CN108044137B - 一种智能电主轴轴承刚度调控方法、系统及智能电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电主轴轴承刚度调控方法、系统及智能电主轴，本发明根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力，根据当前的磨削力查找预设的磨削力/磨削力档位、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系确定智能电主轴轴承的目标轴向预紧力，并根据目标轴向预紧力调节智能电主轴轴承的轴向预紧力。针对现有智能电主轴轴承的预紧力也基本不变、轴承动态特性就不能被操作者主动调控的问题，本发明根据当前的磨削工艺参数调节智能电主轴轴承的轴向预紧力，实现了承载能力和刚度特性的可变调控，能够适应低速大负荷、中速中负荷以及高速小负荷切削加工。

Description

一种智能电主轴轴承刚度调控方法、系统及智能电主轴

技术领域

本发明涉及高速精密机床电主轴、智能磨削、滚动轴承式轴承电主轴的控制技术，具体涉及一种智能电主轴轴承刚度调控方法、系统及智能电主轴。

背景技术

现代装备制造业的发展，对高速精密机床提出了越来越高的要求，其中一个显著特点是，对机床的智能化要求越来越高。电主轴作为机床的核心功能部件，对机床的加工精度和加工效率具有直接而重要的影响，因此电主轴的智能化程度也直接影响着机床的智能化程度。

电主轴在机床工作过程中，直接带动工件或工具(砂轮、刀具等)高速旋转，实现对零件表面材料的去除(切削、磨削、抛光等)和精密加工。当电主轴加工条件和工艺参数(如工件材料、砂轮速度、磨削深度、进给速度等)发生变化时，工件反作用于工具(刀具、砂轮)，进而反作用于电主轴的轴端，使得电主轴的轴端的径向载荷、轴向载荷和扭矩载荷不断发生变化。这些载荷最终由电主轴的定转子和轴承来承受，定转子输出扭矩抵消外部的扭矩载荷，电主轴的轴承承受外部的径向载荷和轴向载荷。

通常情况下，电主轴的轴承只在特定的转速和承载能力范围内具有优越的刚度和寿命性能，可有效支撑电主轴高效率、高精度、高可靠性(长寿命)加工。当外部加工条件变化，导致工作转速和承载能力超出这一范围之后，轴承并不是工作在最合理的工作状态，或者工作效率降低、或者加工精度下降、或者精度寿命缩短。现代制造业对智能电主轴的一个最重要的需求就是，当外部加工条件和加工参数变化后，电主轴系统能够自动优化轴承的刚度等性能，使电主轴始终工作在高效率、高精度、长寿命的理想工作状态。

目前电主轴所采用的轴承，主要有液体静压轴承、角接触球轴承、气体静压轴承。目前工程上的高速电主轴绝大部分采用角接触球轴承作为支承。角接触球轴承既可以承受一定的轴向力，也可以承受一定的径向力。角接触球轴承的内圈和外圈之间必须施加一定的轴向预紧力，才能保证滚动体(陶瓷球或钢球)与轴承的内圈沟道和外圈沟道处于有预变形的预压状态，才能保证轴承高速旋转时滚动体不脱离沟道。角接触球轴承的预紧方式通常有两种：定压预紧和定位预紧。定压预紧通过对组对轴承的内圈和外圈的相对位置进行限位，保证组对轴承内圈和外圈之间获得一定的预紧力。但是在定位预紧方式下，随着转速的升高，轴承摩擦发热增加，滚动体的离心力对轴承外圈沟道的压力增大，轴承的动态刚度会不断提高，容易发生轴承寿命缩短甚至轴承损坏事故。

