CN106670510B - 一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***和方法 - Google Patents

一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***和方法，所述***包括主轴轴承温升在线监测装置、控制器以及液压调控装置；主轴轴承温升在线监测装置用于实时采集主轴轴承的温升信号；液压调控装置包括设置在后端主轴轴承外周的液压滑套，安装在液压滑套外周并与液压滑套形成封闭的环形液压油腔的后端轴承座，设置在前端主轴轴承外周的前端轴承座，固定在前端轴承座后端的弹簧孔座，设置在弹簧孔座中的预紧弹簧，与环形液压油腔连通的液压控制***；控制器通过功率放大器连接液压控制***控制端；控制器的输入端连接主轴轴承温升在线监测装置输出的温升信号；预紧弹簧被压缩后与液压滑套前端连接，对主轴轴承施加初始预紧力。

Description

一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***和 方法
技术领域
本发明属于智能主轴领域，涉及用于不同转速下机床主轴运转状况的监测和轴承预紧力的调控，具体为一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***和方法。
背景技术
现今，主轴在各个工业领域额都有着广泛的应用。例如作为机床的核心零部件之一，其旋转精度、刚度等静态特性和热特性都会直接影响到机床加工的效率和质量。轴承作为支承主轴运转的重要零部件，其性能会对主轴***产生重要的影响。其中，适当的轴承预紧力能增加轴承刚度，减小支承变形，提高主轴回转精度、减小振动，延长主轴***的寿命。一般的，当机床主轴的转速较低时，通常给轴承较大的预紧力，以提高轴承以及机床主轴***整体的刚度；当主轴的转速较高时，通常逐渐降低轴承预紧力，以降低机床主轴***的温升。因此有必要根据实际工况，对不同转速下的机床主轴温升进行实时监测，并以此为依据调控机床主轴轴承的预紧力，使机床主轴***的温升控制在合理范围内。
目前主轴轴承预紧力的调控原理有以下几种：1.将电磁加载技术应用到轴承预紧力的调控中，通过改变线圈中电流大小，改变电磁力，从而改变轴承预紧力；2.利用装在主轴内部的压电作动器对轴承外圈施加作用力，实现轴承预紧力的改变；3.通过适当的机械结构，将离心力转换成作用在轴承上的轴向力，实现轴承预紧力改变。
上述主轴轴承预紧力调控原理中：第一种方案调控装置的体积会很大，在内部结构比较紧凑、空间较小的场合中应用被大大限制；第二种方案用于调控的压电作动器存在容易老化而导致制动力下降的问题，从而导致使用寿命大大被限制；第三种方案难以实现轴承预紧力的精确定量调控。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***和方法，采用液压控制技术，设计一套预紧力调控机械装置，用于一般机床主轴***中轴承预紧力的调控。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***，包括主轴轴承温升在线监测装置、控制器以及液压调控装置；
所述的主轴轴承温升在线监测装置用于实时采集主轴轴承的温升信号；
所述的液压调控装置包括设置在后端主轴轴承外周的液压滑套，安装在液压滑套外周并与液压滑套形成封闭的环形液压油腔的后端轴承座，设置在前端主轴轴承外周的前端轴承座，固定在前端轴承座后端的弹簧孔座，设置在弹簧孔座中的预紧弹簧，与环形液压油腔连通的液压控制***；
所述的控制器通过功率放大器连接液压控制***控制端；控制器的输入端连接主轴轴承温升在线监测装置输出的温升信号；
预紧弹簧被压缩后与液压滑套前端连接，对主轴轴承施加初始预紧力；当控制器接收到温升信号中的轴承温升超过设定的轴承温升阈值时，控制器控制液压控制***增加液压油力输出，直至轴承温升低于设定的轴承温升阈值。
