1、广西工学院毕业设计（论文） 1 轴承负荷分析和机动高速主轴控制 摘要： 对精密车床 床头柜 的优化设计研究。三种不同的外部形状 床头柜 探讨。 由于热变形所产生的热量主轴轴承的考虑。我们的目标是尽量减少在切割点工件的整体变形。约束是强制的基本固有频率远高于工作频率更大，以减少动态变形。设计变量包括形状尺寸，主轴轴承的位置，主轴轴承的刚度，该鳍尺寸和鳍的位置。那个 利用遗传算法来解决这些混合变量的优化问题。优 化解决方案三个不同类型的 床头柜 发现和讨论 角接触球轴承是最流行的轴承类型的高速加工中心主轴使用。 由于轴承 负荷迅速增加与提高转速，由于离心力和温度 的提高，适当的，尤其是最初的预操作
2、引起的角负荷控制球轴承是重要的刚度，精 度和主轴的 生活。 轴承布局， 预装机制联机承载控制进行了探讨。 在离心力的管理和热致轴承负荷特别强调。 活跃的轴承负荷监测和控制机制，包括一个综合 应 式传感器，压电致动器已被开发和测试。 这种积极的控制和监管机制，在线轴承负荷调整根据切削条件。进行实验，以确定适当的初步轴承预压范围。 优化预最低轴承温度提高指定转速存在。 最佳预载，但是，应当 提出时，运行速度增加。 1。导言 在角接触球轴承主轴集成 之间的前后轴承异步电动机一 共同设计了许多 动力化 协锭 1-3。 对角球轴承正确的预 紧 对 速度，刚度，精度和主轴的 挠度很重要 。 为了 特别是对
3、重切削应用常规锭， 预 压 不断偏移，因为这是首选 预压法可以产生高刚性主轴。 但是， 不断偏移方法不 适宜 在高速 切割应用程序，因为可以轴承负荷 迅速增加，由于温度引起的离心 力诱导负载。 另一方面，许多机动房协 主轴是专为轻切削负载应用 设计使用的弹簧力预紧机制 为了管理热致和离心 诱 导 轴承负荷 ， 弹簧 预装主轴， 然而， 由于 主轴刚度 过 低 这一缺陷， 仅适用于轻载高速 切削 。 在高速和趋势高效率加工 是针对一主轴，能够进行高速和高功率加工 。对于 这些应用， 主轴轴承应能在高转速运作时支持高速切削功率 。 由于这些对各种切削条件 指定的应用程序，无论是固定偏移或 弹簧 预
4、 紧 不能满足所有要求 。在线 调整和离线重置轴承预紧 根据切削条件已经开发 解决这个问题。拟议变速轴承预紧 机制包括液压方法 和其他 方法， 如记忆合金和不断的机制，偏移 / 恒定力交换机制。旁边 的可调预 紧 机制，干扰和影响冷却高速主轴的方法，还需要重新考虑，以管理 离心诱导负荷对角接触 滚珠轴承 . 本文报道的轴承负荷分析和机动高速主轴控制 。重点是布局 与预控制的轴承。活跃的轴承负荷 监测和控制机制的组成综合应变 式载荷传感器和压电陶瓷驱动器报 道。 广西工学院毕业设计（论文） 2 图 1。 弹簧轴承预热布局和处理 。 2。轴承布局和负荷控制 角接触球，尤其是陶瓷球轴承 被广泛应用于
5、高速主轴。在一般情况下， 轴承负荷运行过程中会 被列为四个部分。 第一部分是预组装后的最初时 主轴是在正常室温条件。第二部分是 在操作过程中的热致负荷。 由于 轴承温度通常是随主轴 速度，热轴承的负荷迅速增加 与主轴转速。第三和第四部分是 离心力引起的内圈和轴承负荷 球。这两个离心力引起的负荷也 迅速增加的转速。 以前的轴承设计已经提出如下。 这是图 1 所示。这 种设计适用于高 速度和轻载切削应用程序，因为 弹簧 预装机制可以吸收热，最操作时离心负载。这个版本的轴承布局需要的轴承数量最少，最短旋转轴。但其长期的空间之间的前后 轴承套，需要更严格的制造 / 装配公差，是对温度更敏感 区别轴和轴
6、承座。主轴 弹簧 预 紧 设计的刚性不如好 不断偏移，如图 2所示预设计。在这设计，不断偏移预可提供 高刚性的优势。的管理 确保至少存在一个最低限度上预装 弹簧 轴承如果活动轴承负荷控制机制 故障。积极轴承负荷监测和 控制机制如图 4。执行器及 在主动控制机制的传感器组成的 压电执行器和应变式称重 传感器作为 图 5。可调的预规定范围 加工中心是 20-80公斤力从轻型到重型预装 预装。抵销相应的轴承，必须 几微米至 20毫米。在这项工作中，堆积型 PZTs 已使用 15毫米长， 10毫米 可提供的直径为所需的中风 预压调整。堆叠式压电陶瓷具有的优点 高硬度和高膨胀系数（可作为 大， 0.15
7、）。压电致动器，但是，引入在非线性，滞后和直流漂移的问题。在 为了克服这些问题，利用负载细胞株 计被集成到压电致动器。 负载细胞组成四个自我，温度补偿应变 计形成全惠斯通电桥。在应变片 基于传感器校准了由商业协和 称重传感器。 标定结果（见 图 6）已表明， 应变式称重传感器为基础的有很好的线性度和 敏感度约为 30 毫伏 /公斤。 阿试验台建成，评估活动的影响 预控制和监测机制。图。 7显示 该试验台结构。轴承的测试 有源负载监测 /控制单元如图。 8。三 以 1208分居压电被用来 监测和控制轴承的负荷。一个涡流位移传感器是用来测量器 流离失所。经测试轴承是FAG 的 HS7010。图。
