CN110744357B - 一种机床主轴轴承瞬态预紧力测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机床主轴轴承瞬态预紧力测试装置及方法，在机床主轴前后端串联轴承之间安装轴承隔圈，所述轴承隔圈由两个圆环及连接两个圆环的若干等截面悬臂梁组成，等截面悬臂梁沿圆环均布，光纤光栅传感器粘贴于等截面悬臂梁上，以此测试由外力及轴向力引起的轴向应变变化，从而求解轴向预紧力；本发明能够对机床主轴加工状态下的轴承预紧力进行测试，结构简单、操作方便，测试准确。

Description

一种机床主轴轴承瞬态预紧力测试装置及方法

技术领域

本发明涉及机床主轴轴承预紧力监测领域，具体涉及一种机床主轴轴承瞬态预紧力测试装置及方法。

背景技术

轴承作为机床主轴单元的核心零部件，其运行状态决定了主轴单元的工作性能。而预紧力是影响轴承运行状态的关键因素，其大小直接决定滚动体打滑、轴承温升及疲劳寿命等轴承性能指标，监测轴承瞬态预紧力能够反应轴承的真实服役信息，进而实现主轴单元轴承预紧力的主动控制，提升主轴单元的服役性能。

机床主轴轴承预紧方式大多采用定位预紧及定压预紧，其大小未知，且因切削载荷及热膨胀的作用，初始预紧力与真实预紧力并不相同。目前，轴承预紧力的监测大多是在试验状态下完成的，不能实现加工状态下的测试。

另外，现有技术中电类传感器在对主轴单元服役状态监测时存在多点测量接线复杂、抗干扰能力较差等问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种机床主轴轴承瞬态预紧力测试装置及方法，利用光纤光栅体积小、重量轻、抗电磁干扰、寿命长等优点，通过独特设计的轴承外隔圈，将光纤光栅传感器设置在轴承外隔圈上，利用光纤光栅传感器测试机床加工状态下的轴承预紧力，并且利用两个光纤光栅进行温度补偿，消除环境温度带来的影响，本发明结构简单，使用方便，测量准确。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种机床主轴轴承瞬态预紧力测试装置，在机床主轴前后端串联轴承之间安装轴承隔圈，设置光纤光栅传感器对轴承运行时的轴向力进行检测，所述轴承隔圈由两个圆环及连接两个圆环的若干等截面悬臂梁组成，等截面悬臂梁沿圆环均布，所述圆环上设置有安装槽用于收纳放置光纤，光纤光栅传感器粘贴于等截面悬臂梁上，每个等截面悬臂梁上粘贴两个光纤光栅传感器，具体粘贴方式为，光纤光栅传感器FBG1沿轴向粘贴于等截面悬臂梁的中央用于测量轴向应变，紧邻FBG1并垂直轴向的方向粘贴另一只光纤光栅传感器FBG2用于温度补偿，即两个光纤光栅传感器在悬臂梁上垂直分布，通过用FBG1测量的数值减去FBG2测量的数值进行温度补偿，根据应变和轴向力的关系，实时在线监测轴承承受轴向力的变化，进而分析轴承预紧力的变化。

根据上述测试装置的机床主轴轴承瞬态预紧力测试方法，所述主轴单元前后端串联安装成对角接触球轴承，前后端整体呈背靠背安装的主轴轴承配置方式，在前后端轴承之间安装所述轴承隔圈，假设每个轴承隔圈上的等截面悬臂梁个数为n，n个等截面悬臂梁测试由外力及热膨胀引起的轴向应变变化量分别为Δε₁、Δε₂、.....、Δε_n，则单个等截面悬臂梁所测轴向力分别为EA*Δε₁、EA*Δε₂、……EA*Δε_n，其中E为隔圈材料的弹性模量，A为等截面悬臂梁截面面积，进而得到整个隔圈承受的轴向力即轴承预紧力为EA*(Δε₁₊Δε₂₊.....₊Δε_n)，若施加的初始预紧力F₀，则隔圈承受的初始预紧力为F₀/2，单个轴承的瞬时预紧力为[EA*(Δε₁₊Δε₂₊.....₊Δε_n)+F₀/2]/2。

