CN108916336A - 一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠及其控制方法，所述行星滚柱丝杠包括弹性螺母、丝杠、滚柱、内齿圈、滚柱固定架、预紧调节装置、电磁线，弹性螺母包括由内到外依次设有外壳层、弹性层和内衬层，内齿圈、滚柱固定架依次设置在弹性螺母内孔的外端，丝杠贯穿弹性螺母，滚柱的中部分别与弹性螺母和丝杠啮合，滚柱的两端分别穿过滚柱固定架。滚柱的两端外侧还过盈连接有预紧调节装置，电磁线嵌入式缠绕在部分螺纹牙底或齿牙底，相邻两条电磁线通入异向电流，用于产生同向磁场，进而产生排斥力，以此抵消相互的支撑力，进而减小摩擦，提高速度和精度并且降低损耗。

Description

一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠及其控制方法

技术领域

本发明属于机械传动技术领域，具体涉及一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠及其控制方法。

背景技术

目前，广泛应用的作动系统主要有机电、液压、气压和机械作动系统。机电作动系统相对于其他三种作动系统具有高可靠性、高效率、重量轻和更好的可维修性等优点。因此，机电作动系统将成为未来作动系统发展的一个重要方向。

作动缸是机电作动系统的一个重要组成部分，是实现机电作动系统功能的主要执行部分。目前，作动缸采取的主要执行机构为滑动丝杠、滚珠丝杠和滚柱丝杠。而行星滚柱丝杠副作为主要的执行机构之一，可实现旋转运动与直线运动的相互转化，具有高承载能力、高强度、高可靠性、寿命长、振动小、噪声低、螺母和螺杆易分离等优点。

但是行星滚柱丝杠主要由丝杠、滚柱和螺母组成，由于采用了带有螺纹的滚柱取代了滚珠作为传力单元，与滚珠丝杠相比，其传力单元具有更大的接触半径和更多的接触点，因此在额定载荷、刚度、速度、寿命都得到提高，现有行星滚柱丝杠产品均能实现旋转运动和直线运动的相互转化，既能将螺母的旋转运动与丝杠的直线运动相互转化，又能实现螺母的直线运动与丝杠的旋转运动之间的相互转化。并且由于其具有大推力、高精度、高频响、高效率、长寿命等突出优点，被广泛应用于航空航天、武器装备等军事领域和数控机床、工程机械等民用领域，将逐步取代滚珠丝杠成为直线伺服系统的首选零部件。

然而现有技技术大多对行星滚柱丝杠虽然在灵活性做了很大的改进，但是仍然难以降低行星滚柱丝杠在运行中的摩擦损耗，传统的油润滑大多是人为操作，比较依赖个人经验，缺乏系统科学的操作系统。

发明内容

针对以上存在的技术问题，本发明提供一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠及其控制方法。

本发明的技术方案为：一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠，包括弹性螺母、丝杠、滚柱、内齿圈、滚柱固定架、预紧调节装置、电磁线，所述弹性螺母包括外壳层、弹性层和内衬层，所述内衬层的外表面设有内螺纹，内衬层通过所述弹性层与所述外壳层连为一体结构，所述内齿圈设有两个，分别固定在弹性螺母的内孔的两端，所述滚柱固定架设有两个，分别安装在两个内齿圈的内孔外端一侧，滚柱固定架上周向均匀开设有固定孔，所述滚柱设有6-12个，滚柱行星布设在内衬层的内侧，滚柱中部的外螺纹与内衬层的内螺纹间隙配合，滚柱的两端由内到外分别为齿部、光部和螺纹部，所述齿部分别与内齿圈的内齿相啮合，所述光部分别置于两个滚柱固定架的固定孔内，所述螺纹部延伸至固定孔的外部，并分别与所述预紧调节装置一一对应连接，所述丝杠贯穿于所述双层螺母，丝杠的外螺纹与滚柱中部的外螺纹间隙配合，所述电磁线分别嵌入式缠绕在内衬层的内螺纹、丝杠的外螺纹、滚柱中部的外螺纹、滚柱两端的齿部、内齿圈内齿的螺纹牙底或齿牙底。

