本文選題：超磁致伸縮　切入點：滾珠絲杠副螺母預(yù)緊　出處：《山東大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：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)緊的機理方法,以提供較大預(yù)緊力,并且實現(xiàn)預(yù)緊力的準確自動調(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)用于滾珠絲杠螺母預(yù)緊這條主線,進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)緊滾珠絲杠副的剛度進行了分析。(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)進行了對比,確定了附加鉸鏈-杠桿機構(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)緊用的機械結(jié)構(gòu)進行了多體靜力學(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的激勵電流而進行調(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磁場的均勻性與線性。在準動態(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)的輸入輸出特性進行了驗證。(5)利用所設(shè)計的超磁致伸縮結(jié)構(gòu)進行了預(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),可以有效提高滾珠絲杠副的軸向接觸剛度,與理論上分析滾珠絲杠副接觸剛度的結(jié)果是一致的。本文構(gòu)建了一種附加鉸鏈杠桿的基于超磁致伸縮的滾珠絲杠副螺母預(yù)緊系統(tǒng),提出了一種較為準確的基于亥姆霍茲線圈原理檢測GMM中磁場的方法,以及GMM驅(qū)動方式的優(yōu)化方法。本研究實現(xiàn)了將GMM的機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為滾珠絲杠螺母預(yù)緊力,并及時調(diào)整滾珠絲杠螺母預(yù)緊力的目標,為GMM應(yīng)用于滾珠絲杠預(yù)緊提供了理論和實驗基礎(chǔ)。
[Abstract]:The effect of axial deformation under the working load of ball screw ball and raceway generated at the elastic, or the existence of ball screw in the axial clearance, will directly affect the ball screw positioning or transmission accuracy, and makes the ball screw stiffness decreased. In order to eliminate the axial clearance of ball screw, the axial rigidity the degree of ball screw bearing, a pre tightening structure between the ball screw and nut, and the initial load is applied between the double nut, causing a certain axial pressure between the two (i.e. preload) makes the axial displacement of the double nut, so as to reduce the axial clearance, improve the stiffness of the. The preload is too small, not to reduce the gap and improve the rigidity of the role, and the pretightening force of Congress to make the no-load friction torque increases rapidly, rolling wear intensifies, reduce the ball screw life. Therefore the pretightening force must be controlled In a certain range. For the timely adjustment problems of ball screw preload method can not be achieved by traditional pretightening force, in-depth study on the realization mechanism of ball screw tightening method using functional materials, to provide a larger preload, accurate automatic adjustment and preload, a precision ball screw positioning or drive a key problem of science and technology. This paper will focus on the giant magnetostrictive material (Giant Magnetostrictive Material, abbreviated as GMM) is applied to the ball screw nuts of the main line, analyzed the stiffness of the ball screw vice pretightening force and axial preload, modeling structure, detection of multi physical field parameters. Modeling of giant magnetostrictive structures, as well as the pretightening force and static stiffness test. (1) the ball screw axial stiffness depends on screw characteristics, pre load and working conditions. In view of the friction between the ball and the raceway The raceway is much smaller than the pressure, thus neglecting friction effect. Through the analysis of the nut by working load and axial pre tightening force and roll to the relation between force and raceway contact points to deformation and nuts with respect to the relationship between the axial displacement of double screw, nut ball screw preload the stiffness was analyzed. (2) the distribution of energy from the structure features, the electromagnetic field analysis of several aspects of the magnetostrictive three ball screw nut tightening structure based on the comparison, determine the pre tightening structure of single cylindrical GMM additional hinge - lever mechanism consisting of the magnetic structure of GMM the analysis and simulation, to understand the distribution of magnetic field in the magnetic circuit of the GMM, and the mechanical structure of the preload are analyzed by multibody statics, in order to ensure the structure of the allowable stress, strain and deformation of the structure is realized. Transfer to the mechanical strain of ball screw nut GMM pre tightening force, pre tightening force can be adjusted conveniently by regulating the excitation current of GMM. (3) super magnetostrictive structure of cylindrical GMM is placed in a limited volume of cavity space, magnetic parameters of the detection coil placed in finite cavity to obtain GMM (B, H), the driving magnetic field induced magnetic field and the original GMM detection coil produces transformer, in order to minimize the influence of mutual inductance, magnetic parameters to obtain more accurate GMM, in the B-H curve based single coil to obtain GMM, proposed by the Helmholtz coil principle, design method for detecting coil GMM magnetic parameters, and the testing process is simulated. The results show that as the two Helmholtz coil, detection method of placing detection coil in the middle, can effectively reduce the detection coil and drive the movable coil transformer, Comparison of detection for GMM flux limited space inside the cavity. (4) cylindrical GMM as the research object, the optimization design of giant magnetostrictive structure composed of the magnetostrictive, determine the structure parameters. Including GMM geometry, drive mode, the drive coil structure, pre stress and other aspects in order to. To improve the GMM magnetic field uniformity and linearity, mainly consider the driving way of optimization methods. The analysis results show that the bias magnetic field in the cylindrical GMM in alternating distribution of applied constant, optimization of magnetic yoke structure, improve the super magnetostrictive material of magnetic field uniformity and linearity. The quasi dynamic conditions, characteristics analysis of the output force of the magnetostrictive structure, the load displacement and force output experiment, the input and output characteristics of giant magnetostrictive structure was verified. (5) the design of ultra magnetostriction structure Adjust the preload and the ball screw static stiffness test. The results showed that in a certain range of driving current, the magnetostrictive structure has a linear region of piezomagnetic equation of magnetostrictive structure in the work area is approximately linear, easy to adjust the preload ball. Screw tightening structure based on magnetostrictive, by adjusting the pretightening force, can effectively improve the axial contact stiffness of the ball screw, and the theoretical analysis results of ball screw contact stiffness is consistent. This paper constructs a magnetostrictive ball screw nut tightening system based on an additional hinge chain lever, puts forward a method of magnetic field detection of GMM based on the principle of Helmholtz coil is more accurate, and the GMM driving mode optimization method. This research realized the mechanical strain of GMM for ball screw The pretightening force of the nut and the timely adjustment of the pre tightening force of the ball screw nut provide the theoretical and experimental basis for the application of GMM to the ball screw pretightening.

