專利名稱：一種基于壓電致動器的主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于機床高速主軸的性能實驗領(lǐng)域，涉及一種基于壓電致動器的主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺。
背景技術(shù)：
滾動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力學(xué)性能。相關(guān)研究表明，合理的滾動軸承預(yù)緊力可以消除滾動軸承在制造裝配過程中的游隙，大幅提高高速主軸剛度和旋轉(zhuǎn)精度；同時可以減少軸承滾珠公轉(zhuǎn)的打滑現(xiàn)象，消除陀螺效應(yīng)，進(jìn)而改善軸承的發(fā)熱狀況，延長軸承的服役壽命。當(dāng)前的預(yù)緊力調(diào)控技術(shù)有傳統(tǒng)的定位或定壓恒值預(yù)緊方式、變預(yù)緊值方式。傳統(tǒng)的定位或定壓預(yù)緊，預(yù)緊力取值大都依據(jù)經(jīng)驗或?qū)嶒灁?shù)據(jù)確定，這種恒定預(yù)緊技術(shù)存在明顯的不足低速時預(yù)緊力偏小，使軸承剛性下降，主軸抗受迫振動和自激振動的能力弱，從而導(dǎo)致加工精度下降；高速時預(yù)緊力偏大，使軸承溫升加劇，制約了主軸的高速化。恒定預(yù)緊技術(shù)已無法滿足復(fù)雜工況下高速主軸對于軸承服役性能調(diào)整的要求。為此，軸承預(yù)緊可控技術(shù)成為提高高速主軸性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，其主要機理是根據(jù)不同工況主動調(diào)整軸承預(yù)緊力大小，實現(xiàn)主軸性能的最優(yōu)化。目前，雖然國內(nèi)外諸多研究與學(xué)術(shù)機構(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，但是缺乏一種簡單有效的實驗裝置，來獲得預(yù)緊力動態(tài)預(yù)緊與主軸各方面性能的數(shù)據(jù)。所以，本實用新型設(shè)計了一種基于壓電致動器的高速主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺的方案。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是針對目前機床主軸軸承動態(tài)預(yù)緊力調(diào)控技術(shù)缺乏一種簡單有效的實驗裝置，來獲得預(yù)緊力動態(tài)預(yù)緊與主軸各方面性能的相關(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù)問題；設(shè)計了一種基于壓電致動器的高速主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取如下技術(shù)方案—種基于壓電致動器的主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺，包括機械主軸、壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置、控制壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置的控制器和電主軸；所述壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置設(shè)置于所述機械主軸上；所述壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置連接所述控制器，所述電主軸通過聯(lián)軸器連接所述機械主軸。本實用新型進(jìn)一步的改進(jìn)在于機械主軸前端使用第一角接觸球軸承、第二角接觸球軸承、第三角接觸球軸承支撐,機械主軸后端使用第四角接觸球軸承支撐,其中第二角接觸球軸承、第三角接觸球軸承串聯(lián)成對使用，第一角接觸球軸承與第二角接觸球軸承面對面安裝，第一角接觸球軸承與第四角接觸球軸承安裝方向相同；在第四角接觸球軸承后側(cè)安裝有壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置。本實用新型進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置包括壓電座和均勻分布于壓電座上的六個壓電致動器，所有壓電致動器其加載端與壓電座端面平齊。本實用新型進(jìn)ー步的改進(jìn)在干壓電制動器的加載端與第四角接觸球軸承外圈接觸。本實用新型進(jìn)ー步的改進(jìn)在干所述主軸預(yù)緊カ動態(tài)調(diào)整實驗臺還包括冷卻水套和端蓋，所述冷卻水套設(shè)置于壓電座 外周，端蓋安裝于冷卻水套端部；該引出結(jié)構(gòu)由壓電座上開設(shè)有的U形槽，冷卻水套上上開設(shè)有的U形槽，端蓋上的開設(shè)有引線孔；壓電致動器連接有引線，該引線沿壓電座上有的U形槽，冷卻水套上上的U形槽和端蓋上的引線孔穿出連接所述控制器。