数控机床滚珠丝杆故障诊断试验装置研究与实践

傅子霞

（长沙职业技术学院，湖南 长沙 410217）

对于数控机床来说，随着使用时间的延长，将导致机床各个部位机能持续下降，进而增大数控机床的故障风险。由于滚珠丝杆副是数控机床上最常使用到的传动元件，因此，其在故障率方面也是首当其冲。滚珠丝杆副是由丝杆和螺母配套组成的，属于高精密度元件，因此其出现故障时难以被操作人员直接观察到。本文通过分析滚珠丝杆副在日常工作过程中常见的故障类型，以自主设计的故障诊断试验装置为依托，提出更加直观的故障诊断方法，以提高故障诊断效率。

1 数控机床滚珠丝杆副常见故障类型及可修复性讨论

1.1 滚珠丝杆副常见故障类型

滚珠丝杆副通过滚珠作为工作动力传输介质，以滚珠在丝杆与螺母之间的相对运动而运动，所以滚珠丝杆副的退化区域集中于螺母与丝杆的接触区，其中丝杆出现故障的频率最高。分析调研数控机床操作人员的维修日志，发现丝杆的主要故障形式为弯折失效和磨损失效。

弯折失效主要是由于丝杆在长期负载工作下沿径向出现一定程度的弯曲，此故障类型最常见于丝杆的中部位置，容易导致螺母无法在丝杆上继续移动，此时，数控机床上的电机却仍在继续驱动丝杆旋转，极易导致滚珠丝杆副被暴力破坏，给操作人员的人身安全带来了巨大的威胁。磨损失效是丝杆表面失效主要表现形式之一，通常是因为丝杆在长期使用后其表面螺纹被磨损殆尽，一方面会导致滚珠丝杆副的运行精度降低，另一方面会造成丝杆与螺母之间产生一定的间隙，导致丝杆在旋转时引起螺母震动，进而影响数控机床的加工精度。

1.2 丝杆常见故障的可修复性

丝杆购买成本较高，在不影响数控机床的加工精度和安全性的前提下，对于出现故障的丝杆应当以修复为主。修复的必要性应当从精度要求和具体故障类型两方面进行判断。

低精度要求的丝杆发生故障，应当在数控机床制造商的指导下修复丝杆，若修复后的丝杆在测试后满足设计要求则可继续安装使用。高精度要求的故障丝杆发生故障，建议放弃维修并直接更换丝杆。弯折失效的丝杆若弯折度较小，应当在数控机床制造商的指导下通过弯折机对丝杆的弯折部位进行复位并加固。弯折失效的丝杆若弯折度较大，建议放弃维修并直接更换丝杆。磨损失效的丝杆由于其表面螺纹被磨损殆尽，维修成本高，建议放弃维修并直接更换丝杆。

2 数控机床滚珠丝杆副常见故障分析

2.1 数控机床滚珠丝杆副常见故障类型的危害性分析

弯折失效的丝杆容易导致螺母与丝杆之间发生过度干涉，造成两者之间出现暴力性破坏，严重影响数控机床的加工精度，并且暴力性破坏瞬间的丝杆和螺母弹飞出去，会危及数控机床操作人员的人身安全，因此弯折失效这一故障类型的危害性和诊断迫切性较大。磨损失效的丝杆往往会导致螺母发生震动，影响数控机床的加工精度，不会危及数控机床操作人员的安全，因此磨损失效这一故障类型的危害性和诊断迫切性较小。

