一种高速精密主轴预紧力和预紧位移智能监控系统及其控制方法与流程

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，特别是涉及一种高速精密主轴预紧力和预紧位移智能监控系统及其控制方法。

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。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高速精密主轴预紧力和预紧位移智能监控系统及其控制方法，该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：

一种高速精密主轴预紧力和预紧位移智能监控系统，包括主轴壳体、前套筒组件、后套筒组件、压电作动器组件、主轴和数据采集与控制系统，

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；

在前套筒和后套筒中均嵌入设置有温度传感器，用于检测轴承的工作温度；

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。

所述数据采集与控制系统包括控制器、A/D转换器、D/A转换器，所述力传感器、主轴位移传感器、后套筒位移传感器分别通过A/D转换器连接至控制器，控制器依次通过D/A转换器、电压放大器连接各个压电作动器。

在上述技术方案中，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。

在上述技术方案中，前套筒内嵌入设置有轴承Ⅰ温度传感器和轴承Ⅱ温度传感器。

在上述技术方案中，在主轴壳体内还设置有主轴位移传感器，主轴位移传感器通过支架固定在主轴壳体内壁上，主轴位移传感器的探头对准主轴的阶梯面，过检测探头到主轴的阶梯面的距离变化，来监测主轴的轴向位移。

在上述技术方案中，所述后套筒组件包括后套筒、预紧端盖、后端盖，所述预紧端盖通过螺栓连接固定于后套筒的内端，所述后端盖通过螺栓连接固定在后套筒的外端，用于压紧轴承外圈；后套筒内设置有轴承Ⅲ和轴承Ⅳ以安装主轴，通过第二锁紧螺母将轴承Ⅲ和轴承Ⅳ轴向锁紧在主轴上；后套筒内嵌入设置有轴承Ⅲ温度传感器和轴承Ⅳ温度传感器，所述轴承Ⅲ温度传感器的探头位于轴承Ⅲ附近，用于检测轴承Ⅲ的工作温度，所述轴承Ⅳ温度传感器的探头位于轴承Ⅳ附近，用于检测轴承Ⅳ的工作温度；所述后套筒的外端面为法兰盘结构，在后套筒外端面法兰盘上嵌入设置有后套筒位移传感器，后套筒位移传感器的探头贯穿法兰盘且正对着主轴壳体的与法兰盘相对的端面，通过测量探头与该端面的距离变化来监测后套筒的轴向位移。

在上述技术方案中，在后套筒外端面法兰盘上还设置有6个绕主轴轴线均布的紧定螺钉，所述紧定螺钉贯穿设置在后套筒外端面法兰盘上，紧定螺钉的顶端用于顶紧主轴壳体的与法兰盘相对的端面。

在上述技术方案中，在主轴壳体的外壁上沿其圆周设置有一圈凹槽，所述预紧力调节螺栓的一端露出在凹槽中，以便调节预紧力调节螺栓的旋入量。

在上述技术方案中，所述数据采集与控制系统包括控制器、A/D转换器、D/A转换器，所述力传感器、主轴位移传感器、后套筒位移传感器分别通过A/D转换器连接至控制器，控制器依次通过D/A转换器、电压放大器连接各个压电作动器。

本发明通过主轴位移传感器、后套筒位移传感器测得的预紧位移值和力传感器测得的预紧力值，并根据主轴的转速和轴承的温升分别控制三个压电作动器的电压，能够实现主轴-轴承系统预紧力和预紧位移的监测与控制，具体控制方法如下：

