CN114850966B - 数控机床的进给轴故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数控机床的进给轴故障检测方法，包括机箱和故障检测系统，所述机箱的内部设置有机腔，所述机腔的内部设置有进给板，所述进给板的两侧固定有一组滑轨，所述滑轨上滑动连接有连接板，所述连接板上螺纹固定有加工箱，所述加工箱的上侧固定有刀架，所述进给板的右端中部固定有电机，所述电机的输出端固定有丝杠，一组所述滑轨的右端均固定有挡板，所述挡板的中间固定有支架，所述支架的中间与丝杠的右表面轴承连接，所述连接板的下表面设置有固定块，所述固定块的内部设置有螺母，所述螺母的内部中间与丝杠转动连接，该装置解决了当前丝杠与螺母间的松动与磨损自动检测的问题。

Description

数控机床的进给轴故障检测方法

技术领域

本发明涉及进给轴故障检测技术领域，具体为数控机床的进给轴故障检测方法。

背景技术

数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。对加工精度要求很高，如果机床的机械精度不好，将直接影响产品及模具的加工质量，导致失去用户、失去市场，因此在进行车床对工件的加工时，进给工序中的进给准确性是非常重要的。

目前车床在进给工序中，对进给工序中的丝杠与螺母间的配合精准度要求极高，当丝杠与螺母间出现松动或是磨损时，工作人员很难从外环境中及时知道相应情况，当发现时，为时已晚，工件以及内部加工进给装置会发生很大破损。因此如何进行丝杠与螺母间的松动和磨损智能判断成为本领域人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供数控机床的进给轴故障检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：数控机床的进给轴故障检测系统，包括机箱和故障检测系统，所述机箱的内部设置有机腔，所述机腔的内部设置有进给板，所述进给板的两侧固定有一组滑轨，所述滑轨上滑动连接有连接板，所述连接板上螺纹固定有加工箱，所述加工箱的上侧固定有刀架，所述进给板的右端中部固定有电机，所述电机的输出端固定有丝杠，一组所述滑轨的右端均固定有挡板，所述挡板的中间固定有支架，所述支架的中间与丝杠的右表面轴承连接，所述连接板的下表面设置有固定块，所述固定块的内部设置有螺母，所述螺母的内部中间与丝杠转动连接，所述螺母与丝杠之间滑动连接有若干滚珠，其中一个所述挡板的上表面固定有支杆，所述支杆的下端固定有测压块，所述测压块的内部中间固定有感压弹簧，所述感压弹簧的下端固定有测压板，所述测压块的内壁上安装有感压块，所述感压块位于测压板上方，所述机箱的外表面安装有控制屏，所述控制屏的内部安装有进给信号处理器。

本发明进一步说明，所述故障检测系统包括持续监测模块、数据分析模块和结论显示模块，所述持续监测模块包括振频检测单元、压力检测单元和声音收集单元，所述数据分析模块包括采集传输单元、松动判断单元和磨损判断单元，所述结论显示模块包括显示模块和警报模块。

本发明进一步说明，所述振频检测单元与感压弹簧信号连接，所述压力检测单元与感压块信号连接，所述声音收集单元安装于固定块的内部，所述数据分析模块与进给信号处理器电连接，所述结论显示模块与控制屏电连接，所述持续监测模块通过数据分析模块与结论显示模块信号连接。

本发明进一步说明，所述故障检测系统的运行步骤如下：

S1：在丝杠和螺母在试运行正常期间，振频检测单元、压力检测单元和声音收集单元分别进行对应数据检测，并将检测数据设定为正常值，之后存入至数据分析模块中；

S2：在车床进行X轴方向进给移动时，持续监测模块实时对丝杠与螺母的运行状态进行检测，振频检测单元、压力检测单元将检测数据经采集传输单元传输至松动判断模块，进行丝杠与螺母间的松动情况判断；