为了克服定位预紧方式的不足，高速电主轴的轴承通常采用弹簧预紧组件实现的定压预紧方式。弹簧预紧组件包括弹簧压板、直线轴承、弹簧以及直线轴承座，智能电主轴轴承的轴承座通过直线轴承安装在直线轴承座上，直线轴承座安装固定在智能电主轴的机座上，弹簧压板布置在智能电主轴轴承的轴承座外侧，弹簧布置在弹簧压板和直线轴承座之间，弹簧压板作为智能电主轴转子上的铁制部件与电磁线圈座的磁极轴向正对布置。电主轴的前、后轴承在弹簧预紧组件作用下的定压预紧原理如下：前轴承组(2个轴承)串联布置，轴承内圈右端由主轴轴肩限位，左端由前轴承定位环限位，轴承内圈承受主轴由左至右的轴向预紧力。后轴承组(2个轴承)串联布置，轴承内圈右端由后轴承定位环限位，左端由主轴轴肩限位；轴承外圈一侧由后轴承左端盖限位，一侧由弹簧压板限位；后轴承位于后轴承座座孔内，后轴承座位于直线轴承上，直线轴承可以在直线轴承座的内孔上左右滑动；直线轴承座内放置有呈圆周分布的圆孔(如一圈6孔、8孔、12孔等，圆周方向对称布置)，圆孔内放置有弹簧，弹簧处于受压状态；弹簧释放出来的内力推动弹簧压板向右移动；由于弹簧压板与轴承外圈连接为一体，轴承外圈的右移会带动轴承滚动体右移；滚动体右移会对轴承内圈产生从左至右的轴向预紧力。电主轴高速旋转时，电机定转子和轴承的发热，会导致主轴零件温度升高产生轴向的热胀冷缩。由于主轴的热胀冷缩通常只有0.1mm左右，而该变形对于弹簧力的变化影响很小。因此工程上近似认为，电主轴高速旋转主轴发生热变形后，作用在前后轴承上的轴向预紧力近似不变，故称为定压预紧。

但是，定压预紧方式在实际应用中存在的主要不足是：电主轴在低速大负荷加工情况下，需要轴承的高刚度性能，相应的希望轴承上的预紧力较大；当高速度、小负荷加工时，需要轴承的高速性能，刚度可以较小，相应的希望轴承上的预紧力可以适当减小。但是现有滚动轴承电主轴的承载能力和刚度特性都是基本固定的。即使外部的切削载荷、转速等加工参数发生变化，轴承上的预紧力也基本不变。这导致电主轴一旦制造出来，其动态特性就不能被操作者主动调控，只能被动地随外部加工条件的变化而变化。综上所述，现有技术的电主轴在由于存在着上述种种技术问题，直接影响了它们在工程上的进一步推广应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种智能电主轴轴承刚度调控方法、系统及智能电主轴，针对现有智能电主轴轴承的预紧力也基本不变、轴承动态特性就不能被操作者主动调控的问题，本发明根据当前的磨削工艺参数调节智能电主轴轴承的轴向预紧力，实现了承载能力和刚度特性的可变调控，能够适应低速大负荷、中速中负荷以及高速小负荷切削加工。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种智能电主轴轴承刚度调控方法，实施步骤包括：

1)根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力；

2)采用下述方法①或方法②确定智能电主轴轴承的目标轴向预紧力；方法①:根据当前的磨削力以及预设的磨削力档位取值范围确定当前的磨削力档位，查找预设的磨削力档位、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力档位对应的智能电主轴轴承的目标轴向预紧力；方法②:查找预设的磨削力、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力对应的智能电主轴轴承的目标轴向预紧力；

3)根据所述目标轴向预紧力调节智能电主轴轴承的轴向预紧力。

优选地，步骤1)中计算当前的磨削力的函数表达式如式(1)所示；

式(1)中，F_t表示当前的切向磨削力，F_n表示当前的法向磨削力，当前的磨削力由当前的切向磨削力F_t和当前的法向磨削力F_n构成，α表示磨削力比，u_ch表示磨削材料单位切削变形比能，b表示磨削材料单位切削宽度，δ_w表示磨削材料单位切削深度，v_w表示工件的进给速度，v_g表示砂轮的磨削线速度。

优选地，步骤3)中根据所述目标轴向预紧力调节智能电主轴轴承的轴向预紧力具体是指：根据所述目标轴向预紧力调节安装在智能电主轴上的电磁线圈的驱动电流，使得所述电磁线圈对智能电主轴的转子产生等于目标轴向预紧力的轴向磁吸力。

