改进粒子群优化滚珠丝杠进给系统BP神经网络PID控制策略研究

针对传统的BP神经网络PID(BP-PID)控制因其初始权值随机,导致系统的收敛速度较慢、控制前期会有较大误差和BP神经网络初始权值优化等问题,建立了滚珠丝杠进给系统伺服三环模型,设计了BP-PID控制器,提出了一种二阶振荡混沌映射粒子群算法(SCMPSO)优化滚珠丝杠进给系统BP-PID控制器。首先,混沌映射初始化粒子位置,使粒子均匀分布于空间,增加粒子解的多样性;随后,提出一种非线性余弦自适应惯性权重,以平衡算法的全局搜索能力和局部搜索能力;其次,在算法中引入二阶振荡环节,在面对突变多峰干扰时,能及时跳出局部最优解。研究结果表明:当加入外界干扰时,控制策略SCMPSO-BP-PID在正向进给时段的位移平均误差为0.013 mm,相比SAWPSO-BP-PID、LDWPSO-BP-PID、PSO-BP-PID这3种控制策略分别提升约45.8%、55.2%、61.7%;当加入阶跃响应时,SCMPSO-BP-PID的最大超调量仅为0.029,系统调节时间和峰值时间相比3种控制策略均有较大提升,具有较高的控制精度和稳定性。

基于改进Deeplabv3+算法的滚珠丝杠驱动表面点蚀缺陷检测

针对滚珠丝杠驱动表面背景环境复杂、点蚀缺陷目标小因而难以检测的问题,提出改进的Deeplabv3+滚珠丝杠驱动表面缺陷分割算法。本算法采用Re2Net-50替换Deeplabv3+的主干网络,显著提升了对小尺寸缺陷目标的识别能力。此外,通过在主干网络中融合特征金字塔网络FPN,能够加强多尺度信息的提取,从而增强了对缺陷目标的精确定位。最后,本研究在Deeplabv3+网络的ASPP模块之后引入了Coordinate Attention机制,能够增强模型对图像中空间和维度的关注,有效地捕获了图像中的长距离空间依赖关系。实验结果表明,与原始的Deeplabv3+相比,所提算法在平均交并比MIoU指标上提高了4.38%,准确率Accuracy提高了5.52%,F1-score提高了2.74%。同时,与其他经典的语义分割算法相比,所提算法也展现出了一定的优越性。

行星滚柱丝杠螺纹副-齿轮副同步啮合动态滑动特性

为揭示行星滚柱丝杠螺纹副-齿轮副同步啮合动态滑动特性,推导了行星滚柱丝杠滑动角计算方法,建立了行星滚柱丝杠数值模型,验证了滑动角计算方法的准确性。首先,基于节圆偏移产生机制,建立了滑动角运动学分析模型,通过与数值解对比,验证其准确性;在此基础上,分析了丝杠转速、螺母负载对滑动角大小以及螺纹副、齿轮副滑动距离的影响规律。结果表明,滑动角随着丝杠转速、螺母负载的增大而增大;滚柱-丝杠侧滑动距离远大于滚柱-螺母侧,且均随着丝杠转速、螺母负载的增大而增大;齿轮副滑动距离随丝杠转速增大而减小,随螺母负载增大而增大。

基于输入整形的丝杠传动的振动误差补偿

针对丝杠传动系统中存在的由机械结构弹性形变产生的振动误差,首先,通过改进集中参数法与分布式参数法相结合的方法建立系统拉格朗日方程,从而求得动力学模型,得到X、Y方向上的传递函数,并将闭环传递函数进行降阶处理;然后,在Simulink中仿真实验,根据降阶函数计算输入整形器参数,分别比较ZV输入整形和ZVD输入整形的误差补偿效果;最后,在自主研发的实验平台进行应用验证:在负载较轻的X轴运动时,两种补偿方法稳定性相差不多,ZV输入整形器调整时间更短;而在负载较重的Y轴运动时,ZVD输入整形器更稳定。

基于磁流变阻尼器的滚珠丝杠进给系统主动抑振研究

针对滚珠丝杠进给系统轴向振动影响工件的加工质量和精度保持性的问题,将磁流变阻尼器应用于机床滚珠丝杠进给系统轴向抑振。设计磁流变阻尼器,进行磁流变阻尼器阻尼特性试验,采用最小二乘法和BP神经网络对阻尼力进行了辨识。建立带有磁流变阻尼器的机床滚珠丝杠进给系统单自由度振动模型,基于Runge-Kutta法计算了系统的动态响应。通过数值计算发现:阻尼器输入电流由零逐渐增大时,系统能够快速趋向于稳定;由幅频曲线可以看出,磁流变阻尼器抑制滚珠丝杠进给系统的振动是可行的。最后试验验证了磁流变阻尼器能够很好地抑制滚珠丝杠进给系统的振动。