S3：在S2进行时，声音收集单元将检测的音调数据传输至磨损判断单元，进行磨损情况判断；

S4：结论显示模块对上述检测的松动以及磨损情况进行等级分类，并经显示模块显示于控制屏上，同时警报模块根据两者等级高低的综合判断决定是否报警。

本发明进一步说明，所述S1中的检测数据具体标记为正常感压频率Y_z、正常振幅频率F_z和正常音调频率值D_z。

本发明进一步说明，所述S2中的检测数据为车床使用时进给工序中采集到的实际感压频率Y、实际振幅频率F，其中压力检测单元检测实际运行时单位时间内的感压块的受压次数，

C为T时间段内感压块的受压次数，振频检测单元用于感压弹簧的受压值判断测压板是否进入测压块的内部，当测压板未完全进入到测压块的内部，压力检测单元认定为正常振动，不作次数记录，反之，进行记录，并将数据传输至松动判断单元。

本发明进一步说明，所述松动判断单元根据实际感压频率Y、实际振幅频率F结合正常振幅频率F_z进行松动情况判断，首先针对实际感压频率Y进行松动的初级判断，若是直接判断出丝杠与螺母内部出现松动，则不考虑F与F_z间的判断，若是实际感压频率Y进行初级判断时不能直接进行松动判断时，结合振幅频率数据。

本发明进一步说明，所述声音收集单元对进给工序中丝杠与螺母间产生的音调进行采集，并将检测到的音调最大值记为实际音调频率值D，将D与D_z比较，得出磨损情况。

本发明进一步说明，所述结论显示模块对于松动及磨损数据进行等级分类。

本发明进一步说明，所述显示模块与警报模块通过控制屏对等级结果进行不同的状态显示。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，采用故障检测系统，对丝杠与螺母的运行状态进行实时检测，得出内部的松动和磨损状况，并进行对应等级分类，将其体现在控制屏上，同时当内部松动与磨损情况严重时，车床自动进行报警并制动。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的机箱结构示意图；

图2是本发明的进给板示意图；

图3是本发明的丝杠安装示意图；

图4是本发明的测压块内部示意图；

图5是本发明的系统示意图；

图中：1、机箱；2、机腔；3、进给板；4、刀架；5、加工箱；6、滑轨；7、连接板；8、电机；9、丝杠；10、挡板；11、支杆；12、测压块；13、固定块；14、滚珠；15、螺母；16、测压板；17、感压弹簧；18、感压块。

具体实施方式

以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供技术方案：数控机床的进给轴故障检测系统，包括机箱1和故障检测系统，机箱1的内部设置有机腔2，机腔2的内部设置有进给板3，进给板3的两侧固定有一组滑轨6，滑轨6上滑动连接有连接板7，连接板7上螺纹固定有加工箱5，加工箱5的上侧固定有刀架4，进给板3的右端中部固定有电机8，电机8的输出端固定有丝杠9，一组滑轨6的右端均固定有挡板10，挡板10的中间固定有支架，支架的中间与丝杠9的右表面轴承连接，连接板7的下表面设置有固定块13，固定块13的内部设置有螺母15，螺母15的内部中间与丝杠9转动连接，螺母15与丝杠9之间滑动连接有若干滚珠14，其中一个挡板10的上表面固定有支杆11，支杆11的下端固定有测压块12，测压块12的内部中间固定有感压弹簧17，感压弹簧17的下端固定有测压板16，测压块12的内壁上安装有感压块18，感压块18位于测压板16上方，机箱1的外表面安装有控制屏，控制屏的内部安装有进给信号处理器。

电机8启动时，输出端带动丝杠9进行转动，转动的丝杠9带动固定块13及上方固定的连接板7进行进给工序，实现X轴向的进给，当丝杠9转动时，其右侧设置的测压板16与丝杠9表面接触，当丝杠9转动时，若是丝杠9与螺母15间未发生松动时，测压板16受压并出现小距离内的上下滑动，当丝杠9与螺母15间出现松动时，测压板16受压将会进入到测压块12的内部，通过感压弹簧17的承压数据判断出测压板16是否进入到测压块12的内部，当丝杠9与螺母15间出现很大松动时，测压板16将会直接对感压块18进行挤压，从而方便故障检测系统进行丝杠9与螺母15间的松动检测。

