本發明涉及高速精密主軸-軸承系統預緊力在線監測與控制領域，特別是涉及一種高速精密主軸預緊力和預緊位移智能監控系統及其控制方法。

背景技術：

主軸是機床的核心功能部件，其性能直接影響到機床整機的性能。高速精密主軸軸承的預緊是影響主軸剛度、精度和可靠性的最主要因素。高速精密軸承對預緊力的變化極其敏感。因此在主軸加工過程中根據主軸的轉速、溫升、負載和初始裝配等工況對主軸-軸承系統的預緊力和預緊位移進行在線監測與控制，從而實現主軸在包含低速高剛度和高速低溫升整個轉速范圍內的動態、熱態特性全局兼優。

傳統的主軸-軸承系統的預緊技術多采用定位或者定壓的預緊方式，預緊力的數值大多根據經驗或者實驗數據確定，這種恒定預緊力技術只能適用主軸的某一種工況。為此，國內外諸多學者對主軸軸承的預緊力可控技術開展了大量的研究。目前，已有的控制裝置只是基于預緊力的閉環控制或者預緊位移的閉環控制。從動力學角度來說基于預緊位移的閉環控制更能提高主軸的加工性能，然而從熱力學角度來說，基于預緊力的閉環控制更能發揮主軸的高速性能。因此，為了保證高速精密主軸的動態特性和熱態特性全局兼優，開發具有在線監測與控制主軸-軸承系統預緊力和預緊位移功能的高速精密主軸顯得尤為迫切。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種高速精密主軸預緊力和預緊位移智能監控系統及其控制方法，該系統同時具有在線監測與控制主軸-軸承系統預緊力和預緊位移的功能。

本發明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是：

一種高速精密主軸預緊力和預緊位移智能監控系統，包括主軸殼體、前套筒組件、后套筒組件、壓電作動器組件、主軸和數據采集與控制系統，

所述前套筒組件固定安裝在主軸殼體內，所述后套筒組件通過球籠導向軸承沿著主軸的軸線滑動地安裝在主軸殼體內，主軸通過軸承同軸固定安裝在前套筒組件和后套筒組件內，

在主軸殼體上沿主軸圓周均布有多個與主軸相平行的用于對后套筒施加軸向載荷的壓電作動器組件，所述壓電作動器組件包括壓電作動器、力傳感器和預緊力調節螺栓，其中，壓電作動器滑動設置在繞主軸軸線均布并平行于主軸軸線的光孔中，壓電作動器的與后套筒的法蘭盤相對的一端固定力傳感器，壓電作動器的另一端與嵌設在主軸殼體上的預緊力調節螺栓連接；

在前套筒和后套筒中均嵌入設置有溫度傳感器，用于檢測軸承的工作溫度；

在后套筒上設置后套筒位移傳感器，用于監測后套筒的軸向位移。

所述數據采集與控制系統包括控制器、A/D轉換器、D/A轉換器，所述力傳感器、主軸位移傳感器、后套筒位移傳感器分別通過A/D轉換器連接至控制器，控制器依次通過D/A轉換器、電壓放大器連接各個壓電作動器。

在上述技術方案中，所述前套筒組件包括前套筒、定位端蓋、前端蓋，所述前套筒通過螺栓固定安裝在主軸殼體內，所述定位端蓋通過螺栓連接固定于前套筒的內端，所述前端蓋通過螺栓連接固定在前套筒的外端，用于壓緊軸承外圈；前套筒內設置有軸承Ⅰ和軸承Ⅱ以安裝主軸，通過第一鎖緊螺母將軸承Ⅰ和軸承Ⅱ軸向鎖緊在主軸上。

在上述技術方案中，前套筒內嵌入設置有軸承Ⅰ溫度傳感器和軸承Ⅱ溫度傳感器。

在上述技術方案中，在主軸殼體內還設置有主軸位移傳感器，主軸位移傳感器通過支架固定在主軸殼體內壁上，主軸位移傳感器的探頭對準主軸的階梯面，過檢測探頭到主軸的階梯面的距離變化，來監測主軸的軸向位移。

