本发明涉及一种电主轴转子角接触球轴承预紧力调节机构，特别是涉及一种自动、新型、精确、动态反馈的预紧力调节机构。
背景技术：
电主轴是在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴在不同的工况下，对于温升和支承刚度的要求程度的侧重点不同，因此需要不同的轴承预紧力与之相适应。适当的轴承预紧力可以有效的控制温升、提高轴承的寿命和降低噪声。研究表明，随着轴承预紧力加大，轴承的支撑精度、旋转精度都有所提高，但是温升也会加大，过高的温度会烧伤轴承，咬死滚动体，会大大降低轴承的使用寿命；随着轴承预紧力降低，温升随之降低，但是轴承的支撑精度、旋转精度也会降低，影响加工质量。因此，针对于不同的工况，轴承的预紧力都有一个最佳值与之相应。因为电主轴工作时，其转速和载荷经常变化的，对旋转精度、噪声、温升等有严格要求的电主轴，不仅在初次安装时要控制轴承预紧载荷，而且在使用中也需要调整。但是目前的电主轴的预紧力在使用中都是不可控制的，为了保证电主轴能在工作时，时时调节其轴承预紧力，在高低速、轻重载荷下均有较高的可靠性，本发明为此设计了电主轴轴承预紧力自动调节机构。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种新型的实用、自动、精确、动态反馈的电主轴转子轴承预紧力调节机构。该机构通过良好的自动调节技术，有效调节电主轴轴承的预紧力。具体技术方案如下：
一种电主轴角接触球轴承预紧力调节机构，包括挡油环、角接触球轴承、三层套筒(由内层到外层依次为钢套筒、内孔镀镍铝合金套筒和环形堆叠压电陶瓷套筒)、主轴、喷油嘴、孔用弹性挡圈、非接触式温度传感器、定子线圈、动子线圈、内六角螺钉、油接咀、压电陶瓷驱动电源、端盖、角加速度振动传感器、接插件、电主轴壳体和水接咀；
所述动子线圈套接在主轴上，定子线圈安装在电主轴壳体内，所述主轴设置在所述电主轴壳体内，所述动子线圈与定子线圈之间设有气隙；
将所述挡油环套接在主轴上动子线圈的两端；
所述主轴的两端分别设有一对角接触球轴承；
所述每对角接触球轴承均采用背对背安装；
每对角接触球轴承之间设有三层套筒；
所述角接触球轴承外侧设有孔用弹性挡圈，且抵住轴承的外圈；
所述电主轴壳体内设有喷油嘴；
所述非接触式温度传感器设置在角接触球轴承与挡油环之间；
所述端盖通过内六角螺钉固定在电主轴壳体上；
所述角加速度振动传感器与主轴末端连接并设置在端盖上；
所述油接咀、压电陶瓷驱动电源、接插件、水接咀安装在端盖上；
所述油接咀与喷油嘴通过电主轴壳体内管路连接；
所述水接咀与电主轴壳体内的管道连接；
所述压电陶瓷驱动电源通过线路与环形堆叠压电陶瓷套筒相连接。
所述的一种电主轴角接触球轴承预紧力调节机构，其优选方案为所述三层套筒分别为环形堆叠压电陶瓷套筒、铝合金套筒和钢套筒；
所述钢套筒设置在内侧，铝合金套筒设置在中间，环形堆叠压电陶瓷套筒设置在外侧；
所述铝合金套筒内孔镀镍。
所述的一种电主轴角接触球轴承预紧力调节机构，其优选方案为所述角接触球轴承外圈采用记忆合金材料制成。
所述的一种电主轴角接触球轴承预紧力调节机构，其优选方案为所述三层套筒用于调节轴承预紧力，通过套筒的伸长或缩短，使得角接触球轴承外圈向外形变或向内恢复；钢套筒和铝合金套筒的形变利用材料热膨胀的方法进行调节；环形堆叠压电陶瓷套筒的形变通过驱动电源依据非接触式温度传感器和角加速度振动传感器采集的两种信号进行调节，对所述钢套筒与铝合金套筒组合的调节进行补充和修正。