进一步地，所述预紧调节装置包括楔形调节头、应变片、通孔，所述通孔贯穿楔形调节头的大头端和小头端，且通孔内表面设有内螺纹，楔形调节头的外表面设有外螺纹，并与丝杠的外螺纹间隙配合，楔形调节头的外螺纹牙底嵌入式缠绕着电磁线，楔形调节头的大头端靠近滚柱方向，并通过通孔与滚柱两端的螺纹部过盈配合，所述应变片内嵌在楔形调节头内部，用于传输楔形调节头内压信号至计算机控制终端。用于平衡电磁线产生的向外扩张的斥力，预紧调节装置内部通孔与滚柱外端的螺纹部过盈连接，防止其发生相对转动。

进一步地，所述内衬层的内螺纹、丝杠的外螺纹、内齿圈的内齿内的电磁线通入的方向相同的电流一，滚柱中部的外螺纹、楔形调节头的外螺纹、滚柱两端的齿部内的电磁线通入的方向相同的电流二，所述电流一与电流二方向相反大小相等。利用异向电流产生同向磁场，从而产生斥力，以此抵消相互的支撑力，进而减小摩擦，提高速度和精度并且降低损耗。

进一步地，所述弹性层为波浪形结构的弹性应变片，所述弹性应变片的组成单元形状为半圆形，弹性应变片的半圆形组成单元分别与所述外壳层和内衬层上下接触，弹性应变片还用于传输所述弹性螺母的内压信号至计算机控制终端。半圆形结构受力均匀，可将承受的内外压力均匀分散，避免应力集中。

进一步地，所述通孔的长度大于所述滚柱两端的螺纹部的长度，延长可调整的长度，提高精度。

进一步地，所述通孔靠近所述楔形调节头的小头端方向设有内六角螺孔，可通过配套的六角螺栓在外部对内六角螺孔进行松紧操作，进而实现楔形调节头的旋进或旋出，可大大提高操作效率。

进一步地，所述滚柱固定架与预紧调节装置之间设有调节垫片，所述调节垫片穿套在滚柱的两端上，用于对预紧调节装置和滚柱之间进行微调，并纠正偏差。

进一步地，所述内齿圈的外端面设有环形凹槽一，所述环形凹槽一内设有开口环，所述开口环用于对所述滚柱固定架进行限位。

进一步地，所述外壳层的外表面设有1-3条环形凹槽二，所述环形凹槽二内设有调节环箍，用于对所述弹性螺母进行紧固。

一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠的控制方法，包括以下步骤：

S1：初次使用时，将所述电磁线分别嵌入式缠绕在内衬层的内螺纹、丝杠的外螺纹、滚柱中部的外螺纹、滚柱两端的齿部、内齿圈的内齿、楔形调节头的外螺纹的螺纹牙底或齿牙底；

S2：将其中一个内齿圈安装在所述弹性螺母的一端内孔处，一个所述滚柱固定架通过所述开口环限位固定在内齿圈的外端，再将所述滚柱的一端依次穿过滚柱固定架的所述固定孔，使滚柱一端的齿部与内齿圈的内齿相啮合，滚柱中部的外螺纹与弹性螺母的所述内衬层上的内螺纹相吻合，再分别安装弹性螺母另一端的内齿圈和滚柱固定架；

S3：将所述丝杠旋入弹性螺母内，再将调节垫片的大孔穿过丝杠，并将调节垫片小孔一一对应穿套在滚柱的两端上，然后将所述楔形调节头的大头端朝向滚柱，将所述通孔旋套在滚柱两端的螺纹部，并使楔形调节头外表面的外螺纹与丝杠的外螺纹保持一定间隙；最后将所述调节环箍安装在弹性螺母外表面的环形凹槽二内；

