一种数控机床刚度自适应的主轴系统的制作方法

本发明涉及数控机床主轴系统，具体涉及一种数控机床刚度自适应的主轴系统。

背景技术：

1、随着现代工业技术的迅速发展，人们对高档数控机床的要求越来越高，最为集中的关注点便是机床的精度、速度和载荷问题，至目前为止，并未有集高精度、高速度和重载荷一体的高档数控机床，核心问题是数控机床的主轴系统无法满足上述要求；机床主轴系统精度、速度的高低和机床主轴系统承载能力的大小主要是由主轴系统的结构决定的，而主轴系统结构中影响着主轴系统性能的核心部件则是轴承，即主轴系统的精度、速度及承载能力主要受轴承的结构性能影响。目前机床主轴系统中应用的轴承有高速精密轴承和低速重载轴承之分，轴承中滚动体的形状和大小又决定了轴承的精度、极限速度和承载能力，比如，较小的球形滚动体，能够做成高速、高精轴承，这类高速、高精轴承的承载能力比较小，而较大的非球形滚动体能够做成高刚性轴承，这类高刚性轴承的极限转速则比较低；虽然轴承的材料、自身制造精度、冷却、润滑和游隙等对轴承的精度、速度和载荷也有一定的影响，但这些影响都是普遍性的，只是轴承的共性条件，也就说，目前球形滚动体无法做出重载轴承，非球形滚动体无法做出高速轴承。因此，采用滚动轴承作支撑的机床主轴系统，也就出现了应用高速轴承和应用重载轴承这两种轴承的结构，而只要采用高速轴承就无法满足重载要求，采用重载轴承就无法满足高速要求，无法做到集高精度、高速度和重载荷于一体。

技术实现思路

1、为解决现有机床主轴系统中所用轴承无法同时满足重载和高速要求，从而影响主轴系统结构、使现有机床无法做到集高精度、高速度和重载荷于一体的问题，本发明提出了一种数控机床刚度自适应的主轴系统，包括主轴壳体、穿设在主轴壳体中的主轴、用于驱动主轴的动力单元、控制系统以及控制方法，所述主轴的上下两端各套装有一组支承轴承，支承轴承外圈与主轴壳体固定连接，主轴与下端支承轴承内圈轴向固定，主轴与上端支承轴承内圈轴向不固定，主轴和两组支承轴承构成主轴基本单元，位于主轴壳体内的主轴外壁上套设有主轴结构变换单元ⅰ和主轴结构变换单元ⅱ；

2、所述主轴结构变换单元ⅰ包括开口向上的圆锥滚子轴承一、轴承套一、电磁动组件一、电磁静组件一以及弹性板件一，圆锥滚子轴承一内圈固装在主轴外壁上，圆锥滚子轴承一外圈固装在轴承套一内圈中，轴承套一外圈分别与电磁动组件一内圈以及弹性板件一内圈固定连接，弹性板件一位于电磁动组件一和电磁静组件一的下方，所述电磁静组件一内圈套装在电磁动组件一外圈，电磁静组件一与电磁动组件一之间有间隙，电磁静组件一外圈以及弹性板件外圈均与主轴壳体固定连接，所述轴承套一的一端延伸至圆锥滚子轴承一外圈的底端面处，圆锥滚子轴承一外圈底端面与轴承套一之间设有传感器一；

3、主轴结构变换单元ⅱ包括开口向上的圆锥滚子轴承二、轴承套二、电磁动组件二、电磁静组件二以及弹性板件二，圆锥滚子轴承二内圈套装在主轴外壁上，圆锥滚子轴承二外圈固装在轴承套二内圈中，轴承套二外圈分别与电磁动组件二内圈以及弹性板件二内圈固定连接，电磁静组件二内圈套装在电磁动组件二外圈，电磁静组件二与电磁动组件二之间有间隙，电磁静组件二外圈以及弹性板件外圈均与主轴壳体固定连接，弹性板件二位于电磁动组件二和电磁静组件二的下方，所述圆锥滚子轴承二下方设有轴承盖二，圆锥滚子轴承二外圈底端面与轴承盖二之间设有传感器二，所述圆锥滚子轴承二底部设有蝶形弹簧，蝶形弹簧一端与圆锥滚子轴承二内圈底面连接，蝶形弹簧另一端与主轴的轴肩紧贴连接；

4、所述传感器一与传感器二均与控制系统连接。

5、优选的，所述圆锥滚子轴承一和下端支承轴承之间设有隔套一，下端支承轴承内圈底部设有挡圈一，隔套一和挡圈一均套装在主轴外壁上，下端支承轴承内圈通过隔套一和挡圈一紧固，所述圆锥滚子轴承一顶端设有挡圈二，挡圈二套装在主轴外壁上，圆锥滚子轴承一内圈通过挡圈二和隔套紧固；

6、所述轴承套一顶端连接有轴承盖一，轴承盖一内圈侧位于圆锥滚子轴承一外圈底端，圆锥滚子轴承一外圈通过轴承盖一内圈侧和轴承套一紧固，所述轴承盖一外圈侧位于弹性板件一的内圈顶端，弹性板件一内圈侧通过轴承盖一和轴承套一紧固；

