數控機床滾珠絲桿故障診斷試驗裝置研究與實踐

傅子霞

（長沙職業技術學院，湖南 長沙 410217）

對于數控機床來說，隨著使用時間的延長，將導致機床各個部位機能持續下降，進而增大數控機床的故障風險。由于滾珠絲桿副是數控機床上最常使用到的傳動元件，因此，其在故障率方面也是首當其沖。滾珠絲桿副是由絲桿和螺母配套組成的，屬于高精密度元件，因此其出現故障時難以被操作人員直接觀察到。本文通過分析滾珠絲桿副在日常工作過程中常見的故障類型，以自主設計的故障診斷試驗裝置為依托，提出更加直觀的故障診斷方法，以提高故障診斷效率。

1 數控機床滾珠絲桿副常見故障類型及可修復性討論

1.1 滾珠絲桿副常見故障類型

滾珠絲桿副通過滾珠作為工作動力傳輸介質，以滾珠在絲桿與螺母之間的相對運動而運動，所以滾珠絲桿副的退化區域集中于螺母與絲桿的接觸區，其中絲桿出現故障的頻率最高。分析調研數控機床操作人員的維修日志，發現絲桿的主要故障形式為彎折失效和磨損失效。

彎折失效主要是由于絲桿在長期負載工作下沿徑向出現一定程度的彎曲，此故障類型最常見于絲桿的中部位置，容易導致螺母無法在絲桿上繼續移動，此時，數控機床上的電機卻仍在繼續驅動絲桿旋轉，極易導致滾珠絲桿副被暴力破壞，給操作人員的人身安全帶來了巨大的威脅。磨損失效是絲桿表面失效主要表現形式之一，通常是因為絲桿在長期使用后其表面螺紋被磨損殆盡，一方面會導致滾珠絲桿副的運行精度降低，另一方面會造成絲桿與螺母之間產生一定的間隙，導致絲桿在旋轉時引起螺母震動，進而影響數控機床的加工精度。

1.2 絲桿常見故障的可修復性

絲桿購買成本較高，在不影響數控機床的加工精度和安全性的前提下，對于出現故障的絲桿應當以修復為主。修復的必要性應當從精度要求和具體故障類型兩方面進行判斷。

低精度要求的絲桿發生故障，應當在數控機床制造商的指導下修復絲桿，若修復后的絲桿在測試后滿足設計要求則可繼續安裝使用。高精度要求的故障絲桿發生故障，建議放棄維修并直接更換絲桿。彎折失效的絲桿若彎折度較小，應當在數控機床制造商的指導下通過彎折機對絲桿的彎折部位進行復位并加固。彎折失效的絲桿若彎折度較大，建議放棄維修并直接更換絲桿。磨損失效的絲桿由于其表面螺紋被磨損殆盡，維修成本高，建議放棄維修并直接更換絲桿。

2 數控機床滾珠絲桿副常見故障分析

2.1 數控機床滾珠絲桿副常見故障類型的危害性分析

彎折失效的絲桿容易導致螺母與絲桿之間發生過度干涉，造成兩者之間出現暴力性破壞，嚴重影響數控機床的加工精度，并且暴力性破壞瞬間的絲桿和螺母彈飛出去，會危及數控機床操作人員的人身安全，因此彎折失效這一故障類型的危害性和診斷迫切性較大。磨損失效的絲桿往往會導致螺母發生震動，影響數控機床的加工精度，不會危及數控機床操作人員的安全，因此磨損失效這一故障類型的危害性和診斷迫切性較小。

