基于超磁致伸缩的滚珠丝杠副螺母智能预紧技术及应用研究

摘要

在轴向工作载荷作用下滚珠丝杠副滚珠与滚道处产生的弹性变形，或滚珠丝杠副中存在的轴向间隙，会直接影响滚珠丝杠副的定位或传动精度，并使得滚珠丝杠副的刚度降低。为了消除滚珠丝杠副的轴向间隙，提高其轴向刚度，在滚珠丝杠副承载时，在滚珠丝杠和螺母之间加一预紧结构，并在双螺母之间施加初始载荷，使两者之间产生一定的轴向压力（即预紧力）使得双螺母之间产生轴向变位，以达到减小轴向间隙，提高刚度的目的。预紧力太小，起不到减小间隙和提高刚度的作用，而预紧力过大会使空载摩擦力矩急剧增大，滚动磨损加剧，滚珠丝杠副寿命降低。因此预紧力大小必须控制在一定范围之内。
　　针对目前传统的滚珠丝杠预紧法不能实现预紧力的及时调整问题，深入研究利用功能材料实现滚珠丝杠预紧的机理方法，以提供较大预紧力，并且实现预紧力的准确自动调整，成为精密滚珠丝杠副定位或传动的一个关键科学和技术问题。
　　本文围绕将超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material，简写为GMM）应用于滚珠丝杠螺母预紧这条主线，进行了滚珠丝杆副的预紧力与轴向刚度分析，预紧结构的建模，多物理场参量的检测，超磁致伸缩结构的建模，以及预紧力和静态刚度实验。
　　(1)滚珠丝杠副的轴向刚度取决于丝杠特征，预加载荷和工作条件。鉴于滚珠与滚道之间的摩擦力远小于滚道压力，因此忽略摩擦力的作用。通过分析螺母所受的轴向工作载荷及预紧力与滚道法向力之间的关系以及滚道接触点处的法向变形与螺母相对于丝杠的轴向位移之间的关系，对双螺母定位预紧滚珠丝杠副的刚度进行了分析。
　　(2)从自身结构特点、能量分布、电磁场分析等几个方面对基于超磁致伸缩的三种滚珠丝杠副螺母预紧结构进行了对比，确定了附加铰链-杠杆机构的单个圆柱形GMM构成的预紧结构，对GMM的磁路结构进行了计算和仿真分析，了解GMM磁路中磁场的分布情况，并对预紧用的机械结构进行了多体静力学分析，以保证结构的许用应力、应变及变形。该结构实现了GMM的机械应变到滚珠丝杠螺母预紧力的传递，预紧力可方便地通过调节GMM的激励电流而进行调整。
　　(3)超磁致伸结构中圆柱形GMM被放置在一个体积有限的腔体空间内，在有限腔体中放置检测线圈获取GMM的磁参量(B，H)时，检测线圈产生的感应磁场与GMM原有的驱动磁场会产生互感，为了尽可能减小互感的影响，获得较为准确的GMM的磁参量，在单线圈获取GMM的B-H曲线基础上，提出了利用亥姆霍兹线圈原理，设计多线圈用于GMM磁参量的检测的方法，并对检测过程进行了仿真分析，结果表明，反串两个亥姆霍兹线圈，在其中间放置检测线圈的检测方法，可以有效减小检测线圈与驱动线圈的互感，比较适用于有限腔体空间内GMM磁通量的检测。
　　(4)以圆柱形GMM为研究对象，对由其构成的超磁致伸缩结构进行设计优化，确定超磁致伸缩结构参数。主要包括GMM几何形状，驱动方式，驱动线圈结构以及预压应力等几个方面。为了提高GMM中磁场的均匀性与线性度，主要考虑驱动方式的优化方法。分析结果表明:在圆柱形GMM上以交替分布的方式施加恒定的偏置磁场，优化磁轭结构，提高了超磁致伸缩材料磁场的均匀性与线性。在准动态条件下，分析超磁致伸缩结构的输出力的特征，通过空载位移和力输出实验，对超磁致伸缩结构的输入输出特性进行了验证。
　　(5)利用所设计的超磁致伸缩结构进行了预紧力的调整和滚珠丝杠静态刚度实验。结果表明，在一定驱动电流范围内，超磁致伸缩结构具有一定的线性工作区，在该工作区内超磁致伸缩结构的压磁方程近似认为是线性的，容易实现预紧力的及时调整。基于超磁致伸缩的滚珠丝杠预紧结构，通过预紧力的调节，可以有效提高滚珠丝杠副的轴向接触刚度，与理论上分析滚珠丝杠副接触刚度的结果是一致的。
　　本文构建了一种附加铰链杠杆的基于超磁致伸缩的滚珠丝杠副螺母预紧系统，提出了一种较为准确的基于亥姆霍兹线圈原理检测GMM中磁场的方法，以及GMM驱动方式的优化方法。本研究实现了将GMM的机械应变转换为滚珠丝杠螺母预紧力，并及时调整滚珠丝杠螺母预紧力的目标，为GMM应用于滚珠丝杠预紧提供了理论和实验基础。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 滚珠丝杠副的研究现状