优选的，所述的主轴轴承温升在线监测装置包括数据采集器和温度传感器；温度传感器对应每个主轴轴承设置，用于实时采集对应主轴轴承的温升信号；数据采集器的输入端连接所有的温度传感器，输出端连接控制器输入端。
进一步，液压滑套与后端轴承座和前端轴承座的对应位置上分别设有螺纹孔，温度传感器通过螺纹孔安装在对应的主轴轴承上。
优选的，所述的弹簧孔座呈环状设置，弹簧孔座上均匀设置有多个预紧弹簧。
优选的，所述的主轴轴承共设置有四个，均分为前后两组，每组的两个主轴轴承呈串联配置，两组之间呈背对背配置；前端轴承座的内侧与前组轴承的后端外圈卡接；液压滑套的内侧与后端主轴轴承前端外圈卡接。
优选的，主轴轴承的内圈分别由套设在主轴上定位环定位，前端轴承座的前端设置固定的前端盖，后端轴承座的后端设置固定的后端盖。
优选的，液压滑套与后端轴承座的接触面上设置有用于环形液压油腔密封的液压密封圈。
优选的，所述的液压控制***包括油箱，依次连接在油箱出油端的电机、过滤器和单向阀，以及出油口；单向阀输出端一支依次经电液伺服阀和比例溢流阀连接出油口，另一支经保压阀连接出油口；出油口经冷却器和流量表连接油箱进油端；保压阀连接出油口一侧设置压力表，另一侧设置蓄能器。
一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节方法，基于上述的任意自动调节***，包括如下步骤，
步骤1，通过设置在前后端主轴轴承处的温度传感器检测主轴轴承的温升模拟信号；
步骤2，温度模拟信号经数据采集器，再输入到控制器中进行处理，当采集的任意一个主轴轴承的温升高于设定温升阈值时，控制器产生控制指令输出；
步骤3，控制指令通过功率放大器控制液压控制***电液伺服阀的阀芯转动增大出油口的油压，从而增大环形液压油腔的压力；
步骤4，通过液压滑套将环形液压油腔的压力传递到弹簧孔座，进而减小作用在主轴轴承外圈上的轴承预紧力；
步骤5，每接收到控制器输出的控制指令一次，环形液压油腔的压力就增大Δp，重复步骤1-4，轴承温升逐渐降低，直到低于设定的轴承温升温度阈值，控制器控制液压控制***保持当前油压稳定。
优选的，当液压控制***开始工作时，电机旋转带动油箱中的液压油进入油路，并通过过滤器和单向阀输出，电液伺服阀和比例溢流阀控制着出油口处的油压大小，压力表实时监测出油口的油压并将数据反馈到电液伺服阀；当出油口的压力满足要求时，保压阀开启，并通过蓄能器保证出油口的压力稳定在恒定值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明是一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***和方法，用于不同转速下机床主轴***温升的监测，并以此为依据调控轴承预紧力，保证主轴***的温升控制在合理范围内，延长了主轴***的寿命。通过设置的基于前后端轴承座的预紧力液压调控装置，适用于一般机床主轴***中，有普遍的适用性。预紧力的液压调控装置所需的空间小，可以通过对主轴***原有零件做微小调整而得到而不影响改变原有主轴***的功能。通过采用的液压控制技术，该技术和方法较为成熟和完善，所以在主轴的振动调控过程中更加简洁和稳定。
进一步的，液压控制***出油口处安装有压力传感器和压力表，并将数据重新反馈到电液伺服阀中，形成闭环***，保证环形液压腔内的压力为恒定值。
附图说明
图1为本发明所述***的结构原理示意图。
图2为本发明所述的液压控制***的原理简图。
图中：1为主轴，2为后端主轴轴承，3为预紧弹簧，4为弹簧孔座，5为液压滑套，6为后端轴承座，7为温度传感器，8为环形液压腔，9为后端盖，10为定位环，11为前端轴承座，12为前端盖，13为数据采集***，14为控制器，15为功率放大器，16为液压控制***，17为液压密封圈，18为电机，19为过滤器，20为单向阀，21为电液伺服阀，22为比例溢流阀，23为蓄能器，24为保压阀，25为压力表，26为出油口，27为冷却器，28为流量表，29为油箱。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所述***可用于不同转速下机床主轴***温升的监测，并以此为依据调控轴承预紧力，保证主轴***的温升控制在合理范围内，延长了主轴***的寿命。该***由主轴轴承温升在线监测装置、控制器以及液压调控装置三个部分组成。