本實用新型進(jìn)ー步的改進(jìn)在于所述機械主軸從右至左依次包括第一段階梯軸、第二段階梯軸、第三段階梯軸、第四段階梯軸和第五段階梯軸，機械主軸右端的第一段階梯軸通過聯(lián)軸器與電主軸輸出端相連接；第四角接觸球軸承和壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置安裝于第三段階梯軸上，第一角接觸球軸承、第二角接觸球軸承和第三角接觸球軸承設(shè)置于第五段階梯軸上。本實用新型進(jìn)ー步的改進(jìn)在于所述主軸預(yù)緊カ動態(tài)調(diào)整實驗臺還包括外套；所述外套設(shè)置于第一角接觸球軸承、第二角接觸球軸承、第三角接觸球軸承和第四角接觸球軸承外側(cè)，外套與冷卻水套通過螺栓連接形成密封的冷卻環(huán)路。本實用新型的進(jìn)ー步改進(jìn)在于所述控制壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置的控制器，其每個通道具有正弦、方波、單點三種電壓控制方式，可實現(xiàn)與其連接的六個壓電致動器的獨立和聯(lián)合控制，可實現(xiàn)壓電致動器的實時控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實用新型具有以下優(yōu)點(I)采用6個壓電制動器均布的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)多達(dá)6個點的預(yù)緊カ調(diào)控，控制更為精確。(2)本實驗臺能夠?qū)崿F(xiàn)多種預(yù)緊力調(diào)控技術(shù)的實驗驗證，如均勻分布恒預(yù)緊值、均勻分布變預(yù)緊值、非均勻分布變預(yù)緊值。(3)壓電制動器的引線通路結(jié)構(gòu)簡單可靠，避免了因為引線彎折而造成的壓電致動器損壞。

圖I是基于壓電致動器的高速主軸預(yù)緊カ動態(tài)調(diào)整實驗臺結(jié)構(gòu)圖。圖2是壓電座6結(jié)構(gòu)及壓電致動器7的布置圖。圖3為壓電座的主視圖。圖4為沿圖3中A-A線的剖視圖。
具體實施方式
具體實施步驟請參閱圖I至圖4所示，本實用新型一種基于壓電致動器的高速主軸預(yù)緊カ動態(tài)調(diào)整實驗臺，包括聯(lián)軸器I ;主軸2，主軸2右端第一段階梯軸通過聯(lián)軸器I與電主軸22輸出端相連接；主軸2第三段階梯軸上從左向右順序布置軸承9和壓電座6，在壓電座6上均勻布置六個壓電制動器7，壓電制動器7的加載端與軸承9外圈接觸，再通過內(nèi)擋圈8，頂蓋4，鎖緊螺母3，端蓋5固定；主軸2第五段階梯軸上從左向右順序布置外擋圈19，內(nèi)擋圈20，外擋圈19、內(nèi)擋圈20分別與軸承18的外圈和內(nèi)圈接觸，軸承17與軸承18面對面布置，通過內(nèi)擋圈15，外擋圈16，與軸承14串聯(lián)，再通過內(nèi)擋圈13，鎖緊螺母12固定；端蓋21與冷卻水套10相連接，外套11與冷卻水套10通過螺栓連接形成密封的冷卻環(huán)路。將組件在V形塊上固定后，最后將主軸2右端第一段階梯軸通過聯(lián)軸器I與電主軸22輸出端相連接，通過控制電主軸22的輸出轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)實驗臺的轉(zhuǎn)速調(diào)整。壓電制動器7加載端向左推動軸承9的外圈，使軸承9內(nèi)圈向右運動，再通過內(nèi)擋圈8、頂蓋4、鎖緊螺母3使得主軸2向右運動，從而通過端蓋21、外擋圈19、16對軸承18、17、14實現(xiàn)預(yù)緊。將六個壓電制動器7的控制線端口分別與控制器23(型號XE-501)相應(yīng)的端口連接，通過安裝在計算機24上的控制軟件調(diào)整各端口的輸出電壓，控制每一個壓電制動器的輸出力，從而實現(xiàn)各種預(yù)緊力調(diào)控技術(shù)。
·[0026]本實驗臺軸承9型號為7014CD/P4，軸承14、17、18均為7016CD/P4，其中軸承17、18配對串聯(lián)使用，軸承14、17面對面布置，軸承14與9串聯(lián)，這種布置方式能夠使整個軸系具有良好的支撐剛度，一定程度消除軸向力的影響，增強了軸系的穩(wěn)定性，并且能夠使得對整個軸系的預(yù)緊力實時調(diào)整成為可能。預(yù)緊力實時調(diào)整系統(tǒng)包括零件壓電座6，壓電致動器7，以及相應(yīng)的壓電致動器控制裝置23 (使用芯明天科技有限公司生產(chǎn)的XE-501模塊化開閉環(huán)控制系統(tǒng))。將每個壓電制動器輸入端口分別與控制器輸出端口連接，通過在安裝在計算機24上的控制器軟件，設(shè)置每一個輸出端口的電壓值控制制動器的輸出力，從而實現(xiàn)預(yù)緊力的動態(tài)調(diào)整。壓電致動器7引線末端長約IOmm為硬線，為避免損壞壓電，此處不能夠彎折。如圖2所示，本實用新型在壓電座6上開槽，并且對應(yīng)的在冷卻水套上也開槽，使得引線末端能夠保證為自然形態(tài)，在端蓋5上打孔，孔與水套開槽的尾部對應(yīng)，從而將壓電致動器控制線引出。
權(quán)利要求1.一種基于壓電致動器的主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺，其特征在于包括機械主軸、壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置、控制壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置的控制器和電主軸；所述壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置設(shè)置于所述機械主軸上；所述壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置連接所述控制器，所述電主軸通過聯(lián)軸器連接所述機械主軸。
