精密机床主轴轴承的预紧力控制郭明，陈宗农，王庆九浙江大学机械设计研宄所，浙江杭州310027况。确1；该机床的最隹预紧力，对其控制，珲和控制芥法的1门分栌。古。，1.1崎苔春乇主钿系统为例验证了预紧力实时控制的可行性。

1前言精密机床主轴通常以滚动轴承支承，为保证主轴系统具有优越的回转精度刚度热特性等静动态特性。必须采预紧技术。传统的预紧，包括记压预紧和定位预紧，使系统保持，定的预紧力或预紧位移，这对于不同的工况不能实现预紧力优化。主轴轴承预紧力的在线控制能够使预紧状态的优化得以实现。

关于预紧力的控制，国内外学者己进行了大量的理论探讨和实验研究。按控制原理划分大致有两类类是非实时控制，它是通过改变轴承的结构，采用预紧力补偿原理来实现，如德国，公司的预紧力基金资助式科技攻项，857只03151作者简介郭明1968，男，江苏南通人，讲师，博士生，从事精密机床主轴系统纺织机械及自动化等研宄；陈宗农1948，男，浙江绍兴人，教授，从事精密机床主轴系统纺织机械及自动化等研宄；王庆九1969，女，江苏江阴人制器借助油腔压力货化来调，倾紧力大小2，但它仅为可调，无预紧力测量，因而是非实时在线。另类如日本庆应义塾大学研制的预紧力控制系统，利用轴承座上的变形元件测量轴承工作状态下的预紧力，通过压屯元件控制预紧力3；哈尔滨工业大学开发研制制预紧力的4，由于压电晶体的特性所决定，其每万伏变形量为1.，为压电晶体的总长，因而需要很高的电压。

国内外学者对轴承的预紧力也进行了大量的理论分析，但是由于机床主轴轴承最佳预紧力与轴承的转速温升负荷主轴变形轴承寿命润滑条件等多种因素有关，因此要确定轴承的最佳预紧力，就得在，论分祈的基础进厅大量的次娘。

为此，本文以，1000型精密磨床主轴系统为对象，研究了种以测力轴承15为测力传感器，预紧力控制浩为执行元件的控制法。利用该方法，能实现机床轴轴承的预紧力实叫指制。

工程师，从事纺织机械及自动化等研宄。

2关于最佳预紧力能自动调整最佳预紧力的大小，实现了预紧力的自动跟踪校正从理论分析可知，对于特定的机床，最佳预紧力是转速与外载荷的函数，机床主轴在加工过程中，转速般为常数，因此最佳预紧力主要由轴承的负荷决定。当外我荷较大时，系统误差主要弹性变形引起，因此最佳预紧力较大，以提高系统的刚性；当负荷较小时，误差主要由热变形引起，这时需要最佳预紧力较小。用理论方法计算最佳预紧力的位，不仅计算，杂，且计算出的值与实际值相差较大，因此最佳预紧力的确定，需要进行系列的试验，以得到不同工况龄速温升等下最佳预紧力与外载荷的关系。本文根据，1000型精密磨床主轴系统，进行了系列速温升载荷等得到最佳预紧力的值。

3控制原理当主轴系统由于温升转速等原因引起预紧力变化时，系统应自动调整到最佳值上。主轴系统中装有测力轴承时，由拾取的应变信号可以确定轴承的实际预紧力。以工况参数确定的最佳预紧力为目标。利用数字控制器和相应的执行机构可以实现预紧力的自适应控制。

理。由预紧力控制器微机和步进电机等组成预紧力在线伺服控制系统。由监测系统提供的转速温度等描述小轴系统实时状态的工作参数，以确定系统预紧力大小身左位作为拉制信输入拉制路逃行10控制，通过步进电机转动方向和转动步数的输出角度4制电机带动柱塞泵活塞移动距离。

设预紧力控制环端面弹性金属面积为於，活塞面积为，则金属膜的位移为主轴轴承即测力轴承的外圈轴向移动么乙使实际预紧娜，佳预紧，艇！微，4控制算法的设计调节对于连续系统技术圮，成熟的，而且应月最广泛。考虑到木系统在肘0551单片微机1实现，采用如下算法模拟调节系统中，仍控制兑法的衣达式为器的比例系数；乃为调节器的积分时间，2为调节器的微分时间。

为便于微机实现，将式3离散化，并用差分方程来代替连续系统的微分方程，可得到离散的，10达式为为米样序号，=0，2步可得分常数。

机构采用步进电机，只需要个增量信号，因此式5控制系统中，为避免动作过丁1频繁，消除频繁动作所引起的振荡，采用带有死区，的，控制系统，其控制算式为死区5圮可调参数，其位根据控制对象由丈验想衷值各小。，1周节动作过于，繁，不容易达到稳定被调对象的目的。5取值太大，系统将产生很大的滞后。当偏差绝对值1泛15时，控制输出为0当咖15时，以，的运算结果输出。

参数整定在数字控制系统中直接影响调节的品质。本文采用的扩充临界比例度法简易实用。整定参数，心的步骤如下求出临界比例度和临界比例周期刊，即将，输入系统，并进行比例控制，逐渐缩小比例度，直到系统产生等幅振荡得临界比例度外和临界比例周期7.

选择控制度，由控制度查求出7幻乃，几的值。

7VjJi纯比例作用下的临界振荡周期70.125乃则PkAr2这样，简化到只1要整定个参数人。改变人。观察控制效果，直到满竞为止。

5系统调节精度和参数整定为验1卞轴系统预紧力控制的性能和精度，用研制的预紧力拧制系统对10型精密磨未进行分析和测1戌。

控制系统中。步进电机的步距角为。3，传动螺距户1齿轮副的传动比=25，计算求得电机转动每步的轴向移动距离04.由定位预紧计算公式5为内外套筒的长度差丁为轴承的接触角，夂为钢球与内外滚道之间总的载荷变形常数，Nmm 5.可得轴承预紧力的调节值为1.7.可，预紧力的调节精度是很的。

由于控制器的压力是通过齿轮和螺旋副传动推动活塞加压来实现的，由于制造误差等原因，步进电1转动时为克服间隙可能发生几步空转。由于采用了增量，1拧制。这种误差对系统的精度基本没有什么影响。

参数整定和响应时间为保证系统能按要求稳定可靠地工作，对系统参数的整定进行了必要的试验。试验步骤如下，取采样周期为18，启动试验装置，预工作2山工况确定最佧预紧力，以4幻为，1改变比例系数欠1得到预紧力随时间的变化函数厂。

3，当值为19时，响应时间为8，达到所需的压力值时，且有很小的超调量。

由于机床工作过程中载荷变化和各种因素的影响，主轴轴承的预紧力会在实际预紧值附近有定幅度的波动和变化。

6结论在吸收已有预紧力控制器优点的基础上，研制了种新型预紧力控制器，它具有调节范围宽控制响应灵敏和精度高的特点，而且结构简取成本低通用性强。经工业应用证明是成功的。文中介绍的，控制算法具有稳定性好响应时间恰当和通用性强的优点，既可用于单片微机构成单独的系统，也可与各类精密机床或加工中心的微机连成整体，使最佳预紧力得以实现。

龚建君。主轴轴承预紧力的在线控制及其对主轴系统特性的影响1尔演哈尔滨工业1学机械系。少1.

乐可锡，全永昕，周桂如，等。测力轴承的设计方法的研制陈宗农，郭9.精密机床主轴轴承新型预紧力控制器