故障检测系统包括持续监测模块、数据分析模块和结论显示模块，持续监测模块包括振频检测单元、压力检测单元和声音收集单元，数据分析模块包括采集传输单元、松动判断单元和磨损判断单元，结论显示模块包括显示模块和警报模块。

振频检测单元与感压弹簧17信号连接，压力检测单元与感压块18信号连接，声音收集单元安装于固定块13的内部，数据分析模块与进给信号处理器电连接，结论显示模块与控制屏电连接，持续监测模块通过数据分析模块与结论显示模块信号连接。

压力检测单元用于检测感压块18的受压次数，振频检测单元用于进行丝杠9运行时的振动频率检测，并将检测数据形成数据库，声音收集单元预先收录丝杠9与螺母15间正常运行状态下发生摩擦时的音调数据，在进给运动开始后，实时对内部的摩擦音调进行检测，采集传输单元用于传输检测数据，松动判断单元用于根据检测数据判断螺母15与丝杠9间的松动情况，磨损判断单元用于根据音调数据识别螺母15与丝杠9间的磨损情况，显示模块将检测结果显示于控制屏上，警报模块用于车床报警及制动，以提醒工作人员进行进给工序调整。

数控机床的进给轴故障检测系统的运行步骤如下：

S1：在丝杠9和螺母15在试运行正常期间，振频检测单元、压力检测单元和声音收集单元分别进行对应数据检测，并将检测数据设定为正常值，之后存入至数据分析模块中；

S2：在车床进行X轴方向进给移动时，持续监测模块实时对丝杠9与螺母15的运行状态进行检测，振频检测单元、压力检测单元将检测数据经采集传输单元传输至松动判断模块，进行丝杠9与螺母15间的松动情况判断；

S3：在S2进行时，声音收集单元将检测的音调数据传输至磨损判断单元，进行磨损情况判断；

S4：结论显示模块对上述检测的松动以及磨损情况进行等级分类，并经显示模块显示于控制屏上，同时警报模块根据两者等级高低的综合判断决定是否报警。

S1中的检测数据具体标记为正常感压频率Y_z、正常振幅频率F_z和正常音调频率值D_z。

正常感压频率Y_z的数据来源于压力检测单元，在T时间内的进给试运行期间感压块18的受压次数频率，且Y_z＝0；

正常振幅频率F_z的数据来源于振频检测单元，即在T时间内的进给试运行期间测压板16对感压弹簧17施加向上推力，使测压板16进入测压块12内部的次数Z，且

其中，Z为多次试验中的次数最大值，根据感压弹簧17的受压值大小可判断出测压板16是否进入测压块12的内部；

正常音调频率值D_z为T时间内的进给试运行期间采集到的若干音调频率数据中的众数。

S2中的检测数据为车床使用时进给工序中采集到的实际感压频率Y、实际振幅频率F，其中压力检测单元检测实际运行时单位时间内的感压块18的受压次数，

C为T时间段内感压块18的受压次数，振频检测单元用于感压弹簧17的受压值判断测压板16是否进入测压块12的内部，当测压板16未完全进入到测压块12的内部，压力检测单元认定为正常振动，不作次数记录，反之，进行记录，并将数据传输至松动判断单元。

松动判断单元根据实际感压频率Y、实际振幅频率F结合正常振幅频率F_z进行松动情况判断，首先针对实际感压频率Y进行松动的初级判断，若是直接判断出丝杠9与螺母15内部出现松动，则不考虑F与F_z间的判断，若是实际感压频率Y进行初级判断时不能直接进行松动判断是，结合振幅频率数据。

松动判断单元的具体检测步骤如下：

S21：数据分析模块中设定感压比较值δ，

S22：在进给工序中，若是丝杠9与螺母15出现明显松动时，运行中的丝杠9将对接触的测压板16施加向上压力并使之碰撞上方的感压块18，压力检测单元获取实际感压频率Y，设定当Y>0.1时，认定为出现明显松动情况；

