一种丝杆副全生命周期的在线监测方法及测试平台与流程

本发明涉及phm系统健康评估领域，具体涉及一种丝杆副全生命周期的在线监测方法及平台。

背景技术：

随着滚珠丝杠在机械设备中的广泛应用，越来越多的滚珠丝杠被使用在机械设备上关键位置，成了机械设备能够正常运转的核心元件。因此如何确保设备稳定、高精度地运转，成了当今机械学科关注的焦点。

一般的丝杠副使用维护都停留在被动式维修或主动式预防的层面上，即等丝杠副什么时候坏了什么时候维修，或者定期对丝杠副进行保养。丝杠副的故障报警一般通过驱动电机的驱动扭矩过大或丝杠的精度的丧失而得知。为数不多的丝杠副设备上使用了在线监测设备，它们通过检测丝杠副的振动加速度信号和温度信号，获取丝杆副的运行数据，通过运行数据的变化情况或阈值比较来判定丝杠副是否需要维护更换。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种丝杆副全生命周期的在线监测系统及测试平台，通过采集丝杠副全生命周期的振动加速度、温度、扭矩、转速、位移等参数，为丝杠副的故障诊断和寿命预测积累准确无误的原始数据库，同时丝杆副各采集变量之间可以实现相互校验，保证采集数据的准确性。

本发明采用如下方法来实现：一种丝杆副全生命周期的在线监测方法，其特征在于，包括：

步骤一、通过振动传感器采集丝母运动过程中xyz三个方向的振动加速度的变化；通过将贴片式温度传感器分别贴在丝母左右两侧的方式采集丝母运行过程中的温度变化；通过在丝杆与电机连接处安装转速转矩传感器来采集丝杠运行过程中的转速变化；通过转速转矩传感器来采集丝杠运行过程中的转矩变化；，通过丝母带动光栅尺读数头运动，来采集丝杆运行过程中的位移变化；

步骤二、将伺服电机通过联轴器连接转速转矩传感器，再通过另一联轴器连接丝杠支撑座，所述丝杠支撑座与丝杆副相连，所述丝杠副的丝母上固定安装板，安装板上固定加载重物块，动作时伺服电机带动安装板及重物块在滑轨上做往复运行，在测试台架的一侧安装有测量位移的光栅尺，采用重物块的方式对丝杠进行加载，用于缩短丝杠的生命周期。

进一步地，所述振动传感器和温度传感器安装在丝杠副的丝母上，所述转速转矩传感器和光栅尺安装在测试台上。

进一步地，所述振动传感器采用量程±50g，灵敏度100mv/g的三轴的icp压电式振动传感器。

进一步地，所述温度传感器采用分辨率0.001℃且温度范围-40℃至85℃的三线制pt100贴片式热电阻。

进一步地，所述转速转矩传感器采用转速脉冲频率60脉冲/转，转矩量程20nm，转矩输出频率5khz-15khz的转速转矩传感器。

进一步地，所述位移传感器采用增量式光栅尺信号，测量精度±5um/m，分辨率0.5um的位移传感器。

进一步地，所述采集板卡采用ni公司的pxi系列，机箱采用pxie-1804，主机模块为pixe-8840，磁盘阵列存储器hdd-8265，振动采集板卡为pxie-4499，温度采集板卡为pxie-4357，脉冲频率采集板卡为pxi-6624。

一种丝杆副全生命周期的在线监测方法，将丝杆运动过程中的振动、温度、转速、扭矩、位移五个参数进行同步采集，记录同一时间轴上的参数数据，使用labview进行编程，在编写程序中，设置采集时间和间隔时间，且将采集数据以tdms的格式保存在硬盘上，在labview编写的程序中，在交互界面中放置振动、温度变量的采样参数，用于对各变量的参数进行设置；在交互界面中放置各变量数据随时间变化的波形图并在交互界面就中设置指令按钮，用于运行数据采集运行及停止；所述指令按钮包括开始采集、保存、停止；在交互界面中放置采集时间和间隔时间，根据丝杆的全生命周期自由的设置时间；在交互界面中放置文件保存路径选择框，用于设置数据文件的保存路径。