首先根据基于主轴转速和温升确定的既定转速和温升下的最佳预紧位移(即定位预紧)和预紧力(即定压预紧)数据库，分别对主轴低速和高速工况下进行最佳预紧位移的闭环控制和最佳预紧力的闭环控制：在低速工况下(主轴转速小于12000rpm)，通过主轴位移传感器或者后套筒位移传感器测得的预紧位移电压信号经过A/D转换器将预紧位移的模拟电压信号转化为预紧位移的数字电压信号，并将数字电压信号输入到控制器中并与设定的目标预紧位移值进行比较(主轴位移传感器的值理论上为后套筒位移传感器的一半，所述的对主轴的预紧位移值既可以是后套筒位移传感器测定的位移值，亦可以是主轴位移传感器测定的位移值，由使用者自己定义，本实施例中，将后套筒位移传感器测定的位移值定义为对主轴的预紧位移)，控制器的输出电压信号通过D/A转换器将数字电压信号转为模拟电压信号，由电压放大器分别输出到各个压电作动器，使其分别输出所对应的位移，从而实现了低速工况下的最佳预紧位移闭环控制；高速工况下(主轴转速大于12000rpm，小于24000rpm)，可以通过力传感器测得的预紧力电压信号经过A/D转换器将预紧力的模拟电压信号转化为预紧力的数字电压信号，将数字电压信号输入到控制器中并与设定的目标预紧力值进行比较，控制器的输出信号通过D/A转换器将数字电压信号转为模拟电压信号，由电压放大器分别输出到各个压电作动器，使其分别输出所对应的预紧力，从而实现了高速工况下的最佳预紧力的闭环控制。

本发明设置主轴初始预紧力/初始预紧位移的方法如下：

本发明装配完成后通冷却液和油气润滑，根据主轴的最高转速和冷却、润滑条件设定转子的初始预紧力；通过力矩扳手依次循环调节三个预紧力调节螺栓，预紧力调节螺栓推动压电作动器在光孔内向后套筒一侧滑动，使压电作动器端部的力传感器向后套筒加载轴向预紧力，后套筒受力后，后套筒依次带动轴承、锁紧螺母对主轴加载轴向预紧力，加载过程中通过力传感器测量对主轴的轴向预紧力大小，使三个力传感器的显示值相等并且显示值之和等于设定的主轴的初始预紧力，此时的预紧位移定义为零点位移量。

本发明通过后套筒位移传感器和紧定螺钉可以实现既定预紧力下的定压预紧模式切换为定位预紧模式：

先利用压电作动器推动力传感器对主轴施加目标轴向预紧力(利用三个压电作动器同时推动力传感器对主轴施加期望的预紧力，使三个力传感器的显示值相等并且显示值之和等于设定的对主轴的期望预紧力值即可)，然后通过力矩扳手依次循环调节六个紧定螺钉，依次循环卸压电作动器施加的轴向预紧力，使三个力传感器的显示值逐渐趋于零，从而主轴-轴承系统达到轴向的力平衡状态，可以实现既定预紧力下的定压预紧模式切换为定位预紧模式。

实现定压预紧的方法如下：利用三个压电作动器同时推动力传感器对主轴施加期望的预紧力，使三个力传感器的显示值相等并且显示值之和等于设定的对主轴的期望预紧力值即可。

此外，在某一转速下，可以通过改变主轴冷却液的温度和流速从而改变或者调节轴承的预紧力。

本发明的优点和有益效果为：

本发明的高速精密主轴预紧力和预紧位移智能监控系统，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。本发明采用压电作动器组件作为主轴预紧力的加载装置，具有高刚度、高定位精度、响应快的优势。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；同时实现了基于预紧位移的闭环控制、基于预紧力的闭环控制。此外，在某一转速下，可以通过改变主轴冷却液的温度和流速从而改变或者调节轴承的预紧力。有效的保证高速精密主轴的动态特性和热态特性全局兼优。

附图说明

图1是本发明的三维等轴测图；

图2是本发明主视图；

图3是本发明的左视图；

图4是本发明的A-A剖视图；

图5是本发明的数据采集与控制系统结构示意图；

图6是本发明的控制方法流程图。

图中标号名称：1.调节螺栓，2.预紧端盖，3.压电作动器，4.力传感器，5.后套筒，5-1.法兰盘，6.紧定螺钉，7.后套筒位移传感器，8.后端盖，10.主轴，11.球笼导向轴承，12.轴承Ⅳ，13.轴承Ⅲ，14.轴承Ⅱ，15.轴承Ⅰ，16.第一锁紧螺母，17.前端盖，18.前套筒，19.定位端盖，20主轴位移传感器，21.主轴壳体，22.第二锁紧螺母，23.第一冷却水道，24.第二冷却水道，25.凹槽。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1至图5，一种高速精密主轴预紧力和预紧位移智能监控系统，包括主轴壳体21、主轴10、前套筒组件、后套筒组件、压电作动器组件和数据采集与控制系统；

