一种基于压电作动器的高速精密主轴预紧力智能控制试验台的制作方法

本实用新型涉及高速精密主轴预紧力控制领域，特别是涉及一种基于压电作动器的高速精密主轴预紧力智能控制试验台。

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预紧力实施智能控制，从而实现主轴在包含低速大转矩和高速大功率整个转速范围内的动态、热态特性全局兼优。如何通过定量化的方法确定主轴在包含低速大转矩和高速大功率整个转速范围内的动态、热态特性全局兼优的最佳预紧力，并从动力学、热力学角度对预紧力实施智能控制具有重要的指导意义！

目前，国内外已有很多关于主轴预紧力的控制装置，但是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，不能揭示预紧力-主轴热特性-主轴动态特性的相互关系，并根据预紧力-主轴热特性-主轴动态特性的相互关系对预紧力进行智能控制。因此，根据特殊工况或者预紧力的要求，开发同时具有定位预紧、定压预紧、可变预紧、主轴轴承冷却与温度监控的预紧力智能控制试验台显得尤为迫切。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于压电作动器的高速精密主轴预紧力智能控制试验台。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于压电作动器的高速精密主轴预紧力智能控制试验台，在基座(1)的两端分别设置有前套筒(4)和后套筒(14)，转子(2)通过轴承安装在前套筒和后套筒中；

所述前套筒与基座固定，所述后套筒通过导向销滑动设置在基座上；

在前套筒和后套筒之间的基座上设置有压电作动器支架(9)，在作动器支架上沿转子圆周均布有多个与转子相平行的用于推动后套筒的压电作动器(38)，所述压电作动器滑动设置在压电作动器支架的光孔中，压电作动器的与后套筒相对的一端固定有力传感器(39)，压电作动器的另一端与嵌设在作动器支架上的预紧力调节螺栓(36)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(30)，用于监测后套筒的轴向位移；

在基座上设有用于监测转子轴向位移的转子位移传感器(28)；

在基座上设有用于监测转子转速的编码器(26)。

在上述技术方案中，所述前套筒通过螺栓连接固定于所述基座上，前套筒内设置有轴承Ⅰ和轴承Ⅱ以安装转子，通过第一锁紧螺母将轴承Ⅰ和轴承Ⅱ轴向锁紧在转子上；前套筒的两端分别安装有定位端盖(35)和前端盖(3)，所述定位端盖通过螺栓连接固定于前套筒的内端，所述前端盖通过螺纹固定在前套筒的外端，用于压紧轴承外圈。进一步的，前套筒内嵌入设置有轴承Ⅰ温度传感器(22)和轴承Ⅱ温度传感器(27)，所述轴承Ⅰ温度传感器的探头位于轴承Ⅰ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Ⅱ附近，用于检测轴承Ⅱ的工作温度。

在上述技术方案中，后套筒内设置有轴承Ⅲ和轴承Ⅳ以安装转子，通过第二锁紧螺母将轴承Ⅲ和轴承Ⅳ轴向锁紧在转子上；后套筒的外端安装有后端盖(17)，用于压紧轴承外圈。进一步的，后套筒内嵌入设置有轴承Ⅲ温度传感器(18)和轴承Ⅳ温度传感器(16)，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。

在上述技术方案中，所述压电作动器支架上均布有三个与转子平行的用于安装所述压电作动器的光孔，三个压电作动器分别滑动设置在三个平行光孔中。

在上述技术方案中，在后套筒外端设置定位螺钉(15)，用于切换既定预紧力下的定压预紧模式和定位预紧模块。

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型的基于压电作动器的高速精密主轴预紧力智能控制试验台，可测量试验台静态时预紧力、后套筒的预紧位移和转子的预紧位移，得出静态下预紧力和预紧位移的相互关系。还可以测量试验台运转时的预紧力、后套筒的预紧位移、转子的预紧位移、轴承的温度、前套筒和后套筒的振动，以便研究转子运动状态下以上各参数之间的关系。

