滚珠丝杠副的预紧力施加可以有效地减小由弹性变形产生的丝杠副轴向间隙,明显地改善轴向刚度和定位精度。然而,作为产生摩擦力矩的主要因素,预紧力太大则会导致驱动力矩变大,传动效率损失,引起滚珠与丝杠滚道之间的温度升高,接触疲劳和磨损增加,减少滚珠丝杠副的使用年限。因此研制预紧力可调控的自动预紧系统对改善滚珠丝杠副的传动性能具有十分重要的意义。基于压电陶瓷、超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material-GMM)等功能材料的精密微位移致动器具有分辨率高、响应特性好、输出力可调等优点,据此实现对预紧力的实时调控是行业内提高滚珠丝杠副传动性能的努力方向。根据这一研究思路,本文利用GMM设计了筒状超磁致伸缩致动器(Cylindrical Giant Magnetostrictive Actuator-CGMA),提出了滚珠丝杠副筒状超磁致伸缩自动预紧系统,进行了滚珠丝杠副自动预紧系统结构分析与优化、CGMA多场仿真与输出特性研究、筒状超磁致伸缩自动预紧系统建模与控制研究,并进一步探讨了滚珠丝杠副应用CGMA自动预紧后的主要性能。(1)双螺母滚珠丝杠副的预紧力取决于垫片厚度,为实现预紧力的自动调整,提出了筒状超磁致伸缩自动预紧系统。以筒状超磁致伸缩材料(Cylindrical Giant Magnetostrictive Material-CGMM)为核心,完成了新型致动器CGMA的结构设计;通过测试数据确定了 CGMA的预压力;建立了 CGMA内部磁场模型,以此分析磁轭磁导率、气隙厚度、丝杠杆件等对磁场的影响;提出直接冷却发热源的温控结构,建立了 CGMA的等效热路模型、稳态温度模型、热位移模型,分析影响冷却效果的主要因素。从初始预紧力调整、运行时扭矩传递等方面分析,确定了预紧连接盘的结构设计。(2)进行了 CGMA的磁场、温度场及预紧系统的结构静力学有限元仿真分析。磁场仿真表明,不同驱动电流下磁场强度的磁路模型计算值与仿真值符合程度高:穿入丝杠CGMA驱动磁场强度减小不超过1%,磁通密度减小不超过4.9%,满足自动预紧需要;线圈偏置磁场分布的均匀性明显优于永磁偏置,不同压应力对CGMM磁场均匀性影响不大。温度场仿真表明,油冷散热方式冷却效果明显,温度场分布均匀,选择合适的油温和流速可使CGMA保持最佳工作温度范围。以2504系列滚珠丝杠为预紧研究对象,结构静力学仿真表明,对自动预紧系统加载最大预紧力时,其总轴向变形在允许范围内,CGMA可实现预紧力的输出与调控。(3)利用自行研制的CGMA进行了输出位移与输出力的动静态特性实验,并对其热特性进行了测试分析。结果表明,施加偏置磁场后,CGMA输出的线性度明显改善,倍频效应基本消失;穿入滚珠丝杠会引起CGMA输出位移与输出力变化,但满足所选滚珠丝杠副预紧系统设计要求;直接冷却发热源的强制油冷可有效抑制温升造成的热变形误差,使CGMA的磁致伸缩输出特性稳定;温度稳态测量结果与仿真结果一致性好,相对误差小于5%,验证了温控系统设计的合理性。(4)结合Jiles-Atherton磁滞非线性模型和二次畴转模型,构建了 CGMA输出位移的准静态模型,采用差分进化算法实现模型参数辨识,与遗传算法、粒子群算法的参数辨识进行对比可知,差分进化算法收敛速度快、辨识结果稳定、辨识精度高。计算辨识后的位移模型输出结果,并与测量结果比较,其平均相对误差小于6.2%,结果表明,差分进化算法用于致动器非线性参数辨识的有效性、可靠性。基于压磁方程与牛顿定律,建立了筒状超磁致伸缩自动预紧系统工作在线性区的传递函数模型,分析设计参数对其动态性能的影响。(5)针对筒状超磁致伸缩自动预紧系统受温度、磁场等因素影响难以用固定的数学模型表述,提出了基于数据驱动的紧格式无模型自适应控制(Model-Free Adaptive Control-MFAC)控制方法,用动态线性化模型替代超磁致伸缩非线性系统模型。通过超磁致伸缩自动预紧系统的MFAC控制与PID控制仿真与实验,对MFAC算法用于CGMA非线性控制系统的合理性、有效性进行了验证,结果表明,基于MFAC算法的自动预紧系统响应速度快,跟踪误差小,抗干扰能力强。(6)分析基于CGMA自动预紧滚珠丝杠副轴向变形与预紧力之间的关系,尺寸参数一定时,保持轴向载荷不变,其轴向变形与超磁致伸缩预紧力的关系为正相关。对自动预紧滚珠丝杠副的预紧力及螺母的轴向位移进行实验研究,结果表明,筒状超磁致伸缩自动预紧系统可通过调整预紧连接盘与驱动电流改变系统预紧力与轴向变形,从而改变滚珠丝杠副的轴向刚度,测试结果与理论分析结果基本一致。测试分析了空载运行时自动预紧滚珠丝杠副的摩擦力矩、振动特性,结果表明,摩擦力矩与驱动电流呈正相关,滚珠丝杠副的振幅与丝杠转速呈正相关,自动预紧系统输出的预紧力对运行的滚珠丝杠副主频影响不明显。