优选地，步骤3)中根据所述目标轴向预紧力调节智能电主轴轴承的轴向预紧力具体是指：根据所述目标轴向预紧力调节安装在智能电主轴上的电磁线圈的驱动电流，使得所述电磁线圈对智能电主轴的转子产生的轴向磁吸力、智能电主轴上的预紧力不可调预紧组件所产生的轴向磁吸力两者之和等于目标轴向预紧力。

优选地，所述调节安装在智能电主轴上的电磁线圈的驱动电流的函数表达式如式(2)所示；

式(2)中，i表示电磁线圈的驱动电流，F_c表示电磁线圈对智能电主轴的转子产生的轴向磁吸力，μ₀表示电磁线圈的铁心材料磁导率，N表示电磁线圈的线圈匝数，A表示电磁线圈的磁路的横截面积，i表示电流大小，δ表示电磁线圈的磁极与智能电主轴上的被驱动调节部件之间的距离。

本发明还提供一种智能电主轴轴承刚度调控系统，包括计算机系统，所述计算机系统被编程以执行本发明前述智能电主轴轴承刚度调控方法的步骤。

本发明还提供一种智能电主轴轴承刚度调控系统，包括用于调节智能电主轴轴承的轴向预紧力的预紧力可调预紧组件，所述预紧力可调预紧组件包括电磁线圈控制器和电磁线圈，所述电磁线圈包括电磁线圈绕组、铁芯以及电磁线圈座，所述电磁线圈绕组套设于铁芯且和铁芯共同安装在电磁线圈座上，所述电磁线圈座安装在智能电主轴的外壳上且与磁极轴向正对智能电主轴转子上的铁制部件。

优选地，所述智能电主轴轴承刚度调控系统还包括采用弹簧预紧组件的预紧力不可调预紧组件。

优选地，所述弹簧预紧组件包括弹簧压板、直线轴承、弹簧以及直线轴承座，至少一组智能电主轴轴承的轴承座通过直线轴承安装在直线轴承座上，所述直线轴承座安装固定在智能电主轴的机座上，所述弹簧压板布置在智能电主轴轴承的轴承座外侧，所述弹簧布置在弹簧压板和直线轴承座之间，所述弹簧压板作为智能电主轴转子上的铁制部件与电磁线圈座的磁极轴向正对布置。

本发明还提供一种智能电主轴，包括本发明前述智能电主轴轴承刚度调控装置。

本发明智能电主轴轴承刚度调控方法具有下述优点：电主轴在低速大负荷加工情况下，需要轴承的高刚度性能，相应的希望轴承上的预紧力较大；当高速度、小负荷加工时，需要轴承的高速性能，刚度可以较小，相应的希望轴承上的预紧力可以适当减小。针对现有智能电主轴轴承的预紧力也基本不变、轴承动态特性就不能被操作者主动调控的问题，本发明根据当前的磨削工艺参数调节智能电主轴轴承的轴向预紧力，实现了承载能力和刚度特性的可变调控，能够适应低速大负荷、中速中负荷以及高速小负荷切削加工。

本发明智能电主轴轴承刚度调控系统具有下述优点：(1)通过计算机系统被编程以执行本发明前述智能电主轴轴承刚度调控方法的步骤的智能电主轴轴承刚度调控系统为本发明智能电主轴轴承刚度调控方法对应的系统，其同样也具有本发明智能电主轴轴承刚度调控方法的前述优点；(2)包括用于调节智能电主轴轴承的轴向预紧力的预紧力可调预紧组件的智能电主轴轴承刚度调控系统通过在传统智能电主轴轴承的基础上增加了预紧力可调预紧组件，为本发明智能电主轴轴承刚度调控方法的实施提供了一种物理结构上的实现方法，能够调节智能电主轴轴承的轴向预紧力，实现了承载能力和刚度特性的可变调控，能够适应低速大负荷、中速中负荷以及高速小负荷切削加工。

本发明智能电主轴轴承具有下述优点：本发明智能电主轴轴承包含包括用于调节智能电主轴轴承的轴向预紧力的预紧力可调预紧组件的智能电主轴轴承刚度调控系统，通过在传统智能电主轴轴承的基础上增加了预紧力可调预紧组件，同样也能够调节智能电主轴轴承的轴向预紧力，实现了承载能力和刚度特性的可变调控，能够适应低速大负荷、中速中负荷以及高速小负荷切削加工。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例的智能电主轴结构示意图。

