基于超磁致伸縮的滾珠絲杠副螺母智能預(yù)緊技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、在軸向工作載荷作用下滾珠絲杠副滾珠與滾道處產(chǎn)生的彈性變形，或滾珠絲杠副中存在的軸向間隙，會直接影響滾珠絲杠副的定位或傳動精度，并使得滾珠絲杠副的剛度降低。為了消除滾珠絲杠副的軸向間隙，提高其軸向剛度，在滾珠絲杠副承載時，在滾珠絲杠和螺母之間加一預(yù)緊結(jié)構(gòu)，并在雙螺母之間施加初始載荷，使兩者之間產(chǎn)生一定的軸向壓力（即預(yù)緊力）使得雙螺母之間產(chǎn)生軸向變位，以達(dá)到減小軸向間隙，提高剛度的目的。預(yù)緊力太小，起不到減小間隙和提高剛度的作用，而預(yù)緊力過

2、大會使空載摩擦力矩急劇增大，滾動磨損加劇，滾珠絲杠副壽命降低。因此預(yù)緊力大小必須控制在一定范圍之內(nèi)。
　　針對目前傳統(tǒng)的滾珠絲杠預(yù)緊法不能實現(xiàn)預(yù)緊力的及時調(diào)整問題，深入研究利用功能材料實現(xiàn)滾珠絲杠預(yù)緊的機(jī)理方法，以提供較大預(yù)緊力，并且實現(xiàn)預(yù)緊力的準(zhǔn)確自動調(diào)整，成為精密滾珠絲杠副定位或傳動的一個關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題。
　　本文圍繞將超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material，簡寫為GMM）應(yīng)用

3、于滾珠絲杠螺母預(yù)緊這條主線，進(jìn)行了滾珠絲桿副的預(yù)緊力與軸向剛度分析，預(yù)緊結(jié)構(gòu)的建模，多物理場參量的檢測，超磁致伸縮結(jié)構(gòu)的建模，以及預(yù)緊力和靜態(tài)剛度實驗。
　　(1)滾珠絲杠副的軸向剛度取決于絲杠特征，預(yù)加載荷和工作條件。鑒于滾珠與滾道之間的摩擦力遠(yuǎn)小于滾道壓力，因此忽略摩擦力的作用。通過分析螺母所受的軸向工作載荷及預(yù)緊力與滾道法向力之間的關(guān)系以及滾道接觸點處的法向變形與螺母相對于絲杠的軸向位移之間的關(guān)系，對雙螺母定位預(yù)緊滾珠絲杠副

4、的剛度進(jìn)行了分析。
　　(2)從自身結(jié)構(gòu)特點、能量分布、電磁場分析等幾個方面對基于超磁致伸縮的三種滾珠絲杠副螺母預(yù)緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比，確定了附加鉸鏈-杠桿機(jī)構(gòu)的單個圓柱形GMM構(gòu)成的預(yù)緊結(jié)構(gòu)，對GMM的磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算和仿真分析，了解GMM磁路中磁場的分布情況，并對預(yù)緊用的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多體靜力學(xué)分析，以保證結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力、應(yīng)變及變形。該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了GMM的機(jī)械應(yīng)變到滾珠絲杠螺母預(yù)緊力的傳遞，預(yù)緊力可方便地通過調(diào)節(jié)GMM的激勵電流而

5、進(jìn)行調(diào)整。
　　(3)超磁致伸結(jié)構(gòu)中圓柱形GMM被放置在一個體積有限的腔體空間內(nèi)，在有限腔體中放置檢測線圈獲取GMM的磁參量(B，H)時，檢測線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁場與GMM原有的驅(qū)動磁場會產(chǎn)生互感，為了盡可能減小互感的影響，獲得較為準(zhǔn)確的GMM的磁參量，在單線圈獲取GMM的B-H曲線基礎(chǔ)上，提出了利用亥姆霍茲線圈原理，設(shè)計多線圈用于GMM磁參量的檢測的方法，并對檢測過程進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，反串兩個亥姆霍茲線圈，在其中間放置檢測線

6、圈的檢測方法，可以有效減小檢測線圈與驅(qū)動線圈的互感，比較適用于有限腔體空間內(nèi)GMM磁通量的檢測。
　　(4)以圓柱形GMM為研究對象，對由其構(gòu)成的超磁致伸縮結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，確定超磁致伸縮結(jié)構(gòu)參數(shù)。主要包括GMM幾何形狀，驅(qū)動方式，驅(qū)動線圈結(jié)構(gòu)以及預(yù)壓應(yīng)力等幾個方面。為了提高GMM中磁場的均勻性與線性度，主要考慮驅(qū)動方式的優(yōu)化方法。分析結(jié)果表明:在圓柱形GMM上以交替分布的方式施加恒定的偏置磁場，優(yōu)化磁軛結(jié)構(gòu)，提高了超磁致伸縮材料

7、磁場的均勻性與線性。在準(zhǔn)動態(tài)條件下，分析超磁致伸縮結(jié)構(gòu)的輸出力的特征，通過空載位移和力輸出實驗，對超磁致伸縮結(jié)構(gòu)的輸入輸出特性進(jìn)行了驗證。
　　(5)利用所設(shè)計的超磁致伸縮結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)緊力的調(diào)整和滾珠絲杠靜態(tài)剛度實驗。結(jié)果表明，在一定驅(qū)動電流范圍內(nèi)，超磁致伸縮結(jié)構(gòu)具有一定的線性工作區(qū)，在該工作區(qū)內(nèi)超磁致伸縮結(jié)構(gòu)的壓磁方程近似認(rèn)為是線性的，容易實現(xiàn)預(yù)緊力的及時調(diào)整?；诔胖律炜s的滾珠絲杠預(yù)緊結(jié)構(gòu)，通過預(yù)緊力的調(diào)節(jié)，可以有效提高滾珠