超磁致伸缩滚珠丝杠副智能预紧技术林明星鞠晓君王庆东_林明星鞠晓君王庆东_9787111741831

近年来，机床技术及相关产业快速发展，大大提高了高端数控机床的传动精度和加工精度。本书聚焦于数控机床关键功能部件的智能预紧技术，主要内容包括：超磁致伸缩与超磁致伸缩致动器、滚珠丝杠副超磁致伸缩预紧系统设计与优化、超磁致伸缩预紧系统多场仿真分析、超磁致伸缩预紧系统的特性研究、超磁致伸缩预紧系统的建模理论、超磁致伸缩预紧结构智能控制技术和超磁致伸缩预紧滚珠丝杠副应用性能研究。
本书适合机械设计及其自动化、机械电子、智能制造、自动化等专业的高校师生学习，也可供从事数控机床制造和设计的工程技术人员参考。

机床被称为工业母机，是近现代工业发展的基础。数控机床（尤其是高端数控机床）的发展水平是一个国家科技水平的重要体现之一，可以有力促进工业的发展，提升其制造业在全世界的竞争力。我国十四五规划提出：增强制造业竞争优势，推动制造业高质量发展。深入实施智能制造和绿色制造工程，发展服务型制造新模式，推动制造业高端化智能化绿色化。培育先进制造业集群，推动集成电路、航空航天、船舶与海洋工程装备、机器人、先进轨道交通装备、先进电力装备、工程机械、高端数控机床、医药及医疗设备等产业创新发展。数控机床主要由机床本体及控制系统组成。机床本体主要包括：主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件等。这些部件的性能在很大程度上决定和制约着数控机床的性能。随着计算机技术、电子技术、材料科学及信息技术的发展，高端数控机床已成为跨学科，多领域技术交叉发展、融合应用的载体。
高端数控机床本体除要求具有高性能的主轴系统外，还要求具有与之相匹配的高性能进给系统。随着装备制造业向大型、高端精密等极端制造方向扩展，大型装备急需高可靠性的核心传动部件供给。高速精密滚珠丝杠副传动具有高效快速、节省能源、零间隙、高刚度传动、跟踪灵敏、不污染环境且对环境的适应性强等特点，已经成为各类机床中不可替代的传动装置。然而，由于制造和装配的误差，滚珠丝杠副总是存在间隙，同时在轴向载荷的作用下，滚珠和螺纹滚道接触部位会产生弹性变形，滚珠丝杠与螺母间隙的大小会直接影响到数控机床实际加工的精度，为此，应尽量设法予以消除或减小。在数控机床装配中，广泛采用预紧力消除滚珠丝杠传动的间隙。滚珠丝杠预紧力是滚珠丝杠副中产生丝杠摩擦力矩的主要参数，对螺母施加预紧力，可以提高滚珠丝杠副的轴向刚度和定位精度。
传统滚珠丝杠副预紧力一般由生产厂家预先设定，加工过程中不能自动调整，但长时间的工作磨损会引起预紧力大小的变化，降低传动精度，维护时需人工拆卸预紧装置，重新调整，人力物力成本高。传统采用测量扭矩的方式计算获得的预紧力，不能直接、准确地反映滚珠丝杠副预紧力的数值。由于预紧力在丝杠出厂时已设定在某一数值，运行时的预紧力不能根据外部载荷的大小而动态调整，难以补偿因磨损和温升带来的间隙，致使传动精度降低，达不到高性能机械传动系统的要求。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。
本书主要研究滚珠丝杠副智能预紧技术，通过超磁致伸缩致动器等新型功能装置的研究，实现滚珠丝杠副智能预紧，主要内容包括：超磁致伸缩与超磁致伸缩致动器、滚珠丝杠副超磁致伸缩预紧系统设计与优化、超磁致伸缩预紧系统多场仿真分析、超磁致伸缩预紧系统的特性研究、超磁致伸缩预紧系统的建模理论、超磁致伸缩预紧结构智能控制技术和超磁致伸缩预紧滚珠丝杠副应用性能研究。书中的研究内容是在国家自然科学基金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（项目批准号：51475267）资助下完成的，详细论述了超磁致伸缩预紧系统的设计并进行了多场耦合仿真分析，还论述了超磁致伸缩预紧结构智能控制技术并进行实验验证。本书兼顾系统理论与实际可操作性，对数控机床制造和设计从业者，以及相关专业的在校学生具有很高的参考价值。
本书由山东大学林明星、枣庄学院鞠晓君、鲁东大学王庆东合著。感谢课题组其他老师和同学们的帮助，感谢国家自然科学基金的资助。本书参考了国内外专家的研究成果，在此一并表示感谢。
由于作者水平有限，书中不足之处在所难免，敬请读者批评指正。