S4：分别向内衬层的内螺纹、丝杠的外螺纹、内齿圈的内齿内的电磁线通入的方向相同的电流一，同时向滚柱中部的外螺纹、楔形调节头的外螺纹、滚柱两端的齿部内的电磁线通入的方向相同的电流二，并保持电流一与电流二方向相反大小相等；

S5：在非驱动状态下，初始通入不同方向电流的两部分产生同向磁场，从而使得螺纹或齿牙啮合部位产生斥力，用于抵消部分支撑力，根据所述应变片和所述弹性层内的弹性应变片受到内部挤压力反馈至计算机终端，经计算后判断斥力的大小，对预紧调节装置和调节环箍进行预紧；

S6：在驱动状态下，在给定导程和速度的条件下，通过控制变量法，依次改变电流大小，及预紧调节装置和调节环箍的进给量，测量行星滚柱丝杠在丝杠上的运行时间，计算出每次测量的摩擦力，通过迭代优化，最终测算出最优参数；

S7：定期按照步骤S5-S6对行星滚柱丝杠进行检测和校正。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在需要接触磨损的螺纹或齿牙的底部嵌入式缠绕电磁线，及控制相触接的两条电磁线通入异向电流，利用异向电流产生同向磁场，从而产生斥力，以此抵消相互的支撑力，进而减小摩擦，提高速度和精度并且降低损耗。

(2)本发明的弹性螺母内部设有弹性层，用于调节电磁线产生的向外扩张的斥力，从而使弹性螺母在强磁的斥力下缓冲内压，同时还可在较弱磁的斥力下仍能保证各螺纹间保持均等的微隙，为本发明的正常运行提供保障。

(3)本发明在滚柱的两端分别设有预紧调节装置，用于平衡电磁线产生的向外扩张的斥力，预紧调节装置内部通孔与滚柱外端的螺纹部过盈连接，防止其发生相对转动，通孔的外端设有内六角螺孔，用于对预紧调节装置的楔形调节头进行松紧调节，而预紧调节装置的应变片，用于传输楔形调节头内压信号进行监测，为优化调节提供参数参考。

附图说明

图1是本发明的整体结构剖视图；

图2是本发明的电磁线与螺纹或齿牙的位置关系图；

图3是本发明的滚柱固定架的主视图。

其中，1-弹性螺母、11-外壳层、111-环形凹槽二、112-调节环箍、12-弹性层、13-内衬层、2-丝杠、3-滚柱、3a-齿部、3b-光部、3c-螺纹部、4-内齿圈、41-环形凹槽一、42-开口环、5-滚柱固定架、51-固定孔、6-预紧调节装置、61-楔形调节头、62-应变片、63-通孔、64-内六角螺孔、7-电磁线、8-调节垫片。

具体实施方式

如图1所示，一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠，包括弹性螺母1、丝杠2、滚柱3、内齿圈4、滚柱固定架5、预紧调节装置6、电磁线7，弹性螺母1包括外壳层11、弹性层12和内衬层13，内衬层13的外表面设有内螺纹，内衬层13的内表面通过弹性层12与外壳层11连为一体结构，如图1所示，外壳层11的外表面设有2条环形凹槽二111，环形凹槽二111内设有调节环箍112，用于对弹性螺母1进行紧固。其中，弹性层12为波浪形结构的弹性应变片，弹性应变片的组成单元形状为半圆形，弹性应变片的半圆形组成单元分别与外壳层11和内衬层13上下接触，弹性应变片还用于传输弹性螺母1的内压信号至计算机控制终端。半圆形结构受力均匀，可将承受的内外压力均匀分散，避免应力集中。

如图1所示，内齿圈4设有两个，分别固定在弹性螺母1的内孔的两端，滚柱固定架5设有两个，分别安装在两个内齿圈4的内孔外端一侧，如图1所示，内齿圈4的外端面设有环形凹槽一41，环形凹槽一41内设有开口环42，开口环42用于对滚柱固定架5进行限位。如图3所示，滚柱固定架5上周向均匀开设有固定孔51，滚柱3设有8个，滚柱3的中部设有外螺纹，滚柱3行星布设在内衬层13的内侧，滚柱3中部的外螺纹与内衬层13的内螺纹间隙配合，滚柱3的两端由内到外分别为齿部3a、光部3b和螺纹部3c，滚柱3两端的齿部3a分别与内齿圈4的内齿相啮合，滚柱3两端的光部3b分别置于两个滚柱固定架5的固定孔51内，滚柱3两端的螺纹部3c延伸至固定孔51的外部。

