专利名称：基于液压系统调控的非均匀分布预紧力可控高速主轴及其控制方法
技术领域：
本发明属于高速主轴的滚动轴承性能调控应用领域，涉及一种基于液压系统调控的非均勻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，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，有基于压电材料、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。上述所述的预紧力调控装置都是对滚动轴承施加轴向均勻分布的预紧力。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勻分布的轴向预紧力，不能有效地消除轴向和径向游隙的非均勻分布性，也不能满足高速主轴在某些特定工况下工作载荷非均勻分布的要求，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，研究非均勻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液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴及其控制方法，通过对非均勻分布预紧力的在线调控，实现降低高速滚动轴承的温升，提高其刚度、旋转精度，获得在整个工作转速范围内的动力学品质优良的主轴。为实现上述目的，本发明提供了一种基于液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴，包括主轴，主轴外周安装有滚动轴承，所述位于主轴前端的滚动轴承上安装有液压调控预紧力系统，该液压调控预紧力系统通过调控装置调控，所述液压调控预紧力系统包括作用在滚动轴承外周的液压作动套，安装在液压作动套外周并与液压作动套形成封闭的液压油腔的端盖，其中，所述液压作动套上安装有温度传感器，所述调控装置通过温度传感器检测到的信号对滚动轴承的预紧力进行调节。
作为本发明的优选实施例，所述液压油腔沿周向均勻分布；作为本发明的优选实施例，所述调控装置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转换连接在单片机的输入端，所述单片机的输出端经D/A转换连接有多路开关，该多路开关经功率放大后连接在电液伺服阀上，该电液伺服阀与所述液压油腔内部相通；作为本发明的优选实施例，所述端盖上开设有与所述液压油腔贯通的进油通道， 该进油通道设有进油口；作为本发明的优选实施例，所述滚动轴承的额定动载荷41. 5KN ；本发明还提供了一种上述基于液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴的控制方法，当主轴转动时，温度传感器将测得的轴承外圈的温度模拟信号经调理电路，再经A/D转换后输入到单片机中进行处理，单片机对不同轴承外圈温度下各预紧力调控点预紧力值的数据进行查表，产生控制指令，然后经D/A转换后通过多路开关进行送出，最后通过功率放大控制电液伺服阀的阀芯位移，进而控制进液压油腔处的压力，最终通过液压作动套调节滚动轴承的预紧力。本发明基于液压系统调控的非均勻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勻分布预紧力作用，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勻分布预紧力的闭环在线调控，以获得在不同工况下高性能的高速主轴。
图1是本发明基于液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴的整体结构示意图；图2是本发明液压油腔分布示意图(以8个为例)；图3是液压油腔结构图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明基于液压系统调控的非均勻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，本发明基于液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴包括主轴1，主轴1外周安装有滚动轴承3，一对滚动轴承3之间的主轴外圈表面安装有套筒 2 ；所述位于主轴1前端的滚动轴承3上安装有液压调控预紧力系统，该液压调控预紧力系统通过调控装置调控。所述液压调控预紧力系统包括作用在滚动轴承3外周的液压作动套8，安装在液压作动套8外周的端盖4，所述液压作动套8与端盖4之间通过密封垫圈7形成封闭的空间，所述液压作动套8与端盖4之间形成的封闭的空腔为液压油腔5，所述端盖4上开设有与前述液压油腔5贯通的进油通道，该进油通道设置有进油口 6。所述液压作动套8上安装有温度传感器9。请特别参阅图2及图3所示，所述液压油腔5是由液压作动套8与端盖4组合而成，其个数为整数，在主轴1周向均勻分布，其位置与温度传感器9的位置接近，这样，通过调节各个液压油腔5中油液的压力，即可实现滚动轴承3预紧力大小和分布的调节。所述调控装置包括与温度传感器9相连的调理电路10，该调理电路10的输出端通过A/D转换11连接在单片机12的输入端，所述单片机12的输出端经D/A转换13连接有多路开关14，该多路开关14经功率放大15后连接在电液伺服阀上16，该电液伺服阀16的输入端还连接有供油系统，同时，该电液伺服阀16通过进油通道与液压油腔5内部相连。