进一步地，定义等截面悬臂梁的长度为Lmm，厚度为hmm，宽度为wmm，则等截面悬臂梁截面面积A＝wh，根据光线光栅中心波长变化量对应变、温度的响应关系式，单个等截面悬臂梁上的FBG1在环境温度、轴向力Fa作用后中心波长变化量Δλ_B可以写为：

单个等截面悬臂梁上的FBG2在承受悬臂梁的垂直方向结构应变变化及环境温度影响后中心波长变化量Δλ_B1可以写为：

其中，E为隔圈材料的弹性模量，F_a为单个等截面悬臂梁承受的轴向力，P_e为光纤的弹光系数，λ_B为FBG1的中心波长，λ_B1为FBG2的中心波长，ν为隔圈材料的泊松比，α_f为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤的热光系数，ΔT为环境温度变化量；

用FBG1测量的数值减去FBG2测量的数值进行温度补偿，单个等截面悬臂梁在轴向力Fa作用后应变变化为：

若n个等截面悬臂梁所承受的轴向力分别记为F_a1、F_a2、……、F_an，根据上述公式(3)获得n个悬臂梁的应变变化数据Δε₁、Δε₂、……、Δε_n，从而得到F_a1、F_a2、……、F_an，求得则前后端单个轴承的瞬时预紧力为(F_a1+F_a2……+F_an+F₀/2)/2。

有益效果：本发明提出了改进的轴承隔圈，采用若干等截面悬臂梁连接两个圆环组成轴承隔圈，并且将光纤光栅粘贴在等截面悬臂梁上，以此测试由外力及轴向力引起的轴向应变变化，从而求解轴向预紧力；本发明将两个光纤光栅垂直粘贴在等截面悬臂梁上，进行温度补偿，排除温度变化带来的影响，使得测试结果更加准确可靠；光纤光栅传感器相比电传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、寿命长等优点，总的来说，本发明能够对机床主轴加工状态下的轴承预紧力进行测试，结构简单、操作方便，测试准确。

附图说明

图1为本发明轴承隔圈的结构示意图；

图2为本发明光纤光栅传感器的粘贴示意图；

图3为本发明机床主轴轴承的配置方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明采用光纤光栅传感器对机床主轴轴承运行时轴向力进行测试，通过改进轴承隔圈结构，将光纤光栅传感器安装在隔圈上，通过特殊布置方式进行温度补偿，使得测量结果更加准确。

如图1所示，本发明改进的轴承隔圈由两个圆环1及若干等截面悬臂梁2组成，其中图1(a)和图1(b)为轴承隔圈的主视图和左视图，且图1(b)为左视剖视图，若干等截面悬臂梁2等距分布支撑连接在两个圆环1之间，所述圆环1上设置有安装槽3，用于安置光栅，光纤光栅传感器粘贴于等截面悬臂梁2上，测试由外力及热膨胀引起的轴向应变变化量，进而求解轴承预紧力。

由于光纤光栅对温度、应变同时敏感，在测量外力及热膨胀引起的轴向应变时，需排除环境温度变化带来的影响，在悬臂梁轴向受压缩的同时径向发生的波长变化，除了泊松比带来的影响还包含环境温度的影响，本发明采用的温度补偿方式是在测量轴向应变的光纤光栅的垂直方向粘贴另外一只光纤光栅。

光纤光栅传感器在等截面悬臂梁上的粘贴方式具体如图2所示，每个等截面悬臂梁上粘贴两个光纤光栅传感器，其中一个光纤光栅传感器FBG1轴向粘贴于等截面悬臂梁2中央，轴向是平行于机床主轴轴线的方向，直接监测等截面悬臂梁热膨胀及轴向力带来的结构应变，另一个光纤光栅传感器FBG2垂直于光纤光栅FBG1设置，紧邻光纤光栅FBG1，两者相距较近，认为环境温度相同，FBG2用来补偿FBG1因环境温度变化带来的中心波长变化量，由于垂直方向FBG2没有受到轴向力变化带来的影响，仅感知结构泊松比带来的等比应变和环境温度的影响，因此FBG2采集的信号可以用来补偿FBG1环境温度影响，这种方法粘贴方式简单，易操作。

