CN113210642B - 一种高精度的机床主轴回转系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度的机床主轴回转系统及控制方法，属于机床重要零部件加工领域。该方法基于一种后支承为滚动轴承，前支承采用液体静压轴承的主轴结构，综合利用主轴前后支承轴承处的回转误差，通过对前轴承处的轴心运动进行振幅与相位的有效控制，改变主轴的运动状态，使前后轴承的径向跳动以主轴外伸端，通常为加工位置的回转精度为目标，实现前后轴承处轴心运动相位和振幅的合理匹配与合成。本发明通过上述方式，极大地提高主轴加工位置处的回转精度。
Description
技术领域
本发明属于机床重要零部件加工领域，具体是一种高精度的机床主轴回转系统及控制方法。
背景技术
精密超精密机床是国防工业、航空航天工业及光学仪表工业中精密零件的重要加工装备，机床主轴是精密超精密机床的核心功能部件，用于带动工件(车床)或刀具(镗铣床)旋转，实现精密超精密加工。液体静压主轴以其高回转精度、高动态刚度、高阻尼减振性和长寿命等优点，在精密超精密机床领域获得广泛应用。
在精密、超精密加工领域，主轴-刀具系统的回转精度与切削深度在同一个数量级，主轴-刀具系统的回转精度就成为阻碍微细加工精度提高的最大障碍。而提高主轴-刀具系统的回转精度最直接的办法就是大幅度降低主轴、轴承、刀具系统等的制造、装配等的误差，但是极端的加工和装配精度带来的是极高的成本。如何在较低的加工精度及装配精度的情况下，提高主轴回转精度是本领域亟待解决的技术问题。
现有的大多数技术都是仅针对轴承支承位置的回转误差进行了研究，都没有把前后支承轴承的回转误差结合起来考虑，也没有把主轴上加工位置的回转误差作为最终目标，所以对于工件的加工精度而言，现有技术对回转误差的控制是相对片面的。
发明内容
为了解决现有技术中，存在的技术问题，本发明提供了一种高精度的机床主轴回转系统及控制方法，综合利用主轴前后轴承处的回转误差，实现主轴前端加工位置处回转精度的提升。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提出了一种高精度的机床主轴回转系统，包括主轴，主轴的前支承采用静压轴承，后支承采用滚动轴承，所述的静压轴承的油腔的压力由高频响可变节流器主动控制，在靠近主轴后支承、前支承处以及主轴前端的加工位置处分别安装一组位移传感器，所述一组位移传感器包含两只位移传感器且在竖直(y)与水平(x)方向上垂直布置；三组位移传感器输出端连接至信号处理器输入端，信号处理器输出端连接至控制器输入端，控制器输出端连接至高频响可变节流器。
第二方面，本发明基于上述的高精度的机床主轴回转系统，提出了一种控制方法，包括如下步骤：
步骤1：进行后支承(滚动轴承)处主轴振幅以及相位的测量分析，得出其振幅相位的变化规律,并记录相关数据；
步骤2：基于步骤1记录的数据并结合主轴加工位置综合回转误差传递模型设计能够调整前支承(静压轴承)处主轴振幅与相位的控制算法；
步骤3：信号处理器对各位移传感器的测量结果进行处理，并将处理结果作为输入送至控制器，由控制器进行运算，结合主轴前端即加工位置处的目标精度，得到相应的控制量，并输出至高频响可变节流器，对前支承(静压轴承)处主轴振幅以及相位进行调整使其与后支承(滚动轴承)处振幅相位相匹配；
进一步的，还包括步骤4，步骤4中，检测主轴前端即加工位置处的回转精度，验证是否达到了精度要求，如已达到，则采用当前控制算法，如未达到，则修改算法，直到满足回转精度。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种提高机床主轴回转精度的方法，使用该方法可以综合利用前后支承处主轴回转误差，通过对前支承(即静压轴承)处主轴振幅与相位进行调整，与后支承(即滚动轴承)处振幅与相位相匹配，提高主轴加工位置处的回转精度。另外，本方法不需要在主轴、刀架或工作台上附加复杂的补偿执行机构，不需要过分依赖于主轴部件的加工精度，能够以较低的成本实现较大的精度提升。