倾转旋翼机齿轮-丝杠作动器动力学建模及响应分析

倾转旋翼机的倾转机构是由齿轮副与滚珠丝杠副组成的复杂结构,动力学问题较为突出。为准确分析其动态行为并探明振动机制,考虑丝杠副的滚珠冲击激励以及齿轮副的准静态传动误差激励耦合作用,提出了一种齿轮-滚珠丝杠作动器系统动力学耦合建模方法。基于系统动力学方程求解特征值问题,得到了系统各阶固有频率与振型;对比有限元模态分析结果,验证了理论模型的准确性;在此基础上,分析了齿轮-滚珠丝杠作动器系统的动态行为,研究了丝杠副结构参数对输出响应的影响。结果表明,丝杠轴向振动响应随着螺旋升角的增大而减小,随着接触角的增大呈现先增大后减小的趋势。

基于滚珠丝杠副进给系统受载响应研究

滚珠丝杠副主要由丝杠、螺母、滚珠和循环系统等组成。其主要作用是将旋转运动转换为直线运动,如车床中的刀架移动。目前在机床、航天、航空、核工业等领域广泛应用。通过建立滚珠丝杠进给系统的动力学方程,来研究系统受到不同冲击情况下的振动响应是十分有意义的。本文首先通过Lagrange第二类方程建立了进给系统的动力学方程,再利用有限元法对方程进行求解,实现了对不同载荷冲击下的滚珠丝杠螺母振动响应仿真。

基于滚珠丝杠副滚珠载荷分布的摩擦力矩计算方法研究

为了研究丝杠转速、轴向载荷、螺旋升角和滚珠直径对摩擦力矩的影响规律,在综合考虑滚珠载荷分布、实际工况中接触角变化、法向力差异、润滑油黏性阻力、滚珠惯性力和惯性力矩等因素上,建立了一种计算滚珠丝杠副摩擦力矩的方法。结果表明:当丝杠转速或轴向载荷增大时,摩擦力矩越来越大;增大的轴向载荷或者减小的丝杠转速导致摩擦因数越来越小;随着螺旋升角变大时,摩擦因数和摩擦力矩均逐渐减小,且随着螺旋升角的增大,两者的变化率逐渐减小;滚珠直径的变大致使摩擦力矩变大。分析结果可为滚珠丝杠副的设计提供参考,有助于进一步提高滚珠丝杠副的传动性能。

舰载雷达天线稳定平台横摇滚珠丝杠断裂失效分析

针对某型舰载雷达天线稳定平台发生的横摇滚珠丝杠断裂问题,对失效滚珠丝杠开展失效分析。通过综合分析失效滚珠丝杠的断口分析、化学成分检测、金相检测、硬度检测与力学性能检测结果,认为滚珠丝杠螺纹退刀槽过渡圆角区表面残留的氮化白亮层导致表面脆性增加,促进了疲劳源的产生,材料调质处理后的抗拉强度、下屈服强度偏低,降低了材料的疲劳强度,在超过其疲劳承载极限的横摇交变载荷作用下发生疲劳断裂。通过对滚珠丝杠螺纹退刀槽部位采取防渗氮保护或渗氮处理后彻底去除氮化白亮层,同时优化调质处理工艺参数可以提高该滚珠丝杠的疲劳寿命。

不同方向上行星滚柱丝杠螺纹副啮合侧隙研究

根据丝杠、滚柱以及螺母结构特征,利用空间曲面参数方程分别建立了行星滚柱丝杠各个零件的螺旋曲面模型,并结合行星滚柱丝杠装配关系,得到行星滚柱丝杠空间啮合曲面方程。在此基础上,获得螺旋曲面法向量,基于曲面啮合条件,考虑零件运动方向,建立了行星滚柱丝杠在轴向、径向以及周向上的啮合侧隙模型,并讨论了结构参数对行星滚柱丝杠啮合侧隙的影响规律。结果表明,滚柱与丝杠侧在3个方向上的啮合点均不在螺纹中径,滚柱与螺母侧3个方向上的啮合点均在滚柱螺纹中径位置;螺距、牙侧角以及螺纹牙厚均对行星滚柱丝杠啮合侧隙有影响,只有增大螺纹牙厚才能同时减小3个方向上的啮合侧隙,螺距和牙侧角应根据实际需要选择合适的参数。

