專利名稱：基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速主軸的滾動(dòng)軸承性能調(diào)控應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸及其控制方法。
背景技術(shù)：
滾動(dòng)軸承作為高速主軸內(nèi)部旋轉(zhuǎn)支撐元件，其服役性能直接影響高速主軸動(dòng)力學(xué)性能，尤其是在主軸系統(tǒng)復(fù)雜的服役條件下，例如主軸在高速輕載、低速重載更替的工況下，要求主軸軸承在不同情況下服役性能可控以適應(yīng)主軸動(dòng)力學(xué)性能要求，從而保證高速加工的高精度與高可靠性。因此，如何實(shí)時(shí)調(diào)控滾動(dòng)軸承剛度、溫度、旋轉(zhuǎn)精度等服役性能以適應(yīng)主軸系統(tǒng)的復(fù)雜工況至關(guān)重要。相關(guān)研究表明，軸承預(yù)緊力調(diào)控技術(shù)已是軸承服役性能調(diào)整最有效的方法之一。傳統(tǒng)軸承預(yù)緊技術(shù)多采用定位或定壓恒值預(yù)緊方式，預(yù)緊力取值大都依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)確定，這種恒定預(yù)緊技術(shù)已無法滿足復(fù)雜工況下高速主軸對(duì)于軸承服役性能調(diào)整的要求。為此，國內(nèi)外諸多研究與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就軸承預(yù)緊可控技術(shù)開展了大量的研究，并取得一定的成果。在預(yù)緊力作用機(jī)理方面，主要提出基于測(cè)量反饋閉環(huán)主動(dòng)控制方式的預(yù)緊力自調(diào)節(jié)和基于軸系轉(zhuǎn)速效應(yīng)或材料熱效應(yīng)的預(yù)緊力調(diào)節(jié)方式；在預(yù)緊控制機(jī)構(gòu)方面，有基于壓電材料、液壓裝置、電磁裝置及電致伸縮材料等主動(dòng)式預(yù)緊力調(diào)整機(jī)構(gòu)。上述所述的預(yù)緊力調(diào)控裝置都是對(duì)滾動(dòng)軸承施加軸向均勻分布的預(yù)緊力。而滾動(dòng)軸承作為高速主軸的關(guān)鍵精密部件，結(jié)構(gòu)尺寸、裝配、工作載荷的細(xì)微變化都將對(duì)其在復(fù)雜工況下的服役性能產(chǎn)生重大影響。單純地對(duì)軸承施加均勻分布的軸向預(yù)緊力，不能有效地消除軸向和徑向游隙的非均勻分布性，也不能滿足高速主軸在某些特定工況下工作載荷非均勻分布的要求，這勢(shì)必要求從更為精細(xì)的角度出發(fā)探索滾動(dòng)軸承預(yù)緊力的施加方式和大小，使?jié)L動(dòng)軸承的服役性能能夠?qū)崿F(xiàn)“精益求精”。因此，根據(jù)特殊工況或游隙的要求，研究非均勻分布預(yù)緊力及其施加裝置顯得尤為迫切。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸及其控制方法，通過對(duì)非均勻分布預(yù)緊力的在線調(diào)控，實(shí)現(xiàn)降低高速滾動(dòng)軸承的溫升，提高其剛度、旋轉(zhuǎn)精度，獲得在整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)品質(zhì)優(yōu)良的主軸。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸，包括主軸，主軸外周安裝有滾動(dòng)軸承，所述位于主軸前端的滾動(dòng)軸承上安裝有液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)，該液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)通過調(diào)控裝置調(diào)控，所述液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)包括作用在滾動(dòng)軸承外周的液壓作動(dòng)套，安裝在液壓作動(dòng)套外周并與液壓作動(dòng)套形成封閉的液壓油腔的端蓋，其中，所述液壓作動(dòng)套上安裝有溫度傳感器，所述調(diào)控裝置通過溫度傳感器檢測(cè)到的信號(hào)對(duì)滾動(dòng)軸承的預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述液壓油腔沿周向均勻分布；作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述調(diào)控裝置包括與溫度傳感器相連的調(diào)理電路，該調(diào)理電路的輸出端通過A/D轉(zhuǎn)換連接在單片機(jī)的輸入端，所述單片機(jī)的輸出端經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換連接有多路開關(guān)，該多路開關(guān)經(jīng)功率放大后連接在電液伺服閥上，該電液伺服閥與所述液壓油腔內(nèi)部相通；作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述端蓋上開設(shè)有與所述液壓油腔貫通的進(jìn)油通道， 該進(jìn)油通道設(shè)有進(jìn)油口；作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述滾動(dòng)軸承的額定動(dòng)載荷41. 5KN ；本發(fā)明還提供了一種上述基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸的控制方法，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，溫度傳感器將測(cè)得的軸承外圈的溫度模擬信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，單片機(jī)對(duì)不同軸承外圈溫度下各預(yù)緊力調(diào)控點(diǎn)預(yù)緊力值的數(shù)據(jù)進(jìn)行查表，產(chǎn)生控制指令，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后通過多路開關(guān)進(jìn)行送出，最后通過功率放大控制電液伺服閥的閥芯位移，進(jìn)而控制進(jìn)液壓油腔處的壓力，最終通過液壓作動(dòng)套調(diào)節(jié)滾動(dòng)軸承的預(yù)緊力。