[发明专利]一种基于性能退化模型的数控机床丝杠副寿命预测方法

说明书

技术领域

本发明属于机电一体化的数控制造技术领域，具体地讲，涉及数控机床丝杠副性能退化评估与寿命预测。

背景技术

数控机床是一种柔性、高效的自动化机床，是典型的机电一体化产品。数控机床的故障严重影响零件的加工质量，给企业带来巨大的经济损失。数控机床的故障包括数控系统故障、电气系统故障、机械系统故障及气动液压系统故障等，其中机械系统的性能退化不可避免，是影响产品质量的关键因素。因此，实时监测机械系统，发现机床运行过程中关键部件如丝杠副、导轨副、主轴组件等的性能退化规律，实时评估部件的剩余寿命及健康状态，有利于建立合理有效的维修计划，减少不必要的停机时间，节省大量的维护费用。

对数控机床而言，由于其加工工况的多样性、负载的动态性、疲劳损伤的不确定性、外界冲击的随机性等，导致机械系统性能退化规律更为复杂，很难建立确切的数学、物理模型来评估机床机械部件的性能退化规律。作为机床关键部件的丝杠副，其精度变化严重影响机床的加工质量，其性能随使用时间推移而退化的规律呈现动态变化，目前国内外各机床生产厂家仅限于对丝杠副在额定条件下的寿命预测与评估，而丝杠副在实际使用过程中大多数情况下均与额定条件不符，因此其寿命预测与评估结果误差大，工程实际应用价值低。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于性能退化模型的数控机床丝杠副寿命预测方法，该方法考虑数控机床不同工况下丝杠副负荷变化对丝杠副性能退化的影响，实现对丝杠副使用过程中剩余寿命的评估与预测，预测精度高，工程实际使用价值高。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种基于性能退化模型的数控机床丝杠副寿命预测方法，其步骤依次是：

(1)振动信号采集  用振动传感器采集丝杠副的振动信号，振动信号经信号放大器放大后再通过采集卡送入机床PC端中控服务器进行处理；

(2)振动信号时频域分析  机床PC端中控服务器对采集的振动信号进行滤波处理，再进行时频域分析得到时频特征数据；

(3)时频特征数据提取  对得到的时频特征数据，采用主成分分析法提取出当前工况下对丝杠副性能退化敏感的特征数据向量，将当前工况及以前工况下的敏感特征数据向量以时间序列方式构成敏感特征矩阵，作为退化模型的一个输入量；

(4)丝杠副负荷计算

由加工参数计算得到当前工况下的切削力F_i：式中，下标i表示当前工况，a_pi表示背吃刀量，f_i表示进给速度，v_i表示切削速度，K_F表示修正系数，C_F为系数，x_F、y_F、n_F为指数；

根据刀具下刀角度计算切削力在丝杠副轴向的分力：F_i’＝F_i·Φ(α_i)，式中，α_i为当前工况下的刀具下刀角度，Φ(α_i)为角度函数；并计算出丝杠副在当前工况下的轴向负荷F_ai：F_ai＝F_i’+μmg+f±ma，式中，μ为摩擦系数，m为工件与工作台总重，f为无负荷时的阻力，ma为加减速冲击，±表示丝杠副去程与返程时加减速冲击变向；同时记录当前工况下的累计运行时间t_i；

(5)丝杠副期望剩余寿命计算