双圆弧滚珠丝杠的滚道截型误差对摩擦力矩影响分析

针对摩擦力矩过大造成滚珠丝杠副运行过程中柔顺性降低和温升的问题,从其产生机理出发,建立具有滚道截型对称性误差和滚道半径误差的滚珠丝杠三维模型,利用赫兹接触理论基于Adams软件仿真分析了不同滚道截型误差对摩擦力矩的影响。与实测结果相比,滚道半径误差仿真模型产生的摩擦力矩均值与实测均值相对误差在11.41%以内,验证了仿真模型的有效性。通过仿真和试验表明,改变滚道半径能控制摩擦力矩的均值;控制滚道截型对称性误差能降低摩擦力矩波动范围。该结果可为降低滚珠丝杠副摩擦力矩、提高柔顺性提供理论参考。

滚珠丝杠副动力学行为仿真及滚珠磨损故障特征信号研究

滚珠丝杠副作为精密机械和数控机床等装置中最常使用的传动元件,其工作状况的优劣直接影响着整套设备能否安全稳定运行。大多数针对滚动功能部件失效形式的研究主要集中于滚动轴承,而对滚珠丝杠副的失效演变机制却鲜有论述。以滚珠丝杠副为研究对象,建立由丝杠、滚珠、螺母等关键部件组成的滚珠丝杠副三维模型,运用ADAMS软件对滚珠丝杠副进行动力学行为仿真分析以及故障特征信号研究,分析滚珠丝杠正常运行及滚珠磨损故障状态下的特征信号变化规律,最后通过对比试验值与理论值验证所提方法的有效性。结果表明:随着滚珠表面擦伤缺陷扩展,丝杠副产生的振动变得更加剧烈,频谱尖峰幅值明显增大;试验所得结果与理论值相对误差为4.67%,证明了仿真分析的准确性。

滚珠丝杠滚道法向截面测量系统

为了实现滚珠丝杠滚道法向截面的快速、精确和无损检测,建立基于光学测微计的滚珠丝杠滚道法向截面测量系统。基于滚珠丝杠滚道法向截面测量原理设计了检测装置,对原有滚道法向截面数据处理算法进行优化,提出了角度划分圆弧方法、圆弧数据均匀化方法。对检测装置中传感器安装误差、水平移动平台直线度误差、传感器误差进行分析,并进行误差补偿。最后,通过实验验证检测装置和优化后的算法组成的整个检测系统的精度。实验结果表明:算法优化后检测系统测得的滚道法向截面参数,随着划分圆弧的角度增加最终收敛。算法优化后检测系统测得的圆弧半径和接触角与厂家提供的误差最大值分别为3.6μm和19′31″,相对算法优化前提升率分别为64.36%和53.46%;测得的圆弧半径和接触角标准偏差最大值分别为1.56μm和2′41″,相对算法优化前提升率分别为22.77%和56.67;测得的圆弧半径和接触角的A类不确定度最大值分别为0.63μm和1′6″,相对于算法优化前分别降低56%和70%。滚道法向截面检测系统的精度、重复性和不确定度均满足测量要求。

行星滚柱丝杠螺纹副动载荷分布计算方法研究

为揭示行星滚柱丝杠在高速运转条件下的动载荷分布特性,基于螺旋曲面方程和变形协调关系,提出了滚柱-丝杠及滚柱-螺母螺纹在接触点处静态接触力计算方法,推导出承载后接触角计算公式。在此基础上,进一步考虑高速运转产生的惯性力作用,建立了行星滚柱丝杠螺纹牙动载荷分布模型。通过与行星滚柱丝杠有限元接触模型进行对比,两者误差在5%以内,验证了所建理论模型的正确性。分析了丝杠转速、轴向载荷、螺距及牙侧角等参数对动载荷分布的影响规律。结果表明:惯性力使滚柱产生靠近螺母远离丝杠的趋势,使得滚柱-丝杠侧动态接触力减小,滚柱-螺母侧动态接触力增大;动载荷分布不均程度与丝杠转速和螺距呈正相关,与牙侧角呈负相关,且轴向载荷大小对动载荷分布影响较大。

反向式行星滚柱丝杠副的螺纹牙修形设计

基于反向式行星滚柱丝杠副(Inverted Planetary Roller Screw Mechanism,IPRSM)的螺纹牙载荷分布情况,分析了滚柱修形和丝杠修形对其载荷分布的影响。结果表明,丝杠-滚柱接触侧的载荷不均程度比长螺母-滚柱接触侧严重,对滚柱修形后,最大接触应力以及最大载荷得到了有效降低,螺纹牙上的载荷分布更加均匀;而长螺母-滚柱接触侧对修形量变化较丝杠-滚柱接触侧更加敏感。同样,丝杠修形可有效降低最大载荷。研究对优化IPRSM的载荷分布具有一定的参考意义。