所述主轴1转动时，前、后端由滚动轴承3支承，所述液压调控预紧力系统位于主轴前端滚动轴承3上，所述液压作动套8作为预紧力执行机构；所述多个温度传感器9安放在液压作动套8上，多个温度传感器9测得轴承外圈(预紧力调控点附近)的温度模拟信号，经调理电路10，再经A/D转换11后，输入到单片机12中进行处理，单片机12对不同轴承外圈温度下各预紧力调控点预紧力值的数据进行查表，产生控制指令，经D/A转换13，通过多路开关14进行送出，最后通过功率放大15控制电液伺服阀16的阀芯位移，进而控制进油口 6处的压力，由于该进油口 6与液压油腔5相通，因此，压力油可作用在液压作动套8 上，由液压作动套8对滚动轴承3进行预紧力的调节。此外，电液伺服阀16、液压油腔5与供油系统17相接，形成回路。本发明通过调节各个电液伺服阀16，进而控制进入各个液压油腔5内油液的压力和有无，从而实现预紧力大小和分布的调节。本发明的基于液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴采用以下主要部件滚动轴承选择SKF 3306A-Z,轴承内径φ30,额定动载荷41. 5ΚΝ。采用圆螺母及端盖实现轴承一端双向固定形式。探针式铠装钼热电阻温度传感器FY-ZWC-2012，西安方元电子有限公司。A/D 转换器ADC0808，美国 National Semiconductor 公司。D/A 转换器:DAC0830 系列，美国 National Semiconductor 公司。功率放大器采用IRF540和MUR820等器件，ST公司。单片机C8051F，SiliconLab 公司。多路开关74HC4051，PHILIPS公司。电液伺服阀HY120P压力伺服阀，襄樊航宇。供油系统Rexroth液压泵站，Rexroth公司。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。
权利要求
1.一种基于液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴，其特征在于包括主轴 (1)，主轴(1)外周安装有滚动轴承(3)，所述位于主轴(1)前端的滚动轴承C3)上安装有液压调控预紧力系统，该液压调控预紧力系统通过调控装置调控，所述液压调控预紧力系统包括作用在滚动轴承(3)外周的液压作动套(8)，安装在液压作动套(8)外周并与液压作动套⑶形成封闭的液压油腔(5)的端盖G)，其中，所述液压作动套⑶上安装有温度传感器(9)，所述调控装置通过温度传感器(9)检测到的信号对滚动轴承的预紧力进行调节。
2.如权利要求1所述的基于液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴，其特征在于所述液压油腔(5)沿周向均勻分布。
3.如权利要求2所述的基于液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴，其特征在于所述调控装置包括与温度传感器(9)相连的调理电路(10)，该调理电路(10)的输出端通过A/D转换(11)连接在单片机(1 的输入端，所述单片机(1 的输出端经D/A转换(13)连接有多路开关(14)，该多路开关(14)经功率放大(15)后连接在电液伺服阀上 (16)，该电液伺服阀(16)与所述液压油腔(5)内部相通。
4.如权利要求3所述的基于液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴，其特征在于所述端盖(4)上开设有与所述液压油腔( 贯通的进油通道，该进油通道设有进油口 (6)。
5.如权利要求1所述的基于液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴，其特征在于所述滚动轴承的额定动载荷41. 5KN。
6.一种如权利要求1所述的基于液压系统调控的非均勻分布预紧力可控高速主轴的控制方法，其特征在于当主轴⑴转动时，温度传感器(9)将测得的轴承外圈的温度模拟信号经调理电路(10)，再经A/D转换(11)后输入到单片机(1 中进行处理，单片机(12)对不同轴承外圈温度下各预紧力调控点预紧力值的数据进行查表，产生控制指令，然后经D/A 转换(13)后通过多路开关(14)进行送出，最后通过功率放大(15)控制电液伺服阀(16) 的阀芯位移，进而控制进液压油腔处的压力，最终通过液压作动套(8)调节滚动轴承的预紧力。
全文摘要
本发明公开了一种基于液压系统调控的非均匀分布预紧力可控高速主轴及其控制方法，包括主轴，主轴外周安装有滚动轴承，所述位于主轴前端的滚动轴承上安装有液压调控预紧力系统，该液压调控预紧力系统通过调控装置调控，所述液压调控预紧力系统包括作用在滚动轴承外周的液压作动套，安装在液压作动套外周并与液压作动套形成封闭的液压油腔的端盖，其中，所述液压作动套上安装有温度传感器，所述调控装置通过温度传感器检测到的信号对滚动轴承的预紧力进行调节。本发明通过对不同温度下轴承外圈不同调控点进行预紧力精确调控，通过对主轴支承轴承的非均匀分布预紧力的闭环在线调控，以获得在不同工况下高性能的高速主轴。
文档编号B23B19/02GK102310203SQ20111016605
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者张晓毅, 张进华, 朱永生, 朱祥, 李小虎, 李纯洁, 田久良 申请人:沈机集团昆明机床股份有限公司, 西安交通大学