综合两种丝杆常见故障类型的危害性和诊断迫切性，在对丝杆进行故障诊断时，应当先诊断丝杆是否存在弯折失效，再诊断丝杆是否存在磨损失效。

2.2 数控机床滚珠丝杆副常见故障类型的诊断难度分析

针对弯折失效的丝杆，诊断方法是在丝杆上套设一个标准螺母，若丝杆旋转时标准螺母能够在丝杆上顺畅地前后移动，移动过程中两者之间并未出现过度干涉，则表明丝杆并不存在弯折失效这一故障类型，反之，则表明丝杆存在弯折失效这一故障类型。因此，诊断丝杆是否存在弯折失效这一故障类型的难度较低。针对磨损失效的丝杆，诊断方法是在丝杆上套设一个标准螺母，由于丝杆是高精密度元件，其在旋转过程中若标准螺母发生震动，其震动效果难以通过肉眼直接观测到，需要通过专用检测设备来检测丝杆与标准螺母之间的震动大小，进而判断丝杆是否存在磨损失效。因此，诊断丝杆是否存在磨损失效这一故障类型的难度较高。

综合上述两种丝杆常见故障类型的诊断难度分析，在对丝杆进行故障诊断时，先诊断丝杆是否存在弯折失效，再诊断丝杆是否存在磨损失效，若诊断出丝杆的弯折度过大，则直接更换丝杆，无须再继续诊断丝杆是否存在磨损失效，提高故障诊断效率。

3 基于震动传播技术的数控机床故障诊断试验装置及其诊断流程

目前，李慧等采集滚珠丝杆在正常、弯曲和滚珠滚道磨损三种状态下的振动信号，以集合经验模态(EEMD) 分解得到内禀模态函数（IFM）和振动信号的时域特征值作为输入，建立BP神经网络诊断模型针对丝杆不同的故障类型。Shan Pengfei等用多个加速度传感器采集滚珠丝杆不同位置的振动信号，提取匀速状态下的均匀数据进行信号分析，选择有效值和故障特征频率两个指标，用加权数据和卷积神经网络进行滚珠丝杆的健康监测和故障识别。这些方式的信号采集及检测过于依赖电子元件，直观性和可靠性较差，难以提高故障诊断效率。本文从直观性和可靠性出发，基于震动传播技术分别具体设计了不同的诊断装置，以期达到提高故障诊断效率和方便操作的目的。

3.1 针对弯折失效的诊断装置及其诊断流程

针对弯折失效的丝杆，基础设计原理是维修人员在丝杆上套设一个标准螺母，若丝杆出现弯折失效，丝杆旋转引起标准螺母发生剧烈震动，并且丝杆与标准螺母之间发生干涉，通过观察标准螺母在丝杆上前后移动的流畅度，即可判断该丝杆是否存在弯折失效。

弯折失效的诊断装置如图1所示，主要由底座、支撑机构、电机和导向机构组成。底座上开有向内延伸的导向槽。支撑机构主要由底板、立板和转动柱组成，底板通过锁定螺钉固定安装在底座上，立板固定安装在底板上，转动柱设置在立板上且与立板转动连接，转动柱的外端面上开有向内延伸的插槽。电机固定安装在立板上、用于控制对应的转动柱旋转，电机的启停通过PLC控制系统控制。导向机构主要由滑块、固定板、横杆和标准螺母组成，滑块与导向槽的内壁滑动接触，固定板固定安装在滑块上，横杆通过固定螺钉固定安装在固定板上，标准螺母固定安装在横杆上，标准螺母的轴心线应当与转动柱的轴心线共线。

图1 弯折失效诊断装置结构图

诊断流程：将丝杆的第一端插入到转动柱上的插槽内插紧；移动滑块使得标准螺母与丝杆对齐并接触；通过PLC控制系统控制电机启动，电机带动转动柱和丝杆旋转，沿着丝杆的方向轻轻推动横杆，标准螺母便会套在丝杆上。随着丝杆的旋转，在导向槽的作用下，标准螺母就会在丝杆上作往复运动，若标准螺母能够在丝杆上作一个完整的往复运动则表明丝杆不存在弯折失效；反之则表明丝杆存在弯折失效，此时电机过载停机，防止丝杆与标准螺母之间因出现过度干涉被暴力性破坏。