綜合兩種絲桿常見故障類型的危害性和診斷迫切性，在對絲桿進行故障診斷時，應當先診斷絲桿是否存在彎折失效，再診斷絲桿是否存在磨損失效。

2.2 數控機床滾珠絲桿副常見故障類型的診斷難度分析

針對彎折失效的絲桿，診斷方法是在絲桿上套設一個標準螺母，若絲桿旋轉時標準螺母能夠在絲桿上順暢地前后移動，移動過程中兩者之間并未出現過度干涉，則表明絲桿并不存在彎折失效這一故障類型，反之，則表明絲桿存在彎折失效這一故障類型。因此，診斷絲桿是否存在彎折失效這一故障類型的難度較低。針對磨損失效的絲桿，診斷方法是在絲桿上套設一個標準螺母，由于絲桿是高精密度元件，其在旋轉過程中若標準螺母發生震動，其震動效果難以通過肉眼直接觀測到，需要通過專用檢測設備來檢測絲桿與標準螺母之間的震動大小，進而判斷絲桿是否存在磨損失效。因此，診斷絲桿是否存在磨損失效這一故障類型的難度較高。

綜合上述兩種絲桿常見故障類型的診斷難度分析，在對絲桿進行故障診斷時，先診斷絲桿是否存在彎折失效，再診斷絲桿是否存在磨損失效，若診斷出絲桿的彎折度過大，則直接更換絲桿，無須再繼續診斷絲桿是否存在磨損失效，提高故障診斷效率。

3 基于震動傳播技術的數控機床故障診斷試驗裝置及其診斷流程

目前，李慧等采集滾珠絲桿在正常、彎曲和滾珠滾道磨損三種狀態下的振動信號，以集合經驗模態(EEMD) 分解得到內稟模態函數（IFM）和振動信號的時域特征值作為輸入，建立BP神經網絡診斷模型針對絲桿不同的故障類型。Shan Pengfei等用多個加速度傳感器采集滾珠絲桿不同位置的振動信號，提取勻速狀態下的均勻數據進行信號分析，選擇有效值和故障特征頻率兩個指標，用加權數據和卷積神經網絡進行滾珠絲桿的健康監測和故障識別。這些方式的信號采集及檢測過于依賴電子元件，直觀性和可靠性較差，難以提高故障診斷效率。本文從直觀性和可靠性出發，基于震動傳播技術分別具體設計了不同的診斷裝置，以期達到提高故障診斷效率和方便操作的目的。

3.1 針對彎折失效的診斷裝置及其診斷流程

針對彎折失效的絲桿，基礎設計原理是維修人員在絲桿上套設一個標準螺母，若絲桿出現彎折失效，絲桿旋轉引起標準螺母發生劇烈震動，并且絲桿與標準螺母之間發生干涉，通過觀察標準螺母在絲桿上前后移動的流暢度，即可判斷該絲桿是否存在彎折失效。

彎折失效的診斷裝置如圖1所示，主要由底座、支撐機構、電機和導向機構組成。底座上開有向內延伸的導向槽。支撐機構主要由底板、立板和轉動柱組成，底板通過鎖定螺釘固定安裝在底座上，立板固定安裝在底板上，轉動柱設置在立板上且與立板轉動連接，轉動柱的外端面上開有向內延伸的插槽。電機固定安裝在立板上、用于控制對應的轉動柱旋轉，電機的啟停通過PLC控制系統控制。導向機構主要由滑塊、固定板、橫桿和標準螺母組成，滑塊與導向槽的內壁滑動接觸，固定板固定安裝在滑塊上，橫桿通過固定螺釘固定安裝在固定板上，標準螺母固定安裝在橫桿上，標準螺母的軸心線應當與轉動柱的軸心線共線。

圖1 彎折失效診斷裝置結構圖

診斷流程：將絲桿的第一端插入到轉動柱上的插槽內插緊；移動滑塊使得標準螺母與絲桿對齊并接觸；通過PLC控制系統控制電機啟動，電機帶動轉動柱和絲桿旋轉，沿著絲桿的方向輕輕推動橫桿，標準螺母便會套在絲桿上。隨著絲桿的旋轉，在導向槽的作用下，標準螺母就會在絲桿上作往復運動，若標準螺母能夠在絲桿上作一個完整的往復運動則表明絲桿不存在彎折失效；反之則表明絲桿存在彎折失效，此時電機過載停機，防止絲桿與標準螺母之間因出現過度干涉被暴力性破壞。