根据光线光栅中心波长变化量对应变、温度的响应关系式，若等截面悬臂梁承受的轴向力为F_a，则FBG1的中心波长变化量Δλ_B可以写为：

FBG2的中心波长变化量Δλ_B1可以写为：

其中，E为隔圈材料的弹性模量，A为等截面悬臂梁的横截面面积，P_e为光纤的弹光系数，λ_B为FBG1的中心波长，λ_B1为FBG2的中心波长，ν为隔圈材料的泊松比，α_f为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤的热光系数，ΔT为环境温度变化量。

因为环境温度是同时作用于FBG1与FBG2的，且FBG1与FBG2距离较近，认为温度是相同的，此时用FBG1测量的数值减去FBG2测量的数值就能避免环境温度带来的影响，等截面悬臂梁在轴向力Fa作用后应变变化为：

机床主轴常用的轴承配置方式如图3所示，主轴单元前后端串联安装成对角接触球轴承，前后端整体呈背靠背安装的主轴轴承配置方式，在前后端串联轴承之间安装本发明所述的轴承隔圈，假设每个轴承隔圈上的等截面悬臂梁个数为n，n个等截面悬臂梁测试由外力及热膨胀引起的轴向应变变化量分别为Δε1、Δε2、.....、Δεn，则单个等截面悬臂梁所测轴向力分别为EA*Δε1、EA*Δε2、……EA*Δεn，其中E为隔圈材料的弹性模量，A为等截面悬臂梁截面面积，进而得到整个隔圈承受的轴向力即轴承预紧力为EA*(Δε1+Δε2+.....+Δεn)；若施加的初始预紧力为F₀，则隔圈承受的初始预紧力为F₀/2，单个轴承的瞬时预紧力为[EA*(Δε1+Δε2+.....+Δεn)+F₀/2]/2，即将所设计的隔圈安装在串联的轴承之间就能实时在线监测轴承承受轴向预紧力的变化量，实现轴承瞬态预紧力测试。

定义等截面悬臂梁的长度为Lmm，厚度为hmm，宽度为wmm，则等截面悬臂梁截面面积A＝wh，n个等截面悬臂梁所承受的轴向力分别记为F_a1、F_a2、……F_an，根据上述公式(3)获得n个悬臂梁的应变变化数据Δε1、Δε2、……、Δεn，其中F_a1＝EA*Δε1＝Ewh*Δε1，同理，F_an＝EA*Δεn＝Ewh*Δεn得到F_a1、F_a2、……、F_an，求得则前后端单个轴承的瞬时预紧力为(F_a1+F_a2……+F_an+F₀/2)/2。

实施例1

针对前后端串联安装，整体成背靠背安装的主轴轴承配置方式，在前后端串联轴承之间安装如图1所示的轴承隔圈，本实施例1的轴承隔圈由4个等截面悬臂梁及两个圆环组成，即等截面悬臂梁个数n＝4。

光纤光栅传感器按照如图3所示的方式粘贴在等截面悬臂梁上，光纤光栅FBG1轴向粘贴于等截面悬臂梁中央，直接监测温升及轴向力带来的结构应变，光纤光栅FBG2垂直于光纤光栅FBG1设置，紧邻光纤光栅FBG1，两者相距较近，认为温度相同，FBG2用来补偿FBG1，由于垂直方向FBG2没有受到轴向力变化带来的影响，仅感知结构泊松比带来的等比应变，其采集的信号用来温度补偿。

在施加初始预紧力F₀之后，主轴前端轴承预紧，主轴向后移动，进而预紧后端轴承，主轴轴承前后端单个轴承受力为F₀/4，等截面悬臂梁的长度为Lmm，厚度为hmm，宽度为wmm，每个等截面悬臂梁所承受的轴向力分别为F_a1、F_a2、F_a3、F_a4，根据光线光栅中心波长变化量对应变、温度的响应关系式，等截面悬臂梁一上的FBG1在环境温度、轴向力F_a1作用后中心波长变化量Δλ_B可以写为：

