[发明专利]基于压电作动器在线监测与控制主轴-轴承系统预紧力和预紧位移的高速精密主轴系统

说明书

本发明公开了一种基于压电作动器在线监测与控制主轴‑轴承系统预紧力和预紧位移的高速精密主轴系统，包括主轴壳体、前套筒组件、后套筒组件、压电作动器组件和主轴，所述前套筒组件固定安装在主轴壳体内，所述后套筒组件通过球笼导向轴承沿着主轴的轴线滑动地安装在主轴壳体内，主轴通过轴承同轴固定安装在前套筒组件和后套筒组件内，在主轴壳体上沿主轴圆周均布有多个与主轴相平行的用于对后套筒施加轴向载荷的压电作动器组件。本发明同时具有在线监测与控制主轴‑轴承系统预紧力和预紧位移的功能。本发明通过压可滑动后套筒结构设计，同时结合电作动器、力传感器和位移传感器实现了定位预紧和定压预紧两种模式。

技术领域

本发明涉及高速精密主轴-轴承系统预紧力在线监测与控制领域，特别是涉及一种基于压电作动器在线监测与控制主轴-轴承系统预紧力和预紧位移的高速精密主轴系统。

背景技术

主轴是机床的核心功能部件，其性能直接影响到机床整机的性能。高速精密主轴轴承的预紧是影响主轴刚度、精度和可靠性的最主要因素。高速精密轴承对预紧力的变化极其敏感。因此在主轴加工过程中根据主轴的转速、温升、负载和初始装配等工况对主轴-轴承系统的预紧力和预紧位移进行在线监测与控制，从而实现主轴在包含低速高刚度和高速低温升整个转速范围内的动态、热态特性全局兼优。

传统的主轴-轴承系统的预紧技术多采用定位或者定压的预紧方式，预紧力的数值大多根据经验或者实验数据确定，这种恒定预紧力技术只能适用主轴的某一种工况。为此，国内外诸多学者对主轴轴承的预紧力可控技术开展了大量的研究。目前，已有的控制装置只是基于预紧力的闭环控制或者预紧位移的闭环控制。从动力学角度来说基于预紧位移的闭环控制更能提高主轴的加工性能，然而从热力学角度来说，基于预紧力的闭环控制更能发挥主轴的高速性能。因此，为了保证高速精密主轴的动态特性和热态特性全局兼优，开发具有在线监测与控制主轴-轴承系统预紧力和预紧位移功能的高速精密主轴显得尤为迫切。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于压电作动器在线监测与控制主轴-轴承系统预紧力和预紧位移的高速精密主轴系统，该高速精密主轴系统同时具有在线监测与控制主轴-轴承系统预紧力和预紧位移的功能。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种基于压电作动器在线监测与控制主轴-轴承系统预紧力和预紧位移的高速精密主轴系统，包括主轴壳体、前套筒组件、后套筒组件、压电作动器组件和主轴，

所述前套筒组件固定安装在主轴壳体内，所述后套筒组件通过球笼导向轴承沿着主轴的轴线滑动地安装在主轴壳体内，主轴通过轴承同轴固定安装在前套筒组件和后套筒组件内，

在主轴壳体上沿主轴圆周均布有多个与主轴相平行的用于对后套筒施加轴向载荷的压电作动器组件，所述压电作动器组件包括压电作动器、力传感器和预紧力调节螺栓，其中，压电作动器滑动设置在绕主轴轴线均布并平行于主轴轴线的光孔中，压电作动器的与后套筒的法兰盘相对的一端固定力传感器，压电作动器的另一端与嵌设在主轴壳体上的预紧力调节螺栓连接；

在前套筒和后套筒的外筒壁上沿其圆周设置有冷却水道；

在前套筒和后套筒中均嵌入设置有温度传感器，用于检测轴承的工作温度；

在主轴壳体内设有用于监测转子转速的编码器；

在后套筒上设置后套筒位移传感器，用于监测后套筒的轴向位移。

在上述技术方案，所述前套筒组件包括前套筒、定位端盖、前端盖，所述前套筒通过螺栓固定安装在主轴壳体内，所述定位端盖通过螺栓连接固定于前套筒的内端，所述前端盖通过螺栓连接固定在前套筒的外端，用于压紧轴承外圈；前套筒内设置有轴承Ⅰ和轴承Ⅱ以安装主轴，通过第一锁紧螺母将轴承Ⅰ和轴承Ⅱ轴向锁紧在主轴上。