当0≤Y≤0.1时，无法确定内部是否发生松动，需要进行感压比较值δ的判断，进而具体判断丝杠9与螺母15间的松动情况；

设定当0<δ≤1.2时，认定为丝杠9与螺母15间的正常摩擦振动；

当δ>1.2时，认定为丝杠9与螺母15间的发生非正常摩擦振动，有松动趋势。

声音收集单元对进给工序中丝杠9与螺母15间产生的音调进行采集，并将检测到的音调最大值记为实际音调频率值D，将D与D_z比较，得出磨损情况。设定当D_z≤D≤1.1D_z时，丝杠9与螺母15间产生的音调频率属于正常范围，当D>1.1D_z时，说明内部出现磨损，导致摩擦异常，音调频率增高。

结论显示模块对于松动及磨损数据进行等级分类。

松动等级的分类情况如下：

当0≤Y≤0.1，0<δ≤1.2时，认定为松动I级；

当0≤Y≤0.1，δ>1.2时，认定为松动II级；

当Y>0.1时，认定为松动III级；

磨损等级的分类情况如下：

当D_z≤D≤1.1D_z时，认定为磨损I级；

当D>1.1D_z时，认定为磨损II级；

当松动或磨损等级越高时，说明相应的程度越大。

显示模块与警报模块通过控制屏对等级结果进行不同的状态显示。

当松动为I级或II级，且磨损为I级，说明松动和磨损程度均不大，可正常进行进给工序；

当松动为III级，且磨损为I级，说明内部出现松动，但未磨损，控制屏处出现紧固提示信号；

当松动为I级或II级，且磨损为II级，说明内部磨损严重，控制屏处出现磨损更换信号；

当松动为III级，且磨损为III级，说明松动以及磨损情况严重，警报模块启动，车床报警并停止进给加工工序。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.数控机床的进给轴故障检测系统，包括机箱（1）和故障检测系统，其特征在于：所述机箱（1）的内部设置有机腔（2），所述机腔（2）的内部设置有进给板（3），所述进给板（3）的两侧固定有一组滑轨（6），所述滑轨（6）上滑动连接有连接板（7），所述连接板（7）上螺纹固定有加工箱（5），所述加工箱（5）的上侧固定有刀架（4），所述进给板（3）的右端中部固定有电机（8），所述电机（8）的输出端固定有丝杠（9），一组所述滑轨（6）的右端均固定有挡板（10），所述挡板（10）的中间固定有支架，所述支架的中间与丝杠（9）的右表面轴承连接，所述连接板（7）的下表面设置有固定块（13），所述固定块（13）的内部设置有螺母（15），所述螺母（15）的内部中间与丝杠（9）转动连接，所述螺母（15）与丝杠（9）之间滑动连接有若干滚珠（14），其中一个所述挡板（10）的上表面固定有支杆（11），所述支杆（11）的下端固定有测压块（12），所述测压块（12）的内部中间固定有感压弹簧（17），所述感压弹簧（17）的下端固定有测压板（16），所述测压块（12）的内壁上安装有感压块（18），所述感压块（18）位于测压板（16）上方，所述机箱（1）的外表面安装有控制屏，所述控制屏的内部安装有进给信号处理器；

电机（8）启动时，输出端带动丝杠（9）进行转动，转动的丝杠（9）带动固定块（13）及上方固定的连接板（7）进行进给工序，实现X轴向的进给，当丝杠（9）转动时，其右侧设置的测压板（16）与丝杠（9）表面接触，当丝杠（9）转动时，若是丝杠（9）与螺母（15）间未发生松动时，测压板（16）受压并出现小距离内的上下滑动，当丝杠（9）与螺母（15）间出现松动时，测压板（16）受压将会进入到测压块（12）的内部，通过感压弹簧（17）的承压数据判断出测压板（16）是否进入到测压块（12）的内部，当丝杠（9）与螺母（15）间出现很大松动时，测压板（16）将会直接对感压块（18）进行挤压，从而方便故障检测系统进行丝杠（9）与螺母（15）间的松动检测；

