高速精密主軸預緊力試驗裝置的製作方法
2023-11-07 00:16:56
本實用新型涉及高速精密主軸預緊力控制領域，特別是涉及一種高速精密主軸預緊力試驗裝置。
背景技術：
主軸是工具機的核心功能部件，其性能直接影響到工具機整機的性能。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預緊力實施智能控制，從而實現主軸在包含低速大轉矩和高速大功率整個轉速範圍內的動態、熱態特性全局兼優。如何通過定量化的方法確定主軸在包含低速大轉矩和高速大功率整個轉速範圍內的動態、熱態特性全局兼優的最佳預緊力，並從動力學、熱力學角度對預緊力實施智能控制具有重要的指導意義。
目前，國內外已有很多關於主軸預緊力的控制裝置，但是已有的控制裝置只是基於預緊力的閉環控制或者預緊位移的閉環控制，不能揭示預緊力-主軸熱特性-主軸動態特性的相互關係，並根據預緊力-主軸熱特性-主軸動態特性的相互關係對預緊力進行智能控制。因此，根據特殊工況或者預緊力的要求，開發同時具有定位預緊、定壓預緊、可變預緊、主軸軸承冷卻與溫度監控的預緊力智能控制試驗臺顯得尤為迫切。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種高速精密主軸預緊力試驗裝置及其使用方法。
本實用新型是通過以下技術方案實現的：
一種高速精密主軸預緊力試驗裝置，在基座(1)的兩端分別設置有前套筒(4)和後套筒(14)，轉子(2)通過軸承安裝在前套筒和後套筒中；
所述前套筒與基座固定，所述後套筒通過導向銷滑動設置在基座上；
在前套筒和後套筒之間的基座上設置有壓電作動器支架(9)，在作動器支架上沿轉子圓周均布有多個與轉子相平行的用於推動後套筒的壓電作動器(38)，所述壓電作動 器滑動設置在壓電作動器支架的光孔中，壓電作動器的與後套筒相對的一端固定有力傳感器(39)，壓電作動器的另一端與嵌設在作動器支架上的預緊力調節螺栓(36)連接；
在前套筒和後套筒的外筒壁上沿其圓周設置有冷卻水道；
在前套筒和後套筒中均嵌入設置有溫度傳感器，用於檢測軸承的工作溫度；
在前套筒和後套筒中均嵌入設置有振動傳感器，用於檢測轉子旋轉時的徑向振動信號；
在後套筒上設置後套筒位移傳感器(30)，用於監測後套筒的軸向位移；
在基座上設有用於監測轉子軸向位移的轉子位移傳感器(28)；
在基座上設有用於監測轉子轉速的編碼器(26)。
在上述技術方案中，所述前套筒通過螺栓連接固定於所述基座上，前套筒內設置有軸承Ⅰ和軸承Ⅱ以安裝轉子，通過第一鎖緊螺母將軸承Ⅰ和軸承Ⅱ軸向鎖緊在轉子上；前套筒的兩端分別安裝有定位端蓋(35)和前端蓋(3)，所述定位端蓋通過螺栓連接固定於前套筒的內端，所述前端蓋通過螺紋固定在前套筒的外端，用於壓緊軸承外圈。進一步的，前套筒內嵌入設置有軸承Ⅰ溫度傳感器(22)和軸承Ⅱ溫度傳感器(27)，所述軸承Ⅰ溫度傳感器的探頭位於軸承Ⅰ附近，用於檢測軸承Ⅰ的工作溫度，所述軸承Ⅱ溫度傳感器的探頭位於軸承Ⅱ附近，用於檢測軸承Ⅱ的工作溫度。
在上述技術方案中，後套筒內設置有軸承Ⅲ和軸承Ⅳ以安裝轉子，通過第二鎖緊螺母將軸承Ⅲ和軸承Ⅳ軸向鎖緊在轉子上；後套筒的外端安裝有後端蓋(17)，用於壓緊軸承外圈。進一步的，後套筒內嵌入設置有軸承Ⅲ溫度傳感器(18)和軸承Ⅳ溫度傳感器(16)，所述軸承Ⅲ溫度傳感器的探頭位於軸承Ⅲ附近，用於檢測軸承Ⅲ的工作溫度，所述軸承Ⅳ溫度傳感器的探頭位於軸承Ⅳ附近，用於檢測軸承Ⅳ的工作溫度。
在上述技術方案中，所述壓電作動器支架上均布有三個與轉子平行的用於安裝所述壓電作動器的光孔，三個壓電作動器分別滑動設置在三個平行光孔中。
