述谐振参数包括共振频率与反共振频率，所述预设比值包括第三预设比值，所述判断所述第一谐振参数与所述第二谐振参数之间的比值是否小于预设比值的步骤，包括：

计算所述当前检测时刻的第一共振频率与所述前一检测时刻的第二共振频率之间的比值，记作共振频率比值；

计算所述当前检测时刻的第一反共振频率与所述前一检测时刻的第二反共振频率之间的比值，记作反共振频率比值；

对所述共振频率比值与所述反共振频率比值进行加权求和，得到求和结果；

判断所述求和结果是否小于所述第三预设比值。

7.根据权利要求3所述的伺服系统中丝杆间隙的检测方法，其特征在于，所述对所述伺服系统输出的信号进行检测，得到反馈信号的步骤，包括：

利用外部传感器或所述伺服系统中的传感器获取所述伺服系统输出的信号，生成所述反馈信号。

8.根据权利要求2所述的伺服系统中丝杆间隙的检测方法，其特征在于，所述测试信号为阶跃信号，所述谐振参数包括共振幅度，所述判断所述伺服系统中丝杆的间隙值是否超过预设间隙阈值的步骤，包括：

判断所述当前检测时刻的第一共振幅度与所述前一检测时刻的第二共振幅度之间的比值是否大于第四预设比值。

9.一种伺服系统，其特征在于，包括互相连接的存储器和处理器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时，用于实现权利要求1-8中任一项所述的伺服系统中丝杆间隙的检测方法。

10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器执行时，用于实现权利要求1-8中任一项所述的伺服系统中丝杆间隙的检测方法。

Images