压力检测单元用于检测感压块（18）的受压次数，振频检测单元用于进行丝杠（9）运行时的振动频率检测，并将检测数据形成数据库，声音收集单元预先收录丝杠（9）与螺母（15）间正常运行状态下发生摩擦时的音调数据，在进给运动开始后，实时对内部的摩擦音调进行检测，采集传输单元用于传输检测数据，松动判断单元用于根据检测数据判断螺母（15）与丝杠（9）间的松动情况，磨损判断单元用于根据音调数据识别螺母（15）与丝杠（9）间的磨损情况，显示模块将检测结果显示于控制屏上，警报模块用于车床报警及制动，以提醒工作人员进行进给工序调整。

2.根据权利要求1所述的数控机床的进给轴故障检测系统，其特征在于：所述故障检测系统包括持续监测模块、数据分析模块和结论显示模块，所述持续监测模块包括振频检测单元、压力检测单元和声音收集单元，所述数据分析模块包括采集传输单元、松动判断单元和磨损判断单元，所述结论显示模块包括显示模块和警报模块。

3.根据权利要求2所述的数控机床的进给轴故障检测系统，其特征在于：所述振频检测单元与感压弹簧（17）信号连接，所述压力检测单元与感压块（18）信号连接，所述声音收集单元安装于固定块（13）的内部，所述数据分析模块与进给信号处理器电连接，所述结论显示模块与控制屏电连接，所述持续监测模块通过数据分析模块与结论显示模块信号连接。

4.根据权利要求3所述的数控机床的进给轴故障检测系统的检测方法，其特征在于：所述故障检测系统的运行步骤如下：

S1：在丝杠（9）和螺母（15）在试运行正常期间，振频检测单元、压力检测单元和声音收集单元分别进行对应数据检测，并将检测数据设定为正常值，之后存入至数据分析模块中；

S2：在车床进行X轴方向进给移动时，持续监测模块实时对丝杠（9）与螺母（15）的运行状态进行检测，振频检测单元、压力检测单元将检测数据经采集传输单元传输至松动判断模块，进行丝杠（9）与螺母（15）间的松动情况判断；

S3：在S2进行时，声音收集单元将检测的音调数据传输至磨损判断单元，进行磨损情况判断；

S4：结论显示模块对上述检测的松动以及磨损情况进行等级分类，并经显示模块显示于控制屏上，同时警报模块根据两者等级高低的综合判断决定是否报警。

5.根据权利要求4所述的数控机床的进给轴故障检测系统的检测方法，其特征在于：所述S1中的检测数据具体标记为正常感压频率

、正常振幅频率

和正常音调频率值

。

6.根据权利要求5所述的数控机床的进给轴故障检测系统的检测方法，其特征在于：所述S2中的检测数据为车床使用时进给工序中采集到的实际感压频率

、实际振幅频率

，其中压力检测单元检测实际运行时单位时间内的感压块（18）的受压次数，

，C为T时间段内感压块（18）的受压次数，振频检测单元用于感压弹簧（17）的受压值判断测压板（16）是否进入测压块（12）的内部，当测压板（16）未完全进入到测压块（12）的内部，压力检测单元认定为正常振动，不作次数记录，反之，进行记录，并将数据传输至松动判断单元。

7.根据权利要求5所述的数控机床的进给轴故障检测系统的检测方法，其特征在于：所述松动判断单元根据实际感压频率

、实际振幅频率

结合正常振幅频率

进行松动情况判断，首先针对实际感压频率

进行松动的初级判断，若是直接判断出丝杠（9）与螺母（15）内部出现松动，则不考虑

与

间的判断，若是实际感压频率

进行初级判断时不能直接进行松动判断时，结合振幅频率数据。

8.根据权利要求5所述的数控机床的进给轴故障检测系统的检测方法，其特征在于：所述声音收集单元对进给工序中丝杠（9）与螺母（15）间产生的音调进行采集，并将检测到的音调最大值记为实际音调频率值

，将

与

比较，得出磨损情况。

9.根据权利要求8所述的数控机床的进给轴故障检测系统的检测方法，其特征在于：所述结论显示模块对于松动及磨损数据进行等级分类。

10.根据权利要求9所述的数控机床的进给轴故障检测系统的检测方法，其特征在于：所述显示模块与警报模块通过控制屏对等级结果进行不同的状态显示。

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