对于不同精度要求的丝杆，工作人员选择相同精度的标准螺母配套进行故障诊断即可，因此本诊断装置能够适用于不同精度要求的丝杆，适用范围更广，诊断效率高。

3.2 磨损失效诊断装置及其诊断流程

针对磨损失效的丝杆，从其表现形式分析着手。若丝杆出现磨损失效，当其旋转时，会引起标准螺母发生震动，只需测量该震动的幅度大小即可判断丝杆是否存在磨损失效。

由于丝杆是高精密度元件，因此，这一震动幅度是比较微小的，难以通过肉眼直接观测到，肉眼观测的准确性也无法保证，分析研究如何获取标准螺母的震动幅度数据是当前亟需解决的问题。由于不同数控机床的加工精度不同，因此丝杆旋转时，标准螺母出现一定范围大小的震动幅度并不一定会影响数控机床的加工精度，所以在诊断丝杆是否存在磨损失效时，应当制定一套丝杆的磨损失效震动幅度标准，以明确各类数控机床的标准螺母的合理震动幅度阈值，若标准螺母的震动幅度一直在该合理震动幅度阈值内则判定丝杆不存在磨损失效，反之，则判定丝杆存在磨损失效。

3.2.1 传感器检测法

在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发展趋势，而测试系统的最前端是传感器。在分析研究如何获取标准螺母的震动幅度数据这一问题时，将震动传感器直接固定安装在标准螺母上是最快捷准确的方式之一。

诊断流程：首先，将标准螺母套设在丝杆上，并将震动传感器固定安装在标准螺母上，震动传感器与PC端通过数据线连接。PLC控制系统控制电机启动，电机带动丝杆旋转，在导向机构的作用下，标准螺母便会在丝杆上作往复运动，往复运动过程中，震动传感器实时测量标准螺母的震动幅度值，并将相关数据实时传输到PC端供维修人员读取。

传感器检测法能够实时测量到丝杆不同位置引起的标准螺母的震动幅度值，以便维修人员了解丝杆不同位置的磨损情况，全面性和准确性较高，适用于诊断高精度数控机床上的丝杆。

3.2.2 直观检测法

虽然标准螺母的震动比较微小难以通过肉眼直接观测到，但是，在日常科研中经常使用到的电流放大器等电子元件可以给出相关启发。电流放大器是用以放大电流的放大器，而震动是可以传播的，设计一种放大机构将标准螺母的震动幅度放大，能够便于维修人员更加直观地观察到标准螺母的震动幅度，针对放大机构的具体结构进行进一步研究设计。

弯折失效的诊断装置如图2～4所示，主要由底座、支撑机构、电机、导向机构和放大机构组成。在底座上开有向内延伸的导向槽。支撑机构主要由底板、立板和转动柱组成，底板通过锁定螺钉固定安装在底座上，立板固定安装在底板上，转动柱设置在立板上且与立板转动连接，转动柱的外端面上开有向内延伸的插槽。电机固定安装在立板上、用于控制对应的转动柱旋转，电机的启停通过PLC控制系统控制。导向机构主要由滑块、横板、支架和竖板组成，滑块与导向槽的内壁滑动接触，横板固定安装在滑块上，支架固定安装在固定板上，竖板固定安装在支架上，竖板上开有向内延伸的限位槽。放大机构包括移动块、展示板、转动轴、齿轮、指示针、直齿条和标准螺母组成，移动块与限位槽的内壁滑动接触，展示板固定安装在竖板上，展示板上具有刻度盘，转动轴贯穿展示板且与展示板之间转动连接，齿轮固定安装在转动轴上，指示针固定安装在转动轴上且位于展示板的外侧、用于指向刻度盘，直齿轮固定安装在转动轴上且与齿轮啮合，标准螺母固定安装在移动块上，标准螺母的轴心线应当与转动柱的轴心线共线。