本發(fā)明基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸及其控制方法至少具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明突破傳統(tǒng)均勻分布預(yù)緊力作用，對(duì)不同溫度下軸承外圈不同調(diào)控點(diǎn)進(jìn)行預(yù)緊力精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)高速化、高剛度、低溫升、長(zhǎng)壽命等技術(shù)突破。通過對(duì)主軸支承軸承的非均勻分布預(yù)緊力的閉環(huán)在線調(diào)控，以獲得在不同工況下高性能的高速主軸。


圖1是本發(fā)明基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明液壓油腔分布示意圖(以8個(gè)為例)；圖3是液壓油腔結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸及其控制方法作具體介紹請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸包括主軸1，主軸1外周安裝有滾動(dòng)軸承3，一對(duì)滾動(dòng)軸承3之間的主軸外圈表面安裝有套筒 2 ；所述位于主軸1前端的滾動(dòng)軸承3上安裝有液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)，該液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)通過調(diào)控裝置調(diào)控。所述液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)包括作用在滾動(dòng)軸承3外周的液壓作動(dòng)套8，安裝在液壓作動(dòng)套8外周的端蓋4，所述液壓作動(dòng)套8與端蓋4之間通過密封墊圈7形成封閉的空間，所述液壓作動(dòng)套8與端蓋4之間形成的封閉的空腔為液壓油腔5，所述端蓋4上開設(shè)有與前述液壓油腔5貫通的進(jìn)油通道，該進(jìn)油通道設(shè)置有進(jìn)油口 6。所述液壓作動(dòng)套8上安裝有溫度傳感器9。請(qǐng)?zhí)貏e參閱圖2及圖3所示，所述液壓油腔5是由液壓作動(dòng)套8與端蓋4組合而成，其個(gè)數(shù)為整數(shù)，在主軸1周向均勻分布，其位置與溫度傳感器9的位置接近，這樣，通過調(diào)節(jié)各個(gè)液壓油腔5中油液的壓力，即可實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承3預(yù)緊力大小和分布的調(diào)節(jié)。所述調(diào)控裝置包括與溫度傳感器9相連的調(diào)理電路10，該調(diào)理電路10的輸出端通過A/D轉(zhuǎn)換11連接在單片機(jī)12的輸入端，所述單片機(jī)12的輸出端經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換13連接有多路開關(guān)14，該多路開關(guān)14經(jīng)功率放大15后連接在電液伺服閥上16，該電液伺服閥16的輸入端還連接有供油系統(tǒng)，同時(shí)，該電液伺服閥16通過進(jìn)油通道與液壓油腔5內(nèi)部相連。所述主軸1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，前、后端由滾動(dòng)軸承3支承，所述液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)位于主軸前端滾動(dòng)軸承3上，所述液壓作動(dòng)套8作為預(yù)緊力執(zhí)行機(jī)構(gòu)；所述多個(gè)溫度傳感器9安放在液壓作動(dòng)套8上，多個(gè)溫度傳感器9測(cè)得軸承外圈(預(yù)緊力調(diào)控點(diǎn)附近)的溫度模擬信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路10，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換11后，輸入到單片機(jī)12中進(jìn)行處理，單片機(jī)12對(duì)不同軸承外圈溫度下各預(yù)緊力調(diào)控點(diǎn)預(yù)緊力值的數(shù)據(jù)進(jìn)行查表，產(chǎn)生控制指令，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換13，通過多路開關(guān)14進(jìn)行送出，最后通過功率放大15控制電液伺服閥16的閥芯位移，進(jìn)而控制進(jìn)油口 6處的壓力，由于該進(jìn)油口 6與液壓油腔5相通，因此，壓力油可作用在液壓作動(dòng)套8 上，由液壓作動(dòng)套8對(duì)滾動(dòng)軸承3進(jìn)行預(yù)緊力的調(diào)節(jié)。此外，電液伺服閥16、液壓油腔5與供油系統(tǒng)17相接，形成回路。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)各個(gè)電液伺服閥16，進(jìn)而控制進(jìn)入各個(gè)液壓油腔5內(nèi)油液的壓力和有無，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力大小和分布的調(diào)節(jié)。本發(fā)明的基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸采用以下主要部件滾動(dòng)軸承選擇SKF 3306A-Z,軸承內(nèi)徑φ30,額定動(dòng)載荷41. 5ΚΝ。采用圓螺母及端蓋實(shí)現(xiàn)軸承一端雙向固定形式。探針式鎧裝鉬熱電阻溫度傳感器FY-ZWC-2012，西安方元電子有限公司。A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0808，美國 National Semiconductor 公司。