一种基于丝杆副全生命周期的在线监测方法的测试平台包括：伺服电机、联轴器、转速转矩传感器、丝杠支撑座；将伺服电机通过联轴器连接转速转矩传感器，再通过另一联轴器连接丝杠支撑座，所述丝杠支撑座与丝杆副相连，所述丝杠副的丝母上固定安装板，安装板上固定加载重物块，动作时伺服电机带动安装板及重物块在滑轨上做往复运行，在测试台架的一侧安装有测量位移的光栅尺，采用重物块的方式对丝杠进行加载，用于缩短丝杠的生命周期。

有益效果为：1)把振动加速度、温度、转速、扭矩、位移五个采集变量做为评估丝杠运行的参数，全面了解了丝杆全生命周期的各变量参数的变化情况。

2)基于ni的数据采集产品，确保数据采集的准确性和可靠性。

3)在labview程序中，全生命周期数据采集时间和间隔时间可灵活设置，在保证数据全面性的前提下，减少全生命周期的数据量。

4)数据保存采用tdms格式，既提高了数据采集的存储效率，减小数据的存储空间，又方便被第三方软件如matlab、excel等调用、查看。

5)丝杆副各采集变量之间可以实现相互校验，确保了采集数据的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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发明中记载的一些实施例，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。

图1为本发明提供的一种丝杆副全生命周期的在线监测方法模拟方法流程图；

图2为本发明提供的一种丝杆副全生命周期的在线监测测试平台实施例图；

图3为本发明提供的一种丝杆副全生命周期的在线监测方法中的测试传感器及采集板卡系统配置示意图；

图4为本发明提供的一种丝杆副全生命周期的在线监测方法中的振动加速度传感器、温度传感器布置示意图。

具体实施方式

本发明给出了一种丝杆副全生命周期的在线监测方法及测试平台的实施例，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明中技术方案作进一步详细的说明：

本发明首先提供了一种丝杆副全生命周期的在线监测方法实施例，如图1所示：

步骤一s101、通过振动传感器采集丝母运动过程中xyz三个方向的振动加速度的变化；通过将贴片式温度传感器分别贴在丝母左右两侧的方式采集丝母运行过程中的温度变化；通过在丝杆与电机连接处安装转速转矩传感器来采集丝杠运行过程中的转速变化；通过转速转矩传感器来采集丝杠运行过程中的转矩变化；，通过丝母带动光栅尺读数头运动，来采集丝杆运行过程中的位移变化；

其中，分别定义轴向为x方向，径向为y、z方向，y、z方向垂直90℃，共3路。根据奈奎斯特采样定理，信号的采样频率如果想在时域和频率内还原，采样频率必须大于采样信号最大频率的5-10倍。丝杠在特定速度的往复运动时，选振动采样率按照30ks/s采集，来满足各种规格丝杆的振动信号的采集。

步骤二s102、将伺服电机通过联轴器连接转速转矩传感器，再通过另一联轴器连接丝杠支撑座，所述丝杠支撑座与丝杆副相连，所述丝杠副的丝母上固定安装板，安装板上固定加载重物块，动作时伺服电机带动安装板及重物块在滑轨上做往复运行，在测试台架的一侧安装有测量位移的光栅尺，采用重物块的方式对丝杠进行加载，用于缩短丝杠的生命周期。

