基于压电致动器的非均匀分布预紧力可控高速主轴及其控制方法

摘要

本发明公开了一种基于压电致动器的非均匀分布预紧力可控高速主轴及其控制方法，在主轴外周安装有轴承，该轴承通过轴承支座固定，在该轴承支座上安装有温度传感器；所述主轴的外圈进一步安装有预紧套圈，该预紧套圈通过其内开设的安装孔安装有压电致动器，所述压电致动器和温度传感器之间连接有信号处理单元，所述温度传感器的安装位置为主轴预紧调控点附近，温度传感器检测到主轴预紧调控点的温度信号后，经信号处理单元处理后，通过调节压电致动器的压力而调节主轴预紧力。本发明通过对主轴支承轴承的非均匀分布预紧力的在线调控，以获得在不同工况下高性能的高速主轴。

说明书

技术领域

本发明属于高速主轴滚动轴承的性能调控应用领域，涉及一种基于压电致 动器的非均匀分布预紧力可控高速主轴及其控制方法。

背景技术

滚动轴承作为高速主轴内部旋转支撑元件，其服役性能直接影响高速主轴 动力学性能，尤其是在主轴系统复杂的服役条件下，例如主轴在高速轻载、低 速重载更替的工况下，要求主轴轴承在不同情况下服役性能可控以适应主轴动 力学性能要求，从而保证高速加工的高精度与高可靠性。因此，如何实时调控 滚动轴承刚度、温度、旋转精度等服役性能以适应主轴系统的复杂工况至关重 要。相关研究表明，合理的滚动轴承预紧力可使高速主轴刚度提高65％；而应 用预紧力控制技术可使轴承高速状态下温度降低41.6％，从而使得主轴转速提高 54.5％。轴承预紧力调控技术已是轴承服役性能调整最有效的方法之一。

传统轴承预紧技术多采用定位或定压恒值预紧方式，预紧力取值大都依据 经验或实验数据确定，这种恒定预紧技术已无法满足复杂工况下高速主轴对于 轴承服役性能调整的要求。为此，国内外诸多研究与学术机构就轴承预紧可控 技术开展了大量的研究，并取得一定的成果。在预紧力作用机理方面，主要提 出基于测量反馈闭环主动控制方式的预紧力自调节和基于轴系转速效应或材料 热效应的预紧力调节方式；在预紧控制机构方面，有基于压电致动器、液压装 置、电磁装置及电致伸缩材料等主动式预紧力调整机构。这些预紧力调控装置 都是对滚动轴承施加轴向均匀分布的预紧力。而滚动轴承作为高速主轴的关键 精密部件，结构尺寸、装配、工作载荷的细微变化都将对其在复杂工况下的服 役性能产生重大影响。单纯地对轴承施加均匀分布的轴向预紧力，不能有效地 消除轴向和径向游隙的非均匀分布性，也不能满足高速主轴在某些特定工况下 工作载荷非均匀分布的要求，这势必要求从更为精细的角度出发探索滚动轴承 预紧力的施加方式和大小，使滚动轴承的服役性能能够实现“精益求精”。因此， 根据特殊工况或游隙的要求，研究非均匀分布预紧力及其施加装置显得尤为迫 切。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于压电致动器的非均匀分布预 紧力可控高速主轴及其控制方法，通过对主轴支承轴承的非均匀分布预紧力的 在线调控，以获得在不同工况下高性能的高速主轴。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于压电致动器的非均匀分布预紧力 可控高速主轴，在主轴外周安装有轴承，该轴承通过轴承支座固定，在该轴承 支座上安装有温度传感器；所述主轴的外圈进一步安装有预紧套圈，该预紧套 圈通过其内开设的安装孔安装有压电致动器，所述压电致动器和温度传感器之 间连接有信号处理单元，所述温度传感器的安装位置为主轴预紧调控点附近， 温度传感器检测到主轴预紧调控点的温度信号后，经信号处理单元处理后，通 过调节压电致动器的压力而调节主轴预紧力。

作为本发明的优选实施例，所述预紧套圈上开设的安装孔为盲孔；

作为本发明的优选实施例，所述压电制动器的压电致动器控制线自该盲孔 内伸出与信号处理单元的输出端相连；

作为本发明的优选实施例，所述信号处理单元包括与温度传感器相连的调 理电路，该调理电路的输出端通过A/D转换器与单片机相连，所述单片机的输 出端通过D/A转换器与多路开关相连，该多路开关的输出端与功率放大电路的 输入端相连，该功率放大电路的输出端与压电致动器相连；

