一种具有自感知功能的滚珠丝杠副预紧力测控系统及方法与流程

本发明属于滚珠丝杠副预紧力自动测控的技术领域，尤其涉及一种具有自感知功能的滚珠丝杠副预紧力测控系统及方法。

背景技术：

装备制造业水平主要看机床，高性能的数控机床需要与之相匹配的高性能进给系统。滚珠丝杠副是数控机床进给系统的关键结合部，滚珠丝杠副间隙直接影响到数控机床实际运行精度与加工质量，然而，由于制造和装配的误差，滚珠丝杠副总存在间隙，同时滚珠丝杠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。预紧力的施加可以减少螺母组件内滚动体与滚道的轴向间隙、增加进给系统轴向刚度，减少使用中的振动及增加滚珠丝杠副的机械效率，十分重要。现在使用的预紧方法分为传统的预紧方法和现代的预紧方法。

传统的预紧方法常采用双螺母预紧，把弹性变形量控制在最小限度内，常用的双螺母消除轴向间隙的预紧结构型式主要有：双螺母垫片调隙式、双螺母螺纹调隙式和双螺母齿差调隙式三种；双螺母垫片调隙式通常采用在滚珠丝杠副的两个螺母之间加垫片，调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的，改变垫片的厚度可使双螺母获得不同的预紧力，其特点是结构简单，刚性高，预紧可靠及不易松弛，但是使用中不便随时调整预紧力；双螺母螺纹调隙式利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧，其特点是预紧力调整方便，使用中可随时调整，但是不能定量微调螺母，轴向尺寸长；双螺母齿差调隙式在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上，调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对位移，从而使滚珠螺母相对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动，达到消除间隙并施加预紧力的目的，其特点是可实现精密微调，预紧可靠不会松弛，调整预紧力方便，但加工和装配工艺复杂。

现代的预紧方法主要有电磁铁动态控制预紧和压电陶瓷致动器预紧；电磁铁动态控制滚珠丝杠预紧力的机构，通过控制输入电磁铁线圈中的电流来控制电磁铁和磁介质之间的磁力，实现对滚珠丝杠上的预紧力的控制，但是常因为缺乏足够大磁力的小尺寸磁铁，从而造成周围组件易被磁化，易产生涡流；压电陶瓷致动器调整滚珠丝杠预紧力的机构，输出力和位移相对较小，且层叠结构使其在受外力影响时产生漂移。

针对上述分析，传统的滚珠丝杠预紧方式无法实现预紧力的动态测量和控制，预紧力的大小在产品装配时调整到一固定值，在工作过程中不能随外部负载的变化而实时调整，也不能精确地补偿因磨损和发热变形引起的传动副间隙变化，不能满足高精度、稳定的机械传动要求；现代的预紧方式虽然实现了预紧力的动态调整，但是使用过程中受到各种条件限制，不能被广泛推广应用。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。

中国专利文献CN204512340U公开了一种预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副，包括丝杠和两个丝杠螺母，两个丝杠螺母均连接在丝杠上，其中一个丝杠螺母上设置有预紧螺母，另一个丝杠螺母与预紧螺母之间连接有沿周向均匀分布的超磁致伸缩致动器，每一个超磁致伸缩致动器的一端设置一个力传感器。预紧螺母用于设置双螺母滚珠丝杠副的初始预紧力，该预紧力的大小限定在负载的三分之一。该双螺母滚珠丝杠副采用超磁致伸缩棒的伸缩来增大或减小丝杠和两个螺母之间的预紧力，实现了滚珠丝杠自动预紧，安全可靠，提高了滚珠丝杠副传动的精度保持性和可靠性。该预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副虽然能实现滚珠丝杠副预紧力的自动调整，但是并不能实现预紧力的自感知，超磁致伸缩致动器与螺母之间设置的力传感器增加了安装与设计的复杂性。

中国专利文献CN104565253U公开了一种双螺母滚珠丝杠副自动预紧装置，包括预紧器和驱动电源，预紧器包括超磁致伸缩筒体、激励线圈、初始预紧螺栓和力传感器；超磁致伸缩筒体套装在双螺母滚珠丝杠副的丝杠上并处于双螺母滚珠丝杠副的两个螺母之间，超磁致伸缩筒体与一个螺母之间设置有力传感器，在一个螺母上设置初始预紧螺栓；激励线圈通过线圈架置于超磁致伸缩筒体的外部，双螺母滚珠丝杠副的两个螺母之间连接有防止两个丝杠螺母发生相对转动的螺柱；激励线圈与驱动电源中的数控恒流源连接；驱动电源，包括微处理器、DA转换器、数控恒流源和AD转换器。该专利实现了滚珠丝杠自动预紧，安全可靠，实现了滚珠丝杠预紧的自动化调整。但是该专利文献并不能实现预紧力的自感知。