共两对角接触球轴承，每对轴承配置为两个角接触球轴承背对背安装，由于轴向、径向载荷都存在，这种结构有利提高主轴刚度，采用的是超精密级角接触球轴承，有利于提高主轴转速。轴承外圈采用记忆合金材料制作，当外力撤销后，轴承外圈能恢复初始状态。导致电主轴温升的摩擦力矩主要来自两个方面，一是电主轴转速升高，使作用在轴承滚珠上的离心力和陀螺力矩增加，使摩擦力矩增加；二是温度升高使轴承膨胀，从而增加预紧力，使摩擦力矩增加。若轴承温升过大，需要降低温升(即需要较小的轴承预紧力)时，在成对使用的轴承中间采用钢铝组合套筒，两个套筒的材料和长度均不同，利用其热膨胀率的不同而产生的形变差，减小轴承所受预紧力，使摩擦力矩减小，温度便逐渐降下来。压电陶瓷套筒调节作为钢铝组合套筒调节的补充和修正，在转子上安装非接触式温度传感器和角加速度振动传感器，环形堆叠压电陶瓷套筒根据温度和振动的变化，由于逆压电效应能够产生相应的形变，推动轴承外圈使外圈产生轴向形变，以改变轴承所受预紧力。温度高时减小预紧力，振动大时增加预紧力。本机构还能扩展成故障预警功能，当温度或者振动异常，与温度传感器和振动传感器相连接的信号灯就会亮起并发出警报。
根据分析，该机构选用的套筒材料为钢和铝合金，铝合金的热膨胀系数是钢的2倍，能满足上述伸长量的要求而且经济性能好。为增加铝合金套内孔的表面硬度和耐磨性，在其内孔镀镍。这种套筒材料的搭配，热膨胀率相差较大，但单一材料的热膨胀率又不会过大，以免温度升高后，套筒伸长量过大，导致预紧载荷过小，由此而引发主轴刚度、旋转精度降低，振动增大，钢球与沟道产生严重的打滑现象，从而导致轴承内部摩擦力矩迅速增大，轴承立即出现热咬合和烧伤等失效形式。并且这种套筒材料的搭配硬度适当，价格低廉。套筒配合位置采用钢套筒在内侧，铝合金套筒在外侧方式，这种配合方式有助于铝合金套筒调节轴承外圈的形变。选用环形多层堆叠结构压电陶瓷是因为其具有体积小、位移分辨率极高、响应速度快、低电压驱动、输出力大等优点，本预紧力调节机构需要具有较大的行程，环形堆叠压电陶瓷套筒的大行程特点就非常适合本发明。
该方法技术先进，加工工艺简单，本发明设计的电主轴预紧力自调节系统是一种提高主轴转速的行之有效又结构简单的方法，解决了高速电主轴的在不同工况下轴承预紧力无法调整的问题。
一种电主轴角接触球轴承预紧力调节机构的工作原理如下：
本机构对轴承预紧力的调节分为两个方面：一、钢套筒和内孔镀镍铝合金套筒组合对轴承预紧力的调节：在电主轴运行初始状态，轴承处于初始预紧载荷作用下，当随着转速升高，温度上升，套筒伸长，但直到钢套筒、内孔镀镍铝合金套筒等长前，都是钢套筒对其施加预紧载荷，即等长时，预紧载荷仍未发生变化(钢套筒与主轴材料热膨胀率基本相等)。当温度继续升高，内孔镀镍铝合金套筒长度大于钢套筒(铝合金套筒的热膨胀率大概是钢套筒2倍)，由内孔镀镍铝合金套筒对轴承施加预紧载荷，内孔镀镍铝合金套筒比钢套筒多增长的长度，使轴承内外圈产生附加变位，预紧载荷相应减小，从而使摩擦力矩减小，温度便逐渐降下来。在钢套筒和内孔镀镍铝合金套筒和喷油嘴对轴承降温之后，钢套筒和内孔镀镍铝合金套筒的长度也会相应随之的变短。因为轴承外圈是由记忆合金材料制成，当套筒变短时，套筒对轴承外圈所施加的力也会减小，轴承外圈会恢复初始状态时的形变，从而调节轴承的预紧力。轴承温度是动态变化的，与之相应的钢套筒和铝合金套筒的长度也是动态变化的。二、环形堆叠压电陶瓷套筒调节作为钢铝组合套筒调节的补充和修正，在转子上安装非接触式温度传感器和角加速度振动传感器，环形堆叠压电陶瓷套筒根据温度和振动的变化，由于逆压电效应能够产生相应的形变，推动轴承外圈使外圈产生轴向形变，以改变轴承所受预紧力。