专利名称：一种机床主轴轴承动态预紧力测量方法
技术领域：
本发明属于机床主轴轴承的性能测试应用领域，涉及一种机床主轴轴承动态预紧力测量方法。
背景技术：
对机床主轴滚动轴承进行预紧，一方面可以消除滚动轴承在制造装配过程中的游隙，增加轴承的刚度、提高主轴的旋转精度，同时，由于预紧力的作用，可以减少轴承滚珠公转的打滑现象，消除陀螺效应，进而改善轴承的发热状况，延长轴承的服役寿命。机床主轴常用的预紧方式是定压预紧，它的特点是预紧力恒定，其大小根据低速重切削和高速轻切削对预紧力的要求而综合确定，但定压预紧方式存在明显的不足低速时预紧力偏小，使轴承刚性下降，主轴抗受迫振动和自激振动的能力弱，从而导致加工精度下降；高速时预紧力偏大，使轴承温升加剧，制约了主轴的高速化。而实现预紧力实时调控是提高主轴性能的有效措施，其关键环节就是测量主轴的动态预紧力，根据不同速段改变轴承预紧力大小，提高主轴性能。目前，工程中除了对于一些要求不高的场合有一些简单的预紧力估算方法外，确定轴承预紧力的方法一般采用经验法(手感法)，而这种方法效率低，操作环节复杂，并且只适用于静态。对于测量主轴在转动过程中的预紧力大小更是不适用，因此需要在常规预紧力的确定方法的基础上研究新的动态预紧力测量方法。
发明内容
本发明的目的是针对目前机床主轴轴承动态预紧力较难测量，且测量结果不准确的现状，提出了一种机床主轴轴承动态预紧力测量方法。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案—种机床主轴轴承动态预紧力测量方法，包括以下步骤建立主轴力学模型，计算出轴承径向受力和轴向受力；建立机床主轴轴承五自由度非线性有限元模型，建立主轴轴承的动刚度与预紧力和转速之间的拟合关系；建立机床主轴转子五自由度有限元模型，建立主轴轴承动刚度和主轴动刚度之间的拟合关系，然后联合机床主轴轴承五自由度非线性有限元模型和机床主轴转子五自由度有限元模型，通过在主轴计算模型中设置不同预紧力和转速下的轴承动刚度值计算主轴前端动刚度，从而建立主轴动刚度与轴承预紧力和转速之间的拟合关系数据库；通过主轴动刚度测量实验测得主轴的动刚度，把实验测试得到的主轴动刚度值输入到上述主轴动刚度与轴承预紧力和转速的拟合关系数据库中，通过查询得到主轴轴承的动态预紧力。与现有技术相比，本发明预紧力测量方法至少具有以下优点本发明首先对主轴轴承施加不用的预紧力，得到轴承动刚度与轴承预紧力和转速的关系，然后将该轴承动刚度输入到主轴模型中，得到轴承动刚度与主轴动刚度的关系，这样，轴承预紧力和转速与主轴动刚度之间的关系就可以得到，最后，最通过实验得到主轴的动刚度，在根据上述主轴动刚度与轴承预紧力和转速之间的关系查询出轴承的动态预紧力即可。本发明测量方法通过 主轴动刚度得到的轴承动态预紧力，测量结果准确。
图1是本发明机床主轴轴承动态预紧力测量方法的流程图；图2是本发明主轴支承轴承径向受力力学模型图，其中图2(幻为两轴承支撑-转 子系统，图2 (b)为三轴承支撑-转子系统；图3是本发明某型号机床主轴支承轴承轴向受力示意图；图4是本发明机床主轴动刚度测量实验结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图1至图4对本发明机床主轴轴承动态预紧力测量方法作具体介绍1.建立主轴力学模型，根据主轴实际结构，可分为两轴承支承-转子系统和三轴 承支承_转子系统，如图2所示，根据力和力矩平衡方程，采用数值计算方法计算出各轴承 的受力。对于图2(&)所示的两轴承支承-转子系统，根据力和力矩平衡方程可求出轴承支 承反力
权利要求
1.一种机床主轴轴承动态预紧力测量方法，包括以下步骤1)建立主轴力学模型，计算出轴承径向受力和轴向受力；2)建立机床主轴轴承五自由度非线性有限元模型，建立主轴轴承的动刚度与预紧力和转速之间的拟合关系；3)建立机床主轴转子五自由度有限元模型，建立主轴轴承动刚度和主轴动刚度之间的拟合关系，然后联合机床主轴轴承五自由度非线性有限元模型和机床主轴转子五自由度有限元模型，通过在主轴计算模型中设置不同预紧力和转速下的轴承动刚度值计算主轴前端动刚度，从而建立主轴动刚度与轴承预紧力和转速之间的拟合关系数据库；4)通过主轴动刚度测量实验测得主轴的动刚度，把实验测试得到的主轴动刚度值输入到上述主轴动刚度与轴承预紧力和转速的拟合关系数据库中，通过查询得到主轴轴承的动态预紧力。
2.根据权利要求1所述的机床主轴轴承动态预紧力测量方法，其特征在于所述主轴-轴承转子系统的运动微分方程为[Μ]{·χ;}+剛=网其中，[M] = [Mb]+ [Md], [C] = -Ω ([Gb]+ [Gd])+ [Cs],[K]=[Kb] + [KB]-Q2[Mb]c,{F(t)}={Fb} + {Fd}[Mb]-一弹性轴质量矩阵[Md]--一圆盘质量矩阵[Gb]-一弹性轴回转矩阵[Gd]--一圆盘回转矩阵[Cs]-一结构阻尼矩阵[Mb]c_——计算弹性轴离心力的质量矩阵[Kb]-一弹性轴刚度矩阵[KB]--一支承轴承动刚度矩阵{Fb} —一弹性轴载荷向量{Fd} —-一圆盘不平衡力向量。
3.根据权利要求1所述的机床主轴轴承动态预紧力测量方法，其特征在于所述步骤4)中测量主轴动刚度时，以主轴前端安装配重螺钉的平面作为测量平面，并安装配重螺钉。
4.根据权利要求1所述的机床主轴轴承动态预紧力测量方法，其特征在于所述步骤4)中测量主轴动刚度时，采用动平衡仪对已选测量平面进行现场动平衡测试，测得质心偏移量。
全文摘要
本发明公开了一种机床主轴轴承动态预紧力测量方法，首先，对主轴支撑轴承进行载荷分析，求出主轴轴承所受载荷，其次，建立机床主轴轴承五自由度非线性有限元模型，建立主轴轴承的动刚度与转速和主轴轴承预紧力之间的拟合关系。再次，建立机床主轴五自由度有限元模型，建立主轴轴承动刚度与主轴动刚度之间的关系；接着，计算不同轴承预紧力和转速下的主轴动刚度，建立主轴动刚度与轴承预紧力和转速之间的拟合关系数据库，最后，通过主轴动刚度测量实验测得主轴前端动刚度，将得到的主轴动刚度在上述主轴动刚度与轴承预紧力和转速之间的拟合关系数据库中查询得到机床主轴轴承的动态预紧力。
文档编号G01M13/04GK102564763SQ201110454750
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者朱永生, 李纯洁, 洪军, 王梦茜, 田久良, 郭俊康 申请人:西安交通大学