图3为本发明实施例的智能电主轴加工工件的结构示意图。

图4为本发明实施例中智能电主轴轴承刚度调控的控制系统结构示意图。

图例说明：1、主轴；2、前轴承；3、前轴承定位环；4、前轴承外圈压盖；5、前轴承座；6、电机转子；7、电机定子绕组；8、电机定子冷却水套；9、机座；10、后轴承；11、后轴承定位环；12、后轴承左端盖；13、弹簧压板；14、后轴承座；15、直线轴承；16、弹簧；17、直线轴承座；18、电磁线圈绕组；19、电磁铁心；20、电磁线圈座。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例智能电主轴轴承刚度调控方法的实施步骤包括：

1)根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力；

2)采用方法①确定智能电主轴轴承的目标轴向预紧力；此外，也可以采用实施例二所示的方法②确定智能电主轴轴承的目标轴向预紧力。

方法①:根据当前的磨削力以及预设的磨削力档位取值范围确定当前的磨削力档位，查找预设的磨削力档位、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力档位对应的智能电主轴轴承的目标轴向预紧力；

3)根据目标轴向预紧力调节智能电主轴轴承的轴向预紧力。

本实施例中，步骤1)中计算当前的磨削力的函数表达式如式(1)所示；

式(1)中，F_t表示当前的切向磨削力，F_n表示当前的法向磨削力，当前的磨削力由当前的切向磨削力F_t和当前的法向磨削力F_n构成，α表示磨削力比，u_ch表示磨削材料单位切削变形比能，b表示磨削材料单位切削宽度，δ_w表示磨削材料单位切削深度，v_w表示工件的进给速度，v_g表示砂轮的磨削线速度。

本实施例的磨削力档位、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系中，通过将0～最大磨削力划分为多个磨削力档位，然后将0～最大目标轴向预紧力也划分为多个目标轴向预紧力档位，建立包含磨削力档位、目标轴向预紧力档位之间的映射关系，其存储方式可以采用映射表或者其他方式来实现，最大目标轴向预紧力可通过计算或根据经验指定。

本实施例中，步骤3)中根据目标轴向预紧力调节智能电主轴轴承的轴向预紧力具体是指：根据目标轴向预紧力调节安装在智能电主轴上的电磁线圈的驱动电流，使得电磁线圈对智能电主轴的转子产生的轴向磁吸力、智能电主轴上的预紧力不可调预紧组件所产生的轴向磁吸力两者之和等于目标轴向预紧力。目前比较常用的预紧力不可调预紧组件为弹簧预紧组件，对于本领域技术人员而言可以毫无疑义地确定，本实施例智能电主轴轴承刚度调控方法的电磁线圈可以作为任何预紧力不可调预紧组件的补充，从而实现固定的预紧力+电磁线圈的可调预紧力结合的方式来实现对智能电主轴轴承的刚度调控。

本实施例中，调节安装在智能电主轴上的电磁线圈的驱动电流的函数表达式如式(2)所示；

式(2)中，i表示电磁线圈的驱动电流，F_c表示电磁线圈对智能电主轴的转子产生的轴向磁吸力，μ₀表示电磁线圈的铁心材料磁导率，N表示电磁线圈的线圈匝数，A表示电磁线圈的磁路的横截面积，i表示电流大小，δ表示电磁线圈的磁极与智能电主轴上的被驱动调节部件之间的距离。

本实施例还提供一种智能电主轴轴承刚度调控系统，包括计算机系统，计算机系统被编程以执行本实施例前述智能电主轴轴承刚度调控方法的步骤。该计算机系统可以根据需要采用基于CPU、DSP或者FPGA处理器的计算机系统，也可以根据需要选择独立或者集成在智能电主轴上，其结构可以根据需要变化形式，在此不再赘述。

