[實用新型]基于壓電作動器在線監測與控制主軸?軸承系統預緊力和預緊位移的高速精密主軸系統

有效

• 申請號: 201621199731.4
• 申請日: 2016-11-07
• 公開（公告）號: CN206311249U
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 胡高峰;高衛國;張大衛
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00;G05D15/00;G01D21/02
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙)12214
• 代理人: 王秀奎

技術領域

本實用新型涉及高速精密主軸-軸承系統預緊力在線監測與控制領域，特別是涉及一種基于壓電作動器在線監測與控制主軸-軸承系統預緊力和預緊位移的高速精密主軸系統。

背景技術

主軸是機床的核心功能部件，其性能直接影響到機床整機的性能。高速精密主軸軸承的預緊是影響主軸剛度、精度和可靠性的最主要因素。高速精密軸承對預緊力的變化極其敏感。因此在主軸加工過程中根據主軸的轉速、溫升、負載和初始裝配等工況對主軸-軸承系統的預緊力和預緊位移進行在線監測與控制，從而實現主軸在包含低速高剛度和高速低溫升整個轉速范圍內的動態、熱態特性全局兼優。

傳統的主軸-軸承系統的預緊技術多采用定位或者定壓的預緊方式，預緊力的數值大多根據經驗或者實驗數據確定，這種恒定預緊力技術只能適用主軸的某一種工況。為此，國內外諸多學者對主軸軸承的預緊力可控技術開展了大量的研究。目前，已有的控制裝置只是基于預緊力的閉環控制或者預緊位移的閉環控制。從動力學角度來說基于預緊位移的閉環控制更能提高主軸的加工性能，然而從熱力學角度來說，基于預緊力的閉環控制更能發揮主軸的高速性能。因此，為了保證高速精密主軸的動態特性和熱態特性全局兼優，開發具有在線監測與控制主軸-軸承系統預緊力和預緊位移功能的高速精密主軸顯得尤為迫切。

實用新型內容

本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種基于壓電作動器在線監測與控制主軸-軸承系統預緊力和預緊位移的高速精密主軸系統，該高速精密主軸系統同時具有在線監測與控制主軸-軸承系統預緊力和預緊位移的功能。

本實用新型為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是：

一種基于壓電作動器在線監測與控制主軸-軸承系統預緊力和預緊位移的高速精密主軸系統，包括主軸殼體、前套筒組件、后套筒組件、壓電作動器組件和主軸，

所述前套筒組件固定安裝在主軸殼體內，所述后套筒組件通過球籠導向軸承沿著主軸的軸線滑動地安裝在主軸殼體內，主軸通過軸承同軸固定安裝在前套筒組件和后套筒組件內，

在主軸殼體上沿主軸圓周均布有多個與主軸相平行的用于對后套筒施加軸向載荷的壓電作動器組件，所述壓電作動器組件包括壓電作動器、力傳感器和預緊力調節螺栓，其中，壓電作動器滑動設置在繞主軸軸線均布并平行于主軸軸線的光孔中，壓電作動器的與后套筒的法蘭盤相對的一端固定力傳感器，壓電作動器的另一端與嵌設在主軸殼體上的預緊力調節螺栓連接；

在前套筒和后套筒的外筒壁上沿其圓周設置有冷卻水道；

在前套筒和后套筒中均嵌入設置有溫度傳感器，用于檢測軸承的工作溫度；

在主軸殼體內設有用于監測轉子轉速的編碼器；

在后套筒上設置后套筒位移傳感器，用于監測后套筒的軸向位移。

在上述技術方案，所述前套筒組件包括前套筒、定位端蓋、前端蓋，所述前套筒通過螺栓固定安裝在主軸殼體內，所述定位端蓋通過螺栓連接固定于前套筒的內端，所述前端蓋通過螺栓連接固定在前套筒的外端，用于壓緊軸承外圈；前套筒內設置有軸承Ⅰ和軸承Ⅱ以安裝主軸，通過第一鎖緊螺母將軸承Ⅰ和軸承Ⅱ軸向鎖緊在主軸上。

在上述技術方案中，前套筒內嵌入設置有軸承Ⅰ溫度傳感器和軸承Ⅱ溫度傳感器，所述軸承Ⅰ溫度傳感器的探頭位于軸承Ⅰ附近，用于檢測軸承Ⅰ的工作溫度，所述軸承Ⅱ溫度傳感器的探頭位于軸承Ⅱ附近，用于檢測軸承Ⅱ的工作溫度。

在上述技術方案中，在主軸殼體內還設置有主軸位移傳感器，主軸位移傳感器通過支架固定在主軸殼體內壁上，主軸位移傳感器的探頭對準主軸的階梯面，過檢測探頭到主軸的階梯面的距離變化，來監測主軸的軸向位移。

在上述技術方案中，所述后套筒組件包括后套筒、預緊端蓋、后端蓋，所述預緊端蓋通過螺栓連接固定于后套筒的內端，所述后端蓋通過螺栓連接固定在后套筒的外端，用于壓緊軸承外圈；后套筒內設置有軸承Ⅲ和軸承Ⅳ以安裝主軸，通過第二鎖緊螺母將軸承Ⅲ和軸承Ⅳ軸向鎖緊在主軸上。

在上述技術方案中，后套筒內嵌入設置有軸承Ⅲ溫度傳感器和軸承Ⅳ溫度傳感器，所述軸承Ⅲ溫度傳感器的探頭位于軸承Ⅲ附近，用于檢測軸承Ⅲ的工作溫度，所述軸承Ⅳ溫度傳感器的探頭位于軸承Ⅳ附近，用于檢測軸承Ⅳ的工作溫度；所述后套筒的外端面為法蘭盤結構，在后套筒外端面法蘭盤上嵌入設置有后套筒位移傳感器，后套筒位移傳感器的探頭貫穿法蘭盤且正對著主軸殼體的與法蘭盤相對的端面，通過測量探頭與該端面的距離變化來監測后套筒的軸向位移。