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(huì)直接影響滾珠絲杠副的定位或傳動(dòng)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(shí)，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(guò)

2、大會(huì)使空載摩擦力矩急劇增大，滾動(dòng)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(duì)目前傳統(tǒng)的滾珠絲杠預(yù)緊法不能實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的及時(shí)調(diào)整問(wèn)題，深入研究利用功能材料實(shí)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(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的準(zhǔn)確自動(dòng)調(diào)整，成為精密滾珠絲杠副定位或傳動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。
　　本文圍繞將超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material，簡(jiǎn)寫(xiě)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(chǎng)參量的檢測(cè)，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(shí)驗(yàn)。
　　(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(guò)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(diǎn)處的法向變形與螺母相對(duì)于絲杠的軸向位移之間的關(guān)系，對(duì)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(diǎn)、能量分布、電磁場(chǎng)分析等幾個(gè)方面對(duì)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(duì)比，確定了附加鉸鏈-杠桿機(jī)構(gòu)的單個(gè)圓柱形GMM構(gòu)成的預(yù)緊結(jié)構(gòu)，對(duì)GMM的磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算和仿真分析，了解GMM磁路中磁場(chǎng)的分布情況，并對(duì)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(shí)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(guò)調(diào)節(jié)GMM的激勵(lì)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(gè)體積有限的腔體空間內(nèi)，在有限腔體中放置檢測(cè)線圈獲取GMM的磁參量(B，H)時(shí)，檢測(cè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與GMM原有的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)會(huì)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(jì)多線圈用于GMM磁參量的檢測(cè)的方法，并對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，反串兩個(gè)亥姆霍茲線圈，在其中間放置檢測(cè)線

6、圈的檢測(cè)方法，可以有效減小檢測(cè)線圈與驅(qū)動(dòng)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(cè)。
　　(4)以圓柱形GMM為研究對(duì)象，對(duì)由其構(gòu)成的超磁致伸縮結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)以及預(yù)壓應(yīng)力等幾個(gè)方面。為了提高GMM中磁場(chǎng)的均勻性與線性度，主要考慮驅(qū)動(dòng)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(chǎng)，優(yōu)化磁軛結(jié)構(gòu)，提高了超磁致伸縮材料

7、磁場(chǎng)的均勻性與線性。在準(zhǔn)動(dòng)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(guò)空載位移和力輸出實(shí)驗(yàn)，對(duì)超磁致伸縮結(jié)構(gòu)的輸入輸出特性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(5)利用所設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在一定驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的及時(shí)調(diào)整?；诔胖律炜s的滾珠絲杠預(yù)緊結(jié)構(gòu)，通過(guò)預(yù)緊力的調(diào)節(jié)，可以有效提高滾珠