CN108856739A - 一种自动调节主轴轴系预紧力的控制装置、系统、方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动调节主轴轴系预紧力的控制装置,其通过在沿着主轴轴芯的轴线方向上的相邻两个轴承之间设置安装外环隔套组件和内环隔套,该外环隔套组件包括压电陶瓷隔环、位移传感器、外环隔套以及压力传感器,通过改变压电陶瓷隔环的形变量来改变外环隔套组件的高度,进而改变外环隔套组件与内外隔套在轴线方向上的高度差,进而改变了轴承外圈与轴承内圈之间的相互作用力,也即是主轴轴承的预紧力,实现了主轴轴承预紧力的灵活调节,能够使得车床加工与零件的类型相匹配,实现对零件的针对性加工。本发明还提供了相应地控制系统、方法以及电子设备、存储介质。
Description
技术领域
本发明涉及自动化车床加工领域,尤其涉及车床领域上安装的车床主轴系统装置。
背景技术
目前,在车间师傅利用车床车削零件时,首先需要确定所加工的零件的硬度,因为不同硬度的零件,其所需要的车床的最佳加工速度及其刚度不尽相同,比如钢材、铜件、铝件等不同硬度的零件。而车床主轴的刚度是由主轴轴承预紧力的大小来直接决定的。对于不同种类的零件加工时,若为了发挥车床主轴的最佳工作性能,就需要要求主轴轴承预紧力的大小能够灵活调节,以满足不同种类的零件以及车床主轴轴系预紧力、最大工作载荷、最大工作寿命之间的矛盾关系,最大限度地发挥车床主轴的工作性能。
在当前的车床机台中,车床主轴的预紧方式很大部分是采用定压和定位预紧,在主轴长时间的工作中,不能依据工况的不同来合理选择预紧力的大小,长时间单一性的主轴工况预紧势必会对主轴的工作结构机能带来破坏。另外,在主轴长时间的工作中,轴承滚动体和轴承内外圈会不断地磨损,最终使轴承的游隙值发生变化,直接影响到主轴轴系预紧力的带下,对主轴的工作机能带来影响。
然而市面上还有一部分车床主轴是采用液压缸或滚珠丝杠螺母对主轴的轴系进行自动调节预紧,但是采用液压缸或主滚珠丝杠螺母会带来附带的设备机台的安装,势必会带来后续维护安装费用的增加,定位预紧的控制精度也不能最好把控;另外,很大部分的轴系均采用开环控制,控制精度均不能得到很好的保证。
另外,市场上普通车床主轴在工作时,轴承的好坏、内外圈游隙的大小不能够很好得到监控,若滚动体与内外圈发生磨损导致游隙变大时主轴的刚度就不能够保证,这就会对车床主轴加工的可靠性及精度带来直接的影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的之一在于提供一种自动调节主轴轴系预紧力的控制装置,其能够解决现有的车床加工不能够根据加工板材的类型自动调节主轴轴系预紧力的问题。
本发明的目的之二在于提供一种自动调节主轴轴系预紧力的控制系统,其能够解决现有的车床加工不能够根据加工板材的类型自动调节主轴轴系预紧力的问题。
本发明的目的之三在于提供一种自动调节主轴轴系预紧力的控制方法,其能够解决现有的车床加工不能够根据加工板材的类型自动调节主轴轴系预紧力的问题。
本发明的目的之四在于提供一种电子设备,其能够解决现有的车床加工不能够根据加工板材的类型自动调节主轴轴系预紧力的问题。
本发明的目的之五在于提供一种计算机存储介质,其能够解决现有的车床加工不能够根据加工板材的类型自动调节主轴轴系预紧力的问题。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现:
