专利名称：预紧力可控无颤振电主轴的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于数控机床高速加工主轴单元装备，属于机电一体化设备制造的技术领域。
背景技术：
高速加工电主轴粗加工时，切削速度低、但切削量大，刀具切削激振力大，要求电主轴输出大转矩，此时电主轴系统要求有较大的预紧力，以增大支承刚度和支承阻尼，来抵抗大激振力带来的受迫振动和由于工件切削过程有可能导致自激振动；精加工时，切削速度高、但切削量小，要求电主轴输出大功率，由于滚动轴承随转速的升高，其温度将大幅度攀升，此时希望在满足主轴系统动力学特性要求的前提下，尽量降低轴承的预紧力。
目前传统型电主轴的定压预紧力的大小是兼顾低速大转矩和高速大功率两方面因素而综合确定的，它明显的缺点是对于低速段，预紧力偏小，系统抵抗受迫振动与自激振动能力较弱，往往表现出工件已加工表面残留的振纹较大；对于高速段，预紧力又偏大，轴承温升偏高，制约了电主轴高速化，缩短了轴承的使用寿命，降低电主轴回转精度。
发明内容
技术问题针对目前传统型电主轴振动控制与预紧力设计中存在的问题，本实用新型提出一种预紧力可控无颤振电主轴，这是一种弹性元件与液压作动器混合预紧方式的新型电主轴，通过电主轴的预紧力智能化可控，以获得在低速大转矩段与高速大功率段整个工作转速范围内的动力学品质优良的电主轴。
技术方案本实用新型所采用的技术方案是用弹簧-液压混合预紧力作动器，代替传统型电主轴弹簧单一预紧施力方式；建立电主轴轴向预紧力液压作动施力机电装置，其组成元件依次为光电编码测速传感器-D/A转换器-数字控制器-功率放大器-液压比例电磁阀-液压作动器-电主轴滚动轴承等；将轴向预紧力液压作动施力机电装置的前端元件光电编码测速传感器和主轴端部连接，以测量主轴端转速，由轴向预紧力液压作动施力机电装置控制其末端元件的液压作动器与电主轴后轴承相连接，以和弹簧并用实现预紧力智能控制。
在结构上，预紧力可控无颤振电主轴由机械部分和电控部分组成，其中机械部分有主轴、电机、滚动轴承、作动器、直线轴承，电控部分有编码器、单片机、开关功放、比例电磁阀、液压油站；电机安装在主轴的中部，主轴的前、后端由滚动轴承支承，主轴后端的滚动轴承支承在直线轴承上，作动器位于主轴后端的滚动轴承上；编码器为电控部分的信号输入端，位于主轴前端的侧面，将采集的主轴的信号送到单片机处理，比例电磁阀为电控部分的信号输出端，比例电磁阀通过定压油路与作动器相接。编码器的输出端接单片机的输入端“P1.1”，单片机的输出端“P1.3”接开关功放的输入端“Hin、Lin”，开关功放的输出端接比例电磁阀，液压油站的输出端接比例电磁阀的输入端。作动器为一个内部设有预紧弹簧的油腔，油腔通过管路与比例电磁阀相连，预紧弹簧的两端分别顶在直线轴承的两轴承套上。
通过光电编码测速传感器测得电主轴转子转速模拟信号，由A/D转换模块将模拟信号转化成数字信号，输入单片机控制器，通过查表算法在数据存储器里读取对应于相应转速的比例电磁阀控制最佳电流，再通过D/A转换模块，将数字信号转化成模拟信号，并由功率放大器输出放大电流，控制比例电磁阀，由液压油缸(与弹簧预紧并用)给轴承施加轴向预紧力，以实现高速电主轴的最佳预紧力智能化振动控制。
在最高转速时，使其预紧力由弹性元件提供，当转速较低时，控制油压通过液压油缸活塞(与弹性元件并用)施加预紧力，以达到与转速相适应的最佳预加载荷值，从而获得在整个工作转速范围内的动力学品质优良的新型电主轴单元技术。
本实用新型的预紧力可控无颤振电主轴，其工作工作过程为电主轴采用弹性元件与液压作动器混合预紧方式，借助于测速传感器-控制器-放大器-液压作动器-电主轴的预紧力可控开环系统，在最高转速时，使其预紧力由弹性元件提供，当转速较低时，控制油压通过液压油缸活塞(与弹性元件并用)施加预紧力，以达到与转速相适应的最佳预加载荷值，从而获得在含低速大转矩段与高速大功率段整个工作转速范围内的优良动力学品质的电主轴。
益效果通过预紧力智能化控制来抑制主轴振动，突破传统型高速加工电主轴在低速段预紧力偏小，而高速段预紧力又偏大这一技术难题，可望真正实现高速化、高刚度、高精度、长寿命等四位一体的技术突破。通过电主轴的预紧力智能化可控，以获得在低速大转矩段与高速大功率段整个工作转速范围内的动力学品质优良的电主轴。