所述的主轴轴承温升在线监测装置用于测量并处理主轴轴承实时的温升信号；
所述的控制器14的输入端连接主轴轴承温升在线监测装置的输出端，用于根据接收到的温升信号输出控制电压信号到液压调控装置；
所述液压调控装置包括后端主轴轴承2外周的液压滑套5、安装在液压滑套5外周并与液压滑套5形成封闭的环形液压油腔8的后端轴承座6、安装在前端轴承座11左端的弹簧孔座4以及孔座上的预紧弹簧3。其中，预紧弹簧3通过被压缩对液压滑套5施加作用力从而给主轴轴承一个初始预紧力；液压滑套5与后端主轴轴承2外圈和后端轴承座7都是满足滑动要求的间隙配合装配；与控制器14输出端连接的是功率放大器15；与功率放大器15连接的是液压控制***16，该液压控制***的出油口26与所述环形液压油腔8相连。
所述液压调控装置用于接收控制器14输出的控制电压信号，并通过功率放大器15控制液压控制***16的电液伺服阀21，进而控制液压控制***出油口26即环形液压腔8内的压力，并通过液压滑套5调整作用在弹簧孔座4上的压力，最终改变作用在主轴轴承外圈上的轴承预紧力，保证在不同转速下主轴***都有良好的温升状况，以提高主轴***的寿命。
在初始阶段，通过预紧弹簧给定主轴轴承F0的初始预紧力。当机床主轴开始运转，在不同转速下，对主轴轴承温度进行在线监测，并设定一个轴承温升阈值，一旦监测的轴承温升超过阈值，控制器14产生控制指令，控制液压控制***16电液伺服阀21的阀芯转动增大出油口26的油压，从而增大环形液压油腔8的压力ΔP，进而减小作用在主轴轴承外圈上的轴承预紧力，使得预紧力为F，F＝F0-Δp·S；轴承温升逐渐降低，直到低于设定的轴承温升温度阈值。
其中，主轴轴承温升在线监测装置包括安装在主轴1前后端四个主轴轴承处用于测量主轴轴承温升的温度传感器7和用于处理温度传感器采集的温升信号的数据采集器13；数据采集器13的输入端连接温度传感器7，输出端连接控制器14的输入端。
通过安装预紧弹簧的弹簧孔座4，通过压缩预紧弹簧3对液压滑套5施加作用力从而给定主轴轴承一个初始预紧力F0。
液压滑套5与后端轴承座6形成封闭的环形液压油腔8，其沿径向呈均匀分布，环形截面面积记为S。
后端轴承座6开设有与环形液压腔8贯通的进油通道，进油通道上设有进油孔，该进油孔与液压控制***16的出油口26连通。
液压滑套5与后端轴承座6相应位置设有螺纹孔，温度传感器7通过螺纹孔安装在主轴前后端的四个主轴轴承处。
当采集的任意一个主轴轴承温升高于设定的温度阈值时，液压控制***16都能接收到控制器14输出的指令。每接收到控制器14输出的控制指令一次，环形液压油腔8的压力就增大Δp，进而减小作用在主轴轴承外圈上的轴承预紧力，使得预紧力为F，F＝F0-Δp·S。随着轴承预紧力的减小，轴承温升逐渐降低，直到低于设定的温度阈值。
采用本发明所述的***，其调节方法包括，
在工作过程中，主轴1前后端主轴轴承处的温度传感器7将测得主轴轴承温升模拟信号的步骤；
温度模拟信号经数据采集器13，在输入到控制器14中进行处理，当采集的主轴轴承温升高于温升阈值时，控制器14产生控制指令输出的步骤；
通过功率放大器15控制液压控制***16电液伺服阀21的阀芯，进而控制环形液压油腔8的压力的步骤；
通过液压滑套5将压力传递到弹簧孔座4，进而改变作用在轴承外圈上的轴承预紧力，改善主轴***的温升特性，提高轴承***寿命的步骤。
具体的，如图1所示，本发明一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***包括主轴轴承温升在线监测装置，控制器以及液压调控装置。