如图1所示，预紧调节装置6设有16个，16个预紧调节装置6均包括楔形调节头61、应变片62、通孔63，通孔63贯穿楔形调节头61的大头端和小头端，且通孔63内表面设有内螺纹，楔形调节头61有16个，楔形调节头61的外表面设有外螺纹，楔形调节头61的大头端靠近滚柱3方向，并通过通孔63与滚柱3两端的螺纹部3c过盈配合，其中，通孔63的长度大于滚柱3两端的螺纹部3c的长度，延长可调整的长度，提高精度。如图1所示，通孔63靠近楔形调节头61的小头端方向设有内六角螺孔64，可通过配套的六角螺栓在外部对内六角螺孔64进行松紧操作，进而实现楔形调节头61的旋进或旋出，可大大提高操作效率。应变片62内嵌在楔形调节头61内部，用于传输楔形调节头61内压信号至计算机控制终端，丝杠2贯穿于双层螺母1，且丝杠2外表面设有外螺纹，丝杠2的外螺纹分别与滚柱3中部的外螺纹、楔形调节头61的外螺纹间隙配合。如图1所示，滚柱固定架5与预紧调节装置6之间设有调节垫片8，调节垫片8穿套在滚柱3的两端上，用于对预紧调节装置6和滚柱3之间进行微调，并纠正偏差。

如图2所示，电磁线7分别嵌入式缠绕在内衬层13的内螺纹、丝杠2的外螺纹、滚柱3中部的外螺纹、滚柱3两端的齿部3a、内齿圈4的内齿、楔形调节头61的外螺纹的螺纹牙底或齿牙底，且内衬层13的内螺纹、丝杠2的外螺纹、内齿圈4的内齿内的电磁线7通入的方向相同的电流一，滚柱3中部的外螺纹、楔形调节头61的外螺纹、滚柱3两端的齿部3a内的电磁线7通入的方向相同的电流二，电流一与电流二方向相反大小相等，通过异向电流产生同向磁场，从而产生斥力，以此抵消相互的支撑力，进而减小摩擦，提高速度和精度并且降低损耗。

本实施例的控制方法，包括以下步骤：

S1：初次使用时，将电磁线7分别嵌入式缠绕在内衬层13的内螺纹、丝杠2的外螺纹、滚柱3中部的外螺纹、滚柱3两端的齿部3a、内齿圈4的内齿、楔形调节头61的外螺纹的螺纹牙底或齿牙底；

S2：将其中一个内齿圈4安装在弹性螺母1的一端内孔处，一个滚柱固定架5通过开口环42限位固定在内齿圈4的外端，再将滚柱3的一端依次穿过滚柱固定架5的固定孔51，使滚柱3一端的齿部3a与内齿圈4的内齿相啮合，滚柱3中部的外螺纹与弹性螺母1的内衬层13上的内螺纹相吻合，再分别安装弹性螺母1另一端的内齿圈4和滚柱固定架5；

S3：将丝杠2旋入弹性螺母1内，再将调节垫片8的大孔穿过丝杠2，并将调节垫片8小孔一一对应穿套在滚柱3的两端上，然后将楔形调节头61的大头端朝向滚柱3，将通孔63旋套在滚柱3两端的螺纹部3c，并使楔形调节头61外表面的外螺纹与丝杠2的外螺纹保持一定间隙；最后将调节环箍112安装在弹性螺母1外表面的环形凹槽二111内；