所述主轴壳体21为带用安装内腔的圆柱体结构,主轴壳体21内部设置有用于安装前套筒组件、后套筒组件、以及主轴的安装内腔；

所述前套筒组件包括前套筒18、定位端盖19、前端盖17，所述前套筒18通过螺栓固定安装在主轴壳体21内，所述定位端盖19通过螺栓连接固定于前套筒的内端，所述前端盖17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Ⅰ15和轴承Ⅱ14以安装主轴10，通过第一锁紧螺母16将轴承Ⅰ和轴承Ⅱ轴向锁紧在主轴10上；在前套筒18的外筒壁上沿其圆周设置有第一冷却水道23；前套筒4内嵌入设置有轴承Ⅰ温度传感器(图中未标出)和轴承Ⅱ温度传感器(图中未标出)，所述轴承Ⅰ温度传感器的探头位于轴承Ⅰ15附近，用于检测轴承Ⅰ的工作温度，所述轴承Ⅱ温度传感器的探头位于轴承Ⅱ14附近，用于检测轴承Ⅱ的工作温度；在主轴壳体21内还设置有主轴位移传感器20，主轴位移传感器20通过支架固定在主轴壳体21内壁上，主轴位移传感器20的探头对准主轴的阶梯面，过检测探头到主轴的阶梯面的距离变化，来监测主轴的轴向位移；

所述后套筒组件包括后套筒5、预紧端盖2、后端盖8，所述预紧端盖2通过螺栓连接固定于后套筒的内端，所述后端盖8通过螺栓连接固定在后套筒的外端，用于压紧轴承外圈；所述后套筒5通过球笼导向轴承11滑动安装在主轴壳体内，以使后套筒组件可以沿着主轴10的轴线滑动；后套筒5内设置有轴承Ⅲ13和轴承Ⅳ12以安装主轴10，通过第二锁紧螺母22将轴承Ⅲ和轴承Ⅳ轴向锁紧在主轴上；在后套筒的外筒壁上沿其圆周设置有设有第二冷却水道24；后套筒5内嵌入设置有轴承Ⅲ温度传感器(图中未标出)和轴承Ⅳ温度传感器(图中未标出)，所述轴承Ⅲ温度传感器的探头位于轴承Ⅲ13附近，用于检测轴承Ⅲ的工作温度，所述轴承Ⅳ温度传感器的探头位于轴承Ⅳ12附近，用于检测轴承Ⅳ的工作温度；所述后套筒的外端面为法兰盘5-1结构，在后套筒外端面法兰盘5-1上嵌入设置有后套筒位移传感器7，后套筒位移传感器7的探头贯穿法兰盘5-1且正对着主轴壳体的与法兰盘相对的端面，通过测量探头与该端面的距离变化来监测后套筒5的轴向位移；在后套筒外端面法兰盘5-1上还设置有6个绕主轴轴线均布的紧定螺钉6，所述紧定螺钉6贯穿设置在后套筒外端面法兰盘5-1上，紧定螺钉6的顶端用于顶紧主轴壳体的与法兰盘相对的端面；

在后套筒处的主轴壳体2内设有三个绕主轴10轴线均布并平行于主轴轴线的光孔，用于安装所述压电作动器组件，所述压电作动器组件的作用是推动后套筒，为后套筒施加轴向载荷(即载轴向预紧力)；压电作动器组件包括压电作动器3、力传感器4和预紧力调节螺栓1，其中，三个压电作动器3分别滑动设置在三个光孔中，压电作动器的与后套筒的法兰盘5-1相对的一端固定力传感器4，压电作动器3的另一端与嵌设在主轴壳体21上的预紧力调节螺栓1连接(在主轴壳体21的外壁上沿其圆周设置有一圈凹槽25，所述预紧力调节螺栓1的一端露出在凹槽25中，以便调节预紧力调节螺栓1的旋入量)，通过调节预紧力调节螺栓1推动压电作动器3在光孔内向后套筒5一侧滑动，使压电作动器3端部的力传感器4接触后套筒的法兰盘5-1，向后套筒5加载初始轴向预紧力(由于后套筒5滑动设置在主轴壳体上，所以后套筒5受力后，依次带动轴承Ⅲ13、轴承Ⅳ12、第二锁紧螺母22对主轴加载轴向预紧力)，并通过控制压电作动器3的伸长量对主轴进一步加载轴向预紧力，加载过程中通过力传感器4测量对主轴的轴向预紧力大小；