一种自动调节主轴轴承预紧力的控制装置,包括安装于车床组件上的轴芯、机体和主轴轴承,其中主轴轴承包括轴承外圈和轴承内圈,轴承内圈的内侧环绕安装轴芯、轴承外圈外侧环绕安装机体;还包括安装于车床组件上的外环隔套、内环隔套、压电陶瓷隔环、位移传感器和压力传感器;压电陶瓷隔环、位移传感器、压力传感器与外环隔套形成外环隔套组件,并环绕安装于机体的内侧,而内环隔套环绕安装于轴芯的外侧;在轴芯的轴线方向上,外环隔套组件安装在两个轴承的轴承外圈之间、内环隔套安装在两个轴承的轴承内圈之间;
在轴线方向上,压电陶瓷隔环安装于外环隔套与压力传感器之间,位移传感器嵌套于压电陶瓷隔环内并与压力传感器接触;压电陶瓷隔环、位移传感器、压力传感器均与外部的驱动控制器电连接,压力传感器将检测的主轴轴承的预紧力大小、位移传感器将测量压电陶瓷隔环的形变量大小发送给驱动控制器,进而使得驱动控制器根据该预紧力大小、形变量大小生成控制指令并根据控制指令控制压电陶瓷隔环的工作状态,进而改变外环隔套组件沿轴线方向上的高度。
进一步地,所述位移传感器与压电陶瓷隔环在轴线方向上的高度相同;外环隔套组件与内环隔套在轴线方向上的高度相同。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现:
一种自动调节主轴轴承预紧力的控制系统,包括驱动控制器、人机界面和如本发明目的之一采用的自动调节主轴轴承预紧力的控制装置;其中,压电陶瓷隔环、位移传感器、压力传感器均与驱动控制器电连接,驱动控制器与人机界面电连接;驱动控制器接收人机界面发送的数据、以及采集位移传感器所测量的形变量大小、压力传感器的所测量的预紧力大小来自动调节压电陶瓷隔环的形变量,进而改变外环隔套组件的宽度,调节主轴轴承预紧力的大小。
进一步地,所述驱动控制器还根据位移传感器所检测的形变量大小、压力传感器所检测的预紧力大小,以及主轴轴承预紧力大小与形变量大小之间的关系判断得出主轴轴承的工况,并将其发送给人机界面。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现:
一种自动调节主轴轴承预紧力的控制方法,其应用于如本发目的之二采用的自动调节主轴轴承预紧力的控制系统,包括以下步骤:
第一获取步骤:获取加工零件的板材类型并根据加工零件的板材类型得出车床加工时主轴轴承的预定预紧力;
第二获取步骤:获取压力传感器检测的初始预紧力大小以及位移传感器检测的初始形变量大小,并将其作为初始系统参数;
调节步骤:根据车床加工时主轴轴承的预定预紧力、初始系统参数生成对应的控制指令,并根据控制指令控制压电陶瓷隔环的形变量;同时获取并根据压力传感器检测的预紧力大小以及位移传感器检测的形变量大小调节压电陶瓷隔环的形变量,进而调节车床加工时主轴轴承的预紧力;直到将主轴轴承的预紧力调整到主轴轴承的预定预紧力。
进一步地,包括判断步骤:根据压力传感器所检测的预紧力大小、位移传感器检测的形变量大小以及主轴轴承预紧力大小与形变量大小的关系判断主轴轴承的工况。
本发明的目的之四采用如下技术方案实现:
一种电子设备,包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如本发明目的之三采用的自动调节主轴轴承预紧力的控制方法的步骤。
本发明的目的之五采用如下技术方案实现:
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明目的之三采用的自动调节主轴轴承预紧力的控制方法的步骤。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
本发明通过在沿着主轴轴芯的轴线方向上的两个轴承之间安装外环隔套组件和内环隔套,其中外环隔套组件是由压电陶瓷隔环、位移传感器压力传感器以及外环隔套所组成;然后利用压电陶瓷隔环在通电的作用下能够改变自身的形变量,进而可改变外环隔套组件在轴线上的高度,也即是改变了外环隔套组件与内环隔套之间的高度差,从而改变了主轴轴承预紧力;同时利用位移传感器以及压力传感器来监控改变压电陶瓷隔环的形变量以及主轴轴承预紧力的大小,进而可自动灵活调节主轴轴承预紧力的大小,使得主轴轴承预紧力的大小与加工板材的类型相匹配,车床的工作状态达到最佳。