在上述技術方案中，在基座上設有與前套筒的第一冷卻水道(34)相連通的前冷卻液入口管接頭(6)和前冷卻液出口管接頭(8)，以及與後套筒的第二冷卻水道(41)相連通的後冷卻液入口管接頭(11)和後冷卻液出口管接頭(13)。進一步的，所述前冷卻液入口管接頭(6)設有用於監測前冷卻液入口溫度的前冷卻液入口溫度傳感器(5)，所述前冷卻液出口管接頭(8)設有用於監測前冷卻液出口溫度的前冷卻液出口溫度傳感器(7)，所述後冷卻液入口管接頭(11)設有用於監測後冷卻液入口溫度的後冷卻液入 口溫度傳感器(10)，所述後冷卻液出口管接頭(13)設有用於監測後冷卻液出口溫度後的冷卻液出口溫度傳感器(12)。
在上述技術方案中，在在後套筒外端設置多個與轉子相平行的定位螺釘(15)，用於切換既定預緊力下的定壓預緊模式和定位預緊模塊。
所述的高速精密主軸預緊力試驗裝置的使用方法，包括以下步驟：
(1)試驗裝置裝配完成後通冷卻液和油氣潤滑，根據轉子(即主軸)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(36)，預緊力調節螺栓推動壓電作動器(38)在光孔內向後套筒(14)一側滑動，使壓電作動器端部的力傳感器(39)向後套筒(14)加載軸向預緊力，後套筒受力後，後套筒依次帶動後軸承、鎖緊螺母對轉子加載軸向預緊力，加載過程中通過力傳感器測量對轉子的軸向預緊力大小，使三個力傳感器的顯示值相等並且顯示值之和等於設定的轉子的初始預緊力；
(2)在轉子靜止狀態下，控制三個壓電作動器的伸長量對轉子進一步加載軸向預緊力，通過數據採集卡分別採集預緊力、後套筒的預緊位移和轉子的預緊位移，得出靜態下預緊力和預緊位移的相互關係；
(3)驅動轉子轉動，通過編碼器測量轉子的轉速，根據轉子的轉速分別控制三個壓電作動器的伸長量對轉子進一步加載軸向預緊力，使三個力傳感器的顯示值相等並且顯示值之和等於設定的預緊力，同時通過數據採集卡分別採集預緊力、後套筒的預緊位移、轉子的預緊位移、軸承的溫度、前套筒和後套筒的振動；逐步提高轉速直至轉子的最高轉速；
(4)在某一轉速下，可以通過改變轉子冷卻液的溫度和流速從而改變或者調節軸承的預緊力；
(5)實驗完成後逐步降低轉子的轉速，並根據轉速逐步降低預緊力，直至恢復到初始預緊力。
進一步，在試驗過程中，通過後套筒位移傳感器(30)和定位螺釘(15)可以實現定位預緊和定壓預緊的自由切換。
本實用新型的優點和有益效果為：
本實用新型的高速精密主軸預緊力試驗裝置，可測量試驗臺靜態時預緊力、後套筒的預緊位移和轉子的預緊位移，得出靜態下預緊力和預緊位移的相互關係。還可以測量 試驗臺運轉時的預緊力、後套筒的預緊位移、轉子的預緊位移、軸承的溫度、前套筒和後套筒的振動，以便研究轉子運動狀態下以上各參數之間的關係。
本實用新型採用壓電作動器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。
本實用新型通過壓電作動器、力傳感器和位移傳感器可實現基於預緊位移的閉環控制、基於預緊力的閉環控制、定位、定壓預緊的自由切換。
本實用新型通過溫度傳感器和外部冷卻可以監測並調節軸承的溫升。
本實用新型用於揭示預緊力-主軸熱特性-主軸動態特性的相互關係，並根據預緊力-主軸熱特性-主軸動態特性的相互關係對預緊力進行智能控制。
附圖說明
圖1是本實用新型的高速精密主軸預緊力試驗裝置三維等軸測圖；
圖2是本實用新型的軸向正視圖；
圖3是本實用新型的通過轉子軸線的水平(A-A)剖視圖；
圖4是本實用新型的通過轉子軸線的垂向(B-B)剖視圖；
圖5是本實用新型的垂直於轉子軸線的橫向剖視圖(壓電作動器位置C-C)。