如图2所示，本实施例还提供一种智能电主轴，包括智能电主轴轴承刚度调控装置。参见图2，现有的电机的机座9上分别设有主轴1、前轴承座5、电机定子绕组7以及后轴承座14，主轴1依次贯穿前轴承座5、电机定子绕组7以及后轴承座14布置，电机转子5安装在主轴1上且插设布置于电机定子绕组7中，电机定子绕组7上设有电机定子冷却水套9，主轴1通过前轴承2支承在前轴承座5上、通过后轴承10支承在后轴承座14上，前轴承2和后轴承10均为角接触球轴承；前轴承2的外侧设有前轴承定位环3和前轴承外圈压盖4，且前轴承2、前轴承定位环3和前轴承外圈压盖4均安装在前轴承座5上，后轴承10的外侧设有后轴承定位环11、内侧设有后轴承左端盖12，其中后轴承10上设有弹簧预紧组件。

如图2所示，本实施例的智能电主轴轴承刚度调控系统包括用于调节智能电主轴轴承的轴向预紧力的预紧力可调预紧组件，预紧力可调预紧组件包括电磁线圈控制器和电磁线圈。本实施例中，电磁线圈包括电磁线圈绕组18、铁芯19以及电磁线圈座20，电磁线圈绕组18套设于铁芯19且和铁芯19共同安装在电磁线圈座20上，电磁线圈座20安装在智能电主轴的外壳上且与磁极轴向正对智能电主轴转子上的铁制部件。当电磁线圈绕组18内部通有电流时，磁性材料在电流的作用下感应磁场，磁场对弹簧压板13产生磁吸力，带动弹簧压板13沿轴向从左至右移动。由于弹簧压板13与轴承外圈连接为一体，轴承外圈的右移会带动轴承滚动体右移；滚动体右移会对轴承内圈产生从左至右的轴向预紧力。因此，通过改变电磁线圈绕组18的电流，就能改变感应磁场的大小，进而改变增加到轴承上的轴向预紧力。轴承预紧力的改变，将改变轴承的径向刚度和轴向刚度，进而改变电主轴可以承受的加工载荷的大小。当磨削工艺参数改变时，控制系统自动根据变化了得磨削工艺参数，重新计算磨削力的大小，开始新一轮的循环。

如图2所示，弹簧预紧组件包括弹簧压板13、直线轴承15、弹簧16以及直线轴承座17，至少一组智能电主轴轴承的轴承座通过直线轴承15安装在直线轴承座17上，直线轴承座17安装固定在智能电主轴的机座上，弹簧压板13布置在智能电主轴轴承的轴承座外侧，弹簧16布置在弹簧压板13和直线轴承座17之间，弹簧压板13作为智能电主轴转子上的铁制部件与电磁线圈座20的磁极轴向正对布置。弹簧预紧组件的预紧原理如下：前轴承(2个前轴承2)串联布置，轴承内圈右端由主轴1的轴肩限位，左端由前轴承定位环3限位，轴承内圈承受主轴1由左至右的轴向预紧力。后轴承组(2个后轴承10)串联布置，轴承内圈右端由后轴承定位环11限位，左端由主轴1的轴肩限位；轴承外圈一侧由后轴承左端盖12限位，一侧由弹簧压板13限位；后轴承10位于后轴承座14的座孔内，后轴承座14位于直线轴承15上，直线轴承15可以在直线轴承座17的内孔上左右滑动；直线轴承座17内放置有呈圆周分布的圆孔(如一圈6孔、8孔、12孔等，圆周方向对称布置)，圆孔内放置有弹簧16，弹簧16处于受压状态；弹簧16释放出来的内力推动弹簧压板13向右移动；由于弹簧压板13与轴承外圈连接为一体，轴承外圈的右移会带动轴承滚动体右移；滚动体右移会对轴承内圈产生从左至右的轴向预紧力。电主轴高速旋转时，电机定转子和轴承的发热，会导致主轴零件温度升高产生轴向的热胀冷缩。由于主轴1的热胀冷缩通常只有0.1mm左右，而该变形对于弹簧力的变化影响很小。因此工程上近似认为，电主轴高速旋转主轴发生热变形后，作用在前后轴承上的轴向预紧力近似不变，从而实现定压预紧。

本实施例的智能电主轴轴承刚度调控系统还包括采用弹簧预紧组件的预紧力不可调预紧组件。本实施例智能电主轴轴承刚度调控方法利用电磁线圈对轴承的预紧力进行主动调控的思想，即在现有的弹簧预紧组件的基础上，增加可以进一步进行轴向预紧力调节的电磁线圈。