图1是本实用新型的预紧力可控无颤振电主轴的总体结构原理图。
图2是图1中电控部分的结构原理图。
图3是图1中作动器部分的结构原理图。
以上的图中有主轴1，电机2，滚动轴承3，编码器4.，单片机5，开关功放6，比例压力阀7，液压油站8，作动器9，轴承套9-1，油腔9-2，预紧弹簧9-3，直线轴承10。
具体实施方式
本实用新型的预紧力可控无颤振电主轴采用以下主要部件构成编码器4采用光电编码器EPC-755A，美国ENCODER PRODUCTS公司；单片机5采用数字控制器Intel单片机(8位)，83C51GB，87C51GB；开关功放6采用A/D转换器ADC0808美国National Semiconductor公司；和D/A转换器DAC0830系列，美国National Semiconductor公司；比例压力阀7为PV21-6；功率放大器采用IRF540和MUR820等器件；液压油站8为东南大学液压元件厂，DNHY-12型。
机械部分有主轴1、电机2、滚动轴承3、作动器9、直线轴承10，电控部分有编码器4、单片机5、开关功放6、比例电磁阀7、液压油站8；电机2安装在主轴1的中部，主轴1的前、后端由滚动轴承3支承，主轴1后端的滚动轴承3支承在直线轴承11上，作动器9位于主轴1后端的滚动轴承3上；编码器4为电控部分的信号输入端，位于主轴1前端的侧面，将采集的主轴1的信号送到单片机5处理，比例电磁阀7为电控部分的信号输出端，比例电磁阀7通过定压油路与作动器9相接。所述的电控部分的编码器4的输出端接单片机5的输入端“P1.1”，单片机5的输出端“P1.3”接开关功放6的输入端“Hin、Lin”，开关功放6的输出端接比例电磁阀7，液压油站8的输出端接比例电磁阀7的输入端。作动器9为一个内部设有预紧弹簧9-3的油腔9-2，油腔9-2通过管路与比例电磁阀7相连，预紧弹簧9-3的两端分别顶在直线轴承10的两轴承套9-1上。
权利要求1.一种预紧力可控无颤振电主轴，其特征在于该电主轴由机械部分和电控部分组成，其中机械部分有主轴(1)、电机(2)、滚动轴承(3)、作动器(9)、直线轴承(10)，电控部分有编码器(4)、单片机(5)、开关功放(6)、比例电磁阀(7)、液压油站(8)；电机(2)安装在主轴(1)的中部，主轴(1)的前、后端由滚动轴承(3)支承，主轴(1)后端的滚动轴承(3)支承在直线轴承(11)上，作动器(9)位于主轴(1)后端的滚动轴承(3)上；编码器(4)为电控部分的信号输入端，位于主轴(1)前端的侧面，将采集的主轴(1)的信号送到单片机(5)处理，比例电磁阀(7)为电控部分的信号输出端，比例电磁阀(7)通过定压油路与作动器(9)相接。
2.根据权利要求1所述的预紧力可控无颤振电主轴，其特征在于所述的电控部分的编码器(4)的输出端接单片机(5)的输入端“P1.1”，单片机(5)的输出端“P1.3”接开关功放(6)的输入端“Hin、Lin”，开关功放(6)的输出端接比例电磁阀(7)，液压油站(8)的输出端接比例电磁阀(7)的输入端。
3.根据权利要求1所述的预紧力可控无颤振电主轴，其特征在于作动器(9)为一个内部设有预紧弹簧(9-3)的油腔(9-2)，油腔(9-2)通过管路与比例电磁阀(7)相连，预紧弹簧(9-3)的两端分别顶在直线轴承(10)的两轴承套(9-1)上。
专利摘要预紧力可控无颤振电主轴涉及一种用于数控机床高速加工主轴单元装备，该电主轴由机械部分和电控部分组成，其中机械部分有主轴(1)、电机(2)、滚动轴承(3)、作动器(9)、直线轴承(10)，电控部分有编码器(4)、单片机(5)、开关功放(6)、比例电磁阀(7)、液压油站(8)；电机(2)安装在主轴的中部，主轴的前、后端由滚动轴承(3)支承，主轴后端的滚动轴承(3)支承在直线轴承(11)上，作动器(9)位于主轴后端的滚动轴承(3)上；编码器(4)为电控部分的信号输入端，位于主轴前端的侧面，将采集的主轴的信号送到单片机(5)处理，比例电磁阀为电控部分的信号输出端，比例电磁阀通过定压油路与作动器相接。
文档编号B23Q5/04GK2858136SQ20062006922
公开日2007年1月17日 申请日期2006年2月10日 优先权日2006年2月10日
发明者蒋书运 申请人:东南大学