D/A 轉(zhuǎn)換器:DAC0830 系列，美國 National Semiconductor 公司。功率放大器采用IRF540和MUR820等器件，ST公司。單片機(jī)C8051F，SiliconLab 公司。多路開關(guān)74HC4051，PHILIPS公司。電液伺服閥HY120P壓力伺服閥，襄樊航宇。供油系統(tǒng)Rexroth液壓泵站，Rexroth公司。以上所述僅為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，不是全部或唯一的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸，其特征在于包括主軸 (1)，主軸(1)外周安裝有滾動(dòng)軸承(3)，所述位于主軸(1)前端的滾動(dòng)軸承C3)上安裝有液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)，該液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)通過調(diào)控裝置調(diào)控，所述液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)包括作用在滾動(dòng)軸承(3)外周的液壓作動(dòng)套(8)，安裝在液壓作動(dòng)套(8)外周并與液壓作動(dòng)套⑶形成封閉的液壓油腔(5)的端蓋G)，其中，所述液壓作動(dòng)套⑶上安裝有溫度傳感器(9)，所述調(diào)控裝置通過溫度傳感器(9)檢測(cè)到的信號(hào)對(duì)滾動(dòng)軸承的預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸，其特征在于所述液壓油腔(5)沿周向均勻分布。
3.如權(quán)利要求2所述的基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸，其特征在于所述調(diào)控裝置包括與溫度傳感器(9)相連的調(diào)理電路(10)，該調(diào)理電路(10)的輸出端通過A/D轉(zhuǎn)換(11)連接在單片機(jī)(1 的輸入端，所述單片機(jī)(1 的輸出端經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換(13)連接有多路開關(guān)(14)，該多路開關(guān)(14)經(jīng)功率放大(15)后連接在電液伺服閥上 (16)，該電液伺服閥(16)與所述液壓油腔(5)內(nèi)部相通。
4.如權(quán)利要求3所述的基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸，其特征在于所述端蓋(4)上開設(shè)有與所述液壓油腔( 貫通的進(jìn)油通道，該進(jìn)油通道設(shè)有進(jìn)油口 (6)。
5.如權(quán)利要求1所述的基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸，其特征在于所述滾動(dòng)軸承的額定動(dòng)載荷41. 5KN。
6.一種如權(quán)利要求1所述的基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸的控制方法，其特征在于當(dāng)主軸⑴轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，溫度傳感器(9)將測(cè)得的軸承外圈的溫度模擬信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路(10)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換(11)后輸入到單片機(jī)(1 中進(jìn)行處理，單片機(jī)(12)對(duì)不同軸承外圈溫度下各預(yù)緊力調(diào)控點(diǎn)預(yù)緊力值的數(shù)據(jù)進(jìn)行查表，產(chǎn)生控制指令，然后經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換(13)后通過多路開關(guān)(14)進(jìn)行送出，最后通過功率放大(15)控制電液伺服閥(16) 的閥芯位移，進(jìn)而控制進(jìn)液壓油腔處的壓力，最終通過液壓作動(dòng)套(8)調(diào)節(jié)滾動(dòng)軸承的預(yù)緊力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于液壓系統(tǒng)調(diào)控的非均勻分布預(yù)緊力可控高速主軸及其控制方法，包括主軸，主軸外周安裝有滾動(dòng)軸承，所述位于主軸前端的滾動(dòng)軸承上安裝有液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)，該液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)通過調(diào)控裝置調(diào)控，所述液壓調(diào)控預(yù)緊力系統(tǒng)包括作用在滾動(dòng)軸承外周的液壓作動(dòng)套，安裝在液壓作動(dòng)套外周并與液壓作動(dòng)套形成封閉的液壓油腔的端蓋，其中，所述液壓作動(dòng)套上安裝有溫度傳感器，所述調(diào)控裝置通過溫度傳感器檢測(cè)到的信號(hào)對(duì)滾動(dòng)軸承的預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明通過對(duì)不同溫度下軸承外圈不同調(diào)控點(diǎn)進(jìn)行預(yù)緊力精確調(diào)控，通過對(duì)主軸支承軸承的非均勻分布預(yù)緊力的閉環(huán)在線調(diào)控，以獲得在不同工況下高性能的高速主軸。
文檔編號(hào)B23B19/02GK102310203SQ20111016605
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者張曉毅, 張進(jìn)華, 朱永生, 朱祥, 李小虎, 李純潔, 田久良 申請(qǐng)人:沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司, 西安交通大學(xué)