S4：分别向内衬层13的内螺纹、丝杠2的外螺纹、内齿圈4的内齿内的电磁线7通入的方向相同的电流一，同时向滚柱3中部的外螺纹、楔形调节头61的外螺纹、滚柱3两端的齿部3a内的电磁线7通入的方向相同的电流二，并保持电流一与电流二方向相反大小相等；

S5：在非驱动状态下，初始通入不同方向电流的两部分产生同向磁场，从而使得螺纹或齿牙啮合部位产生斥力，用于抵消部分支撑力，根据应变片62和弹性层12内的弹性应变片受到内部挤压力反馈至计算机终端，经计算后判断斥力的大小，对预紧调节装置6和调节环箍112进行预紧；

S6：在驱动状态下，在给定导程和速度的条件下，通过控制变量法，依次改变电流大小，及预紧调节装置6和调节环箍112的进给量，测量行星滚柱丝杠在丝杠2上的运行时间，计算出每次测量的摩擦力，通过迭代优化，最终测算出最优参数；

S7：定期按照步骤S5-S6对行星滚柱丝杠进行检测和校正。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠，其特征在于，包括弹性螺母(1)、丝杠(2)、滚柱(3)、内齿圈(4)、滚柱固定架(5)、预紧调节装置(6)、电磁线(7)，所述弹性螺母(1)包括外壳层(11)、弹性层(12)和内衬层(13)，所述内衬层(13)的外表面设有内螺纹，内衬层(13)通过所述弹性层(12)与所述外壳层(11)连为一体结构，所述内齿圈(4)设有两个，分别固定在弹性螺母(1)的内孔的两端，所述滚柱固定架(5)设有两个，分别安装在两个内齿圈(4)的内孔外端一侧，滚柱固定架(5)上周向均匀开设有固定孔(51)，所述滚柱(3)设有多个，滚柱(3)行星布设在内衬层(13)的内侧，滚柱(3)中部的外螺纹与内衬层(13)的内螺纹间隙配合，滚柱(3)的两端由内到外分别为齿部(3a)、光部(3b)和螺纹部(3c)，所述齿部(3a)分别与内齿圈(4)的内齿相啮合，所述光部(3b)分别置于两个滚柱固定架(5)的固定孔(51)内，所述螺纹部(3c)延伸至固定孔(51)的外部，并分别与所述预紧调节装置(6)一一对应连接，所述丝杠(2)贯穿于所述双层螺母(1)，丝杠(2)的外螺纹与滚柱(3)中部的外螺纹间隙配合，所述电磁线(7)分别嵌入式缠绕在内衬层(13)的内螺纹、丝杠(2)的外螺纹、滚柱(3)中部的外螺纹、滚柱(3)两端的齿部(3a)、内齿圈(4)内齿的螺纹牙底或齿牙底。

2.如权利要求1所述的一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠，其特征在于，所述预紧调节装置(6)包括楔形调节头(61)、应变片(62)、通孔(63)，所述通孔(63)贯穿楔形调节头(61)的大头端和小头端，且通孔(63)内表面设有内螺纹，楔形调节头(61)的外表面设有外螺纹，并与丝杠(2)的外螺纹间隙配合，楔形调节头(61)的外螺纹牙底嵌入式缠绕着电磁线(7)，楔形调节头(61)的大头端靠近滚柱(3)方向，并通过通孔(63)与滚柱(3)两端的螺纹部(3c)过盈配合，所述应变片(62)内嵌在楔形调节头(61)内部，用于传输楔形调节头(61)内压信号至计算机控制终端。

3.如权利要求2所述的一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠，其特征在于，所述内衬层(13)的内螺纹、丝杠(2)的外螺纹、内齿圈(4)的内齿内的电磁线(7)通入的方向相同的电流一，滚柱(3)中部的外螺纹、楔形调节头(61)的外螺纹、滚柱(3)两端的齿部(3a)内的电磁线(7)通入的方向相同的电流二，所述电流一与电流二方向相反大小相等。