主轴轴承温升在线监测装置包括温度传感器7、用于处理温度传感器采集的温度信号的数据采集***13。其中，温度传感器7通过螺纹孔安装在主轴1前后端四个主轴轴承处，用于采集主轴轴承实时温升信号；同时数据采集***8可以对主轴轴承温升信号实时处理，并输入到控制器14中。
控制器14用于根据数据采集***13得到的主轴轴承温升信号，输出控制液压信号到液压调控装置。
液压调控装置包括后端主轴轴承2外周的液压滑套5、安装在液压滑套5外周并与液压滑套5形成封闭的环形液压油腔8的后端轴承座6、安装在前端轴承座11左端的弹簧孔座4以及孔座上的预紧弹簧3。其中，预紧弹簧3通过被压缩对液压滑套5施加作用力从而给主轴轴承一个初始预紧力；液压滑套5与后端主轴轴承2的外圈和后端轴承座6都是满足滑动要求的间隙配合装配；与控制器14输出端连接的是功率放大器15；与功率放大器15连接的是液压控制***16，该液压控制***的出油口26与所述环形液压油腔8内部相连。
如图2所示为液压控制***的基本原理简图。当液压控制***开始工作时，电机18旋转带动油箱29中的液压油进入油路，并通过过滤器19和单向阀20，电液伺服阀21和比例溢流阀22控制着出油口26处的油压大小，压力表25实时监测出油口26的油压并将数据反馈到电液伺服阀21和保压阀24。当出油口的压力满足要求时，保压阀24开启，并通过蓄能器23保证出油口的压力稳定在恒定值。
本发明所述的方法，在运转过程中，预紧弹簧3通过被压缩对液压滑套5施加作用力从而给主轴轴承一个初始预紧力F0，主轴1前后端四个主轴轴承处的温度传感器7将测得的主轴轴承温度模拟信号经数据采集***13，输入到控制器14中进行处理，当测得的主轴轴承温度高于温度阈值时，控制器14产生控制指令输出，控制指令通过功率放大器15控制液压控制***16电液伺服阀21的阀芯转动增大出油口26的油压，从而增大环形液压油腔8的压力，通过液压滑套5将环形液压油腔8的压力传递到弹簧孔座4，进而减小作用在主轴轴承外圈上的轴承预紧力；每接收到控制器14输出的控制指令一次，环形液压油腔8的压力就增大Δp，假设环形液压油腔的截面积为S，那么每接收一次指令，轴承预紧力减小量为Δp·S。随着轴承预紧力的减小，轴承温升逐渐降低，直到低于设定的温度阈值。

Claims (10)

1.一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***，包括主轴轴承温升在线监测装置、控制器(14)以及液压调控装置；其特征在于，
所述的主轴轴承温升在线监测装置用于实时采集主轴轴承的温升信号；
所述的液压调控装置包括设置在后端主轴轴承(2)外周的液压滑套(5)，安装在液压滑套(5)外周并与液压滑套(5)形成封闭的环形液压油腔(8)的后端轴承座(6)，设置在前端主轴轴承外周的前端轴承座(11)，固定在前端轴承座(11)后端的弹簧孔座(4)，设置在弹簧孔座(4)中的预紧弹簧(3)，与环形液压油腔(8)连通的液压控制***(16)；
所述的控制器(14)通过功率放大器(15)连接液压控制***(16)控制端；控制器(14)的输入端连接主轴轴承温升在线监测装置输出的温升信号；
预紧弹簧(3)被压缩后与液压滑套(5)前端连接，对主轴轴承施加初始预紧力；当控制器(14)接收到温升信号中的轴承温升超过设定的轴承温升阈值时，控制器(14)控制液压控制***(16)增加液压油力输出，从而增大环形液压油腔(8)的压力，通过液压滑套(5)将环形液压油腔(8)的压力传递到弹簧孔座(4)，进而减小作用在主轴轴承外圈上的轴承预紧力，直至轴承温升低于设定的轴承温升阈值。
2.根据权利要求1所述的一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***，其特征在于，所述的主轴轴承温升在线监测装置包括数据采集器(13)和温度传感器(7)；温度传感器(7)对应每个主轴轴承设置，用于实时采集对应主轴轴承的温升信号；数据采集器(13)的输入端连接所有的温度传感器(7)，输出端连接控制器(14)输入端。