附图说明
图1为滚动-静压轴承主轴系统示意图；
图2(a)、图2(b)为静压轴承结构示意图；
图3为前后支承处主轴振幅相位不匹配的一般情况示意图；
图4为前后支承处主轴振幅相位不匹配且前支承处主轴振幅极小的情况的示意图；
图5为前支承轴心运动调幅调相(即前后支承处主轴振幅相位匹配)后主轴综合回转误差合成示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
本实施例提出的高精度的机床主轴回转系统，如图1所示，该系统基于一种后支承为滚动轴承，前支承采用液体静压轴承的主轴结构，综合利用主轴前后支承轴承处的回转误差，通过对前轴承处的轴心运动进行振幅与相位的有效控制，改变主轴的运动状态，使前后轴承的径向跳动以主轴外伸端，通常为加工位置的回转精度为目标，实现前后轴承处轴心运动相位和振幅的合理匹配与合成。本发明通过上述方式，极大地提高主轴加工位置处的回转精度。具体的，所述前支承为可主动控制调节油压的静压轴承，后支承为滚动轴承。在主轴前端工作位置、靠近静压轴承的位置和主轴后端靠近滚动轴承的位置分别安装1组高精度位移传感器，每个位置在X、Y方向90度分别布置一个位移传感器，用以记录并反馈主轴回转误差。位移传感器输出端连接至信号处理器，信号处理器接收并处理主轴回转误差信号，信号处理器输出端连接至控制器，控制器输出端连接至高频可变节流器，输出信号来改变高频可变节流器的节流间隙，高频响可变节流器通过改变节流间隙调整输出油量，进而控制静压轴承内对称四油腔的油压大小，改变静压轴承对主轴的作用力，从而调整前支承(静压轴承)处主轴振幅以及相位，使其与后支承(滚动轴承)处振幅相位相匹配，以控制主轴加工位置处的回转精度。
上述的静压轴承的结构如图2(a)、图2(b)所示，轴承结构为对称四油腔结构，为提高轴承的可控性，每一个静压油腔内嵌有一个控制油腔，静压油腔由固定节流器供油，控制油腔由高频响可变节流器供油。四个静压油腔为轴承提供承载力。在每两个相邻的静压油腔之间就设置一个周向回油槽，即具体的在本实施例中，周向回油槽沿着轴承的圆周方向设置有四个，每个周向回油槽的轴线与轴承的轴线平行。通过设置周向回油槽能够降低四个油腔之间交叉耦合，减弱油腔承载力的非线性，使4个油腔各自独立；
进一步的，本实施例中高频响可变节流器能够根据控制器施加的信号调节其节流间隙，根据节流间隙的大小，改变进入静压轴承内四个控制油腔的流量，继而改变控制油腔内油压的大小，进而改变静压轴承产生的支承力，从而控制主轴的运动状态，实现对主轴振幅与相位的调整，提高主轴回转精度。需要说明的是，为了达到较好的控制效果，本实施例中的高频响可变节流器的响应频率一般应至少为主轴旋转频率的10倍以上。
基于上述轴承主轴系统，一种提高机床主轴回转精度的方法，包括以下步骤：
步骤1：进行后支承(滚动轴承)处主轴振幅以及相位的测量分析，得出其振幅相位的变化规律,并记录相关数据；
步骤2：基于步骤1记录的数据并结合主轴加工位置综合回转误差传递模型设计能够调整前支承(静压轴承)处主轴振幅与相位的控制算法，写入控制器；
步骤3：实时检测前后支承处主轴振幅与相位，将检测结果输入至带有步骤2设计的控制算法的控制器中，由控制器进行运算，结合主轴前端即加工位置处的目标精度，得到相应的控制量，并输出至高频响可变节流器，高频响可变节流器通过改变节流间隙调整输出油量，进而控制静压轴承内对称四油腔的油压大小，改变静压轴承对主轴的作用力，从而调整前支承(静压轴承)处主轴振幅以及相位，使其与后支承(滚动轴承)处振幅相位相匹配；
本步骤中，前后支承处主轴振幅相位不匹配的情况如图3所示，前支承处的回转误差比后支承处的小，因为前后不匹配，导致主轴前端加工位置的回转误差比前支承处的大。图4所示也是前后不匹配的情况，可以看到，即使将前支承处的回转误差控制得很小，而相位不匹配时，主轴前端加工位置的回转误差仍较大。图5所示是本步骤的目标，即使得前后支承处振幅与相位相匹配。