7、所述圆锥滚子轴承二和上端支承轴承之间设有隔套二，隔套二套装在主轴外壁上，隔套二的顶端与上端支承轴承内圈底端面紧贴，圆锥滚子轴承二内圈顶端通过蝶形弹簧的弹力作用与隔套二的底端紧贴，所述轴承套二内圈一端延伸至圆锥滚子轴承二外圈顶端面处，圆锥滚子轴承二内圈通过轴承盖二和轴承套二内圈延伸端紧固；

8、所述轴承盖二外圈侧位于弹性板件二的内圈顶端，弹性板件二内圈侧通过轴承盖二和轴承套二紧固。

9、优选的，所述弹性板件一包括弹性幅板一和第一隔片，弹性幅板一有多个，多个弹性幅板一通过第一隔片一一间隔设置，第一隔片包括内隔片一和外隔片一，内隔片一位于弹性幅板一内圈侧，外隔板一位于弹性幅板一外圈侧；

10、所述弹性板件二包括弹性幅板二和第二隔片，弹性幅板二有多个，多个弹性幅板二通过第二隔片一一间隔设置，第二隔片包括内隔片二和外隔片二，内隔片二位于弹性幅板二内圈侧，外隔板二位于弹性幅板二外圈侧。

11、优选的，所述弹性辐板一和弹性辐板二上均开有长槽和钻孔。

12、优选的，所述长槽和钻孔均设有多个，长槽长度方向沿弹性幅板一的径向设置，长槽和钻孔沿弹性幅板一的周向按照长槽-钻孔-长槽的分布形式设置，相邻两个长槽之间的钻孔有两个，两个钻孔沿弹性幅板一的径向依次排布，所述弹性幅板二结构与弹性幅板一相同。

13、优选的，所述主轴壳体包括主轴壳、主轴上盖、主轴下盖、上轴承端盖和下轴承端盖，主轴上盖和主轴下盖分别安装在主轴壳的上端和下端，所述电磁静组件一、支承轴承外圈均与主轴下盖连接，弹性板件一外圈底端设有外压圈一，弹性板件一外圈通过外压圈一和下轴承端盖紧固，所述电磁静组件二、支承轴承外圈均与主轴上盖连接，弹性板件二外圈底端设有外压圈，弹性板件二外圈通过外压圈二和上端轴承盖紧固；

14、所述上轴承端盖安装在主轴上盖顶端，下轴承端盖安装在主轴下盖底端，上端支承轴承外圈通过上轴承端盖和主轴上盖紧固，下端支承轴承外圈通过下轴承端盖和主轴下盖紧固。

15、优选的，所述主轴基本单元的下端支承轴承包括由下往上依次贴合设置的轴承一、轴承二和轴承三，上端支承轴承包括由下往上依次贴合设置的轴承四、轴承五和轴承六；

16、所述支承轴承一、轴承二、轴承三为角接触轴承，轴承一、轴承二开口向下，轴承三开口向上，轴承一、轴承二与轴承三组成预紧轴承组件；

17、所述支承轴承四、轴承五、轴承六轴承为角接触轴承，轴承四、轴承五开口向下，轴承六开口向上，轴承四、轴承五与轴承六组成预紧轴承组件。

18、优选的，所述动力单元包括定子组件、转子组件、下套、上套和螺母，下套和上套套装在主轴中间位置的外壁上，转子组件套装在下套和上套的外壁上，转子组件内圈通过下套和上套紧固，定子组件套装在转子组件外圈侧，定子组件外圈与主轴壳体内壁固定连接。

19、优选的，所述控制系统包括数控系统和与数控系统连接的内置控制模块，传感器一和传感器二均包括力传感器和位移传感器，主轴壳体中还安装有力矩传感器、温度传感器以及振频传感器，所述控制系统分别与力矩传感器、温度传感器以及振频传感器连接。

20、优选的，所述控制方法具有自适应控制能力，数控系统与内置控制模块协同把力、力矩、位移、温度、振频传感器实时采集的信息、零件加工预读程序信息以及机床自存的大量经验数据进行计算，对电磁静组件一、电磁动组件一以及电磁静组件二、电磁动组件二进行闭环控制，实现主轴系统刚度自适应变换。

21、本发明具有的有益效果为：本发明的主轴基本单元能够单独运行，主轴基本单元单独运行时，是主轴系统的高速、精密状态，主轴基本单元还能够与任一组主轴结构变换单元或同时与两组主轴结构变换单元共同运行，主轴基本单元与主轴结构变换单元共同运行时，是主轴系统的重载状态，同时也是主轴系统载荷的变换状态；主轴结构变换单元的工作状态受电磁静组件、电磁动组件的控制，电磁静组件、电磁动组件是通过电压、电流控制的，能够瞬时改变主轴系统的承载状态，实现主轴系统性能的快速转换；本发明通过主轴基本单元、主轴结构变换单元的变换、电磁静组件、电磁动组件的驱动以及自适应控制，实现了数控机床刚度自适应的主轴系统，使数控机床能够集高精度、高速度和重载荷于一体，为高档数控机床的发展奠定了基础。