CN105021402B - 一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，包括套装在主轴上且一端开口的轴承座，轴承座的开口端设置有预紧力盘；主轴上还套装有电磁加载盘，电磁加载盘的周向设置有用于测量其与预紧力盘之间轴向距离的位移传感器，电磁加载盘靠近预紧力盘的端面上开设有环形槽，该环形槽内设置有电磁线圈，与开设有环形槽相对的电磁加载盘端面上设置有轴承端盖；轴承座内设置有滚动轴承。电磁线圈输入可控电流，在预紧力盘与电磁加载盘之间产生电磁力，通过轴承座传递到轴承外圈产生预紧力。通过调控电磁线圈的电流幅值，就可以改变预紧力盘与加载盘之间距离，并得到所需的轴承预紧力。本发明适用于主轴轴承的定位预紧和定压预紧。
Description
技术领域：
本发明属于高速主轴滚动轴承的性能调控应用领域，具体涉及一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置。
背景技术：
滚动轴承作为高速主轴内部的旋转支撑元件，其服役性能直接影响高速主轴动力学性能。因此，实时调控滚动轴承刚度、温度、旋转精度、预紧力等服役性能，以适应主轴系统的复杂工况至关重要。相关研究表明，轴承预紧力调控技术是轴承服役性能调整最有效的方法之一。因而对精密机床来说,主轴轴承的预紧力应该是在线可控的，实现高速主轴在低速大转矩和高速大功率整个服役范围内动力学品质全局兼顾的预紧力调控。
传统轴承预紧技术多采用定位或者定压恒值预紧方式，这种恒定预紧方式已无法满足复杂工况下高速主轴对轴承性能调控的要求。为此，国内外诸多研究和学术机构就轴承预紧可控技术开展了大量的研究，并取得了一定的成果。在预紧力作用机理方面，提出了基于主轴转速、轴承温度等多种预紧力调节方式，但它们都需要一个预紧力调节范围宽，精度高的预紧力执行机构。在预紧力调控机构方面，有基于压电制动器、液压装置及电致伸缩材料等主动调控机构，但存在结构复杂，制造和使用成本较高的问题。电磁式的预紧力加载装置是一种非接触式加载机构，可以降低轴承的轴向装配精度；并具有较宽的动态性能，控制精度高，预紧力幅值调节范围宽，结构简单，制造成本低，具有很好的工程应用价值。
发明内容：
本发明的目的是为了解决以上技术问题，提供了一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，通过电磁加载方式，对主轴轴承的预紧力进行在线调控，以获得在不同服役工况下高速主轴的优异动态性能。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，包括套装在主轴上且一端开口的轴承座，轴承座的开口端设置有预紧力盘；主轴上还套装有电磁加载盘，电磁加载盘的周向设置有用于测量其与预紧力盘之间轴向距离的位移传感器，电磁加载盘靠近预紧力盘的端面上开设有环形槽，该环形槽内设置有电磁线圈，与开设有环形槽相对的电磁加载盘端面上设置有轴承端盖；轴承座内设置有滚动轴承。
本发明进一步的改进在于：滚动轴承套装在轴承座内，其外圈与轴承座采用间隙配合。
本发明进一步的改进在于：滚动轴承的内圈与主轴之间过盈配合。
本发明进一步的改进在于：预紧力盘与电磁加载盘均采用软磁材料制成，两者通过电磁场耦合作用，能够产生可控电磁力。
本发明进一步的改进在于：预紧力盘与电磁加载盘之间的初始轴向距离小于1mm。
本发明进一步的改进在于：电磁线圈由漆包线绕制而成。
本发明进一步的改进在于：预紧力盘通过螺栓固定在轴承座上；电磁加载盘与轴承端盖通过螺栓连接，且轴承端盖固定在主轴外的外壳上。
本发明进一步的改进在于：位移传感器通过螺纹孔固定在轴承端盖上。
本发明进一步的改进在于：使用时，电磁线圈中输入可控电流，在预紧力盘与电磁加载盘之间产生电磁力，进而通过轴承座传递到滚动轴承外圈产生所需轴承预紧力；通过控制电磁线圈的电流幅值，能够调整预紧力盘与加载盘之间距离，并得到所需的轴承预紧力。
相对于现有技术，本发明一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置具有以下优点：本发明利用可控电磁力实现了主轴轴承进行预紧力在线调控，是一种非接触式加载机构，具有较宽的动态性能，控制精度高，预紧力幅值调节范围宽的特点。适用于主轴轴承预紧力的定位预紧和定压预紧，能实现预紧力的在线监测，精确施加、定量调节，满足主轴全工况范围对轴承预紧力可控可调的需求，可以作为高速主轴的智能部件，具有结构简单，制造成本低，有很好的工程应用价值。
附图说明：
图1是本发明一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置的整体结构示意图
图中：1为主轴；2为滚动轴承；3为轴承座；4为轴承隔套；5为预紧力盘；6为位移传感器；7为轴承端盖；8为电磁加载盘；9为电磁线圈。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的介绍：
如图1所示，本发明一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，包括套装在主轴1上且一端开口的轴承座3，轴承座3的开口端设置有预紧力盘5，这样的话轴承座3与预紧力盘5便可以整体进行轴向滑移；主轴1上还套装有电磁加载盘8，电磁加载盘8的周向设置有用于测量其与预紧力盘5之间轴向距离的位移传感器6，电磁加载盘8靠近预紧力盘5的端面上开设有环形槽，该环形槽内设置有电磁线圈9，与开设有环形槽相对的电磁加载盘8端面上设置有轴承端盖7；轴承座内设置有滚动轴承。