步骤4：检测主轴前端即加工位置处的回转精度，验证是否达到了精度要求，如已达到，则采用当前高频响可变节流器控制参数，如未达到，则调整高频响可变节流器控制参数，并重复步骤3与步骤4。
进一步的，本发明中步骤2中所述主轴加工位置综合回转误差传递模型如下：
以前支承(静压轴承)中心为原点建立空间直角坐标系，前支承处轴心坐标为(x1,y1,0)，后支承处轴心坐标为(x2,y2,-Lc)，主轴前端加工位置轴心坐标为(x3,y3,Ls)，Lc、Ls分别为后支承、主轴前端加工位置到前支承处的距离，根据空间直线方程有：
则主轴前端加工位置处轴心坐标可由前后支承处轴心坐标表示为：
此外，需要说明的是：
后支承所采用的滚动轴承，在假设其支座刚度足够高的情况下，其径向回转误差主要包含基频误差和高频误差，其基频误差是由内孔与滚道的几何偏心形成，高频误差主要由滚道形状误差和滚动体尺寸误差等形成，一般远小于基频误差。其综合回转误差的突出特点是穿越安装内孔的理想几何中心。由滚动轴承构成的后支承的径向误差及主轴的几何偏心误差不仅是可以测量的，而且其大小和相位是相对不变的，故只需控制前支承处主轴的振幅相位。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高精度的机床主轴回转系统的控制方法，包括高精度的机床主轴回转系统，其特征在于，高精度的机床主轴回转系统包括主轴，主轴的前支承采用静压轴承，后支承采用滚动轴承，所述静压轴承的油腔的压力由可变节流器主动控制，在靠近主轴后支承、前支承处以及主轴前端的加工位置处分别安装一组位移传感器，每组位移传感器包括沿着水平方向设置的位移传感器和沿着竖直方向设置的位移传感器；三组位移传感器输出端连接至信号处理器输入端，信号处理器输出端连接至控制器输入端，控制器输出端连接至可变节流器；
所述高精度的机床主轴回转系统的控制方法如下：
步骤1：进行后支承处主轴振幅以及相位的测量分析，得出其振幅相位的变化规律,并记录相关数据；
步骤2：基于步骤1记录的数据并结合主轴加工位置综合回转误差传递模型设计能够调整前支承处主轴振幅与相位的控制算法；
步骤3：信号处理器对各位移传感器的测量结果进行处理，并将处理结果作为输入送至控制器，由控制器进行运算，结合主轴前端即加工位置处的目标精度，得到相应的控制量，并输出至高频响可变节流器，对前支承处主轴振幅以及相位进行调整使其与后支承处振幅相位相匹配；
步骤2中所述主轴加工位置综合回转误差传递模型如下：
以前支承中心为原点建立空间直角坐标系，前支承处轴心坐标为(x1,y1,0)，后支承处轴心坐标为(x2,y2,-Lc)，主轴前端加工位置轴心坐标为(x3,y3,Ls)，Lc、Ls分别为后支承、主轴前端加工位置到前支承处的距离，根据空间直线方程有：
则主轴前端加工位置处轴心坐标可由前后支承处轴心坐标表示为：
2.如权利要求1所述的一种高精度的机床主轴回转系统的控制方法，其特征在于，所述的静压轴承为对称的四油腔结构，每个静压油腔内嵌有一个控制油腔，所述静压油腔由固定节流器供油，控制油腔由可变节流器供油。
3.如权利要求2所述的一种高精度的机床主轴回转系统的控制方法，其特征在于，所述的可变节流器为高频响可变节流器。
4.如权利要求2所述的一种高精度的机床主轴回转系统的控制方法，其特征在于，每两个相邻的静压油腔之间设置有周向回油槽，周向回油槽的轴线与轴承的轴线平行。
5.如权利要求1所述的高精度的机床主轴回转系统的控制方法，其特征在于，还包括步骤4，检测主轴前端即加工位置处的回转精度，验证是否达到了精度要求，如已达到，则采用当前控制算法，如未达到，则修改算法，直到满足回转精度。
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