8、9 显示执行器的位移测试结果，并输入 轴承预压的变化。 这一结果证实，该控制预紧范围约 60公斤力。油 /空气 润滑与空气流量 15升分，油率 0.06 立方厘米 /小时 一个 ISO VG32油型手机用。 图 10 显示了 测试结果，当一个常数偏移预压的 13千克力 预装了初步应用。 轴承气温上升 从 26日至 30.5 8C 一段时间后， 2 恒定 2600 转魔。 在第一个 2小时的测试时间，轴承预紧是 增加至 16公斤力。此后，主轴速度 更改为 5500转，并在另一个时期保持 2每小时在轴承温度上升到 42 8c 和的预 增加到 27.5公斤力。然后，主轴速度 更改为 9000转。进一
9、步的轴承温度 增加至 48.5 8c 和的预增加到 37 力。图。 11时，另一项测试显示，积极轴承预紧 控制应用。最初的轴承预装 在 13 公斤力和经营在 2600 转。经过 1.6 h时， 主轴速度改变了另一个时期的 5600 转 每小时 1.6轴承预紧维持在 13公斤力的 压电驱动器的。比额表 温度和轴承负荷在情节的左侧。 在输入电压范围的压电陶瓷驱动器 在情节的右侧。 试验结果证明了主动轴承负荷控制和效益 监测机制。 图 2。预装的不断抵消影响的布局，从而减少了热加载。 广西工学院毕业设计（论文） 3 图 3。为积极负荷监测和控制轴承布局。 图 4。主动轴承预紧机制。 图 5。集成的驱
10、动器和传感器。 图 6。应变校准应变传感器。 广西工学院毕业设计（论文） 4 图 7。 在轴承试验台结构。 图 8。经过测试的影响和积极的负载监测细节 /控制单位。 图 9。执行器的位移和控制负荷变化的影响测试结果。 3。最优轴承预紧测定范围 在一般情况下，相信更大的初始轴向预紧 将产生较大的温度提高轴承。这个 声明似乎是正确的，传统的主轴，但 发现是虚假的房锭。 图。 13 显示了在 4000 转测试结果。 轴承有一个初步的预载 13 公斤力，并达到了高速主轴到一个稳定值 运行后，每小时 1.7 之后，突然的预紧力 提高到 40公斤力。它表明，几乎没有影响 轴承温度。图。 14显示了在类似的
11、测试 8000 转条件。 从测试结果看来， 主轴转速的影响是主要来源的影响 温度不提高轴承预紧。 然广西工学院毕业设计（论文） 5 而，这是 不是最后结论。 全面的试验当时 进行评估的初始预紧效应 轴承温度提高。图。 15显示了预试验 在不同的转速 4 效果 。 在低转速范围 （在这种情况下， 1 万转），轴承温度 提高增加的初始轴承预紧， 虽然效果不是很明显。 但是， 当转速超过这个测试 10000 转）， 1 推力轴承预紧存在，产生最低 温度提高。图。 15显示了这一趋势的最佳 最初的预应加强与转速。 速度依赖最优预可以解释考虑到轴承球打滑的效果。由于 在离心力， 球之间的接触面积赫兹 和
12、内环将与转速下降。 因此，滚滑轴承的影响将是 由于增加了接触面积减少。某些最多 主轴转速，球和内圈失去联系（称为 球打滑影响）。当球打滑发生， 摩擦增加，然后因此大量热量， 产生的。因此，对于一个给定轴向预压，存在着 一记者临界速度（或称为最高 工作速度）的离心力使赫兹 球之间的接触和内圈面积减少到 为零。为了获得更高的主轴转速，就需要更高 轴承预以确保足够的接触面积，以赫兹 避免打滑。 图 13。初步预效应在 4000 rpm 转速。 图 14。初步预效应在 8,000 rpm转速。 图 15。对预载和温度主轴转速的影响。 4。切削试验 一个由 14千瓦功率的原型已经取得了主轴。 那个 萘主
13、轴的值近似为 1.65 百万 在钢球轴承）或 200 万（在案件陶瓷球轴承）。 相应的最高转速 速度是每分钟 20000 转 /钢球或 24,000 转 / ceramicball。在大多数情况下，要求第一临界转速主轴应至少 2 倍的距离最高转速。 通过转子动态 分析，我们的主轴临界转速被确认 周围 66567 转。在初步测试中，薄壁在 0.2 毫米厚， 20毫米高取得了成功机械振动没有发现传言中所示 图。 16（ 1）。另一个切削试验如图所示。 16（ b）是加工模具自由曲面的共同 /模具业。 晶面人在没有任何辅助 抛光。进一步削减将进行验证广西工学院毕业设计（论文） 6 试验主轴的性能。
14、图 16。真正的切削试验发达国家高速主轴。 5。结论 因为运作的速度，切割广泛 对加工中心的主轴的条件 ， 无论是 预不变抵消或弹簧力预紧 机制不能满足各种切削条件。 我们制定了积极的轴承负荷监测和 控制机制，在线调整轴承负荷 根据切削条件。 初步测试 结果表明，这种积极的轴承负荷控制方法 有希望的。 为了规范离心力引起的负荷，一 低轴向干扰和高钻孔干扰设计 建议，而不是高 axialinterference 高 速主轴 低孔干扰的概念，传统 锭。 有人还发现，一个最佳的预 存在一个指定的转速，产生最低 温度提高。最佳预将在 最低预值，能避免球打滑 影响，但不会产生超过接触摩擦。 那个 最佳前负荷的速度依赖，并应 增加时，运算速度提高。 广西工学院毕业设计（论文） 7