使用时，电磁线圈9中输入可控电流，在预紧力盘5与电磁加载盘8之间产生电磁力，在电磁力作用下，预紧力盘5和轴承座3产生轴向滑移，对滚动轴承2外圈传递预紧力，进而通过轴承座3传递到滚动轴承2外圈产生所需轴承预紧力；通过控制电磁线圈9的电流幅值，能够调整预紧力盘5与加载盘8之间距离，并得到所需的轴承预紧力；其中，电磁线圈9电流通过电流放大器进行调控；通过调整电磁线圈9的电流幅值和预紧力盘5与电磁加载盘8的气隙大小，实现对滚动轴承2预紧力的可控调节，得到高速主轴特定工况下所需的最优轴承预紧力。此外，位移传感器6实时测量预紧力盘5与电磁加载盘8之间的距离。
进一步的，轴承座3内设置有两个滚动轴承2，两个滚动轴承2之间设置有轴承隔套4。且轴承座3套装在主轴1的轴肩处。此外，滚动轴承2的内圈与主轴1之间过盈配合，这样的话滚动轴承2的内圈在主轴1上便不能轴向移动，轴承座3可以推动滚动轴承2的外圈产生轴向滑移。
其中，预紧力盘5与电磁加载盘8均采用软磁材料制成，两者通过电磁场耦合作用，能够产生可控电磁力。并且，预紧力盘5与电磁加载盘8之间的初始轴向距离小于1mm。
进一步的，电磁线圈9由漆包线绕制而成。
进一步的，预紧力盘5通过螺栓固定在轴承座3上，工作时，轴承座3推动滚动轴承2的外圈，为其提供单向预紧力，且轴承座3与预紧力盘5可以整体进行轴向滑移；电磁加载盘8与轴承端盖7通过螺栓连接，且轴承端盖7固定在主轴1外的外壳上，两者不能产生轴向移动。
进一步的，位移传感器6通过螺纹孔，固定在轴承端盖7上，用于测量预紧力盘5与电磁加载盘8之间的距离，位移传感器6端面与轴承座3测量面的间距可以手动调节。
为了对本发明进一步的了解，现对其工作原理作如下的说明。
电磁线圈9中输入可控电流，在预紧力盘5和电磁加载盘8产生到稳定磁场，该磁场使预紧力盘5受到一个稳态电磁力f，该电磁力f与气隙、线圈电流满足以下公式：
其中：
f为可控电磁力，即可控预紧力，单位：牛；
i为电磁线圈的控制电流，单位：安培；
x为预紧力盘和电磁加载盘之间的气隙间距，单位：米；
A为电磁加载盘的截面积，单位：平方米；
μ0为真空磁场系数，μ0＝4π×10-7Vs/Am；
n为电磁线圈的线圈匝数，单位：圈。
通过电磁线圈9的电流幅值，就可以控制预紧力盘5与加载盘8之间的距离和加载到滚动轴承2上的预紧力幅值。
当滚动轴承2预紧采用定位预紧时，位移传感器6实时测量预紧力盘5与加载盘8之间的距离，通过在线调节电磁线圈9的电流幅值，使其距离保持在所需位置。
当滚动轴承2预紧采用定压预紧时，在线调节电磁线圈9的电流幅值，利用电磁力公式，通过位移传感器6测量和调整预紧力盘5与加载盘8之间的距离，使本置产生所需的电磁预紧力。
以上所述仅为本发明的两种实施方式，不是全部的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，其特征在于：包括套装在主轴(1)上且一端开口的轴承座(3)，轴承座(3)的开口端设置有预紧力盘(5)；主轴(1)上还套装有电磁加载盘(8)，电磁加载盘(8)的周向设置有用于测量其与预紧力盘(5)之间轴向距离的位移传感器(6)，电磁加载盘(8)靠近预紧力盘(5)的端面上开设有环形槽，该环形槽内设置有电磁线圈(9)，与开设有环形槽相对的电磁加载盘(8)端面上设置有轴承端盖(7)；轴承座(3)内设置有滚动轴承(2)；
预紧力盘(5)与电磁加载盘(8)均采用软磁材料制成，两者通过电磁场耦合作用，能够产生可控电磁力。
2.根据权利要求1所述的一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，其特征在于：滚动轴承(2)套装在轴承座(3)内，其外圈与轴承座(3)采用间隙配合。
3.根据权利要求1或2所述的一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，其特征在于：滚动轴承(2)的内圈与主轴(1)之间过盈配合。
4.根据权利要求1所述的一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，其特征在于：预紧力盘(5)与电磁加载盘(8)之间的初始轴向距离小于1mm。
5.根据权利要求1所述的一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，其特征在于：电磁线圈(9)由漆包线绕制而成。
6.根据权利要求1所述的一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，其特征在于：预紧力盘(5)通过螺栓固定在轴承座(3)上；电磁加载盘(8)与轴承端盖(7)通过螺栓连接，且轴承端盖(7)固定在主轴(1)外的外壳上。
7.根据权利要求1所述的一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，其特征在于：位移传感器(6)通过螺纹孔固定在轴承端盖(7)上。
8.根据权利要求1所述的一种电磁式的主轴轴承可控预紧装置，其特征在于：使用时，电磁线圈(9)中输入可控电流，在预紧力盘(5)与电磁加载盘(8)之间产生电磁力，进而通过轴承座(3)传递到滚动轴承(2)外圈产生所需轴承预紧力；通过控制电磁线圈(9)的电流幅值，能够调整预紧力盘(5)与加载盘(8)之间距离，并得到所需的轴承预紧力。
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