由此可见，在现有技术中，对滚珠丝杠副的控制仅达到了自动化调整预紧力的程度，并不能实现在自动化调整之前对滚珠丝杠副预紧力的自感知；此外，现有的对滚珠丝杠副的自动预紧装置结构复杂，增加了安装使用的难度。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，克服现有滚珠丝杠副预紧力可控装置不能实现预紧力自感知功能、且结构复杂的问题，提出了一种具有自感知功能的滚珠丝杠副预紧力测控系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有自感知功能的滚珠丝杠副预紧力测控系统，包括预紧装置与测控装置，其中：

所述预紧装置为双端输出的对称结构，包括超磁致伸缩棒，所述超磁致伸缩棒安装于线圈骨架中心，所述线圈骨架外侧缠绕有拾取线圈和激励线圈，所述激励线圈的外侧设置永久磁铁，所述超磁致伸缩棒两端分别通过两块导磁块与磁轭连接，所述超磁致伸缩棒与两端的导磁块外部套有轴套，每块导磁块的外部均设置有一个输出顶杆，所述输出顶杆通过预紧螺母与非导磁外壳连接，所述输出顶杆与非导磁外壳之间还设置有蝶形弹簧与限位筒，所述限位筒位于蝶形弹簧的外侧，所述输出顶杆与非导磁外壳之间通过预紧螺母调整蝶形弹簧及限位筒施加可调整的预紧力来提高超磁致伸缩棒的伸缩性能。

所述测控装置，包括计算机控制系统、数控恒流源与模数转换器；所述计算机控制系统分别与数控恒流源、模数转换器连接；所述数控恒流源连接预紧装置中的激励线圈，使激励线圈中通入电流产生磁场，激励线圈产生的磁场作用在超磁致伸缩棒上；所述数模转换器与预紧装置中的拾取线圈连接，所述拾取线圈测量超磁致伸缩棒的电压信号，拾取线圈测量的电压信号经过模数转换器传输至计算机控制系统。

所述永久磁铁为筒状结构，永久磁铁为超磁致伸缩棒提供偏置磁场。

所述非导磁外壳内部设置有内螺纹。

所述超磁致伸缩棒设置于滚珠丝杠副的第一丝杠螺母与第二丝杠螺母之间，所述第一丝杠螺母与第二丝杠螺母通过平键相互连接，所述第一丝杠螺母与第二丝杠螺母通过滚珠与丝杠连接，所述超磁致伸缩棒两端的输出顶杆分别通过锁紧螺母、螺柱与第一丝杠螺母、第二丝杠螺母连接，所述锁紧螺母与第一丝杠螺母、第二丝杠螺母之间设置有垫片。

在预紧装置工作的过程中，超磁致伸缩棒采用组合式驱动方式：永久磁铁产生恒定的磁场为超磁致伸缩棒提供偏置磁场，防止倍频现象；激励线圈为该测控装置的超磁致伸缩棒提供驱动磁场，通过改变激励线圈的电流控制致动器输出预紧力的大小。

在测控装置工作过程中，激励线圈与数控恒流源相连，通过调整数控恒流源输出电流的大小改变激励线圈中电流的大小。电流的改变会引起激励线圈中驱动磁场的变化，进而控制超磁致伸缩棒作用在第一丝杠螺母与第二丝杠螺母之间的预紧力的大小，这时的超磁致伸缩棒为致动器，第一丝杠螺母与第二丝杠螺母对超磁致伸缩棒产生预紧力的反作用力，预紧力的反作用力又作用到超磁致伸缩棒上，引起超磁致伸缩棒中磁导率改变，这时超磁致伸缩棒作为传感器，变化后的磁导率使得激励线圈通过超磁致伸缩棒耦合后的磁感应强度发生改变，磁感应强度的变化通过预紧装置中的拾取线圈测量获得，拾取线圈输出的是反应磁感应强度变化的电压信号，电压信号经模数转换器反馈到计算机控制系统，拾取线圈通过获取预紧力变化引起的磁场改变实现滚珠丝杠副预紧力的自感知功能。控制系统通过改变数控恒流源输出电流的大小实现输出预紧力的控制。

基于上述系统的控制方法，具体步骤包括：

(1)计算机控制系统中预先设定目标预紧力，将目标预紧力通过计算机控制系统中的前馈逆补偿控制器，消除超磁致伸缩棒固有的磁致非线性对输出力的扰动；

(2)将目标预紧力与反馈的计算机控制系统中计算出的丝杠预紧力测控装置拾取线圈自身感知的实际预紧力相比较获得控制偏差，将控制偏差通过分数阶PI^λD^μ控制器，消除滚珠丝杠副预紧力测控装置在工作过程中受未知干扰产生的误差；