作为本发明的优选实施例，所述预紧套圈位于轴承的后端，所述轴承的前 端安装有圆螺母；

本发明还提供了一种上述基于压电致动器的非均匀分布预紧力可控高速主 轴的控制方法，主轴在电机的驱动下转动时，温度传感器将测得的预紧调控点 附近的温度模拟信号，经调理电路进行信号调理后，由A/D转换器将模拟信号 转换为数字信号，输入单片机的控制器中进行处理，单片机的输出信号通过D/A 转换器将数字信号转换为模拟信号，由多路开关送至功率放大电路，功率放大 电路控制电压送至压电致动器，使其输出所对应的位移，从而产生轴承预紧力 作用在预紧力调控点处，实现高速主轴的非均匀分布预紧力控制。

本发明基于压电致动器的非均匀分布预紧力可控高速主轴及其控制方法至 少具有以下优点：本发明突破传统均匀分布预紧力作用，对不同温度下轴承外 圈不同调控点进行预紧力精确调控，实现高速化、高刚度、低温升、长寿命等 技术突破。通过对主轴支承轴承的非均匀分布预紧力的在线调控，以获得在不 同工况下高性能的高速主轴。

附图说明

图1是本发明基于压电致动器的非均匀分布预紧力可控高速主轴的整体结构 示意图；

图2是图1的局部放大图；

图3是本发明预紧套圈的结构示意图；

图4是开有温度传感器放置孔的轴承支座示意图(以8个温度传感器为例)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明基于压电致动器的非均匀分布预紧力可控高速主轴 及其控制方法作具体介绍：

请参阅图1所示，本发明基基于压电致动器的非均匀分布预紧力可控高速主 轴包括主轴1、轴承2、轴承支座3、圆螺母4、套筒5、预紧套圈6、温度传感 器7、压电致动器控制线8、压电致动器9、调理电路10、A/D转换器11、单片 机12、D/A转换器13、多路开关14、功率放大电路15、电源16。其中，所述 预紧套圈6、温度传感器7、压电致动器控制线8、压电致动器9、调理电路10、 A/D转换器11、单片机12、D/A转换器13、多路开关14、功率放大电路15和 电源16构成调控预紧力系统。

所述轴承2安装在主轴1外周的前端和后端位置，位于主轴1前端的轴承2 通过轴承支座3固定，相邻的轴承2之间设置有套筒5，该套筒5安装在主轴外 周，在该轴承2的前端安装有圆螺母4，后端安装有预紧套圈6，所述轴承支座 3上安装有检测主轴1外圈温度的温度传感器7，所述预紧套圈6上沿其外表 面开设有安装孔，该安装孔为盲孔，在该安装孔内安装有压电致动器9，该压电 致动器9的压电致动器控制线8自安装孔伸出。

所述轴承支座3上安装的温度传感器7与所述调理电路10的输入端相连， 该调理电路10的输出端经A/D转换器转换后与单片机12的输入端相连，所述 单片机12的输出端经D/A转换器转换后与多路开关14相连，该多路开关14的 输出端与功率放大电路15相连，该功率放大电路15的输出端通过压电致动器 控制线8与压电致动器9相连。所述电源16与单片机12和功率放大电路15相 连。

使用时，主轴1在电机的驱动下转动，主轴1的前、后端由轴承2支承，温 度传感器7测得预紧调控点附近的温度模拟信号，经调理电路进行信号调理后， 由A/D转换器11将模拟信号转换为数字信号，输入单片机12的控制器中进行 处理，单片机12的输出信号通过D/A转换器13将数字信号转换为模拟信号， 由多路开关14送至功率放大电路15，功率放大电路15控制电压送至压电致动 器9，使其输出所对应的位移，从而产生轴承预紧力作用在预紧力调控点处，以 实现高速主轴的非均匀分布预紧力控制。

由于本发明压电致动器9是直接作用在主轴1的外表面，因此，通过温度传 感器检测轴承的温度数据后，最终可以通过压电致动器9调节主轴的预紧力。

因此，本发明通过控制各个压电致动器的电压，实现预紧力大小的调节，此 外，对每个压电致动器施加大小不同的电压，从而实现对轴承外圈施加非均匀 分布的预紧力。

本发明的基于压电结构的非均匀分布预紧力可控高速主轴采用以下主要部 件：

(1)支撑轴承：选择SKF 3306A-Z，轴承内径额定动载荷41.5KN。 采用圆螺母及端盖实现轴承一端双向固定形式。

(2)探针式铠装铂热电阻温度传感器：FY-ZWC-2012西安方元电子有限 公司。

(3)A/D转换：ADC0808，美国National Semiconductor公司。

(4)D/A转换器：DAC0830系列，美国National Semiconductor公司。

(5)功率放大器：采用IRF540和MUR820等器件，ST公司。

(6)单片机：C8051F，Silicon Lab公司。

(7)多路开关：74HC4051，PHILIPS公司。

(8)压电致动器：PSt 150/5/200VS10

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域 普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变 换，均为本发明的权利要求所涵盖。