在上述技術方案中，所述后套筒組件包括后套筒、預緊端蓋、后端蓋，所述預緊端蓋通過螺栓連接固定于后套筒的內端，所述后端蓋通過螺栓連接固定在后套筒的外端，用于壓緊軸承外圈；后套筒內設置有軸承Ⅲ和軸承Ⅳ以安裝主軸，通過第二鎖緊螺母將軸承Ⅲ和軸承Ⅳ軸向鎖緊在主軸上；后套筒內嵌入設置有軸承Ⅲ溫度傳感器和軸承Ⅳ溫度傳感器，所述軸承Ⅲ溫度傳感器的探頭位于軸承Ⅲ附近，用于檢測軸承Ⅲ的工作溫度，所述軸承Ⅳ溫度傳感器的探頭位于軸承Ⅳ附近，用于檢測軸承Ⅳ的工作溫度；所述后套筒的外端面為法蘭盤結構，在后套筒外端面法蘭盤上嵌入設置有后套筒位移傳感器，后套筒位移傳感器的探頭貫穿法蘭盤且正對著主軸殼體的與法蘭盤相對的端面，通過測量探頭與該端面的距離變化來監測后套筒的軸向位移。

在上述技術方案中，在后套筒外端面法蘭盤上還設置有6個繞主軸軸線均布的緊定螺釘，所述緊定螺釘貫穿設置在后套筒外端面法蘭盤上，緊定螺釘的頂端用于頂緊主軸殼體的與法蘭盤相對的端面。

在上述技術方案中，在主軸殼體的外壁上沿其圓周設置有一圈凹槽，所述預緊力調節螺栓的一端露出在凹槽中，以便調節預緊力調節螺栓的旋入量。

在上述技術方案中，所述數據采集與控制系統包括控制器、A/D轉換器、D/A轉換器，所述力傳感器、主軸位移傳感器、后套筒位移傳感器分別通過A/D轉換器連接至控制器，控制器依次通過D/A轉換器、電壓放大器連接各個壓電作動器。

本發明通過主軸位移傳感器、后套筒位移傳感器測得的預緊位移值和力傳感器測得的預緊力值，并根據主軸的轉速和軸承的溫升分別控制三個壓電作動器的電壓，能夠實現主軸-軸承系統預緊力和預緊位移的監測與控制，具體控制方法如下：

首先根據基于主軸轉速和溫升確定的既定轉速和溫升下的最佳預緊位移(即定位預緊)和預緊力(即定壓預緊)數據庫，分別對主軸低速和高速工況下進行最佳預緊位移的閉環控制和最佳預緊力的閉環控制：在低速工況下(主軸轉速小于12000rpm)，通過主軸位移傳感器或者后套筒位移傳感器測得的預緊位移電壓信號經過A/D轉換器將預緊位移的模擬電壓信號轉化為預緊位移的數字電壓信號，并將數字電壓信號輸入到控制器中并與設定的目標預緊位移值進行比較(主軸位移傳感器的值理論上為后套筒位移傳感器的一半，所述的對主軸的預緊位移值既可以是后套筒位移傳感器測定的位移值，亦可以是主軸位移傳感器測定的位移值，由使用者自己定義，本實施例中，將后套筒位移傳感器測定的位移值定義為對主軸的預緊位移)，控制器的輸出電壓信號通過D/A轉換器將數字電壓信號轉為模擬電壓信號，由電壓放大器分別輸出到各個壓電作動器，使其分別輸出所對應的位移，從而實現了低速工況下的最佳預緊位移閉環控制；高速工況下(主軸轉速大于12000rpm，小于24000rpm)，可以通過力傳感器測得的預緊力電壓信號經過A/D轉換器將預緊力的模擬電壓信號轉化為預緊力的數字電壓信號，將數字電壓信號輸入到控制器中并與設定的目標預緊力值進行比較，控制器的輸出信號通過D/A轉換器將數字電壓信號轉為模擬電壓信號，由電壓放大器分別輸出到各個壓電作動器，使其分別輸出所對應的預緊力，從而實現了高速工況下的最佳預緊力的閉環控制。