附图说明
图1为本发明提供的控制装置的侧面剖视图;
图2为图1中I部分的放大图。
图中:1、车床组件;2、外环隔套;3、压电陶瓷隔环;4、位移传感器;5、压力传感器;6、内环隔套;7、机体;8、轴芯;9、轴承内圈;10、轴承外圈。
具体实施方式
下面,结合附图以及具体实施方式,对本发明做进一步描述,需要说明的是,在不相冲突的前提下,以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1和2所示,为了解决上述缺陷,本发明提供了一种自动调节主轴轴承预紧力的控制装置,其包括安装在车床组件1上的轴芯8、机体7和主轴的轴承。其中,轴承套设于轴芯8外面,而机体7套设于轴承外面。轴承一般包括轴承外圈10和轴承内圈9,由于轴承外圈10相对于轴承内圈9在没有预紧的情况下是浮动的。一般来说,通过改变轴承外圈10与轴承内圈9之间的相互作用力可达到主轴轴承预紧力改变的目的。
一般来说,对于车床主轴的轴承有多个,在同一个位置上会有两个或两个以上的轴承,轴承一般是成对出现的,因为单个轴承仅能承受单个轴向方向的力,只有成对使用才能使得主轴承受轴向方向上双向的力。这样就可以在一对轴承之间安装相应的隔套,有利于提高主轴的性能。而轴承分为轴承外圈10和轴承内圈9,在轴承外圈10与轴承内圈9之间安装有滚动体,实现轴承外圈10与轴承内圈9的相对运行。本发明就是通过在两个轴承之间(沿着轴心的轴线方向上)安装相应的内隔套,比如通过将一隔套设置在两个轴承的轴承外圈10之间,并与轴承外圈10相互挤压连接,将另一隔套设置在与两个轴承的轴承内圈9之间,并与轴承内圈9相互挤压连接。通过改变两个隔套在轴线方向上的高度差,进而改变轴承外圈10与轴承内圈9在轴线方向上的高度差,也即是改变主轴轴承的预紧力。
也即是,本发明还包括安装于车床组件1上的外环隔套2、压电陶瓷隔环3、位移传感器4、压力传感器5以及内环隔套6。
通过设置压电陶瓷隔环3,并设置相应地位移传感器4以及压力传感器5,进而使得压电陶瓷隔环3、外环隔套2、压力传感器5以及位移传感器4组成外环隔套组件;然后利用逆压电效应,在改变施加在压电陶瓷隔环3两端的通电电压的状态下,压电陶瓷隔环3产生可控变形来改变外环隔套组件的高度。由于原来的内环隔套6的位置不变,就相当于改变了外环隔套组件与内环隔套6之间的高度差,即是从主轴设计上改变了外环隔套组件与内环隔套6之间的高度差,进而改变主轴轴承的轴承外圈10与轴承内圈9之间的相互作用力,也即是主轴轴承的预紧力,进而改变主轴的刚度,使得车床主轴的刚度与板材加工的类型所需的刚度保持一致,车床加工的工作性能达到最佳。
其中,外环隔套组件环绕安装于机体7的内侧,而内环隔套6环绕安装于轴芯8的外侧。
在轴线方向上,外环隔套组件和内环隔套6均安装在两个主轴轴承之间,其中,外环隔套组件支撑轴承外圈10,内环隔套6支撑轴承内圈9。也即是,在轴线方向上,外环隔套组件安装在两个轴承的轴承外圈10之间,并与轴承外圈10相互挤压连接;内环隔套6安装在两个轴承的轴承内圈9之间,并与轴承内圈9相互挤压连接。这样就可以通过改变外环隔套组件与内环隔套6之间的高度差,来改变主轴轴承的轴承外圈10与轴承内圈9之间的相互作用力,也即是主轴轴承的预紧力。
压电陶瓷隔环3成环状、环绕安装于机体7的内侧;位移传感器4成块状,嵌套于压电陶瓷隔环3内,并与压力传感器5接触。在轴线方向上,压电陶瓷隔环3与位移传感器4均安装于外环隔套2与压力传感器5之间。压力传感器5也成环状,环绕安装在机体7的内侧;在轴线方向上,安装于轴承外圈10与压电陶瓷隔环3之间,其用于测量轴承外圈10与轴承内圈9的相互作用力,也即是主轴轴承预紧力。