其中，pt100热电偶检测金属的响应时间为0.5s，且金属的温度变化是一个缓变的过程，选温度采样率按照2s/s，以便满足对丝杠的运行过程中的温度采样。

优选地，所述振动传感器和温度传感器安装在丝杠副的丝母上，所述转速转矩传感器和光栅尺安装在测试台上,具体如图4所示。

优选地，所述振动传感器采用量程±50g，灵敏度100mv/g的三轴的icp压电式振动传感器。

其中，icp传感器为压电式振动传感器，输出信号灵敏度高，性能稳定，且量程能够满足各种型号丝杠的振动需求。

优选地，所述温度传感器采用分辨率0.001℃且温度范围-40℃至85℃的三线制pt100贴片式热电阻。

其中，贴片式热电阻直接贴在设备的测试位置，方便实用。转速和转矩传的测量可以采用动态式转速转矩传感器。

优选地，所述转速转矩传感器采用转速脉冲频率60脉冲/转，转矩量程20nm，转矩输出频率5khz-15khz的转速转矩传感器。

其中，位移传感器采用增量式光栅尺信号，测量精度±5um/m，分辨率0.5um。较高的测量精度和分辨率能够满足丝杠位移的采集。

优选地，所述位移传感器采用增量式光栅尺信号，测量精度±5um/m，分辨率0.5um的位移传感器。

优选地，所述采集板卡采用ni公司的pxi系列，机箱采用pxie-1804，主机模块为pixe-8840，磁盘阵列存储器hdd-8265，振动采集板卡为pxie-4499，温度采集板卡为pxie-4357，脉冲频率采集板卡为pxi-6624。

优选地，将丝杆运动过程中的振动、温度、转速、扭矩、位移五个参数进行同步采集，记录同一时间轴上的参数数据，使用labview进行编程，在编写程序中，设置采集时间和间隔时间，且将采集数据以tdms的格式保存在硬盘上。

优选地，在labview编写的程序中，在交互界面中放置振动、温度变量的采样参数，用于对各变量的参数进行设置；在交互界面中放置各变量数据随时间变化的波形图并在交互界面就中设置指令按钮，用于运行数据采集运行及停止；所述指令按钮包括开始采集、保存、停止；在交互界面中放置采集时间和间隔时间，根据丝杆的全生命周期自由的设置时间；在交互界面中放置文件保存路径选择框，用于设置数据文件的保存路径。

综上所述，测试传感器及采集板卡系统配置如图2所示。

本发明还提供了一种基于丝杆副全生命周期的在线监测方法的测试平台包括：如图3所示，，伺服电机1通过联轴器2连接转速转矩传感器3，再通过联轴器2连接丝杠支撑座4后与丝杆副5相连，丝杠副的丝母上固定安装板，安装板上可以固定加载重物块6，动作时伺服电机带动安装板及重物块6在滑轨8上做往复运行，在测试台架9的一侧安装有测量位移的光栅尺7，采用重物块的方式对丝杠进行加载，缩短丝杠的生命周期。

另外，将振动、温度、转速、扭矩、位移信号以tdms的格式读入硬盘。tdms文件是ni主推的一种二进制记录文件，它兼顾了高速、易存取和方便等多种优势，能够在ni的各种数据分析或挖掘软件之间进行无缝交互，也能够提供一系列api函数供其它应用程序调用。在数据采集过程中，实时将相关数据进行对应比较，(1)利用转速乘以丝杆的导程换算出丝杠位移的速度，利用光栅尺测得的直线位移对时间积分换算成丝杆的位移速度，将两者的速度进行对比来校验转速和位移的测量精度。在丝杆全生命周期是后期，可进行对比来判断丝杆精度变化。(2)利用丝杠位移的速度对时间积分得出丝杆运行的加速度，振动加速度x轴上检测的加速度即为丝杆运行的加速度，两者可互相校验来验证丝杠的转速和位移测量，确保采集数据的准确性。

综上，本发明提供了所述的丝杠副全生命周期的在线监测方法和测试平台，首先制定丝杆副全生命周期的采集方案，根据既定方案搭建丝杆副的测试平台，并在丝杆副测试平台上布置振动、温度等相关的传感器，并匹配ni采集板卡，，采集相关的数据，并保存在硬盘中。在采集过程中对采集数据进行实时监控，并对相关数据进行相互校验，通过采集丝杠副全生命周期的振动加速度、温度、扭矩、转速、位移等参数，为丝杠副的故障诊断和寿命预测积累准确无误的原始数据库。同时丝杆副各采集变量之间可以实现相互校验，保证采集数据的准确性。另外，该全生命周期的在线监测系统与方法不仅仅局限滚珠丝杠上，同样的在线监测系统与方法可以使用在工业生产中的很多传动部件中。

以上实施例用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。