(3)将步骤(1)中的结果与步骤(2)中的结果求和，根据结果调整数控恒流源中输出到激励线圈中的电流大小，进而最终使滚珠丝杠预紧力测控系统的输出力大小满足预紧要求。

所述步骤(1)中，前馈逆补偿控制器采用已有前馈控制原理，基于扰动来消除扰动对被控对象的影响，在丝杠预紧力测控装置中把超磁致伸缩棒固有的磁滞非线性看作对输出的一种扰动动作，由系统的磁滞非线性模型计算出系统的逆磁滞模型，再根据逆模型确定前馈控制器的控制参数，实现对磁滞非线性的补偿。

所述步骤(2)中，所述分数阶PI^λD^μ控制器一共有五个参数K_P、K_I、K_D、λ和μ，其中K_P、K_I、K_D分别是比例、积分、微分增益，λ和μ为积分项和微分项的分数阶因子。

本发明的有益效果为：

(1)本发明以超磁致伸缩材料为核心，利用材料具有的正逆效应实现致动器和传感器功能。圆筒形永久磁铁为超磁致伸缩棒提供偏置磁场，一个线圈作为激励线圈为该测控装置的超磁致伸缩致动器提供驱动磁场，通过改变激励线圈的电流控制致动器输出预紧力的大小，另外一个线圈作为拾取线圈通过获取预紧力变化引起的磁场改变实现滚珠丝杠副预紧力的自感知功能；

(2)本发明的控制方法实现了精确的预紧力输出控制，采用前馈逆补偿控制器与分数阶PID反馈控制器相结合的控制方法，不仅仅能够消除超磁致伸缩棒固有的扰动的影响，同时还能够消除本系统在工作过程中收到的未知干扰产生的误差。

(3)本发明既能实现滚珠丝杠副预紧力发自感知又能实现预紧力的自动精确控制，提高了滚珠丝杠副的传动精度，使数控机床的运行精度和加工质量得到了保证。

附图说明

图1是本发明中预紧装置的结构示意图；

图2是本发明中测控装置的结构示意图；

图3是本发明中的控制方法原理图；

其中，1-输出顶杆，2-预紧螺母，3-非导磁外壳，4-蝶形弹簧，5-限位筒，6-磁轭，7-永久磁铁，8-激励线圈，9-线圈骨架，10-轴套，11-超磁致伸缩棒，12-拾取线圈，13-导磁块，14-锁紧螺母，15-垫片，16-第一丝杠螺母，17-螺柱，18-平键，19-第二丝杠螺母，20-丝杠，21-滚珠。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

一种具有自感知功能的滚珠丝杠副预紧力测控系统，包括预紧装置与测控装置，其中：

如图1所示的预紧装置结构示意图，所述预紧装置为双端输出的对称结构，包括超磁致伸缩棒11，所述超磁致伸缩棒11安装于线圈骨架9中心，所述线圈骨架9外侧缠绕有拾取线圈12和激励线圈8，所述激励线圈8的外侧设置永久磁铁7，所述超磁致伸缩棒11两端分别通过两块导磁块13与磁轭6连接，所述超磁致伸缩棒11与两端的导磁块13外部套有轴套10，每块导磁块13的外部均设置有一个输出顶杆1，所述输出顶杆1通过预紧螺母2与非导磁外壳3连接，所述非导磁外壳3内部设置有内螺纹，所述输出顶杆1与非导磁外壳3之间还设置有蝶形弹簧4与限位筒5，所述限位筒5位于蝶形弹簧4的外侧，所述输出顶杆1与非导磁外壳3之间通过预紧螺母2调整蝶形弹簧4及限位筒5施加可调整的预紧力来提高超磁致伸缩棒11的伸缩性能。

所述超磁致伸缩棒11设置于滚珠丝杠副的第一丝杠螺母16与第二丝杠螺母19之间，所述第一丝杠螺母16与第二丝杠螺母19通过平键18相互连接，所述第一丝杠螺母16与第二丝杠螺母19通过滚珠21与丝杠20连接，所述超磁致伸缩棒11两端的输出顶杆1分别通过锁紧螺母2、螺柱17与第一丝杠螺母16、第二丝杠螺母19连接，所述锁紧螺母2与第一丝杠螺母16、第二丝杠螺母19之间设置有垫片15。

所述永久磁铁7为筒状结构，永久磁铁7产生恒定的磁场为超磁致伸缩棒11提供偏置磁场。

在预紧装置工作的过程中，超磁致伸缩棒11采用组合式驱动方式：永久磁铁7产生恒定的磁场为超磁致伸缩棒11提供偏置磁场，防止倍频现象；激励线圈8为该测控装置的超磁致伸缩棒11提供驱动磁场，通过改变激励线圈的电流控制超磁致伸缩棒11输出预紧力的大小。

