基于压电陶瓷与柔性机构的高速加工中心主轴预紧控制机构设计_CNC加工中心

前言：

主轴作为加工中心的核心部件，其性能好坏直接关系到加工中心能否进行有效的工作。主轴的预紧技术是主轴研究领域的重要方向之_，主轴的预紧力能随着主轴工作情况的改变而实时调整以保持一个最佳的工作状态，是其研究领域的_个关键目标。因此确定主轴的最佳预紧力并通过自适应调节系统使其保持这种状态，是局速局精度加工中心在全工况范围内动力学特性保持最优的前提。目前应用较为普遍的方式为液压预紧^[1],随着研究的不断深入与发展，压电陶瓷驱动的微/纳定位系统已经在可调预紧技术领域得到广泛研究，其主要应用方式为将压电陶瓷直接作用于轴承外圈,它具有分辨率高、响应速度快、无摩擦和无发热问题等优点，但是压电陶瓷的驱动行程较短、易碎，内置不利于更换；且在高速运转时，加工中心的振幅也是相当高的这样对于只能承受轴向力的压电陶瓷来说是非常不利的^&]。因此，如何在主轴预紧工业化程度上来发挥压电陶瓷的优势而避其短处，将是_个亟待解决的关键问题。

因此，本课题在此基础上设计一种新型预紧机构，以压电陶瓷作为驱动源，柔性机构作为微位移放大机构，组成复合型输出。将柔性机构直接作用于轴承外圈，将作为驱动源的压电陶瓷放置其外，这样既实现功能,又能不破坏压电陶瓷驱动器，同时也利于日后的维修与更换。利用此方法能实现对主轴轴承预紧力的实时控制。

1主轴轴承摩擦热特性分析

l.i轴承摩擦热计算

轴承在运转时产生的热量与很多因素有关，其中主要因素有：轴承预紧力、主轴转速、润滑剂类型及其流变特性，轴承安装布局以及工作温度等。在这些因素中最主要的是主轴转速与轴承预紧力对轴承温升的影响。当主轴处于高速运转时，过大的预紧力会使轴承温度超标，长时间情况下会使轴承发生形变，从而影响主轴的使用性能。因此在预紧力许可的范围内，尽量减小高速段轴承预紧力，是高速段轴承预紧力分析计算的理论依据。轴承的滚动体与内外圈滚道之间的滚动阻力、摩擦损耗,以及自旋运动是轴承的主要发热源。轴承的发热量主要是由轴承的摩擦力矩所引起的，力矩越大，轴承产生的摩擦热就越多，滚动体与内外圈接触区域的发热量与接触区域的摩擦力矩和主轴转速有关，其发热量可由式（丨-1)得^s

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结束语：

选取7012C轴承为研究对象，采用经验公式与仿真分析，给出了主轴预紧力与轴承转速、轴承温度之间关系。以轴承温度为控制目标，结合主轴最佳预紧力经验公式,确定各转速段相对应的预紧力以及轴向位移，进而运用仿真分析获得了可调预紧与传统预紧对轴承温度影响的对比。在此基础上，以上述所得的预紧力与相对应的轴向变位作为理论依据，设计一种实现预紧力可调的预紧机构。以叠层压电陶瓷为驱动源，柔性机构为驱动机构。经理论计算与仿真分析证明该机构可行,可以达到所推荐的预紧力以及轴向变位数值，进而对轴承温度进行控制，使其保持在一个合理的变化范围之内。

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