如图3所示，智能电主轴的主轴1上安装有砂轮，用于对砂轮外侧的工件进行磨削作业。如图4所示，智能电主轴的控制系统在传统的CNC机床控制系统、电机控制器的基础上增加了电磁线圈控制器。其中，CNC数控系统的功能是当操作者输入电主轴加工工件的有关参数(磨削速度、进给速度、磨削深度、工件材料等)信息后，实施本实施例方法根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力、最终确定目标轴向预紧力、并根据目标轴向预紧力调节智能电主轴轴承的轴向预紧力，然后根据最佳轴向预紧力自动计算所需要的电磁绕组磁吸力及电流大小，给电磁绕组发出指令，调控绕组电流改变磁极对弹簧压板磁吸力的大小，从而改变作用在角接触球轴承上的轴向预紧力，进而改变角接触球轴承的刚度特性(径向刚度、轴向刚度、角刚度)。同时，CNC数控系统也给电机控制器发出指令，电机控制器改变电主轴内电机定转子的工作频率和电压等，输出所需要的扭矩特性。电机控制器主要对电主轴内的电机定子和转子进行控制，通过控制电机的转速、电流和电压，调节电主轴输出的扭矩大小。电磁线圈控制器主要对电磁绕组的电流大小进行调控，通过调控电磁线圈的绕组电流，改变磁极对弹簧压板磁吸力的大小，从而改变作用在角接触球轴承(前轴承2和后轴承10)上的轴向预紧力，进而改变角接触球轴承的刚度特性(径向刚度、轴向刚度、角刚度)。

本实施例中，智能电主轴采用2个串联布置的7014型的角接触球轴承(15度的接触角)，磨削力档位、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系中，针对磨削力档位分为重负载切削、中等负载切削、轻负载切削三个档位，弹簧预紧组件的弹簧轴向预紧力400N一直作用在轴承上，对应的智能电主轴轴承的目标轴向预紧力分别为1200N、480N、0N，从而实现总体的400N～1600N的轴向预紧力变化。对应的智能电主轴轴承的目标轴向预紧力分别为1200N、480N、0N，电磁绕组的驱动电流大小分别为5A、2A、0A。(1)当智能电主轴处于某重负载切削时，根据磨削力档位、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系，对应的智能电主轴轴承的目标轴向预紧力分别为1200N，电磁绕组的驱动电流大小为5A。(2)当智能电主轴处于某中等负载切削时，根据磨削力档位、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系，对应的智能电主轴轴承的目标轴向预紧力分别为400N，电磁绕组的驱动电流大小为2A。(3)当智能电主轴处于某轻负载切削时，根据磨削力档位、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系，对应的智能电主轴轴承的目标轴向预紧力分别为0N，电磁绕组的驱动电流大小为0A。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其主要不同点为：本实施例中，步骤2)中具体是采用方法②确定智能电主轴轴承的目标轴向预紧力。

方法②：查找预设的磨削力、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力对应的智能电主轴轴承的目标轴向预紧力。

本实施例磨削力、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系中，通过建立0～最大磨削力、0～最大目标轴向预紧力之间的映射关系，其存储方式可以采用映射表或者其他方式来实现，最大目标轴向预紧力可通过计算或根据经验指定。要实现总体的400N～1600N的轴向预紧力变化，则电磁绕组的预紧力根据需要在0N～1200N范围内变化，电磁绕组的预紧力对应的绕组电流为0～5A范围内对应变化。此外，考虑到轴承动力学及刚度理论，轴承径向刚度、预紧力之间必然存在如式(3)所示：

F_x＝f(k_r,f_e,f_i,Z,D,d)(3)