基于综合工艺偏差的滚珠丝杠副静刚度建模

为了建立准确的滚珠丝杠副轴向静刚度理论模型,分析刚度的影响因素和规律,基于综合工艺偏差对滚珠丝杠副全滚珠载荷分布的影响,建立了轴向静刚度模型,提出了一种在综合工艺偏差下符合滚珠丝杠副轴向静刚度的计算公式。以GZ3206T型滚珠丝杠副为例,基于综合工艺偏差,通过Ansys Workbench 2022 R1有限元软件进行分析实验,然后通过轴向静刚度试验台进行对比实验验证,实验结果吻合度为87.85%~98.7%,验证了综合工艺偏差的滚珠丝杠副轴向静刚度模型的准确性,对分析和提高滚珠丝杠副传动精度设计和承载能力评估提供参考依据。

差动式行星滚柱丝杠副的运动特性与动力学分析

差动式行星滚柱丝杠副是一种将环槽传动与螺纹啮合相结合的机械传动机构。为了探究差动式行星滚柱丝杠副的动态特性,研究一种新型的差动式行星滚柱丝杠副的结构组成与运动原理,建立其三维模型,并将模型导入虚拟样机分析软件中,通过设置合适的连接关系,对三维模型进行运动学及动力学仿真分析。结果表明:虚拟样机中差动式行星滚柱丝杠副的运动过程与运动分析相符合,验证了运动分析的合理性;当在螺母上施加负载时,滚柱与螺母之间的环槽设计使接触力波动更规律;随着负载的持续增大,丝杠与滚柱之间、螺母与滚柱之间的接触力波动也持续增大,加剧了机构内部的磨损情况,缩短了机构的运行寿命。

滚珠丝杠进给系统刚柔耦合动力学建模与时变动态特性分析

数控机床运行过程中,多轴滚珠丝杠进给系统的刚度和惯量会随着各轴位姿的变化而变化,致使其动态特性呈时变的特点。多轴滚珠丝杠进给系统时变动态特性的高保真建模与分析已成为数控机床轮廓误差精准预测的瓶颈难题之一。针对这一难题,提出基于拉格朗日方程与Ritz级数法的滚珠丝杠进给系统刚柔耦合动力学建模与分析方法。以某型号五轴加工中心的两轴滚珠丝杠进给系统为具体对象,重点考虑丝杠本体轴扭方向的连续弹性体变形影响,采用拉格朗日方程建立滚珠丝杠进给系统的刚柔耦合动力学模型,并采用Ritz级数法对方程求解,得到动力学模型的数值解。利用所建立的动力学模型分析进给轴位姿对两轴进给系统固有频率和模态振型的影响,发现各阶固有频率和模态振型随进给轴位姿的变化规律与对应阶次的主导轴有关。随着主导轴进给台由固定端移动至支撑端,对应阶次的固有频率逐渐减小,对应阶次的振型中丝杠本体的弹性振动幅值逐渐增大。此外,两轴进给系统的低阶模态振型主要由承载轴主导,高阶模态振型主要由附属于承载轴的子轴主导。最后,通过模态实验对所提方法进行应用验证,证明所建立动力学模型的准确性。研究结果对数控机床轮廓误差的精准预测具有重要参考价值。

CNC机床丝杠热误差实时补偿设计及自动补偿试验

为了降低数控机床丝杠传动系统因热误差引起的定位误差,完成机床工作台各运行阶段的实时补偿。用非接触模式为丝杠非电机连接端安装位移检测器,以电涡流传感器时间监测丝杠端面位置数据,获得丝杠产生的总热误差,通过热补偿得到每段丝杠的热误差程度,确定每段坐标系原点发生的偏移,完成自主补偿机床丝杠热误差的效果。研究结果表明:采用分段补偿方法可以获得比其他热误差补偿模型更优的丝杠全段补偿性能。分别检测丝杠各段发生的热误差再对其实施补偿,可以根据丝杠各部位热误差程度实施补偿。

极限工况下滚珠丝杠副疲劳失效研究分析

滚珠丝杠副被广泛应用于航空航天领域,常规工况下的失效机理在航空航天极限工况下不再适用。因此,针对极限载荷下滚珠丝杠副失效机理,提出了基于裂纹萌生和扩展的失效机理研究方法。通过电镜、金相、粗糙度仪和显微硬度等方法进行分析。结果表明,切向表面与次表面裂纹均是垂直于切向力的方向萌生,表面裂纹背离切向力扩展,次表面裂纹沿塑性变形方向扩展;轴向表面产生的疲劳裂纹角度在50°~85°;剥落坑形貌沿切向力方向由深到浅,剥落坑前侧区域比后侧区域更容易受疲劳影响,但后侧区域更容易受磨损影响;国外滚珠丝杠副寿命高于国内,提高滚珠丝杠副接触表面精度和组织均匀度,预计可以提升50%使用寿命。