1．2．2 滚珠丝杠副螺母预紧技术的研究现状

1．2．3 超磁致伸缩材料构成执行器用于输出位移或力的研究现状

1．2．4 超磁致伸缩材料多物理场耦合模型及其参数的研究现状

1．3 本课题的来源及主要研究内容

第2章 滚珠丝杠副螺母预紧力及轴向刚度分析

2．1 引言

2．2 滚珠丝杠副及其预紧结构形式

2．3 滚珠丝杠副螺母预紧力与轴向刚度关系分析

2．3．1 赫兹点接触理论

2．3．2 螺母所受轴向力与滚道法向力之间的关系

2．3．3 预紧力与外力作用下滚珠丝杠副的轴向弹性变形量

2．3．4 滚珠丝杠副螺母预紧条件下的轴向接触刚度

2．4 本章小结

第3章 基于超磁致伸缩的滚珠丝杠螺母预紧结构的设计与优化

3．1 引言

3．2 基于超磁致伸缩的滚珠丝杠螺母预紧结构方案设计

3．2．1 由多个分立式GMM构成预紧结构

3．2．2 中空圆柱形GMM构成的超磁致伸缩预紧结构

3．2．3 附加铰链-杠杆机构的单个GMM构成预紧结构

3．2．4 超磁致伸缩结构的磁路优化分析

3．2．5 三种预紧方案的特点对比

3．3 铰链-杠杆机构多体静力学分析

3．4 本章小结

第4章 预紧系统中电-磁-机多物理场参量的获取方法

4．1 引言

4．2 磁参量的获取

4．2．1 基于单线圈的GMM的B-H测量

4．2．2 基于单线圈的圆柱形GMM的磁参量检测

4．2．3 基于多线圈的圆柱形GMM的磁参量检测

4．3 电参量的获取

4．4 机械参量的获取

4．4．1 超磁致伸缩结构输出力的测量

4．4．2 超磁致伸缩结构输出位移的测量

4．5 本章小结

第5章 超磁致伸缩结构的设计与优化

5．1 引言

5．2 超磁致伸缩材料的驱动方式及优化

5．2．1 超磁致伸缩材料的驱动方式

5．2．2 超磁致伸缩材料的驱动方式优化

5．3 超磁致伸缩结构参数优化

5．3．1 超磁致伸缩材料的几何尺寸

5．3．2 超磁致伸缩材料的驱动线圈结构优化

5．3．3 超磁致伸缩材料预压应力的优化

5．3．4 超磁致伸缩结构参数的确定

5．4 超磁致伸缩结构的力学分析及输入-输出特性实验

5．4．1 超磁致伸缩结构力学分析

5．4．2 超磁致伸缩结构输入-输出特性实验

5．5 本章小结

第6章 滚珠丝杠副螺母预紧力及轴向刚度实验

6．1 滚珠丝杠副螺母预紧力的调整

6．2 滚珠丝杠副的轴向接触刚度测试

6．3 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 本文主要创新点

7．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文专利及参与的科研项目

致谢

英文论文及专利