压电陶瓷隔环3在通电的情况下,可以产生形变量,进而改变外环隔套组件的高度,使得内环隔套6与外环隔套组件的高度差发生变化,从而改变轴承内圈9与轴承外圈10的相对位置,来改变主轴轴承的预紧力。本文中的高度指的是沿着主轴轴线方向上的高度。
其中,位移传感器4用于测量压电陶瓷隔环3的形变量大小,压电陶瓷隔环3的形变量为轴线方向,因此该位移传感器4所测量的数据就是压电陶瓷隔环3的形变量大小。
由于压电陶瓷隔环3、车床组件1、压力传感器5、位移传感器4等均设置在同一条轴线上,压电陶瓷隔环3所受到的压力大小(轴线方向上所受到的压力)就为主轴轴承的预紧力大小,也即是压力传感器5检测的数据就是主轴轴承的预紧力大小。另外,压力传感器5由刚度较高的材料制成,并保证较高的平面度与平行度,可保证在压力传感器5的各个位置的所测量的大小的差值均保持在规定范围内,最终通过程序得出一个最终的预紧力数值。
另外,在检测主轴轴承预紧力的同时,在同样工况、同样大小的预紧力的情况下,通过根据压电陶瓷隔环3的形变量的变化,得出主轴轴承的轴承外圈10的相对位置变化,检测得出主轴轴承是否存在磨损的情况,可很好地衡量主轴轴承工况的好坏,进而保证车床主轴加工的可靠性及精度。
优选地,为了保证隔套材料的原有的机械性,不会因为其过差的机械性能而导致主轴预紧力调节错误的产生,在设备未通电的状态下,还需要保证压电陶瓷隔环3、位移传感器4以及压力传感器5的零件刚度不低于外环隔套2、内环隔套6的零件刚度,也即是设置压电陶瓷隔环3与位移传感器4的高度相同,并且外环隔套2、压电陶瓷隔环3、位移传感器4以及压力传感器5的叠加高度与内环隔套6的高度相同,也即是外环隔套组件与内环隔套6的高度相同,保持与普通主轴相同的基本结构。
另外,压电陶瓷隔环3、位移传感器4、压力传感器5均通过对应的信号反馈接收线与外部驱动控制器相连接,而外部驱动控制器又与人机交互界面相连接。这样就使得该控制装置、驱动控制器以及人机界面形成一个闭环回路,进行反馈调节控制,也即是构成本发明所提供的一种自动调节主轴轴承预紧力的控制系统。
在系统通电时,驱动控制器首先采集位移传感器4、压力传感器5的数据,并将其作为初始系统参数。比如获取压力传感器5的预紧力的大小以及位移传感器4的形变量大小,并将其作为初始系统参数。
在车间师傅开始加工零件时,由于针对所加工的零件的类型不同,比如钢材、铜件、铝件等不同硬度的零件,其所需要的加工速度以及车床刚度不同,因此需要根据需求来灵活调节主轴轴承预紧力的大小。
首先车间师傅可通过人机界面将加工的零件类型输入到驱动控制器,驱动控制器依据自身的程序编制软件,进而可控制施加在压电陶瓷隔环3两端的电压,压电陶瓷隔环3产生形变量,也即是改变压电陶瓷隔环3的高度。由于外环隔套组件是由外环隔套2、压电陶瓷隔环3、位移传感器4以及压力传感器5组成,因此,改变压电陶瓷隔环3的高度就相当于改变了外环隔套组件的高度,同时内环隔套6保持不变,也即是改变了外环隔套组件与内环隔套6之间的高度差,改变了主轴轴承预紧力的大小,进而改变车床加工的刚度以及加工速度等。
同时,压力传感器5和位移传感器4能够及时将测量的数据反馈到驱动控制器,驱动控制器通过分析接收到压力传感器5所反馈的预紧力大小以及位移传感器4所反馈的形变量大小,并根据预紧力大小和形变量大小对施加在压电陶瓷隔环3两端的电压进行调节,进而控制调节压电陶瓷隔环3的宽度,也即是可灵活调节了主轴轴承预紧力的大小,将车床加工的刚度以及加工速度调整到与加工材料相匹配的最佳状态。
