轴承负荷分析和机动高速主轴控制

广西工学院毕业设计（论文）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。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）。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。 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。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。集成的驱动器和传感器。图 6。应变校准应变传感器。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试验主轴的性能。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