前言
第1章超磁致伸缩与超磁致伸缩致动器1
1.1 超磁致伸缩的发生机理1
1.2 超磁致伸缩材料及其特性2
1.2.1 稀土铁系超磁致伸缩材料的应用特性2
1.2.2 机电耦合特性3
1.2.3 动态特性3
1.2.4 热特性4
1.2.5 压应力特性4
1.3 超磁致伸缩致动器的发展及应用4
第2章滚珠丝杠副超磁致伸缩预紧系统设计与优化8
2.1 双螺母滚珠丝杠副预紧原理与受力分析8
2.1.1 双螺母滚珠丝杠副预紧原理9
2.1.2 双螺母滚珠丝杠副预紧受力分析10
2.2 滚珠丝杠副超磁致伸缩预紧系统结构设计13
2.2.1 超磁致伸缩致动器结构设计13
2.2.2 超磁致伸缩预紧系统结构设计32
2.3 超磁致伸缩结构的磁路优化分析35
2.3.1 超磁致伸缩结构中电磁场的近似计算35
2.3.2 超磁致伸缩结构的电磁场有限元分析36
2.4 两种预紧结构特点分析39
第3章超磁致伸缩预紧系统多场仿真分析41
3.1 超磁致伸缩预紧系统结构静力学分析41
3.1.1 铰链-杠杆机构多体静力学分析41
3.1.2 CGMA结构静力学分析44
3.2 超磁致伸缩预紧系统的磁场研究46
3.2.1 棒状超磁致伸缩预紧系统磁场研究46
3.2.2 筒状超磁致伸缩预紧系统磁场研究59
3.3 超磁致伸缩预紧系统的温度场仿真分析64
3.3.1 棒状GMA温度场分析64
3.3.2 CGMA温度场分析66
第4章超磁致伸缩预紧系统的特性研究72
4.1 棒状GMA输出特性72
4.1.1 棒状GMA测控系统72
4.1.2 棒状GMA的位移输出特性72
4.1.3 棒状GMA的力输出特性72
4.2 CGMA输出特性76
4.2.1 CGMA测控系统76
4.2.2 CGMA的静态输出特性79
4.2.3 CGMA的动态输出特性82
4.3 超磁致伸缩预紧系统的热特性分析84
4.3.1 自然对流时的测量结果分析84
4.3.2 油冷时的测量结果分析85
第5章超磁致伸缩预紧系统的建模理论88
5.1 超磁致伸缩预紧系统的磁滞建模88
5.1.1 CGMA准静态位移模型建立89
5.1.2 磁滞非线性模型求解90
5.2 超磁致伸缩预紧系统的参数辨识92
5.2.1 基于差分进化算法的模型参数辨识92
5.2.2 参数辨识及实验研究94
5.3 超磁致伸缩结构的力学分析与系统线性区建模99
5.3.1 超磁致伸缩结构力学分析 99
5.3.2 超磁致伸缩结构输入输出特性实验102
5.3.3 筒状超磁致伸缩自动预紧系统的线性区建模分析104
第6章超磁致伸缩预紧结构智能控制技术112
6.1 超磁致伸缩预紧输出跟踪系统控制器设计112
6.1.1 CGMA系统的紧格式线性化参数模型113
6.1.2 CGMA的无模型自适应控制器设计113
6.1.3 伪偏导数估计算法114
6.2 筒状超磁致伸缩自动预紧系统控制仿真研究115
6.2.1 CGMA的控制仿真分析115
6.2.2 筒状超磁致伸缩自动预紧系统的控制仿真117
6.3 筒状超磁致伸缩自动预紧系统控制实验研究119
6.3.1 筒状超磁致伸缩自动预紧系统的MFAC实验研究120
6.3.2 MFAC与PID控制的对比实验研究122
第7章超磁致伸缩预紧滚珠丝杠副应用性能研究125
7.1 基于棒状GMA预紧滚珠丝杠副的性能分析125
7.1.1 滚珠丝杠副螺母预紧力的调整125
7.1.2 滚珠丝杠副的轴向接触刚度测试127
7.2 基于CGMA自动预紧滚珠丝杠副的性能分析129
7.2.1 基于CGMA自动预紧滚珠丝杠副的轴向变形分析129
7.2.2 基于CGMA自动预紧滚珠丝杠副的预紧力与刚度测试分析132
7.2.3 基于CGMA自动预紧滚珠丝杠副的摩擦力矩与振动特性测试分析136
参考文献141

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