圖中標號名稱：1.基座，2.轉子，3.前端蓋，4.前套筒，5.前冷卻液入口溫度傳感器，6.前冷卻液入口管接頭，7.前冷卻液出口溫度傳感器，8.前冷卻液出口管接頭，9.作動器支架，10.後冷卻液入口溫度傳感器，11.後冷卻液入口管接頭，12.後冷卻液出口溫度傳感器，13.後冷卻液出口管接頭，14.後套筒，15.定位螺釘，16.軸承Ⅳ溫度傳感器，17.後端蓋，18.軸承Ⅲ溫度傳感器，19軸承Ⅳ，20.軸承Ⅲ，21.編碼器支架，22.軸承Ⅰ溫度傳感器，23.第一鎖緊螺母，24.軸承Ⅰ，25軸承Ⅱ，26.編碼器，27.軸承Ⅱ溫度傳感器，28.轉子位移傳感器，29.轉子位移傳感器支架.30.後套筒位移傳感器，31.導向銷，32.後套筒振動傳感器，33.前套筒振動傳感器，34.第一冷卻水道，35定位端蓋，36.預緊力調節螺栓，37，鎖緊螺母，38.壓電作動器，39.力傳感器，40.第二鎖緊螺母，41.第二冷卻水道。
具體實施方式
下面結合具體實施例進一步說明本實用新型的技術方案。
請參閱圖1至圖5，一種高速精密主軸預緊力試驗裝置，基座1的兩端分別設置有前套筒4和後套筒14，在前套筒4和後套筒14中通過軸承安裝有一根轉子2；
所述前套筒4通過螺栓連接固定於所述基座1上，前套筒4內設置有軸承Ⅰ24和軸承Ⅱ25以安裝轉子2，通過第一鎖緊螺母23將軸承Ⅰ24和軸承Ⅱ25軸向鎖緊在轉子2上；前套筒4的兩端分別安裝有定位端蓋35和前端蓋3，所述定位端蓋35通過螺栓連接固定於前套筒4的內端，所述前端蓋3通過螺紋固定在前套筒4的外端，用於壓緊軸承外圈；前套筒4的外筒壁上沿其圓周設置有第一冷卻水道34；前套筒4內嵌入設置有軸承Ⅰ溫度傳感器22和軸承Ⅱ溫度傳感器27，所述軸承Ⅰ溫度傳感器22的探頭位於軸承Ⅰ24附近，用於檢測軸承Ⅰ24的工作溫度，所述軸承Ⅱ溫度傳感器27的探頭位於軸承Ⅱ25附近，用於檢測軸承Ⅱ25的工作溫度；在前套筒4內還嵌入設置有前套筒振動傳感器33(前套筒振動傳感器33穿過定位端蓋35嵌入進前套筒4內)，用於檢測前套筒4的振動信號，即檢測轉子2旋轉時的徑向振動信號；
所述後套筒14通過導向銷31滑動設置在基座1上，以使後套筒14可以沿所述基座1軸向滑動；後套筒14內設置有軸承Ⅲ20和軸承Ⅳ19以安裝轉子2，通過第二鎖緊螺母40將軸承Ⅲ20和軸承Ⅳ19軸向鎖緊在轉子2上；後套筒14的外端安裝有後端蓋17，用於壓緊軸承外圈；在後套筒14的外筒壁上沿其圓周設置有第二冷卻水道41；後套筒14內嵌入設置有軸承Ⅲ溫度傳感器18和軸承Ⅳ溫度傳感器16，所述軸承Ⅲ溫度傳感器18的探頭位於軸承Ⅲ20附近，用於檢測軸承Ⅲ20的工作溫度，所述軸承Ⅳ溫度傳感器16的探頭位於軸承Ⅳ19附近，用於檢測軸承Ⅳ19的工作溫度；在後套筒14內還嵌入設置有後套筒振動傳感器32，用於檢測後套筒14的振動信號，即檢測轉子2旋轉時的徑向振動信號；在後套筒14上設置後套筒位移傳感器30，用於監測後套筒的軸向位移；在後套筒14外端設置定位螺釘15，用於切換既定預緊力下的定壓預緊模式和定位預緊模式；
在前套筒4和後套筒14之間的基座1上設置有壓電作動器支架9，在作動器支架9上沿轉子2圓周均布有三個與轉子平行的用於推動後套筒14的壓電作動器38(所述壓電作動器支架上均布有三個與轉子平行的用於安裝所述壓電作動器38的光孔，所述三個壓電作動器38分別滑動設置在三個平行光孔中)，壓電作動器38的與後套筒14相對的一端固定有力傳感器39，壓電作動器38的另一端(即壓電作動器38的與前套筒4相對的一端)與嵌設在作動器支架9上的預緊力調節螺栓36連接，預緊力調節螺栓36上設置有鎖緊螺母37，通過調節預緊力調節螺栓36推動壓電作動器38在光孔內向後套筒14 一側滑動，使壓電作動器38端部的力傳感器39接觸後套筒14，向後套筒14加載初始軸向預緊力(由於後套筒14滑動設置在基座1上，所以後套筒14受力後，後套筒14依次帶動後軸承、鎖緊螺母對轉子2加載軸向預緊力)，並通過控制壓電作動器38的伸長量對轉子進一步加載軸向預緊力，加載過程中通過力傳感器39測量對轉子的軸向預緊力大小；
