背景介紹

滾珠絲杠是一種將旋轉運動轉換為線性運動的機械零部件，由于具有高機械效率和高精度等特點，被廣泛應用于數控機床、機器人制造等領域。目前，高精度數控加工機床的發展迅速對滾珠絲杠的性能提出了更高的要求。

在加工制造領域，數控機床的核心傳動系統主要由滾珠絲杠構成，滾珠絲杠的定位精確性直接決定了刀具切削加工的準確性，進而影響產品的質量。在加工過程中，滾珠絲杠會隨著運行時間的增加而逐漸磨損，造成加工質量的下降，在機床加工精度下降到一定程度后，就需要進行更換。

對于客戶而言，客戶真正需要的并不是滾珠絲杠，而是滾珠絲杠所帶來的高精度定位能力，其核心是使用最少的費用提供最優的精密定位服務。

而影響加工質量（定位精度）和加工成本的核心因素有：

• 生產加工過程中滾珠絲杠精度衰退的過程不透明，往往只能在產生次品后才能被發現，造成材料浪費。

• 機床加工精度和滾珠絲杠定位精度的關系是非線性化的，其他因素，如刀具質量、控制器精度也都會對機床加工精度產生影響，因此很難通過產品質量檢查來監測滾珠絲杠的磨損情況。

• 滾珠絲杠精度衰退的根本原因難以確定，通過維修來恢復精度較困難，而更換整個滾珠絲杠會造成耗材成本的上升。

目標

通過上面的分析，我們的目標是解決以下兩個核心問題：

• 滾珠絲杠精度衰退過程的透明化

• 滾珠絲杠精度衰退對加工質量下降影響的透明化

滾珠絲杠的云平臺應用價值分析

在對問題進行分解和目標分析后，某滾珠絲杠生產商開始從控制絲杠運動的驅動器和外部傳感器收集加工過程中的數據，包括轉速、電流、功率、扭矩、振動等信號。

經過大量的全生命周期實驗，利用大數據分析建模的方法，借助CPS的架構，建立數據特征與滾珠絲杠衰退程度的映射模型，并將運行工況因素的非線性關系進行歸一化處理，形成具有廣泛實用性的滾珠絲杠衰退監測和失效報警模塊，進而實現滾珠絲杠“自省性”的智能化升級。

核心技術

在加工過程中，滾珠絲杠產生的數據被采集并進行實時分析。

首先，識別當前的加工運行工況參數，隨后從采集數據中提取與滾珠絲杠健康狀態緊密相關的特征，依據工況參數，對特征值進行歸一化處理。

然后，將提取的特征上傳到滾珠絲杠的云端，把當前的特征映射到代表健康狀態的特征地圖的相應區域上，對滾珠絲杠的衰退狀態進行量化和透明化。

分析后的信息將被用于網絡空間的精確建模上，模擬實際滾珠絲杠衰退狀況隨時間的變化并建立滾珠絲杠的全生命信息檔案。

全生命信息檔案包含三類信息：

• 工況類信息負責記錄滾珠絲杠的實際運行情況

• 特征類信息負責記錄從采集信號中提取的健康狀態特征指標值

• 狀態類信息負責記錄分析完的健康狀態結果和失效模式

當越來越多的滾珠絲杠信息被連接到云端后，這些全生命信息檔案就形成了一個龐大的數據庫，可以使用大數據分析的方法對其進行數據挖掘。

首先，建立的全生命信息檔案會依據變化的工況情況進行聚類，以保證同一類別的滾珠絲杠具有相似的衰退模式。

然后，在同一類別中，利用同行比較的方法找出衰退情況最嚴重的滾珠絲杠，并預測其剩余壽命。

根據預測結果，我們就可以合理安排生產任務和維修計劃，在保障加工質量的前提下，延長滾珠絲杠的使用時間。

案例分享

某滾珠絲杠生產商通過運用以上技術實現滾珠絲杠“自省性”智能化升級的同時，還開發了智慧云服務平臺為用戶提供客制化的滾珠絲杠精密管理服務，當不同滾珠絲杠的運行狀態信號被傳到云端進行分析后，滾珠絲杠的整體精度衰退情況、內部關鍵部件的健康狀態和質量風險等信息都可以通過手機或者PC端的用戶界面獲得，使每一個滾珠絲杠的精度衰退過程變得透明化。

滾珠絲杠用戶可以用這個平臺管理自己的生產加工計劃，當滾珠絲杠磨損到無法滿足加工精度的要求時，系統會自動提醒用戶去維修或者更換滾珠絲杠，同時提供詳細的精度衰退診斷信息，方便維修措施的快速進行。

于是，用戶的人力使用效率得到了巨大提升，并且避免了因憑借人的經驗進行管理所帶來的不確定性。滾珠絲杠的使用可靠性也得以提升，同時，其精度衰退過程也被定量化和透明化地管理了起來。

滾珠絲杠智慧云服務體系架構

通過移動端App實時更新機床中滾珠絲杠的健康狀態信息

這項智能云服務樣機在2016年的芝加哥國際機床技術展（IMTS）上推出后贏得強烈反響，被認為是智能化機械零部件的杰出示范。

該項目為天澤智云首席數據科學家晉文靜博士在美國IMS期間主導的項目，由世界領先的滾珠絲杠制造商上銀科技贊助支持。

注：此案例被收錄于李杰教授等著寫的《云上工業智能》一書中。