在主轴壳体内还设有用于监测转子转速的编码器(图中未标出)；

所述数据采集与控制系统包括控制器、A/D转换器、D/A转换器。参见附图5，所述力传感器4、主轴位移传感器20、后套筒位移传感器7分别通过A/D转换器连接至控制器，控制器依次通过D/A转换器、电压放大器连接各个压电作动器3。

本发明通过主轴位移传感器20、后套筒位移传感器7测得的预紧位移值和力传感器测得的预紧力值，并根据主轴的转速和轴承的温升分别控制三个压电作动器的电压，能够实现主轴-轴承系统预紧力和预紧位移的监测与控制，具体控制方法如下：

参见附图5，首先根据基于主轴转速和温升确定的既定转速和温升下的最佳预紧位移(即定位预紧)和预紧力(即定压预紧)数据库，分别对主轴低速和高速工况下进行最佳预紧位移的闭环控制和最佳预紧力的闭环控制：在低速工况下(主轴转速小于12000rpm)，通过主轴位移传感器20或者后套筒位移传感器7测得的预紧位移电压信号经过A/D转换器将预紧位移的模拟电压信号转化为预紧位移的数字电压信号，并将数字电压信号输入到控制器中并与设定的目标预紧位移值进行比较(主轴位移传感器20的值理论上为后套筒位移传感器7的一半，所述的对主轴的预紧位移值既可以是后套筒位移传感器7测定的位移值，亦可以是主轴位移传感器20测定的位移值，由使用者自己定义，本实施例中，将后套筒位移传感器7测定的位移值定义为对主轴的预紧位移)，控制器的输出电压信号通过D/A转换器将数字电压信号转为模拟电压信号，由电压放大器分别输出到各个压电作动器，使其分别输出所对应的位移，从而实现了低速工况下的最佳预紧位移闭环控制；高速工况下(主轴转速大于12000rpm，小于24000rpm)，可以通过力传感器测得的预紧力电压信号经过A/D转换器将预紧力的模拟电压信号转化为预紧力的数字电压信号，将数字电压信号输入到控制器中并与设定的目标预紧力值进行比较，控制器的输出信号通过D/A转换器将数字电压信号转为模拟电压信号，由电压放大器分别输出到各个压电作动器，使其分别输出所对应的预紧力，从而实现了高速工况下的最佳预紧力的闭环控制。

本发明设置主轴初始预紧力/初始预紧位移的方法如下：

本发明装配完成后通冷却液和油气润滑，根据主轴的最高转速和冷却、润滑条件设定转子的初始预紧力；通过力矩扳手依次循环调节三个预紧力调节螺栓，预紧力调节螺栓推动压电作动器在光孔内向后套筒一侧滑动，使压电作动器端部的力传感器向后套筒加载轴向预紧力，后套筒受力后，后套筒依次带动轴承、锁紧螺母对主轴加载轴向预紧力，加载过程中通过力传感器测量对主轴的轴向预紧力大小，使三个力传感器的显示值相等并且显示值之和等于设定的主轴的初始预紧力，此时的预紧位移定义为零点位移量。

本发明通过后套筒位移传感器7和紧定螺钉6可以实现既定预紧力下的定压预紧模式切换为定位预紧模式：

先利用压电作动器推动力传感器对主轴施加目标轴向预紧力(利用三个压电作动器同时推动力传感器对主轴施加期望的预紧力，使三个力传感器的显示值相等并且显示值之和等于设定的对主轴的期望预紧力值即可)，然后通过力矩扳手依次循环调节六个紧定螺钉6，依次循环卸压电作动器施加的轴向预紧力，使三个力传感器的显示值逐渐趋于零，从而主轴-轴承系统达到轴向的力平衡状态，可以实现既定预紧力下的定压预紧模式切换为定位预紧模式。

此外，在某一转速下，可以通过改变主轴冷却液的温度和流速从而改变或者调节轴承的预紧力。

以上显示和描述，描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述的只是本说明书的发明原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。