對于不同精度要求的絲桿，工作人員選擇相同精度的標準螺母配套進行故障診斷即可，因此本診斷裝置能夠適用于不同精度要求的絲桿，適用范圍更廣，診斷效率高。

3.2 磨損失效診斷裝置及其診斷流程

針對磨損失效的絲桿，從其表現形式分析著手。若絲桿出現磨損失效，當其旋轉時，會引起標準螺母發生震動，只需測量該震動的幅度大小即可判斷絲桿是否存在磨損失效。

由于絲桿是高精密度元件，因此，這一震動幅度是比較微小的，難以通過肉眼直接觀測到，肉眼觀測的準確性也無法保證，分析研究如何獲取標準螺母的震動幅度數據是當前亟需解決的問題。由于不同數控機床的加工精度不同，因此絲桿旋轉時，標準螺母出現一定范圍大小的震動幅度并不一定會影響數控機床的加工精度，所以在診斷絲桿是否存在磨損失效時，應當制定一套絲桿的磨損失效震動幅度標準，以明確各類數控機床的標準螺母的合理震動幅度閾值，若標準螺母的震動幅度一直在該合理震動幅度閾值內則判定絲桿不存在磨損失效，反之，則判定絲桿存在磨損失效。

3.2.1 傳感器檢測法

在高度發展的現代工業中，現代測試技術向數字化、信息化方向發展已成必然發展趨勢，而測試系統的最前端是傳感器。在分析研究如何獲取標準螺母的震動幅度數據這一問題時，將震動傳感器直接固定安裝在標準螺母上是最快捷準確的方式之一。

診斷流程：首先，將標準螺母套設在絲桿上，并將震動傳感器固定安裝在標準螺母上，震動傳感器與PC端通過數據線連接。PLC控制系統控制電機啟動，電機帶動絲桿旋轉，在導向機構的作用下，標準螺母便會在絲桿上作往復運動，往復運動過程中，震動傳感器實時測量標準螺母的震動幅度值，并將相關數據實時傳輸到PC端供維修人員讀取。

傳感器檢測法能夠實時測量到絲桿不同位置引起的標準螺母的震動幅度值，以便維修人員了解絲桿不同位置的磨損情況，全面性和準確性較高，適用于診斷高精度數控機床上的絲桿。

3.2.2 直觀檢測法

雖然標準螺母的震動比較微小難以通過肉眼直接觀測到，但是，在日?？蒲兄薪洺Ｊ褂玫降碾娏鞣糯笃鞯入娮釉梢越o出相關啟發。電流放大器是用以放大電流的放大器，而震動是可以傳播的，設計一種放大機構將標準螺母的震動幅度放大，能夠便于維修人員更加直觀地觀察到標準螺母的震動幅度，針對放大機構的具體結構進行進一步研究設計。

彎折失效的診斷裝置如圖2～4所示，主要由底座、支撐機構、電機、導向機構和放大機構組成。在底座上開有向內延伸的導向槽。支撐機構主要由底板、立板和轉動柱組成，底板通過鎖定螺釘固定安裝在底座上，立板固定安裝在底板上，轉動柱設置在立板上且與立板轉動連接，轉動柱的外端面上開有向內延伸的插槽。電機固定安裝在立板上、用于控制對應的轉動柱旋轉，電機的啟停通過PLC控制系統控制。導向機構主要由滑塊、橫板、支架和豎板組成，滑塊與導向槽的內壁滑動接觸，橫板固定安裝在滑塊上，支架固定安裝在固定板上，豎板固定安裝在支架上，豎板上開有向內延伸的限位槽。放大機構包括移動塊、展示板、轉動軸、齒輪、指示針、直齒條和標準螺母組成，移動塊與限位槽的內壁滑動接觸，展示板固定安裝在豎板上，展示板上具有刻度盤，轉動軸貫穿展示板且與展示板之間轉動連接，齒輪固定安裝在轉動軸上，指示針固定安裝在轉動軸上且位于展示板的外側、用于指向刻度盤，直齒輪固定安裝在轉動軸上且與齒輪嚙合，標準螺母固定安裝在移動塊上，標準螺母的軸心線應當與轉動柱的軸心線共線。

