专利名称：一种基于压电致动器的主轴预紧力动态调整实验台的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机床高速主轴的性能实验领域，涉及一种基于压电致动器的主轴预紧力动态调整实验台。
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。相关研究表明，合理的滚动轴承预紧力可以消除滚动轴承在制造装配过程中的游隙，大幅提高高速主轴刚度和旋转精度；同时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。当前的预紧力调控技术有传统的定位或定压恒值预紧方式、变预紧值方式。传统的定位或定压预紧，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。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，轴承预紧可控技术成为提高高速主轴性能的关键技术之一，其主要机理是根据不同工况主动调整轴承预紧力大小，实现主轴性能的最优化。目前，虽然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，但是缺乏一种简单有效的实验装置，来获得预紧力动态预紧与主轴各方面性能的数据。所以，本实用新型设计了一种基于压电致动器的高速主轴预紧力动态调整实验台的方案。
实用新型内容本实用新型的目的是针对目前机床主轴轴承动态预紧力调控技术缺乏一种简单有效的实验装置，来获得预紧力动态预紧与主轴各方面性能的相关数据的技术问题；设计了一种基于压电致动器的高速主轴预紧力动态调整实验台。为实现上述目的，本实用新型采取如下技术方案—种基于压电致动器的主轴预紧力动态调整实验台，包括机械主轴、压电致动器预紧调整装置、控制压电致动器预紧调整装置的控制器和电主轴；所述压电致动器预紧调整装置设置于所述机械主轴上；所述压电致动器预紧调整装置连接所述控制器，所述电主轴通过联轴器连接所述机械主轴。本实用新型进一步的改进在于机械主轴前端使用第一角接触球轴承、第二角接触球轴承、第三角接触球轴承支撑,机械主轴后端使用第四角接触球轴承支撑,其中第二角接触球轴承、第三角接触球轴承串联成对使用，第一角接触球轴承与第二角接触球轴承面对面安装，第一角接触球轴承与第四角接触球轴承安装方向相同；在第四角接触球轴承后侧安装有压电致动器预紧调整装置。本实用新型进一步的改进在于所述压电致动器预紧调整装置包括压电座和均匀分布于压电座上的六个压电致动器，所有压电致动器其加载端与压电座端面平齐。本实用新型进ー步的改进在干压电制动器的加载端与第四角接触球轴承外圈接触。本实用新型进ー步的改进在干所述主轴预紧カ动态调整实验台还包括冷却水套和端盖，所述冷却水套设置于压电座 外周，端盖安装于冷却水套端部；该引出结构由压电座上开设有的U形槽，冷却水套上上开设有的U形槽，端盖上的开设有引线孔；压电致动器连接有引线，该引线沿压电座上有的U形槽，冷却水套上上的U形槽和端盖上的引线孔穿出连接所述控制器。本实用新型进ー步的改进在于所述机械主轴从右至左依次包括第一段阶梯轴、第二段阶梯轴、第三段阶梯轴、第四段阶梯轴和第五段阶梯轴，机械主轴右端的第一段阶梯轴通过联轴器与电主轴输出端相连接；第四角接触球轴承和压电致动器预紧调整装置安装于第三段阶梯轴上，第一角接触球轴承、第二角接触球轴承和第三角接触球轴承设置于第五段阶梯轴上。本实用新型进ー步的改进在于所述主轴预紧カ动态调整实验台还包括外套；所述外套设置于第一角接触球轴承、第二角接触球轴承、第三角接触球轴承和第四角接触球轴承外侧，外套与冷却水套通过螺栓连接形成密封的冷却环路。本实用新型的进ー步改进在于所述控制压电致动器预紧调整装置的控制器，其每个通道具有正弦、方波、单点三种电压控制方式，可实现与其连接的六个压电致动器的独立和联合控制，可实现压电致动器的实时控制。与现有技术相比较，本实用新型具有以下优点(I)采用6个压电制动器均布的方式，能够实现多达6个点的预紧カ调控，控制更为精确。(2)本实验台能够实现多种预紧力调控技术的实验验证，如均匀分布恒预紧值、均匀分布变预紧值、非均匀分布变预紧值。(3)压电制动器的引线通路结构简单可靠，避免了因为引线弯折而造成的压电致动器损坏。
图I是基于压电致动器的高速主轴预紧カ动态调整实验台结构图。图2是压电座6结构及压电致动器7的布置图。图3为压电座的主视图。图4为沿图3中A-A线的剖视图。
具体实施方式
具体实施步骤请參阅图I至图4所示，本实用新型一种基于压电致动器的高速主轴预紧カ动态调整实验台，包括联轴器I ;主轴2，主轴2右端第一段阶梯轴通过联轴器I与电主轴22输出端相连接；主轴2第三段阶梯轴上从左向右顺序布置轴承9和压电座6，在压电座6上均匀布置六个压电制动器7，压电制动器7的加载端与轴承9外圈接触，再通过内挡圈8，顶盖4，锁紧螺母3，端盖5固定；主轴2第五段阶梯轴上从左向右顺序布置外挡圈19，内挡圈20，外挡圈19、内挡圈20分别与轴承18的外圈和内圈接触，轴承17与轴承18面对面布置，通过内挡圈15，外挡圈16，与轴承14串联，再通过内挡圈13，锁紧螺母12固定；端盖21与冷却水套10相连接，外套11与冷却水套10通过螺栓连接形成密封的冷却环路。将组件在V形块上固定后，最后将主轴2右端第一段阶梯轴通过联轴器I与电主轴22输出端相连接，通过控制电主轴22的输出转速，实现实验台的转速调整。压电制动器7加载端向左推动轴承9的外圈，使轴承9内圈向右运动，再通过内挡圈8、顶盖4、锁紧螺母3使得主轴2向右运动，从而通过端盖21、外挡圈19、16对轴承18、17、14实现预紧。将六个压电制动器7的控制线端口分别与控制器23(型号XE-501)相应的端口连接，通过安装在计算机24上的控制软件调整各端口的输出电压，控制每一个压电制动器的输出力，从而实现各种预紧力调控技术。