另外,主轴在长期使用过程中,容易产生磨损的情况。因此,本系统还可根据压力传感器5所检测的预紧力大小以及位移传感器4所检测的形变量大小来判断主轴的磨损情况。也即是:在相同的预紧力的作用下,根据位移传感器4所检测的形变量得出主轴轴承的位移情况,监控主轴轴承的工况,判断主轴轴承是否符合要求。
本发明还提供了该控制系统的工作原理,具体如下:
通电并开启控制器运行程序,则位移传感器4和压力传感器5就会将检测到的数据通过驱动控制器反馈给人机交互界面,并将其作为初始系统参数。
根据加工零件的不同、零件加工精度的不同,通过人机交互界面将材料的类型输入到驱动控制器中,而驱动控制器通过内部预设的分析软件为其选择车床主轴合适的预紧力大小,并通过驱动控制器控制输入到压电陶瓷隔环3的两端的电压大小,控制压电陶瓷隔环3的形变量,进而改变外环隔套组件与内环隔套6之间的高度差,进而调节主轴轴系预紧力的大小。
压力传感器5通过感知压力检测得出主轴轴承的预紧力大小反馈给驱动控制器、位移传感器4将检测得到的压电陶瓷隔环3的形变量反馈给驱动控制器,这样驱动控制器再反过来调整输入到压电陶瓷隔环3的两端的电压大小,控制压电陶瓷隔环3的形变量,最终将主轴轴承的预紧力调整到最佳值,灵活控制主轴轴承预紧力的大小,实现对零件的针对性加工,满足实际的生产加工要求。
另外,系统根据对比压力传感器5的预紧力大小及位移传感器4的形变量大小,衡量得出主轴轴承的磨损情况,进而衡量出主轴轴承的工况好坏,起到检测的作用。
本发明还公开了一种自动调节主轴轴系预紧力的控制方法,其包括以下步骤:S1:获取加工零件的板材类型并根据加工零件的板材类型得出车床加工时主轴轴承的预定预紧力;
S2:获取压力传感器检测的预紧力大小以及位移传感器检测的形变量大小;
S3:根据车床加工时主轴轴承的预定预紧力、预紧力大小、形变量大小生成对应的控制指令,并根据控制指令控制压电陶瓷隔环的形变量进而调节车床加工时主轴轴承的预紧力;直到将主轴轴承的预紧力调整到主轴轴承的预定预紧力。
在实际的应用过程中,比如:
首先驱动控制器首先接收到操作人员输入的板材类型,并根据板材类型得到其对供应的主轴轴承的预定预紧力。
然后在获取压力传感器所检测的初始预紧力大小、位移传感器所检测的初始位移大小并将其作为初始系统参数。
再然后根据初始预紧力大小、初始位移大小生成一控制指令,进而将其发送压电陶瓷隔环并控制压电陶瓷隔环产生形变量,这样主轴轴承预紧力就会发生改变;此时,驱动控制器再通过获取压力传感器所检测的当前预紧力大小以及位移传感器所检测的当前位移大小,并生成相应的控制指令,来控制压电陶瓷隔环的形变量,直到驱动控制器判断获取的压力传感器所检测的当前预紧力大小与预定预紧力相同时,说明主轴轴承的预紧力达到了最佳值,这样车床加工的刚度以及加工速度就能够与板材类型相匹配,使得车床加工达到最佳性能,实现了根据不同的板材类型来自动调节主轴轴承预紧力的问题。
另外,对于控制压电陶瓷隔环的形变量是通过改变施加在压电陶瓷隔环两端的电压来控制其形变量的变化。
进一步地,包括S4:根据压力传感器所检测的预紧力大小、位移传感器检测的形变量大小以及主轴轴承预紧力大小与形变量大小的关系判断主轴轴承的工况。
本发明还提供了一种电子设备,其包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如文中所述的自动调节主轴轴系预紧力的控制方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时实现如前所述的自动调节主轴轴系预紧力的控制方法的步骤。