如图2所示的本发明中测控装置的结构示意图，所述测控装置，包括计算机控制系统、数控恒流源与模数转换器；所述计算机控制系统分别与数控恒流源、模数转换器连接；所述数控恒流源连接预紧装置中的激励线圈，使激励线圈中通入电流产生磁场，激励线圈产生的磁场作用在超磁致伸缩棒上；所述模数转换器与预紧装置中的拾取线圈连接，所述拾取线圈测量超磁致伸缩棒的电压信号，拾取线圈测量的电压信号经过模数转换器传输至计算机控制系统。

在测控装置工作的过程中，数控恒流源根据计算机控制系统输出的信号调整激励线圈的控制电流I，激励线圈上流过的电流I变化引起磁场H的变化，变化的磁场作用到超磁致伸缩棒上引起超磁致伸缩棒位移的变化，因为两端第一丝杠螺母16与第二丝杠螺母19的机械约束产生不同的预紧力F；同时，第一丝杠螺母16与第二丝杠螺母19对超磁致伸缩棒11产生预紧力的反作用力F’又作用到超磁致伸缩棒11上，引起超磁致伸缩棒11磁导率的改变，超磁致伸缩棒11变化后的磁导率使得激励线圈8通过超磁致伸缩棒11耦合后的磁感应强度B发生改变，通过拾取线圈12测量变化的磁感应强度B，拾取线圈12输出的是反应磁感应强度B变化的电压信号，电压信号经模数转换器转换为数字信号输送给计算机控制系统，进而计算出磁感应强度和超磁致伸缩棒上的磁化强度，求解出滚珠丝杠副的预紧力，这里求解出的力为滚珠丝杠副预紧装置的输出力，根据目标预紧力与输出力的误差大小，确定计算机控制系统传输给数控恒流源的输出控制电流信号，由该控制电流I调整激励线圈的磁场H，最终使滚珠丝杠预紧力测控系统的输出力大小满足预紧要求。

一种具有自感知功能的滚珠丝杠副预紧力测控系统采用如图3所示的控制方法实现精确的预紧力输出控制，该控制方法结合了前馈逆补偿控制与反馈控制，在前馈逆补偿控制中采用前馈逆补偿控制器，在反馈控制中采用分数阶PI^λD^μ控制器，具体步骤包括：

(1)前馈逆补偿控制：计算机控制系统中预先设定目标预紧力，将目标预紧力通过计算机控制系统中的前馈逆补偿控制器，消除超磁致伸缩棒固有的磁致非线性对输出力的扰动；

(2)反馈控制：将目标预紧力与反馈的计算机控制系统中计算出的丝杠预紧力测控装置拾取线圈自身感知的实际预紧力相比较获得控制偏差，将控制偏差通过分数阶PI^λD^μ控制器，消除滚珠丝杠副预紧力测控装置在工作过程中受未知干扰产生的误差；

(3)将步骤(1)中的结果与步骤(2)中的结果求和，根据结果调整数控恒流源中输出到激励线圈中的电流大小，进而最终使滚珠丝杠预紧力测控系统的输出力大小满足预紧要求。

所述步骤(1)中，前馈逆补偿控制器采用已有前馈控制原理，基于扰动来消除扰动对被控对象的影响，在一种具有自感知功能的滚珠丝杠副预紧力测控系统中把超磁致伸缩棒固有的磁滞非线性看作对输出的一种扰动动作，由系统的磁滞非线性模型计算出系统的逆磁滞模型，再根据逆模型确定前馈控制器的控制参数，实现对磁滞非线性的补偿。

所述步骤(2)中，反馈控制器采用分数阶PI^λD^μ控制器，主要用来消除丝杠预紧力测控装置在工作过程中受未知干扰产生的误差，目标预紧力与通过丝杠预紧力测控装置拾取线圈自身感知的实际预紧力相比较获得控制偏差，用这个误差来纠正滚珠丝杠预紧力测控系统的响应，执行分数阶PI^λD^μ控制器的调节控制，分数阶PI^λD^μ控制器的结构如图3虚线框中所示，所述分数阶PI^λD^μ控制器一共有五个参数K_P、K_I、K_D、λ和μ，其中K_P、K_I、K_D分别是比例、积分、微分增益，λ和μ为积分项和微分项的分数阶因子。与经典整数阶PID控制器相比多了两个可调节参数λ和μ。因此，分数阶PI^λD^μ控制器用于基于超磁致伸缩材料具有非线性特性的滚珠丝杠预紧力控制系统，增加了调节范围，使得对受控对象的控制更加灵活和精确，获得比传统整数阶PID控制器更好的动态性能，提高了滚珠丝杠预紧力系统的鲁棒性及总体控制性能。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。