機床滾珠絲杠的維護

李沛軒

摘要：滾珠絲杠在機床的進給系統中起關鍵作用。隨著我國制造業的發展，市場對產品的要求越來越嚴苛，企業對機床的加工精度提出了更高的要求。因此，滾珠絲杠的可靠性和工作表現成為了重要的要求標準。在進給系統中，滾珠絲杠的磨損會造成預緊力的下降，這也是滾珠絲杠最常見的問題。適當的預緊力可以避免產生軸向的沖擊和過多的熱量，有利于提高滾珠絲杠的精確度和使用周期。本篇文章將會淺析滾珠絲杠產生的問題以及討論可行的預測性維護，從而規避滾珠的磨損。

關鍵詞：摩擦;預緊力; 精度;預測性維護;電信號

0 ?引言

滾珠絲杠是一個將旋轉運動轉化為線性運動的線性執行機構，廣泛運用于機床的進給系統。滾珠絲杠的主要優勢是可以在高速運行情況下保證精準的定位，并有很高的機械效率。由于具有較低的摩擦力，其傳動效率可達百分之九十，低摩擦力也增加了滾珠絲杠的使用壽命并且降低了保養的停機時間。

由于滾珠絲杠和螺母之間存在摩擦和線性沖撞，精確的進給系統非常難實現。通常選擇使用適當的預緊力去消除線性沖撞并增加滾珠絲杠的剛度，過高的預緊力反而會增大摩擦力。同時預緊力也對滾珠絲杠的剛度，噪音和位置精度有著重要的作用。當機床啟動或停止時，滾珠絲杠的加速或減速會導致滾珠接觸面的潤滑油缺失。潤滑油的缺失則會導致散熱變差并加劇滾珠絲杠的磨損。隨著磨損深度的增加，預緊力則會隨之減少，這也是滾珠絲杠最主要的問題點。

1 ?摩擦引起的滾珠絲杠的磨損

1.1 平面磨損的分析

滾珠表面的粗糙度相對于滑道更為光滑，因此滾珠與滑道的相對運動可以相當于一個光滑的平面與粗糙的平面的相對運動。

如果較硬的粗糙面反復沿著同一方向犁較軟的表面，單向塑性變形在每一個周期都會累積。在這種“棘輪失效”或“漸進式坍塌”的過程中，有證據表明，磨損是通過一種韌性斷裂機制產生非常細小的板裝碎片而發生的，如圖1。

1.2 滾珠絲杠的動態測試

在加速的過程中，轉矩首先增加到一個高值，然后轉矩開始減少。因為保護接觸面的潤滑膜需要一定的時間生成，在潤滑膜生成之前會造成滾珠和滑道的摩擦力增大，因此需要更大的轉矩來帶動滾珠絲杠系統的軸。通過表1我們可以得到，由于高轉速需要更多的加速時間，所以隨著轉速的增加加速轉矩也會增加。

在減速過程中，它的表現與加速過程不一樣，但它也要求更高的轉矩減速。當轉速穩定時，轉矩隨著轉速的增長逐漸增加。轉矩的區別是來相對于相似穩定轉速的瞬時步長，并且這個現象可以顯示出加速、減速和穩定速度的潤滑體制是不同的。因此，接觸面承受大的加載和低相對速度導致了加速和減速過程中臨界潤滑油的問題。

2 ?維護方案

2.1 預測性維護

隨著工業物聯網時代的到來，機器和系統變得更加智能，更加具有互聯性。相對于“防護性維護”，制造產業逐漸衍變出了新一代的維護方法“預測性維護”。預測性維護是指使用傳感器監測設備的運行狀態，將傳感器的數據與其生命周期參數結合確定設備的維護時間，以此來最大化增加維護時間間隔并減少停機所造成的成本提升。預測性維護可以減少未預料的機械故障并且防止問題變得更加嚴重。如果機械問題可以被提前發現并修復，大部分的機械問題都可以被降低。因此預測性維護的能夠提升產品質量并且提高工廠和生產線的效率。

檢測方法主要可以分為直接方法和間接方法。直接方法是指直接檢測被測部件的運行精度和位置狀態。間接方法是指搜集相關部件的信號和信息來推測被測部件的狀態。本文主要聚焦于直接方法，檢測信號的選擇對于直接方法是至關重要的。探測信號主要有聲發射信號、激光檢測、電流信號檢測、振動信號檢測和機床內部信號檢測。

2.2 基于電動機電流的滾珠絲杠的維護

通常來說，電信號會使用時域分析方法來進行分析。小波理論是一個新的時域分析方法。因為電信號同時包含了許多錯誤信息和大量的噪音信息。小波信號可以合理的分離不同時間和頻帶的信號，這可以消除噪音信號并且可以重建一個更加清晰的信號圖。

電流信號的采集選用霍爾電流傳感器，霍爾電流傳感器基于磁平衡霍爾原理和閉環回路原理，如圖2。輸入端的電流產生的磁場穿過高質量磁芯產生的磁通回路。霍爾元件則固定在很小的氣隙中。利用盤繞在磁芯的線圈可以輸出相反的補償電流。反向補償電流可以用來抵消輸入電流產生的磁通。這可以使磁通回路中始終保持零磁通。經過特殊的電路處理，霍爾元件的輸出電勢可以精確反應如電流的變化。因此可以使用霍爾電流傳感器監測滾珠絲杠驅動電機的電流變化。通過收集到的電流變化的數據并對數據進行處理，可以得到滾珠絲杠運行的準確狀態。

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