2.如權(quán)力要求I所述的基于壓電致動器的主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺，其特征在于機械主軸前端使用第一角接觸球軸承(14)、第二角接觸球軸承(17)、第三角接觸球軸承(18)支撐，機械主軸后端使用第四角接觸球軸承(9)支撐，其中第二角接觸球軸承(17)、第三角接觸球軸承(18)串聯(lián)成對使用，第一角接觸球軸承(14)與第二角接觸球軸承(17)面對面安裝，第一角接觸球軸承(14)與第四角接觸球軸承(9)安裝方向相同；在第四角接觸球軸承(9)后側(cè)安裝有壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的基于壓電致動器的主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺，其特征在于所述壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置包括壓電座(6)和均勻分布于壓電座(6)上的六個壓電致動器(7)，所有壓電致動器(7)其加載端與壓電座端面平齊。
4.如權(quán)利要求3所述的基于壓電致動器的主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺，其特征在于壓電制動器(7)的加載端與第四角接觸球軸承(9)外圈接觸。
5.如權(quán)利要求3所述的基于壓電致動器的主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺，其特征在于所述主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺還包括冷卻水套(10)和端蓋(5)，所述冷卻水套(10)設(shè)置于壓電座(6)外周，端蓋(5)安裝于冷卻水套(10)端部；該引出結(jié)構(gòu)由壓電座(6)上開設(shè)有的U形槽，冷卻水套上(10)上開設(shè)有的U形槽，端蓋(5)上的開設(shè)有引線孔；壓電致動器(7)連接有引線，該引線沿壓電座(6)上有的U形槽，冷卻水套上(10)上的U形槽和端蓋(5)上的引線孔穿出連接所述控制器。
6.如權(quán)力要求5所述的基于壓電致動器的主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺，其特征在于，所述機械主軸從右至左依次包括第一段階梯軸、第二段階梯軸、第三段階梯軸、第四段階梯軸和第五段階梯軸，機械主軸右端的第一段階梯軸通過聯(lián)軸器與電主軸輸出端相連接；第四角接觸球軸承(9)和壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置安裝于第三段階梯軸上，第一角接觸球軸承(14)、第二角接觸球軸承(17)和第三角接觸球軸承(18)設(shè)置于第五段階梯軸上。
7.如權(quán)力要求6所述的基于壓電致動器的主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺，其特征在于，所述主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺還包括外套(11);所述外套設(shè)置于第一角接觸球軸承(14)、第二角接觸球軸承(17)、第三角接觸球軸承(18)和第四角接觸球軸承(9)外側(cè)，外套(11)與冷卻水套(10)通過螺栓連接形成密封的冷卻環(huán)路。
專利摘要本實用新型公開了一種基于壓電致動器的主軸預(yù)緊力動態(tài)調(diào)整實驗臺，包括機械主軸、壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置、控制壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置的控制器和電主軸；所述壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置設(shè)置于所述機械主軸上；所述壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置連接所述控制器，所述電主軸通過聯(lián)軸器連接所述機械主軸。壓電致動器預(yù)緊調(diào)整裝置中的壓電致動器數(shù)量為6個，并均勻布置在壓電座上，其加載端與壓電座端面平齊。壓電致動器控制軟件可實現(xiàn)六個壓電致動器的實時控制。該實驗臺可以實現(xiàn)對主軸后端軸承預(yù)緊力的精確控制，從而改變整個主軸的性能，可獲取在不同預(yù)緊情況下主軸的各方面性能測試數(shù)據(jù)。
文檔編號G01M13/00GK202648921SQ201220186780
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者洪軍, 李小虎, 趙宏, 吳文武, 徐楓, 劉光輝 申請人:西安交通大學(xué)