圖2 磨損失效診斷裝置結構圖

圖3 放大機構立體結構圖

圖4 放大機構正視結構圖

診斷流程：首先，將絲桿的第一端插入轉動柱上的插槽內插緊；移動滑塊使得標準螺母與絲桿對齊并接觸；接著通過PLC控制系統控制電機啟動，電機帶動轉動柱和絲桿旋轉，沿著絲桿的方向輕輕推動橫桿，標準螺母便會套在絲桿上。隨著絲桿的旋轉，標準螺母便會在絲桿上作往復運動。標準螺母在作往復運動的過程中會發生震動，該震動會傳遞給移動塊并帶動移動塊上下移動，直齒條同步上下移動，齒輪帶動轉動軸和指示針旋轉，指示針指向刻度盤的不同位置，從而反映標準螺母的震動幅度大小，直觀來說，指示針的偏離幅度與標準螺母的震動幅度之間呈正相關關系。

在本設計中，直齒條之間的齒距較小，齒距的具體數值根據實際情況確定，維修人員可向制造商提出需要的具體精度要求。直齒條之間的齒距較小時，標準螺母的震動帶動移動塊和直齒條上下移動，直齒條沿Z軸方向移動一小段距離，齒輪就會旋轉較大的角度，從而帶動轉動軸和指示針同步旋轉。放大機構將標準螺母的震動幅度放大數倍，以便于維修人員能夠直觀地觀察到標準螺母的震動幅度。

直觀檢測法將標準螺母的震動幅度放大，并將震動幅度以指示針的擺動幅度表現出來，直觀性更好，指示針的擺動幅度大小即反映了標準螺母震動幅度大小，以便于維修人員了解絲桿不同位置的磨損情況。整個裝置中除了電機外，沒有使用到其他電子元件，放大機構的設計也都是以機械傳動原理為基礎，可靠性和直觀性更好，適用于診斷低精度數控機床上的絲桿。

3.2.3 建立磨損失效震動幅度標準

絲桿旋轉過程中，標準螺母出現一定范圍的震動幅度變化并不一定會影響數控機床的加工精度，在診斷絲桿是否存在磨損失效時，應當根據不同加工精度的數控機床制定一套通用的磨損失效震動幅度標準。

磨損失效震動幅度標準的建立應該大量調研數控機床的制造商和使用企業，結合生產標準和實踐標準，在大量試驗的基礎上針對不同加工精度的數控機床，分別制定一個合理的震動幅度閾值，整理成冊，形成磨損失效震動幅度標準。若標準螺母在往返運動中，震動幅度一直在震動幅度閾值范圍內則判定絲桿不存在磨損失效，反之，則判定絲桿存在磨損失效。

傳感器檢測法中，震動傳感器將實時測量到的標準螺母震動幅度值傳輸到PC端內，并根據時間點形成折線圖，折線圖內標有震動幅度閾值線，若折線一直未超過震動幅度閾值線，則判定絲桿不存在磨損失效，反之，則判定絲桿存在磨損失效。

直觀檢測法中，在刻度盤的兩側都作上標記點，兩個標記點即為震動幅度閾值。若指示針的擺動一直未超過兩個標記點，則判定絲桿不存在磨損失效，反之，則判定絲桿存在磨損失效。

4 結語

數控機床是機械制造行業最重要的生產設備之一，其運行的狀態與加工精度有著直接關系，滾珠絲桿副已經被視為滾動功能部件行業里非常有潛力的一類產品，對其進行故障診斷研究具有重要的意義。本文結合維修人員的實際工作情況，選取絲桿的彎折失效和磨損失效作為數控機床滾珠絲桿副常見故障類型，并深入對其進行危害性分析、診斷難度及成本分析，明確了具體的故障診斷流程?；谡饎觽鞑ゼ夹g，針對彎折失效這一常見故障設計了一種配套的彎折失效診斷裝置；針對磨損失效這一常見故障，以傳感器檢測法和直觀檢測法為基礎分別單獨設計了磨損失效診斷裝置，在直觀性和操作性上進行了進一步深入研究，為提高一線維修人員的工作效率作出貢獻并不斷探索，為進一步實施智能化故障診斷打下堅實的基礎。