本發明設置主軸初始預緊力/初始預緊位移的方法如下：

本發明裝配完成后通冷卻液和油氣潤滑，根據主軸的最高轉速和冷卻、潤滑條件設定轉子的初始預緊力；通過力矩扳手依次循環調節三個預緊力調節螺栓，預緊力調節螺栓推動壓電作動器在光孔內向后套筒一側滑動，使壓電作動器端部的力傳感器向后套筒加載軸向預緊力，后套筒受力后，后套筒依次帶動軸承、鎖緊螺母對主軸加載軸向預緊力，加載過程中通過力傳感器測量對主軸的軸向預緊力大小，使三個力傳感器的顯示值相等并且顯示值之和等于設定的主軸的初始預緊力，此時的預緊位移定義為零點位移量。

本發明通過后套筒位移傳感器和緊定螺釘可以實現既定預緊力下的定壓預緊模式切換為定位預緊模式：

先利用壓電作動器推動力傳感器對主軸施加目標軸向預緊力(利用三個壓電作動器同時推動力傳感器對主軸施加期望的預緊力，使三個力傳感器的顯示值相等并且顯示值之和等于設定的對主軸的期望預緊力值即可)，然后通過力矩扳手依次循環調節六個緊定螺釘，依次循環卸壓電作動器施加的軸向預緊力，使三個力傳感器的顯示值逐漸趨于零，從而主軸-軸承系統達到軸向的力平衡狀態，可以實現既定預緊力下的定壓預緊模式切換為定位預緊模式。

實現定壓預緊的方法如下：利用三個壓電作動器同時推動力傳感器對主軸施加期望的預緊力，使三個力傳感器的顯示值相等并且顯示值之和等于設定的對主軸的期望預緊力值即可。

此外，在某一轉速下，可以通過改變主軸冷卻液的溫度和流速從而改變或者調節軸承的預緊力。

本發明的優點和有益效果為：

本發明的高速精密主軸預緊力和預緊位移智能監控系統，同時具有在線監測與控制主軸-軸承系統預緊力和預緊位移的功能。本發明采用壓電作動器組件作為主軸預緊力的加載裝置，具有高剛度、高定位精度、響應快的優勢。通過壓可滑動后套筒結構設計，同時結合電作動器、力傳感器和位移傳感器實現了定位預緊和定壓預緊兩種模式；同時實現了基于預緊位移的閉環控制、基于預緊力的閉環控制。此外，在某一轉速下，可以通過改變主軸冷卻液的溫度和流速從而改變或者調節軸承的預緊力。有效的保證高速精密主軸的動態特性和熱態特性全局兼優。

附圖說明

圖1是本發明的三維等軸測圖；

圖2是本發明主視圖；

圖3是本發明的左視圖；

圖4是本發明的A-A剖視圖；

圖5是本發明的數據采集與控制系統結構示意圖；

圖6是本發明的控制方法流程圖。

圖中標號名稱：1.調節螺栓，2.預緊端蓋，3.壓電作動器，4.力傳感器，5.后套筒，5-1.法蘭盤，6.緊定螺釘，7.后套筒位移傳感器，8.后端蓋，10.主軸，11.球籠導向軸承，12.軸承Ⅳ，13.軸承Ⅲ，14.軸承Ⅱ，15.軸承Ⅰ，16.第一鎖緊螺母，17.前端蓋，18.前套筒，19.定位端蓋，20主軸位移傳感器，21.主軸殼體，22.第二鎖緊螺母，23.第一冷卻水道，24.第二冷卻水道，25.凹槽。