当温度高时(即需要减小预紧力)，此时非接触式温度传感器会检测到温度的变化，将信号传递给压电陶瓷驱动电源，压电陶瓷驱动电源会向环形堆叠压电陶瓷套筒输送正电荷，使环形堆叠压电陶瓷套筒伸长，由此降低轴承预紧力，控制温升；当振动大时(即需要增大预紧力)，此时角加速度振动传感器会检测到振动的变化，将信号传递给压电陶瓷驱动电源，压电陶瓷驱动电源会向环形堆叠压电陶瓷套筒输送负电荷，使环形堆叠压电陶瓷套筒缩短，因为轴承外圈是由记忆合金材料制成，当套筒变短时，套筒对轴承外圈所施加的力也会减小，轴承外圈会恢复初始状态时的形变，由此增大轴承预紧力，使振动降低。压电陶瓷驱动电源内的控制装置会根据非接触式温度传感器和角加速度振动传感器所检测到的两种信号，做出综合分析，合理地控制所输出的电荷量，使电主轴在不同的工况下均有合适的轴承预紧力。
本发明的有益效果：本发明该机构通过良好的自动调节预紧力技术，有效调节电主轴温升和轴承的支撑精度、旋转精度，提高轴承寿命、降低噪声，从而提高电主轴的动态性能，提高运用电主轴单元的机床的加工精度和加工效率；保证电主轴能在高低速或轻重载下均有较高的可靠性：在高速条件下，即摩擦力矩较大，温度较高的情况下，该机构提供较轻的预紧，能减少支撑系统的振动和噪声，提高旋转精度。在中速或低速条件下，即摩擦力矩较小，温度较低的情况下，提供中度预紧或重度预紧，提高支撑刚度；在轻载条件下，因为外载荷小，所以电主轴的振动小，此时电主轴温升是主要问题，该机构在这种情况下提供较轻的轴承预紧力，降低温升。在重载条件下，因为外载荷较大，所以电主轴的振动较大，此时电主轴支撑刚度是主要问题，该机构在这种情况下提供较大的轴承预紧力，以提高轴承的支撑精度和旋转精度，保证应用了电主轴单元机床的加工质量。
附图说明
图1为一种电主轴角接触球轴承预紧力调节机构结构示意图。
图中，1为挡油环，2为角接触球轴承，3为环形堆叠压电陶瓷套筒；4为铝合金套筒，5为钢套筒，6为电主轴，7为喷油嘴，8为孔用弹性挡圈，9为非接触式温度传感器，10为定子线圈，11为动子线圈，12为内六角螺钉，13为油接咀，14为压电陶瓷驱动电源，15为端盖，16为角加速度振动传感器，17为接插件，18为电主轴壳体，19为水接咀。
具体实施方式
如图1所示一种电主轴角接触球轴承预紧力调节机构，包括挡油环1、角接触球轴承2、三层套筒、主轴6、喷油嘴7、孔用弹性挡圈8、非接触式温度传感器9、定子线圈10、动子线圈11、内六角螺钉12、油接咀13、压电陶瓷驱动电源14、端盖15、角加速度振动传感器16、接插件17、电主轴壳体18和水接咀19；
所述动子线圈11套接在主轴6上，定子线圈10安装在电主轴壳体18内，所述主轴设置在所述电主轴壳体18内，所述动子线圈11与定子线圈10之间设有气隙；
将所述挡油环1套接在主轴6上动子线圈11的两端；
所述主轴6的两端分别设有一对角接触球轴承2；
所述每对角接触球轴承2均采用背对背安装；
每对角接触球轴承2之间设有三层套筒；
所述角接触球轴承20外侧设有孔用弹性挡圈8，且抵住轴承的外圈；
所述电主轴壳体18内设有喷油嘴7；
所述非接触式温度传感器9设置在角接触球轴承2与挡油环1之间；
所述端盖15通过内六角螺钉12固定在电主轴壳体18上；
所述角加速度振动传感器16与主轴6末端连接并设置在端盖15上；
所述油接咀13、压电陶瓷驱动电源14、接插件17、水接咀19安装在端盖15上；
所述油接咀19与喷油嘴7通过电主轴壳体18内管路连接；
所述水接咀19与电主轴壳体18内的管道连接；
所述压电陶瓷驱动电源14通过线路与环形堆叠压电陶瓷套筒3相连接。
所述三层套筒分别为环形堆叠压电陶瓷套筒3、铝合金套筒4和钢套筒5；
所述钢套筒5设置在内侧，铝合金套筒4设置在中间，环形堆叠压电陶瓷套筒3设置在外侧；
所述铝合金套筒4内孔镀镍。