3.根据权利要求2所述的一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***，其特征在于，液压滑套(5)与后端轴承座(6)和前端轴承座(11)的对应位置上分别设有螺纹孔，温度传感器(7)通过螺纹孔安装在对应的主轴轴承上。
4.根据权利要求1所述的一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***，其特征在于，所述的弹簧孔座(4)呈环状设置，弹簧孔座(4)上均匀设置有多个预紧弹簧(3)。
5.根据权利要求1所述的一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***，其特征在于，所述的主轴轴承共设置有四个，均分为前后两组，每组的两个主轴轴承呈串联配置，两组之间呈背对背配置；前端轴承座(11)的内侧与前端主轴轴承的后端外圈卡接；液压滑套(5)的内侧与后端主轴轴承(2)前端外圈卡接。
6.根据权利要求1所述的一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***，其特征在于，主轴轴承的内圈分别由套设在主轴(1)上定位环定位，前端轴承座(11)的前端设置固定的前端盖(12)，后端轴承座(6)的后端设置固定的后端盖(9)。
7.根据权利要求1所述的一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***，其特征在于，液压滑套(5)与后端轴承座(6)的接触面上设置有用于环形液压油腔(8)密封的液压密封圈(17)。
8.根据权利要求1所述的一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节***，其特征在于，所述的液压控制***(16)包括油箱(29)，依次连接在油箱(29)出油端的电机(18)、过滤器(19)和单向阀(20)，以及出油口(26)；单向阀(20)输出端一支依次经电液伺服阀(21)和比例溢流阀(22)连接出油口(26)，另一支经保压阀(24)连接出油口(26)；出油口(26)经冷却器(27)和流量表(28)连接油箱进油端；保压阀(24)连接出油口(26)一侧设置压力表(25)，另一侧设置蓄能器(23)。
9.一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节方法，其特征在于，基于权利要求1-8任意一项所述的自动调节***，包括如下步骤，
步骤1，通过设置在前后端主轴轴承处的温度传感器检测主轴轴承(2)的温升模拟信号；
步骤2，温度模拟信号经数据采集器(13)，再输入到控制器(14)中进行处理，当采集的任意一个主轴轴承的温升高于设定温升阈值时，控制器(14)产生控制指令输出；
步骤3，控制指令通过功率放大器(15)控制液压控制***(16)的电液伺服阀(21)的阀芯转动增大出油口(26)的油压，从而增大环形液压油腔(8)的压力；
步骤4，通过液压滑套(5)将环形液压油腔(8)的压力传递到弹簧孔座(4)，进而减小作用在主轴轴承外圈上的轴承预紧力；
步骤5，每接收到控制器(14)输出的控制指令一次，环形液压油腔(8)的压力就增大Δp，重复步骤1-4，轴承温升逐渐降低，直到低于设定的轴承温升温度阈值，控制器(14)控制液压控制***(16)保持当前油压稳定。
10.根据权利要求9所述的一种基于液压控制的机床主轴轴承预紧力自动调节方法，其特征在于，当液压控制***(16)开始工作时，电机(18)旋转带动油箱(29)中的液压油进入油路，并通过过滤器(19)和单向阀(20)输出，电液伺服阀(21)和比例溢流阀(22)控制着出油口(26)处的油压大小，压力表(25)实时监测出油口(26)的油压并将数据反馈到电液伺服阀(21)；当出油口(26)的压力满足要求时，保压阀(24)开启，并通过蓄能器(23)保证出油口的压力稳定在恒定值。
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