具體實施方式

為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：

請參閱圖1至圖5，一種高速精密主軸預緊力和預緊位移智能監控系統，包括主軸殼體21、主軸10、前套筒組件、后套筒組件、壓電作動器組件和數據采集與控制系統；

所述主軸殼體21為帶用安裝內腔的圓柱體結構,主軸殼體21內部設置有用于安裝前套筒組件、后套筒組件、以及主軸的安裝內腔；

所述前套筒組件包括前套筒18、定位端蓋19、前端蓋17，所述前套筒18通過螺栓固定安裝在主軸殼體21內，所述定位端蓋19通過螺栓連接固定于前套筒的內端，所述前端蓋17通過螺栓連接固定在前套筒的外端，用于壓緊軸承外圈；前套筒內設置有軸承Ⅰ15和軸承Ⅱ14以安裝主軸10，通過第一鎖緊螺母16將軸承Ⅰ和軸承Ⅱ軸向鎖緊在主軸10上；在前套筒18的外筒壁上沿其圓周設置有第一冷卻水道23；前套筒4內嵌入設置有軸承Ⅰ溫度傳感器(圖中未標出)和軸承Ⅱ溫度傳感器(圖中未標出)，所述軸承Ⅰ溫度傳感器的探頭位于軸承Ⅰ15附近，用于檢測軸承Ⅰ的工作溫度，所述軸承Ⅱ溫度傳感器的探頭位于軸承Ⅱ14附近，用于檢測軸承Ⅱ的工作溫度；在主軸殼體21內還設置有主軸位移傳感器20，主軸位移傳感器20通過支架固定在主軸殼體21內壁上，主軸位移傳感器20的探頭對準主軸的階梯面，過檢測探頭到主軸的階梯面的距離變化，來監測主軸的軸向位移；

所述后套筒組件包括后套筒5、預緊端蓋2、后端蓋8，所述預緊端蓋2通過螺栓連接固定于后套筒的內端，所述后端蓋8通過螺栓連接固定在后套筒的外端，用于壓緊軸承外圈；所述后套筒5通過球籠導向軸承11滑動安裝在主軸殼體內，以使后套筒組件可以沿著主軸10的軸線滑動；后套筒5內設置有軸承Ⅲ13和軸承Ⅳ12以安裝主軸10，通過第二鎖緊螺母22將軸承Ⅲ和軸承Ⅳ軸向鎖緊在主軸上；在后套筒的外筒壁上沿其圓周設置有設有第二冷卻水道24；后套筒5內嵌入設置有軸承Ⅲ溫度傳感器(圖中未標出)和軸承Ⅳ溫度傳感器(圖中未標出)，所述軸承Ⅲ溫度傳感器的探頭位于軸承Ⅲ13附近，用于檢測軸承Ⅲ的工作溫度，所述軸承Ⅳ溫度傳感器的探頭位于軸承Ⅳ12附近，用于檢測軸承Ⅳ的工作溫度；所述后套筒的外端面為法蘭盤5-1結構，在后套筒外端面法蘭盤5-1上嵌入設置有后套筒位移傳感器7，后套筒位移傳感器7的探頭貫穿法蘭盤5-1且正對著主軸殼體的與法蘭盤相對的端面，通過測量探頭與該端面的距離變化來監測后套筒5的軸向位移；在后套筒外端面法蘭盤5-1上還設置有6個繞主軸軸線均布的緊定螺釘6，所述緊定螺釘6貫穿設置在后套筒外端面法蘭盤5-1上，緊定螺釘6的頂端用于頂緊主軸殼體的與法蘭盤相對的端面；

在后套筒處的主軸殼體2內設有三個繞主軸10軸線均布并平行于主軸軸線的光孔，用于安裝所述壓電作動器組件，所述壓電作動器組件的作用是推動后套筒，為后套筒施加軸向載荷(即載軸向預緊力)；壓電作動器組件包括壓電作動器3、力傳感器4和預緊力調節螺栓1，其中，三個壓電作動器3分別滑動設置在三個光孔中，壓電作動器的與后套筒的法蘭盤5-1相對的一端固定力傳感器4，壓電作動器3的另一端與嵌設在主軸殼體21上的預緊力調節螺栓1連接(在主軸殼體21的外壁上沿其圓周設置有一圈凹槽25，所述預緊力調節螺栓1的一端露出在凹槽25中，以便調節預緊力調節螺栓1的旋入量)，通過調節預緊力調節螺栓1推動壓電作動器3在光孔內向后套筒5一側滑動，使壓電作動器3端部的力傳感器4接觸后套筒的法蘭盤5-1，向后套筒5加載初始軸向預緊力(由于后套筒5滑動設置在主軸殼體上，所以后套筒5受力后，依次帶動軸承Ⅲ13、軸承Ⅳ12、第二鎖緊螺母22對主軸加載軸向預緊力)，并通過控制壓電作動器3的伸長量對主軸進一步加載軸向預緊力，加載過程中通過力傳感器4測量對主軸的軸向預緊力大小；