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式,不能以此来限定本发明保护的范围,本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种自动调节主轴轴承预紧力的控制装置,包括安装于车床组件上的轴芯、机体和主轴轴承,其中主轴轴承包括轴承外圈和轴承内圈,轴承内圈的内侧环绕安装轴芯、轴承外圈外侧环绕安装机体;其特征在于:还包括安装于车床组件上的外环隔套、内环隔套、压电陶瓷隔环、位移传感器和压力传感器;压电陶瓷隔环、位移传感器、压力传感器与外环隔套形成外环隔套组件,并环绕安装于机体的内侧,而内环隔套环绕安装于轴芯的外侧;在轴芯的轴线方向上,外环隔套组件安装在两个轴承的轴承外圈之间、内环隔套安装在两个轴承的轴承内圈之间;
在轴线方向上,压电陶瓷隔环安装于外环隔套与压力传感器之间,位移传感器嵌套于压电陶瓷隔环内并与压力传感器接触;压电陶瓷隔环、位移传感器、压力传感器均与外部的驱动控制器电连接,压力传感器将检测的主轴轴承的预紧力大小、位移传感器将测量压电陶瓷隔环的形变量大小发送给驱动控制器,进而使得驱动控制器根据该预紧力大小、形变量大小生成控制指令并根据控制指令控制压电陶瓷隔环的工作状态,进而改变外环隔套组件沿轴线方向上的高度。
2.如权利要求1所述的控制装置,其特征在于:所述位移传感器与压电陶瓷隔环在轴线方向上的高度相同;外环隔套组件与内环隔套在轴线方向上的高度相同。
3.一种自动调节主轴轴承预紧力的控制系统,其特征在于:包括驱动控制器、人机界面和如权利要求1-2中任一项所述的自动调节主轴轴承预紧力的控制装置;其中,压电陶瓷隔环、位移传感器、压力传感器均与驱动控制器电连接,驱动控制器与人机界面电连接;驱动控制器接收人机界面发送的数据、以及采集位移传感器所测量的形变量大小、压力传感器的所测量的预紧力大小来自动调节压电陶瓷隔环的形变量,进而改变外环隔套组件的宽度,调节主轴轴承预紧力的大小。
4.如权利要求3所述的控制系统,其特征在于:所述驱动控制器还根据位移传感器所检测的形变量大小、压力传感器所检测的预紧力大小,以及主轴轴承预紧力大小与形变量大小之间的关系判断得出主轴轴承的工况,并将其发送给人机界面。
5.一种自动调节主轴轴承预紧力的控制方法,其应用于如权利要求3或4所述的自动调节主轴轴承预紧力的控制系统,其特征在于包括以下步骤:
第一获取步骤:获取加工零件的板材类型并根据加工零件的板材类型得出车床加工时主轴轴承的预定预紧力;
第二获取步骤:获取压力传感器检测的初始预紧力大小以及位移传感器检测的初始形变量大小,并将其作为初始系统参数;
调节步骤:根据车床加工时主轴轴承的预定预紧力、初始系统参数生成对应的控制指令,并根据控制指令控制压电陶瓷隔环的形变量;同时获取并根据压力传感器检测的预紧力大小以及位移传感器检测的形变量大小调节压电陶瓷隔环的形变量,进而调节车床加工时主轴轴承的预紧力;直到将主轴轴承的预紧力调整到主轴轴承的预定预紧力。
6.如权利要求5所述的控制方法,其特征在于:包括判断步骤:根据压力传感器所检测的预紧力大小、位移传感器检测的形变量大小以及主轴轴承预紧力大小与形变量大小的关系判断主轴轴承的工况。
7.一种电子设备,包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于:所述处理器执行所述程序时实现如权利要求5-6中任一项所述的自动调节主轴轴承预紧力的控制方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于:所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5-6中任一项所述的自动调节主轴轴承预紧力的控制方法的步骤。
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