4.如权利要求1所述的一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠，其特征在于，所述弹性层(12)为波浪形结构的弹性应变片，所述弹性应变片的组成单元形状为半圆形，弹性应变片的半圆形组成单元分别与所述外壳层(11)和内衬层(13)上下接触，弹性应变片还用于传输所述弹性螺母(1)的内压信号至计算机控制终端。

5.如权利要求2所述的一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠，其特征在于，所述通孔(63)的长度大于所述滚柱(3)两端的螺纹部(3c)的长度。

6.如权利要求1所述的一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠，其特征在于，所述滚柱固定架(5)与预紧调节装置(6)之间设有调节垫片(8)，所述调节垫片(8)穿套在滚柱(3)的两端上。

7.如权利要求1所述的一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠，其特征在于，所述滚柱(3)的两端上分别穿套有调节垫片(8)。

8.如权利要求1所述的一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠，其特征在于，所述内齿圈(4)的外端面设有环形凹槽一(41)，所述环形凹槽一(41)内设有开口环(42)，所述开口环(42)用于对所述滚柱固定架(5)进行限位。

9.如权利要求1所述的一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠，其特征在于，所述外壳层(11)的外表面设有1-3条环形凹槽二(111)，所述环形凹槽二(111)内设有调节环箍(112)，用于对所述弹性螺母(1)进行紧固。

10.一种基于磁悬浮技术的低磨损行星滚柱丝杠的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：初次使用时，将所述电磁线(7)分别嵌入式缠绕在内衬层(13)的内螺纹、丝杠(2)的外螺纹、滚柱(3)中部的外螺纹、滚柱(3)两端的齿部(3a)、内齿圈(4)的内齿、楔形调节头(61)的外螺纹的螺纹牙底或齿牙底；

S2：将其中一个内齿圈(4)安装在所述弹性螺母(1)的一端内孔处，将其中一个所述滚柱固定架(5)通过所述开口环(42)限位固定在内齿圈(4)的外端，再将所述滚柱(3)的一端依次穿过滚柱固定架(5)的所述固定孔(51)，使滚柱(3)一端的齿部(3a)与内齿圈(4)的内齿相啮合，滚柱(3)中部的外螺纹与内衬层(13)上的内螺纹相吻合，再分别安装弹性螺母(1)另一端的内齿圈(4)和滚柱固定架(5)；

S3：将所述丝杠(2)旋入弹性螺母(1)内，再将调节垫片(8)的大孔穿过丝杠(2)，并将调节垫片(8)小孔一一对应穿套在滚柱(3)的两端上，然后将所述楔形调节头(61)的大头端朝向滚柱(3)，将所述通孔(63)旋套在滚柱(3)两端的螺纹部(3c)上，并使楔形调节头(61)外表面的外螺纹与丝杠(2)的外螺纹保持一定间隙；最后将所述调节环箍(112)安装在弹性螺母(1)外表面的环形凹槽二(111)内；

S4：分别向内衬层(13)的内螺纹、丝杠(2)的外螺纹、内齿圈(4)的内齿内的电磁线(7)通入的方向相同的电流一，同时向滚柱(3)中部的外螺纹、楔形调节头(61)的外螺纹、滚柱(3)两端的齿部(3a)内的电磁线(7)通入的方向相同的电流二，并保持电流一与电流二方向相反大小相等；

S5：在非驱动状态下，初始通入不同方向电流的两部分产生同向磁场，从而使得螺纹或齿牙啮合部位产生斥力，用于抵消部分支撑力，根据所述应变片(62)和所述弹性层(12)内的弹性应变片受到内部挤压力反馈至计算机终端，经计算后判断斥力的大小，对预紧调节装置(6)和调节环箍(112)进行预紧；

S6：在驱动状态下，并在给定导程和速度的条件下，通过控制变量法，依次改变电流大小，及预紧调节装置(6)和调节环箍(112)的进给量，测量行星滚柱丝杠在丝杠(2)上的运行时间，计算出每次测量的摩擦力，通过迭代优化，最终测算出最优参数；

S7：定期按照步骤S5-S6对行星滚柱丝杠进行检测和校正。