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH132

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 肖正義;滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)與性能發(fā)展動態(tài)[J];機電信息;2001年09期

2 魏德耀;;滾珠絲杠副及其熱處理[J];金屬加工(熱加工);2008年19期

3 叢志鵬;;滾珠絲杠副的安裝與維護[J];設(shè)備管理與維修;2009年03期

4 馮勇敢;查初亮;張懷存;;一種新型高速滾珠絲杠副返向器的設(shè)計[J];機電信息;2012年06期

5 ;外循環(huán)滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計[J];機床情報;1973年01期

6 B.Г.Беляев ,秦文正 ,郭德};滾珠絲杠副的設(shè)計[J];機床;1980年10期

7 王勇衛(wèi);引進國外先進技術(shù)提高滾珠絲杠副的水平[J];機床;1988年05期

8 趙明晶;;精密步進滾珠絲杠副的研制[J];光學(xué)機械;1988年01期

9 黃祖堯,肖正義;精密滾珠絲杠副的選用計算[J];機床;1989年06期

10 黃祖堯;;國外滾珠絲杠副技術(shù)發(fā)展動向[J];新技術(shù)新工藝;1991年04期

相關(guān)會議論文 前3條

1 黃祖堯;;精密高速滾珠絲杠副的發(fā)展及其應(yīng)用[A];制造業(yè)與未來中國——2002年中國機械工程學(xué)會年會論文集[C];2002年

2 翟建軍;王召穎;;三點檢測法檢測數(shù)控機床滾珠絲杠副故障[A];第八屆全國設(shè)備與維修工程學(xué)術(shù)會議、第十三屆全國設(shè)備監(jiān)測與診斷學(xué)術(shù)會議論文集[C];2008年

3 楊錦斌;;絲杠支承預(yù)緊量化,提升數(shù)控機床品質(zhì)[A];2007年全國機電企業(yè)工藝年會《星火機床杯》工藝創(chuàng)新發(fā)展綠色制造節(jié)約型工藝有獎?wù)魑目萍颊撐募痆C];2007年

相關(guān)重要報紙文章 前6條

1 ;南京工藝復(fù)合、重載滾動功能部件新品亮相 CCMT2012[N];機電商報;2012年

2 黃祖堯;海外滾動功能部件產(chǎn)品的新發(fā)展[N];機電商報;2006年

3 龔益;南京工裝滾動功能部件實現(xiàn)全面升級[N];中國工業(yè)報;2011年

4 ;高品質(zhì)、高精度、高性能、產(chǎn)業(yè)化[N];中國工業(yè)報(中國機電日報 );2004年

5 小文;濟寧博特：走過40年激情燃燒的歲月[N];中國工業(yè)報;2006年

6 劉杰 由慶祝;國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)品用戶滿意度提高[N];中國工業(yè)報;2003年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 張筱辰;滾珠絲杠副服役壽命預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究[D];西南交通大學(xué);2015年

2 徐楠楠;雙螺母預(yù)緊式滾珠絲杠副的摩擦及其磨損研究[D];東南大學(xué);2016年

3 郭亮;基于表征學(xué)習(xí)的滾珠絲杠副系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與性能評估技術(shù)研究[D];西南交通大學(xué);2016年

4 王慶東;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[D];山東大學(xué);2017年

5 姜洪奎;大導(dǎo)程滾珠絲杠副動力學(xué)性能及加工方法研究[D];山東大學(xué);2007年

6 張佐營;高速滾珠絲杠副動力學(xué)性能分析及其實驗研究[D];山東大學(xué);2008年

7 黃海鳳;數(shù)控機床滾珠絲杠副性能退化機理與評估技術(shù)研究[D];西南交通大學(xué);2013年

8 許向榮;滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進給單元動態(tài)性能研究[D];山東大學(xué);2011年

9 牟世剛;高速螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副動力學(xué)特性研究[D];山東大學(xué);2013年

10 方兵;精密數(shù)控機床及其典型結(jié)合面理論建模與實驗研究[D];吉林大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 韓新健;高速滾珠絲杠副摩擦性能分析及實驗研究[D];蘭州理工大學(xué);2011年

2 劉劍;高速滾珠絲杠副綜合性能的試驗研究[D];山東大學(xué);2005年

3 王軍崗;非哥特式橢圓滾道的滾珠絲杠副動力學(xué)仿真與分析[D];山東建筑大學(xué);2015年

4 杜興苗;數(shù)控機床滾珠絲杠副的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究[D];青島理工大學(xué);2015年

5 李澤峰;滾珠絲杠副接觸疲勞行為的研究[D];南京理工大學(xué);2015年

6 孫志平;滾珠絲杠副綜合性能測量試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計及試驗方法研究[D];南京理工大學(xué);2015年

7 戴鵬;滾珠絲杠副精度損失及其試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計[D];南京理工大學(xué);2015年

8 丁聰;滾珠絲杠副壽命試驗裝置設(shè)計及評估方法研究[D];南京理工大學(xué);2015年

9 徐益飛;精密滾珠絲杠副可靠性試驗及評估方法研究[D];南京理工大學(xué);2015年

10 時超;滾珠絲杠副伺服加載測試系統(tǒng)設(shè)計[D];南京理工大學(xué);2015年

，

本文編號：1681451