图2 磨损失效诊断装置结构图

图3 放大机构立体结构图

图4 放大机构正视结构图

诊断流程：首先，将丝杆的第一端插入转动柱上的插槽内插紧；移动滑块使得标准螺母与丝杆对齐并接触；接着通过PLC控制系统控制电机启动，电机带动转动柱和丝杆旋转，沿着丝杆的方向轻轻推动横杆，标准螺母便会套在丝杆上。随着丝杆的旋转，标准螺母便会在丝杆上作往复运动。标准螺母在作往复运动的过程中会发生震动，该震动会传递给移动块并带动移动块上下移动，直齿条同步上下移动，齿轮带动转动轴和指示针旋转，指示针指向刻度盘的不同位置，从而反映标准螺母的震动幅度大小，直观来说，指示针的偏离幅度与标准螺母的震动幅度之间呈正相关关系。

在本设计中，直齿条之间的齿距较小，齿距的具体数值根据实际情况确定，维修人员可向制造商提出需要的具体精度要求。直齿条之间的齿距较小时，标准螺母的震动带动移动块和直齿条上下移动，直齿条沿Z轴方向移动一小段距离，齿轮就会旋转较大的角度，从而带动转动轴和指示针同步旋转。放大机构将标准螺母的震动幅度放大数倍，以便于维修人员能够直观地观察到标准螺母的震动幅度。

直观检测法将标准螺母的震动幅度放大，并将震动幅度以指示针的摆动幅度表现出来，直观性更好，指示针的摆动幅度大小即反映了标准螺母震动幅度大小，以便于维修人员了解丝杆不同位置的磨损情况。整个装置中除了电机外，没有使用到其他电子元件，放大机构的设计也都是以机械传动原理为基础，可靠性和直观性更好，适用于诊断低精度数控机床上的丝杆。

3.2.3 建立磨损失效震动幅度标准

丝杆旋转过程中，标准螺母出现一定范围的震动幅度变化并不一定会影响数控机床的加工精度，在诊断丝杆是否存在磨损失效时，应当根据不同加工精度的数控机床制定一套通用的磨损失效震动幅度标准。

磨损失效震动幅度标准的建立应该大量调研数控机床的制造商和使用企业，结合生产标准和实践标准，在大量试验的基础上针对不同加工精度的数控机床，分别制定一个合理的震动幅度阈值，整理成册，形成磨损失效震动幅度标准。若标准螺母在往返运动中，震动幅度一直在震动幅度阈值范围内则判定丝杆不存在磨损失效，反之，则判定丝杆存在磨损失效。

传感器检测法中，震动传感器将实时测量到的标准螺母震动幅度值传输到PC端内，并根据时间点形成折线图，折线图内标有震动幅度阈值线，若折线一直未超过震动幅度阈值线，则判定丝杆不存在磨损失效，反之，则判定丝杆存在磨损失效。

直观检测法中，在刻度盘的两侧都作上标记点，两个标记点即为震动幅度阈值。若指示针的摆动一直未超过两个标记点，则判定丝杆不存在磨损失效，反之，则判定丝杆存在磨损失效。

4 结语

数控机床是机械制造行业最重要的生产设备之一，其运行的状态与加工精度有着直接关系，滚珠丝杆副已经被视为滚动功能部件行业里非常有潜力的一类产品，对其进行故障诊断研究具有重要的意义。本文结合维修人员的实际工作情况，选取丝杆的弯折失效和磨损失效作为数控机床滚珠丝杆副常见故障类型，并深入对其进行危害性分析、诊断难度及成本分析，明确了具体的故障诊断流程。基于震动传播技术，针对弯折失效这一常见故障设计了一种配套的弯折失效诊断装置；针对磨损失效这一常见故障，以传感器检测法和直观检测法为基础分别单独设计了磨损失效诊断装置，在直观性和操作性上进行了进一步深入研究，为提高一线维修人员的工作效率作出贡献并不断探索，为进一步实施智能化故障诊断打下坚实的基础。