基于超磁致伸缩的高精度滚珠丝杠副传动智能预紧系统原理及应用研究

With the rapid development of CNC machine and machining center, the pre-tightening technique is becoming more and more essential for ball screw. One of the most promising technologies is giant magnetostrictive actuator that has attracted prospect in precision mechanical transmission and location field. However, the inherent magnetic hysteresis characteristics and multi-field coupling degrade the application of giant magnetostrictive actuator. This project aims to achieve intelligent control of pre-tightening force on ball screw based on giant magnetostrictive actuator. Firstly, based on the analysis the relationship of pre-tightening force, dynamic load and the contact stiffness, thermal deformation, it builds the pre-tightening dynamic control model for ball screw that meets the requirements of high rigidity and high precision. Secondly, it explores the positive and inverse effects of giant magnetostrictive materials and the coupling mechanism of multiple physical fields and builds a dynamic coupling electric-magnetic- machine-thermal model that indicates the power transmission relationship between the output of giant magnetostritive actuator and pre-tightening force on ball screw, to reduce the order of this nonlinear model and identify the parameters. Finally, it constructs an intelligent pre-tightening system for ball screw that integrates the functions of load driving, pre-tightening force and temperature detection by exploring the power transmission relationship of the output of giant magnetostritive actuator and pre-tightening force on ball screw. The project will provide theoretical foundation and technology support for the design of high-performance ball screw drive system.

随着数控机床、加工中心向高速、高精、高效方向不断发展，对滚珠丝杠副预紧技术提出了越来越高的要求。超磁致伸缩致动器在精密机械传动与定位等领域具有良好的应用前景，然而其固有的磁滞回特性及多场耦合特性限制了超磁致伸缩致动器的发展和应用。本项目旨在基于超磁致伸缩致动器实现对滚珠丝杠副传动预紧力的智能控制。研究滚珠丝杠副预紧力、动态负载与螺母副接触刚度、热变形之间的关系，建立满足高刚度、高精度滚珠丝杠副传动要求的预紧力动态控制模型；研究超磁致伸缩材料的磁致伸缩正逆效应及多物理场耦合机理，建立超磁致伸缩致动器输出与丝杠预紧力之间的电-磁-机-热多物理场的动态耦合模型，对非线性的动态耦合模型进行降阶及参数辨识；研究超磁致伸缩致动器输入与滚珠丝杠预紧力的动力传递关系，构建集驱动负载、预紧力、温度检测于一体的超磁致伸缩驱动的滚珠丝杠传动智能预紧系统，为设计高性能滚珠丝杠副传动系统提供理论基础和技术支持。

利用精密微位移致动器及其驱动技术实现对滚珠丝杠预紧力的实时调整和控制，一直是行业内解决这一工程实际问题的努力方向。项目基于双螺母滚珠丝杠副垫片预紧原理及超磁致伸缩驱动原理地提出了一种基于超磁致伸缩的高精度滚珠丝杠副传动智能预紧技术。主要研究内容总结如下：. 1．研究了预紧力和轴向工作载荷对轴向刚度的影响机理，建立了滚珠丝杠副的轴向接触刚度模型；分析了滚道磨损与预紧力衰退的关系，建立了高负载下滚珠丝杠副滚道磨损模型。. 2．研究了超磁致伸缩正逆效应机理、多场耦合关系及磁滞非特性，建立了超磁致伸缩磁滞非线性耦合模型，进而对超磁致伸缩致动器的模型进行了参数辨识研究。. 3．完成了滚珠丝杠副预紧的棒状与筒状超磁致伸缩致动器的设计；研究了超磁致伸缩致动器在磁场、温度场等影响下的动静态输出特性，揭示不同预紧力、不同频率下输入与输出之间的变化规律。. 4．建立了超磁致伸缩致动器的动力学模型，研究了设计参数和动态性能间的关系；提出了超磁致伸缩预紧系统的紧格式无模型自适应控制策略，并研究了其控制效果。. 5．利用棒状与筒状超磁致伸缩致动器研制了两套超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧试验台，进行了预紧系统主要性能的试验研究与超磁致伸缩智能预紧可行性的验证。. 研究的重要结论性成果、关键数据：. 1．提出了基于超磁致伸缩的高精度滚珠丝杠副传动智能预紧系统及其自动预紧实现方法，并获得自主知识产权发明专利。. 2．研究表明：基于超磁致伸缩的高精度滚珠丝杠副传动智能预紧系统及其预紧实现方法，可实时调整预紧力，有效提高预紧力的变化范围。与当前国内外实现智能预紧的微动系统相比，具有输出力大、可调范围广、性能稳定等优点，是其他微动预紧系统无法比拟的。. 科学意义：项目技术为不同预紧力对滚珠丝杠副性能影响提供了一种新的方法，对设计高性能滚珠丝杠副传动系统、提高精度具有重要意义，若应用于数控机床精密传动领域，势必推动高端数控装备行业的快速发展。