高速精密主轴预紧力试验装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高速精密主轴预紧力试验装置及其使用方法，在基座的两端分别设置有前套筒和后套筒，转子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，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。本发明专利技术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。可适用于高速精密数控机床主轴单元。

High speed precision main shaft pretightening force test device and its using method

The invention discloses a high-speed precision spindle pretightening force test device and method of use, the two ends of the base are respectively provided with a front sleeve and the rear sleeve, the rotor is installed on the front sleeve and the rear sleeve through the bearing; the front sleeve is fixed with the base, the sliding sleeve pin is arranged on the base through the guide; in the base between the front sleeve and the rear sleeve is provided with a piezoelectric actuator bracket on the actuator bracket along the circumference of the rotor is uniformly provided with a plurality of parallel with the rotor to drive after the piezoelectric actuator sleeve. The invention can measure the pretightening force of the test table in static state, the pretightening displacement of the rear sleeve and the pre displacement of the rotor, and obtain the relation between the static pretension force and the pretension displacement. Can also measure the test bench in the operation of preload, after sleeve preload displacement, rotor preload displacement, bearing temperature, the sleeve and the rear sleeve vibration, so as to study the relationship between the rotor motion state of each parameter. It can be applied to spindle units of high speed and precision NC machine tools.

【技术实现步骤摘要】
高速精密主轴预紧力试验装置及其使用方法
本专利技术涉及高速精密主轴预紧力控制领域，特别是涉及一种高速精密主轴预紧力试验装置及其使用方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高速精密主轴预紧力试验装置及其使用方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种高速精密主轴预紧力试验装置，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；在前套筒和后套筒的外筒壁上沿其圆周设置有冷却水道；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；在前套筒和后套筒中均嵌入设置有振动传感器，用于检测转子旋转时的径向振动信号；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，在基座上设有与前套筒的第一冷却水道(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)。进一步的，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)。在上述技术方案中，在在后套筒外端设置多个与转子相平行的定位螺钉(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。所述的高速精密主轴预紧力试验装置的使用方法，包括以下步骤：(1)试验装置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。进一步，在试验过程中，通过后套筒位移传感器(30)和定位螺钉(15)可以实现定位预紧和定压预紧的自由切换。本专利技术的优点和有益效果为：本专利技术的高速精密主轴预紧力试验装置，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。本专利技术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。本专利技术通过压电作动器、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。本专利技术通过温度传感器和外部冷却可以监测并调节轴承的温升。本专利技术用于揭示预紧力-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是本专利技术的高速精密主轴预紧力试验装置三维等轴测图；图2是本专利技术的轴向正视图；图3是本专利技术的通过转子轴线的水平(A-A)剖视图；图4是本专利技术的通过转子轴线的垂向(B-B)剖视图；图5是本专利技术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：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速精密主轴预紧力试验装置，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，其特征在于：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；在前套筒和后套筒的外筒壁上沿其圆周设置有冷却水道；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；在前套筒和后套筒中均嵌入设置有振动传感器，用于检测转子旋转时的径向振动信号；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)。

【技术特征摘要】
1.一种高速精密主轴预紧力试验装置，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，其特征在于：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；在前套筒和后套筒的外筒壁上沿其圆周设置有冷却水道；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；在前套筒和后套筒中均嵌入设置有振动传感器，用于检测转子旋转时的径向振动信号；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)。2.根据权利要求1所述的高速精密主轴预紧力试验装置，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的高速精密主轴预紧力试验装置，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的高速精密主轴预紧力试验装置，其特征在于：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。5.根据权利要求4所述的高速精密主轴预紧力试验装置，其特征在于：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。6.根据权利要求1所述的高速精密主轴预紧力试验装置，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡高峰，高卫国，张大卫，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12