·[0026]本实验台轴承9型号为7014CD/P4，轴承14、17、18均为7016CD/P4，其中轴承17、18配对串联使用，轴承14、17面对面布置，轴承14与9串联，这种布置方式能够使整个轴系具有良好的支撑刚度，一定程度消除轴向力的影响，增强了轴系的稳定性，并且能够使得对整个轴系的预紧力实时调整成为可能。预紧力实时调整系统包括零件压电座6，压电致动器7，以及相应的压电致动器控制装置23 (使用芯明天科技有限公司生产的XE-501模块化开闭环控制系统)。将每个压电制动器输入端口分别与控制器输出端口连接，通过在安装在计算机24上的控制器软件，设置每一个输出端口的电压值控制制动器的输出力，从而实现预紧力的动态调整。压电致动器7引线末端长约IOmm为硬线，为避免损坏压电，此处不能够弯折。如图2所示，本实用新型在压电座6上开槽，并且对应的在冷却水套上也开槽，使得引线末端能够保证为自然形态，在端盖5上打孔，孔与水套开槽的尾部对应，从而将压电致动器控制线引出。
权利要求1.一种基于压电致动器的主轴预紧力动态调整实验台，其特征在于包括机械主轴、压电致动器预紧调整装置、控制压电致动器预紧调整装置的控制器和电主轴；所述压电致动器预紧调整装置设置于所述机械主轴上；所述压电致动器预紧调整装置连接所述控制器，所述电主轴通过联轴器连接所述机械主轴。
2.如权力要求I所述的基于压电致动器的主轴预紧力动态调整实验台，其特征在于机械主轴前端使用第一角接触球轴承(14)、第二角接触球轴承(17)、第三角接触球轴承(18)支撑，机械主轴后端使用第四角接触球轴承(9)支撑，其中第二角接触球轴承(17)、第三角接触球轴承(18)串联成对使用，第一角接触球轴承(14)与第二角接触球轴承(17)面对面安装，第一角接触球轴承(14)与第四角接触球轴承(9)安装方向相同；在第四角接触球轴承(9)后侧安装有压电致动器预紧调整装置。
3.如权利要求2所述的基于压电致动器的主轴预紧力动态调整实验台，其特征在于所述压电致动器预紧调整装置包括压电座(6)和均匀分布于压电座(6)上的六个压电致动器(7)，所有压电致动器(7)其加载端与压电座端面平齐。
4.如权利要求3所述的基于压电致动器的主轴预紧力动态调整实验台，其特征在于压电制动器(7)的加载端与第四角接触球轴承(9)外圈接触。
5.如权利要求3所述的基于压电致动器的主轴预紧力动态调整实验台，其特征在于所述主轴预紧力动态调整实验台还包括冷却水套(10)和端盖(5)，所述冷却水套(10)设置于压电座(6)外周，端盖(5)安装于冷却水套(10)端部；该引出结构由压电座(6)上开设有的U形槽，冷却水套上(10)上开设有的U形槽，端盖(5)上的开设有引线孔；压电致动器(7)连接有引线，该引线沿压电座(6)上有的U形槽，冷却水套上(10)上的U形槽和端盖(5)上的引线孔穿出连接所述控制器。
6.如权力要求5所述的基于压电致动器的主轴预紧力动态调整实验台，其特征在于，所述机械主轴从右至左依次包括第一段阶梯轴、第二段阶梯轴、第三段阶梯轴、第四段阶梯轴和第五段阶梯轴，机械主轴右端的第一段阶梯轴通过联轴器与电主轴输出端相连接；第四角接触球轴承(9)和压电致动器预紧调整装置安装于第三段阶梯轴上，第一角接触球轴承(14)、第二角接触球轴承(17)和第三角接触球轴承(18)设置于第五段阶梯轴上。
7.如权力要求6所述的基于压电致动器的主轴预紧力动态调整实验台，其特征在于，所述主轴预紧力动态调整实验台还包括外套(11);所述外套设置于第一角接触球轴承(14)、第二角接触球轴承(17)、第三角接触球轴承(18)和第四角接触球轴承(9)外侧，外套(11)与冷却水套(10)通过螺栓连接形成密封的冷却环路。
专利摘要本实用新型公开了一种基于压电致动器的主轴预紧力动态调整实验台，包括机械主轴、压电致动器预紧调整装置、控制压电致动器预紧调整装置的控制器和电主轴；所述压电致动器预紧调整装置设置于所述机械主轴上；所述压电致动器预紧调整装置连接所述控制器，所述电主轴通过联轴器连接所述机械主轴。压电致动器预紧调整装置中的压电致动器数量为6个，并均匀布置在压电座上，其加载端与压电座端面平齐。压电致动器控制软件可实现六个压电致动器的实时控制。该实验台可以实现对主轴后端轴承预紧力的精确控制，从而改变整个主轴的性能，可获取在不同预紧情况下主轴的各方面性能测试数据。
文档编号G01M13/00GK202648921SQ201220186780
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者洪军, 李小虎, 赵宏, 吴文武, 徐枫, 刘光辉 申请人:西安交通大学