所述角接触球轴承2外圈采用记忆合金材料制成。
所述三层套筒用于调节轴承预紧力，通过伸长或缩短，使得角接触球轴承2外圈向外形变或向内恢复；钢套筒5和铝合金套筒4的变形利用材料热膨胀的方法进行调节；环形堆叠压电陶瓷套筒3的变形通过压电陶瓷依据非接触式温度传感器9和角加速度振动传感器16采集的两种信号驱动电源进行调节，对所述钢套筒5与铝合金套筒4组合的调节进行补充和修正。
根据上面的结构分析，钢套筒5和铝合金套筒4长度不同。两种材料的热膨胀率相差比较大，且膨胀率大的套筒常温时较长，这样才能在低温时，只有长套筒可以推动轴承外圈向外形变，对轴承施加预紧载荷。随着转速增加，温度升高，使两个套筒产生热膨胀，轴向尺寸增长，当达到一定温度时，铝合金套筒4因热膨胀率较大，伸长后超出长钢套筒5的长度，从而推动轴承外圈向外形变，使轴承内外圈产生一定变位，使得滚珠的相对间隙增大，从而减小预紧载荷，这样轴承摩擦力矩减小，发热量减少，温度即可降低。环形堆叠压电陶瓷套筒3调节作为钢铝组合套筒调节的补充和修正，在转子上安装非接触式温度传感器9和角加速度振动传感器16，环形堆叠压电陶瓷套筒3根据温度和振动的变化，由于逆压电效应能够产生相应的形变，推动轴承外圈使外圈产生轴向形变，以改变轴承所受预紧力。温度高时减小预紧力，振动大时增加预紧力。
一种电主轴角接触球轴承预紧力调节机构的工作原理如下：
本机构对轴承预紧力的调节分为两个方面：一、钢套筒5和内孔镀镍铝合金套筒4组合对轴承预紧力的调节：在电主轴6运行初始状态，轴承处于初始预紧载荷作用下，当随着转速升高，温度上升，套筒伸长，但直到钢套筒5、内孔镀镍铝合金套筒4等长前，都是钢套筒5对其施加预紧载荷，即等长时，预紧载荷仍未发生变化(钢套筒5与主轴材料热膨胀率基本相等)。当温度继续升高，内孔镀镍铝合金套筒4长度大于钢套筒5(铝合金套筒的热膨胀率大概是钢套筒2倍)，由内孔镀镍铝合金套筒5对轴承施加预紧载荷，内孔镀镍铝合金套筒4比钢套筒5多增长的长度，使轴承内外圈产生附加变位，预紧载荷相应减小，从而使摩擦力矩减小，温度便逐渐降下来。在钢套筒5和内孔镀镍铝合金套筒4和喷油嘴7对轴承降温之后，钢套筒5和内孔镀镍铝合金套筒4的长度也会相应随之的变短。因为轴承外圈是由记忆合金材料制成，当套筒变短时，套筒对轴承外圈所施加的力也会减小，轴承外圈会恢复初始状态时的形变，从而调节轴承的预紧力。轴承温度是动态变化的，与之相应的钢套筒5和铝合金套筒4的长度也是动态变化的。二、环形堆叠压电陶瓷套筒3调节作为钢铝组合套筒调节的补充和修正，在转子上安装非接触式温度传感器9和角加速度振动传感器16，环形堆叠压电陶瓷套筒3根据温度和振动的变化，由于逆压电效应能够产生相应的形变，推动轴承外圈使外圈产生轴向形变，以改变轴承所受预紧力。当温度高时(即需要减小预紧力)，此时非接触式温度传感器9会检测到温度的变化，将信号传递给压电陶瓷驱动电源14，压电陶瓷驱动电源14会向环形堆叠压电陶瓷套筒3输送正电荷，使环形堆叠压电陶瓷套筒3伸长，由此降低轴承预紧力，控制温升；当振动大时(即需要增大预紧力)，此时角加速度振动传感器16会检测到振动的变化，将信号传递给压电陶瓷驱动电源14，压电陶瓷驱动电源14会向环形堆叠压电陶瓷套筒3输送负电荷，使环形堆叠压电陶瓷套筒3缩短，因为轴承外圈是由记忆合金材料制成，当套筒变短时，套筒对轴承外圈所施加的力也会减小，轴承外圈会恢复初始状态时的形变，由此增大轴承预紧力，使振动降低。压电陶瓷驱动电源14内的控制装置会根据非接触式温度传感器9和角加速度振动传感器16所检测到的两种信号，做出综合分析，合理地控制所输出的电荷量，使电主轴6在不同的工况下均有合适的轴承预紧力。