本实用新型采用压电作动器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。

本实用新型通过压电作动器、力传感器和位移传感器可实现基于预紧位移的闭环控制、基于预紧力的闭环控制、定位、定压预紧的自由切换。

本实用新型通过温度传感器可以监测转子运转时轴承温度。

本实用新型用于揭示预紧力-主轴热特性-主轴动态特性的相互关系，并根据预紧力-主轴热特性-主轴动态特性的相互关系对预紧力进行智能控制。

附图说明

图1是本实用新型的试验台三维等轴测图；

图2是本实用新型试验台轴向正视图；

图3是本实用新型的通过转子轴线的水平(A-A)剖视图；

图4是本实用新型的通过转子轴线的垂向(B-B)剖视图；

图5是本实用新型的垂直于转子轴线的横向剖视图(压电作动器位置C-C)；

图中标号名称：1.基座，2.转子，3.前端盖，4.前套筒，5.前冷却液入口温度传感器，6.前冷却液入口管接头，7.前冷却液出口温度传感器，8.前冷却液出口管接头，9.作动器支架，10.后冷却液入口温度传感器，11.后冷却液入口管接头，12.后冷却液出口温度传感器，13.后冷却液出口管接头，14.后套筒，15.定位螺钉，16.轴承Ⅳ温度传感器，17.后端盖，18.轴承Ⅲ温度传感器，19轴承Ⅳ，20.轴承Ⅲ，21.编码器支架，22.轴承Ⅰ温度传感器，23.第一锁紧螺母，24.轴承Ⅰ，25轴承Ⅱ.，26.编码器，27.轴承Ⅱ温度传感器，28.转子位移传感器，29.转子位移传感器支架.30.后套筒位移传感器，31.导向销，32.后套筒振动传感器，33.前套筒振动传感器，34.第一冷却水道，35定位端盖，36.预紧力调节螺栓，37，锁紧螺母，38.压电作动器，39.力传感器，40.第二锁紧螺母，41.第二冷却水道。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

请参阅图1至图5，一种基于压电作动器的高速精密主轴预紧力智能控制试验台，基座1的两端分别设置有前套筒4和后套筒14，在前套筒4和后套筒14中通过轴承安装有一根转子2；

所述前套筒4通过螺栓连接固定于所述基座1上，前套筒4内设置有轴承Ⅰ24和轴承Ⅱ25以安装转子2，通过第一锁紧螺母23将轴承Ⅰ24和轴承Ⅱ25轴向锁紧在转子2上；前套筒4的两端分别安装有定位端盖35和前端盖3，所述定位端盖35通过螺栓连接固定于前套筒4的内端，所述前端盖3通过螺纹固定在前套筒4的外端，用于压紧轴承外圈；前套筒4的外筒壁上沿其圆周设置有第一冷却水道34；前套筒4内嵌入设置有轴承Ⅰ温度传感器22和轴承Ⅱ温度传感器27，所述轴承Ⅰ温度传感器22的探头位于轴承Ⅰ24附近，用于检测轴承Ⅰ24的工作温度，所述轴承Ⅱ温度传感器27的探头位于轴承Ⅱ25附近，用于检测轴承Ⅱ25的工作温度；在前套筒4内还嵌入设置有前套筒振动传感器33(前套筒振动传感器33穿过定位端盖35嵌入进前套筒4内)，用于检测前套筒4的振动信号，即检测转子2旋转时的径向振动信号；

所述后套筒14通过导向销31滑动设置在基座1上，以使后套筒14可以沿所述基座1轴向滑动；后套筒14内设置有轴承Ⅲ20和轴承Ⅳ19以安装转子2，通过第二锁紧螺母40将轴承Ⅲ20和轴承Ⅳ19轴向锁紧在转子2上；后套筒14的外端安装有后端盖17，用于压紧轴承外圈；在后套筒14的外筒壁上沿其圆周设置有第二冷却水道41；后套筒14内嵌入设置有轴承Ⅲ温度传感器18和轴承Ⅳ温度传感器16，所述轴承Ⅲ温度传感器18的探头位于轴承Ⅲ20附近，用于检测轴承Ⅲ20的工作温度，所述轴承Ⅳ温度传感器16的探头位于轴承Ⅳ19附近，用于检测轴承Ⅳ19的工作温度；在后套筒14内还嵌入设置有后套筒振动传感器32，用于检测后套筒14的振动信号，即检测转子2旋转时的径向振动信号；在后套筒14上设置后套筒位移传感器30，用于监测后套筒的轴向位移；在后套筒14外端设置定位螺钉15，用于切换既定预紧力下的定压预紧模式和定位预紧模式；