在主軸殼體內還設有用于監測轉子轉速的編碼器(圖中未標出)；

所述數據采集與控制系統包括控制器、A/D轉換器、D/A轉換器。參見附圖5，所述力傳感器4、主軸位移傳感器20、后套筒位移傳感器7分別通過A/D轉換器連接至控制器，控制器依次通過D/A轉換器、電壓放大器連接各個壓電作動器3。

本發明通過主軸位移傳感器20、后套筒位移傳感器7測得的預緊位移值和力傳感器測得的預緊力值，并根據主軸的轉速和軸承的溫升分別控制三個壓電作動器的電壓，能夠實現主軸-軸承系統預緊力和預緊位移的監測與控制，具體控制方法如下：

參見附圖5，首先根據基于主軸轉速和溫升確定的既定轉速和溫升下的最佳預緊位移(即定位預緊)和預緊力(即定壓預緊)數據庫，分別對主軸低速和高速工況下進行最佳預緊位移的閉環控制和最佳預緊力的閉環控制：在低速工況下(主軸轉速小于12000rpm)，通過主軸位移傳感器20或者后套筒位移傳感器7測得的預緊位移電壓信號經過A/D轉換器將預緊位移的模擬電壓信號轉化為預緊位移的數字電壓信號，并將數字電壓信號輸入到控制器中并與設定的目標預緊位移值進行比較(主軸位移傳感器20的值理論上為后套筒位移傳感器7的一半，所述的對主軸的預緊位移值既可以是后套筒位移傳感器7測定的位移值，亦可以是主軸位移傳感器20測定的位移值，由使用者自己定義，本實施例中，將后套筒位移傳感器7測定的位移值定義為對主軸的預緊位移)，控制器的輸出電壓信號通過D/A轉換器將數字電壓信號轉為模擬電壓信號，由電壓放大器分別輸出到各個壓電作動器，使其分別輸出所對應的位移，從而實現了低速工況下的最佳預緊位移閉環控制；高速工況下(主軸轉速大于12000rpm，小于24000rpm)，可以通過力傳感器測得的預緊力電壓信號經過A/D轉換器將預緊力的模擬電壓信號轉化為預緊力的數字電壓信號，將數字電壓信號輸入到控制器中并與設定的目標預緊力值進行比較，控制器的輸出信號通過D/A轉換器將數字電壓信號轉為模擬電壓信號，由電壓放大器分別輸出到各個壓電作動器，使其分別輸出所對應的預緊力，從而實現了高速工況下的最佳預緊力的閉環控制。

本發明設置主軸初始預緊力/初始預緊位移的方法如下：

本發明裝配完成后通冷卻液和油氣潤滑，根據主軸的最高轉速和冷卻、潤滑條件設定轉子的初始預緊力；通過力矩扳手依次循環調節三個預緊力調節螺栓，預緊力調節螺栓推動壓電作動器在光孔內向后套筒一側滑動，使壓電作動器端部的力傳感器向后套筒加載軸向預緊力，后套筒受力后，后套筒依次帶動軸承、鎖緊螺母對主軸加載軸向預緊力，加載過程中通過力傳感器測量對主軸的軸向預緊力大小，使三個力傳感器的顯示值相等并且顯示值之和等于設定的主軸的初始預緊力，此時的預緊位移定義為零點位移量。

本發明通過后套筒位移傳感器7和緊定螺釘6可以實現既定預緊力下的定壓預緊模式切換為定位預緊模式：

先利用壓電作動器推動力傳感器對主軸施加目標軸向預緊力(利用三個壓電作動器同時推動力傳感器對主軸施加期望的預緊力，使三個力傳感器的顯示值相等并且顯示值之和等于設定的對主軸的期望預緊力值即可)，然后通過力矩扳手依次循環調節六個緊定螺釘6，依次循環卸壓電作動器施加的軸向預緊力，使三個力傳感器的顯示值逐漸趨于零，從而主軸-軸承系統達到軸向的力平衡狀態，可以實現既定預緊力下的定壓預緊模式切換為定位預緊模式。

此外，在某一轉速下，可以通過改變主軸冷卻液的溫度和流速從而改變或者調節軸承的預緊力。

以上顯示和描述，描述了本發明的基本原理和主要特征以及本發明的優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中的描述的只是本說明書的發明原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內，本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。