带有预紧力调节装置的机床主轴系统

摘要

本申请提供了一种带有预紧力调节装置的机床主轴系统，包括主轴；间隔地套设于所述主轴上的第一滚珠轴承和第二滚珠轴承；套设于所述主轴上且位于所述第一滚珠轴承和所述第二滚珠轴承之间的内隔套，所述内隔套的两端分别抵触在所述第一滚珠轴承的内圈和所述第二滚珠轴承的内圈上；环绕所述主轴且和所述第一滚珠轴承的外圈以及所述第二滚珠轴承的外圈均贴合的冷却套；设置于所述冷却套上的用于推动所述第一滚珠轴承的外圈轴向运动的活塞元件；设置于所述冷却套上的用于获取所述第二滚珠轴承的外圈所承受载荷的压力测定元件。本申请提供的主轴系统，不需要对其它主轴部件和结构作出改变且能够适用于任意的轴承配置方式。

说明书

技术领域

本发明涉及数控机床领域，特别涉及带有预紧力调节装置的机床主轴系统。

背景技术

数控机床主轴轴承预紧力的大小对高速机床主轴动态特性有重要影响。目前主轴预紧方法主要有定位预紧和定压预紧，其预紧力的大小是兼顾低速大转矩和高速大功率两方面因素而综合确定的。对于低速段，预紧力偏小，系统抵抗受迫振动与自激振动能力较弱，往往表现出工件已加工的表面上残留的振纹较明显。对于高速段，预紧力又偏大，导致轴承温度过高，缩短了轴承的使用寿命，降低主轴回转精度。因此，如果主轴轴承的预紧力能随主轴转速的变化而变化，不仅可望获得高品质的动力学性能，而且还可以大幅延长轴承寿命。

如图1所示的德国GMN公司使用主轴轴承预紧力测试机构，其前后轴承采用整体“背对背”形式，在后端轴承和轴承座之间设计一拉套，该拉套分别与轴承外圈和轴承座内圈配合。在拉套和轴承座之间的封闭空腔内通入压力油，推动拉套进而拉动轴承外圈，使轴承的内、外圈之间发生相对位移，进而调节预紧力。该测试机构的缺点是由于主轴预紧载荷分为轻载、中载及重载几种工况，其预紧载荷在0～2500N以内，所需液压压力在0～1MPa之间，该区间处于液压阀的非线性区内，使得所调节的预紧力难以控制和测量，也就不能够准确调节对于主轴的预紧力。

如图2所示的浙江大学姜春发明的预紧力控制结构，其是一中空密闭的圆环形构件，圆环两端面焊接有金属弹性薄膜，空腔内充满液体塑料，推动弹性薄膜膨胀或收缩，对轴承外圈能够施加不同的预紧力。该控制结构的缺点是需要对轴承套打孔，因此如果轴承套外部设置有复杂零部件时，则需要对整个主轴的结构作出很大的改动。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种带有预紧力调节装置的机床主轴系统包括：

主轴；

间隔地套设于所述主轴上的第一滚珠轴承和第二滚珠轴承；

套设于所述主轴上且位于所述第一滚珠轴承和所述第二滚珠轴承之间的内隔套，所述内隔套的两端分别抵触在所述第一滚珠轴承的内圈和所述第二滚珠轴承的内圈上；

环绕所述主轴且和所述第一滚珠轴承的外圈以及所述第二滚珠轴承的外圈均贴合的冷却套；

设置于所述冷却套上的用于推动所述第一滚珠轴承的外圈轴向运动的活塞元件；

设置于所述冷却套上的用于获取所述第二滚珠轴承的外圈所承受载荷的压力测定元件。

在本发明的一些实施方式中，所述冷却套位于所述第一滚珠轴承和所述第二滚珠轴承之间的部分具有向内的收窄段，所述收窄段和所述第一滚珠轴承的外圈之间形成第一间隙，所述收窄段和所述第二滚珠轴承的外圈之间形成第二间隙；所述活塞元件设置于所述冷却套上且位于所述第一间隙中；所述压力测定元件设置于所述冷却套上且位于所述第二间隙中。