在基座1上設有與前套筒4的第一冷卻水道34相連通的前冷卻液入口管接頭6和前冷卻液出口管接頭8，以及與後套筒14的第二冷卻水道41相連通的後冷卻液入口管接頭11和後冷卻液出口管接頭13；所述前冷卻液入口管接頭6設有用於監測前冷卻液入口溫度的前冷卻液入口溫度傳感器5，所述前冷卻液出口管接頭8設有用於監測前冷卻液出口溫度的前冷卻液出口溫度傳感器7，所述後冷卻液入口管接頭11設有用於監測後冷卻液入口溫度的後冷卻液入口溫度傳感器10，所述後冷卻液出口管接頭13設有用於監測後冷卻液出口溫度後的冷卻液出口溫度傳感器12；
在基座1上設有轉子位移傳感器支架29，所述轉子位移傳感器支架29設有轉子位移傳感器28，轉子位移傳感器28用於監測轉子的軸向位移。
在基座1上設有編碼器支架21，所述編碼器支架21設有編碼器26，編碼器26用於監測轉子的轉速。
本實用新型的高速精密主軸預緊力試驗裝置的使用方法，包括以下步驟：
(1)試驗裝置裝配完成後通冷卻液和油氣潤滑，根據轉子(即主軸)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36，預緊力調節螺栓推動壓電作動器38在光孔內向後套筒14一側滑動，使壓電作動器端部的力傳感器39向後套筒14加載軸向預緊力，後套筒受力後，後套筒依次帶動後軸承、鎖緊螺母對轉子加載軸向預緊力，加載過程中通過力傳感器測量對轉子的軸向預緊力大小，使三個力傳感器的顯示值相等並且顯示值之和等於設定的轉子的初始預緊力；
(2)在轉子靜止狀態下，控制三個壓電作動器的伸長量對轉子進一步加載軸向預緊力，通過數據採集卡分別採集預緊力、後套筒的預緊位移和轉子的預緊位移，得出靜態下預緊力和預緊位移的相互關係；
(3)驅動轉子轉動，通過編碼器測量轉子的轉速，根據轉子的轉速分別控制三個壓電作動器的伸長量對轉子進一步加載軸向預緊力，使三個力傳感器的顯示值相等並且顯 示值之和等於設定的預緊力，同時通過數據採集卡分別採集預緊力、後套筒的預緊位移、轉子的預緊位移、軸承的溫度、前套筒和後套筒的振動；逐步提高轉速直至轉子的最高轉速；
(4)在某一轉速下，可以通過改變轉子冷卻液的溫度和流速從而改變或者調節軸承的預緊力；
(5)實驗完成後逐步降低轉子的轉速，並根據轉速逐步降低預緊力，直至恢復到初始預緊力。
在試驗過程中，通過後套筒位移傳感器30和定位螺釘15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轉子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轉子施加期望的預緊力，使三個力傳感器的顯示值相等並且顯示值之和等於設定的對轉子的期望預緊力值即可)，然後通過力矩扳手依次循環調節定位螺釘，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於零，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。
以上對本實用新型做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本實用新型的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本實用新型的保護範圍。