等截面悬臂梁一上的FBG2在承受悬臂梁的垂直方向结构应变变化及环境温度影响后中心波长变化量Δλ_B1可以写为：

其中，E为隔圈材料的弹性模量，P_e为光纤的弹光系数，λ_B为FBG1的中心波长，λ_B1为FBG2的中心波长，ν为隔圈材料的泊松比，α_f为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤的热光系数，ΔT为环境温度变化量；用FBG1测量的数值减去FBG2测量的数值进行温度补偿，等截面悬臂梁一在轴向力Fa₁作用后应变变化为：

同理，获得其他三个悬臂梁的应变变化数据Δε₂、Δε₃、Δε₄，从而得到F_a1、F_a2、F_a3、F_a4，则前后端单个轴承的瞬时预紧力为(F_a1+F_a2+F_a3+F_a4+F₀/2)/2。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种机床主轴轴承瞬态预紧力测试装置，其特征在于：在机床主轴前后端串联轴承之间安装轴承隔圈，设置光纤光栅传感器对轴承运行时的轴向力进行检测，所述轴承隔圈由两个圆环及连接两个圆环的若干等截面悬臂梁组成，等截面悬臂梁沿圆环均布，所述圆环上设置有安装槽用于收纳放置光纤，每个等截面悬臂梁上粘贴两个光纤光栅传感器，具体粘贴方式为，光纤光栅传感器FBG1沿轴向粘贴于等截面悬臂梁的中央用于测量轴向应变，紧邻FBG1并垂直轴向的方向粘贴另一只光纤光栅传感器FBG2用于温度补偿，即两个光纤光栅传感器在悬臂梁上垂直分布，通过用FBG1测量的数值减去FBG2测量的数值进行温度补偿，根据应变和轴向力的关系，实时在线监测轴承承受轴向力的变化，进而分析轴承预紧力的变化。

2.根据权利要求1所述测试装置的机床主轴轴承瞬态预紧力测试方法，其特征在于，所述机床主轴前后端串联安装成对角接触球轴承，前后端整体呈背靠背安装的主轴轴承配置方式，在前后端轴承之间安装所述轴承隔圈，假设每个轴承隔圈上的等截面悬臂梁个数为n，n个等截面悬臂梁测试由外力及热膨胀引起的轴向应变变化量分别为Δε₁、Δε₂、.....、Δε_n，则单个等截面悬臂梁所测轴向力分别为EA*Δε₁、EA*Δε₂、……EA*Δε_n，其中E为隔圈材料的弹性模量，A为等截面悬臂梁截面面积，进而得到整个隔圈承受的轴向力即轴承预紧力为EA*(Δε₁+Δε₂+.....+Δε_n)，若施加的初始预紧力F₀，则隔圈承受的初始预紧力为F₀/2，单个轴承的瞬时预紧力为[EA*(Δε₁+Δε₂+.....+Δε_n)+F₀/2]/2。

3.根据权利要求2所述的机床主轴轴承瞬态预紧力测试方法，其特征在于：定义等截面悬臂梁的长度为Lmm，厚度为hmm，宽度为wmm，则等截面悬臂梁截面面积A＝wh，根据光线光栅中心波长变化量对应变、温度的响应关系式，单个等截面悬臂梁上的FBG1在环境温度、轴向力Fa作用后中心波长变化量Δλ_B可以写为：

单个等截面悬臂梁上的FBG2在承受悬臂梁的垂直方向结构应变变化及环境温度影响后中心波长变化量Δλ_B1可以写为：

其中，E为隔圈材料的弹性模量，F_a为单个等截面悬臂梁承受的轴向力，P_e为光纤的弹光系数，λ_B为FBG1的中心波长，λ_B1为FBG2的中心波长，ν为隔圈材料的泊松比，α_f为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤的热光系数，ΔT为环境温度变化量；

用FBG1测量的数值减去FBG2测量的数值进行温度补偿，将公式(1)和公式(2)相减并进行变换，单个等截面悬臂梁在轴向力Fa作用后应变变化为：

若n个等截面悬臂梁所承受的轴向力分别记为F_a1、F_a2、……、F_an，根据上述公式(3)获得n个悬臂梁的应变变化数据Δε₁、Δε₂、……、Δε_n，从而得到F_a1、F_a2、……、F_an，求得则前后端单个轴承的瞬时预紧力为(F_a1+F_a2……+F_an+F₀/2)/2。

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