在本发明的一些实施方式中，所述的带有预紧力调节装置的机床主轴系统还包括：

气压单元；

气液转换单元，能够将所气压单元的输出气压转化为液压，并以该液压控制所述活塞元件运动；

控制单元，预存有主轴转速相匹配的最佳预紧载荷数值，其能够比较压力测定元件获取的载荷数值和预紧载荷数值，并向气压单元发出输出控制信号。

本发明提供的带有预紧力调节装置的机床主轴系统通过将第一滚珠轴承和活塞元件接触，第二滚珠轴承、压力测量元件和冷却套定位，通过液压推动第一滚珠轴承外圈，然后将该载荷传导至第二滚珠轴承的外圈，并且被压力测定元件获取。控制单元根据获取的载荷值，将其与预设的载荷值对比，然后进一步通过气压单元和气液转换单元调整活塞元件的位置，改变施加于第一滚珠轴承外圈的载荷，进而实现根据不同的主轴转速对主轴轴承进行预紧。

本发明能够较方便地将现有的主轴系统改造为带有预紧力调节装置的机床主轴系统，除了冷却套及活塞元件需要另外加工，对其它主轴部件和结构不需要作出其它改变，并且对于任意的轴承配置方式，例如“背对背”、“面对面”、“串联”，本发明都可以对其进行预紧载荷测量和控制。

附图说明

图1为现有技术中主轴轴承预紧力测试机构的示意图；

图2为现有技术中预紧力控制结构的示意图；

图3为发明提供的带有预紧力调节装置的机床主轴系统的结构示意图；

图4为本发明控制单元的示意图。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对发明作进一步详细的说明。虽然附图中显示了本公开示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻的理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图3，本发明一实施方式提供的带有预紧力调节装置的机床主轴系统包括主轴1、第一滚珠轴承2和第二滚珠轴承3、内隔套4、冷却套5、活塞元件6以及压力测定元件7。该主轴系统以主轴1的中心线对称，因此图3仅显示出该系统上半部分的结构示意图。

第一滚珠轴承2和第二滚珠轴承3间隔地套设于主轴1上。内隔套4套设于主轴1上且位于第一滚珠轴承2和所述第二滚珠轴承3之间，内隔套4的两端分别抵触在第一滚珠轴承2的内圈和所述第二滚珠轴承3的内圈上。冷却套5环绕主轴1且其内圆面和第一滚珠轴承2的外圈以及第二滚珠轴承3的外圈均贴合。活塞元件6设置于冷却套5上，并且其能够在微笑的范围内运动，以推动第一滚珠轴承2的外圈轴向运动的。压力测定元件7设置于冷却套5上且能够获取第二滚珠轴承2的外圈所承受载荷。

在本发明的一些实施方式中，冷却套5位于第一滚珠轴承2和第二滚珠轴承3之间的部分具有向内的收窄段，该收窄段和第一滚珠轴承2的外圈之间形成第一间隙，该收窄段和第二滚珠轴承3的外圈之间形成第二间隙。活塞元件6设置于冷却套5上且位于第一间隙中。压力测定元件7设置于冷却套5上且位于第二间隙中。

结合图4所示的为本发明控制单元的示意图，活塞元件6与冷却套5配合，其通过气液转换单元8输入液压油。活塞元件6的两端装有密封圈，用于液压油密封。第一滚珠轴承2的内圈通过锁紧螺母9固定于主轴1上。

使用时，活塞元件6向右移动推动第一滚珠轴承2的外圈向右移动，第一滚珠轴承2的外圈产生的载荷通过自身的滚珠、轴承内圈、内隔套4、第二滚珠轴承3的内圈、滚珠、轴承外圈，最终将预紧载荷作用于压力测定元件7。压力测定元件7将所测载荷经放大、滤波、A/D转换输入控制单元。当活塞元件6向右微动，则会推动第一滚珠轴承2外圈发生微动，使轴承外圈和内隔圈之间产生相对位移，增大预紧力。当活塞元件6向左微动，则由于第一滚珠轴承2的滚珠处于弹性形变范围，滚珠扩张，轴承外圈也会随之发生微动，使内、外圈产生相对位移，减小预紧力。

控制单元对压力测定元件7所测载荷进行数据处理，与数据库中预存的当前转速范围内的最佳预紧载荷数值进行比较之后，输出调整信号，经过D/A转换成相应的控制电压值，输入气压单元的气动减压阀，气动减压阀调节进入气液转换单元的压力，而气液转换单元将气压压力转换为液压压力并输入液压油腔，使活塞元件6向右微动或向左微动，从而使第一滚珠轴承2外圈相对于自身的内圈产生一定的相对位移，进而获得所需的最佳预紧量。

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限制性的。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。