式(3)中，F_x表示轴承的预紧力，k_r表示轴承的径向刚度，f_e表示轴承的外沟曲率系数，f_i表示轴承的内沟曲率系数，Z表示轴承的内滚动体的数目，D表示轴承的公称直径，d表示的滚动体直径。其中，轴承的径向刚度k_r与轴承在当前的磨削工艺参数相连，因此在根据当前的磨削工艺参数计算磨削力的大小后，可以根据磨削力的大小、当前砂轮磨削速度确定轴承在当前的磨削工艺参数下的径向刚度，进而根据轴承动力学及刚度理论确定实现轴承径向刚度的预紧力，从而也可以建立磨削力、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的函数映射关系，只是考虑到工程应用上的复杂性，该方式显然不如建立0～最大磨削力、0～最大目标轴向预紧力之间的映射关系的方式简单实用。

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，其主要不同点为：本实施例中，智能电主轴的智能电主轴轴承刚度调控系统不包含弹簧预紧组件，而是通过电磁线圈来单独调节智能电主轴轴承的轴向预紧力。本实施例中，步骤3)中根据目标轴向预紧力调节智能电主轴轴承的轴向预紧力具体是指：根据目标轴向预紧力调节安装在智能电主轴上的电磁线圈的驱动电流，使得电磁线圈对智能电主轴的转子产生等于目标轴向预紧力的轴向磁吸力。参照实施例一和实施例二，假设要实现总体的0N～1200N的轴向预紧力变化，则电磁绕组的预紧力对应的绕组电流为0～5A范围内对应变化。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种智能电主轴轴承刚度调控方法，其特征在于实施步骤包括：

1）根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力；

2）采用下述方法①或方法②确定智能电主轴轴承的目标轴向预紧力；方法①:根据当前的磨削力以及预设的磨削力档位取值范围确定当前的磨削力档位，查找预设的磨削力档位、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力档位对应的智能电主轴轴承的目标轴向预紧力；方法②:查找预设的磨削力、智能电主轴轴承的目标轴向预紧力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力对应的智能电主轴轴承的目标轴向预紧力；

3）根据所述目标轴向预紧力调节智能电主轴轴承的轴向预紧力。

2. 根据权利要求1所述的智能电主轴轴承刚度调控方法，其特征在于，步骤1）中计算当前的磨削力的函数表达式如式（1）所示；

（1）

式（1）中，

表示当前的切向磨削力，/>

表示当前的法向磨削力，当前的磨削力由当前的切向磨削力/>

和当前的法向磨削力/>

构成，/>

表示磨削力比，/>

表示磨削材料单位切削变形比能，/>

表示磨削材料单位切削宽度，/>

表示磨削材料单位切削深度，/>

表示工件的进给速度，/>

表示砂轮的磨削线速度。

3.根据权利要求1所述的智能电主轴轴承刚度调控方法，其特征在于，步骤3）中根据所述目标轴向预紧力调节智能电主轴轴承的轴向预紧力具体是指：根据所述目标轴向预紧力调节安装在智能电主轴上的电磁线圈的驱动电流，使得所述电磁线圈对智能电主轴的转子产生等于目标轴向预紧力的轴向磁吸力。

4.根据权利要求1所述的智能电主轴轴承刚度调控方法，其特征在于，步骤3）中根据所述目标轴向预紧力调节智能电主轴轴承的轴向预紧力具体是指：根据所述目标轴向预紧力调节安装在智能电主轴上的电磁线圈的驱动电流，使得所述电磁线圈对智能电主轴的转子产生的轴向磁吸力、智能电主轴上的预紧力不可调预紧组件所产生的轴向磁吸力两者之和等于目标轴向预紧力。

5. 根据权利要求3或4所述的智能电主轴轴承刚度调控方法，其特征在于，所述调节安装在智能电主轴上的电磁线圈的驱动电流的函数表达式如式（2）所示；

（2）

式（2）中，

表示电磁线圈的驱动电流，/>

表示电磁线圈对智能电主轴的转子产生的轴向磁吸力，/>

表示电磁线圈的铁心材料磁导率，/>

表示电磁线圈的线圈匝数，/>

表示电磁线圈的磁路的横截面积，/>

表示电流大小，/>

表示电磁线圈的磁极与智能电主轴上的被驱动调节部件之间的距离。

6.一种智能电主轴轴承刚度调控系统，包括计算机系统，其特征在于：所述计算机系统被编程以执行权利要求1～5中任意一项所述智能电主轴轴承刚度调控方法的步骤。

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