在前套筒4和后套筒14之间的基座1上设置有压电作动器支架9，在作动器支架9上沿转子2圆周均布有三个与转子平行的用于推动后套筒14的压电作动器38(所述压电作动器支架上均布有三个与转子平行的用于安装所述压电作动器38的光孔，所述三个压电作动器38分别滑动设置在三个平行光孔中)，压电作动器38的与后套筒14相对的一端固定有力传感器39，压电作动器38的另一端(即压电作动器38的与前套筒4相对的一端)与嵌设在作动器支架9上的预紧力调节螺栓36连接，预紧力调节螺栓36上设置有锁紧螺母37，通过调节预紧力调节螺栓36推动压电作动器38在光孔内向后套筒14一侧滑动，使压电作动器38端部的力传感器39接触后套筒14，向后套筒14加载初始轴向预紧力(由于后套筒14滑动设置在基座1上，所以后套筒14受力后，后套筒14依次带动后轴承、锁紧螺母对转子2加载轴向预紧力)，并通过控制压电作动器38的伸长量对转子进一步加载轴向预紧力，加载过程中通过力传感器39测量对转子的轴向预紧力大小；

在基座1上设有与前套筒4的第一冷却水道34相连通的前冷却液入口管接头6和前冷却液出口管接头8，以及与后套筒14的第二冷却水道41相连通的后冷却液入口管接头11和后冷却液出口管接头13；所述前冷却液入口管接头6设有用于监测前冷却液入口温度的前冷却液入口温度传感器5，所述前冷却液出口管接头8设有用于监测前冷却液出口温度的前冷却液出口温度传感器7，所述后冷却液入口管接头11设有用于监测后冷却液入口温度的后冷却液入口温度传感器10，所述后冷却液出口管接头13设有用于监测后冷却液出口温度后的冷却液出口温度传感器12；

在基座1上设有转子位移传感器支架29，所述转子位移传感器支架29设有转子位移传感器28，转子位移传感器28用于监测转子的轴向位移；

在基座1上设有编码器支架21，所述编码器支架21设有编码器26，编码器26用于监测转子的转速。

本实用新型的基于压电作动器的高速精密主轴预紧力智能控制试验台的使用方法，包括以下步骤：

(1)试验台装配完成后通冷却液和油气润滑，根据转子(即主轴)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36，预紧力调节螺栓推动压电作动器38在光孔内向后套筒14一侧滑动，使压电作动器端部的力传感器39向后套筒14加载轴向预紧力，后套筒受力后，后套筒依次带动后轴承、锁紧螺母对转子加载轴向预紧力，加载过程中通过力传感器测量对转子的轴向预紧力大小，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转子的初始预紧力；

(2)在转子静止状态下，控制三个压电作动器的伸长量对转子进一步加载轴向预紧力，通过数据采集卡分别采集预紧力、后套筒的预紧位移和转子的预紧位移，得出静态下预紧力和预紧位移的相互关系；

(3)驱动转子转动，通过编码器测量转子的转速，根据转子的转速分别控制三个压电作动器的伸长量对转子进一步加载轴向预紧力，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预紧力，同时通过数据采集卡分别采集预紧力、后套筒的预紧位移、转子的预紧位移、轴承的温度、前套筒和后套筒的振动；逐步提高转速直至转子的最高转速；

(4)在某一转速下，可以通过改变转子冷却液的温度和流速从而改变或者调节轴承的预紧力；

(5)实验完成后逐步降低转子的转速，并根据转速逐步降低预紧力，直至恢复到初始预紧力。

在试验过程中，通过后套筒位移传感器30和定位螺钉15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转子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转子施加期望的预紧力，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转子的期望预紧力值即可)，然后通过力矩扳手依次循环调节定位螺钉15，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，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。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。