压电驱动器可控预紧力主轴设计及性能分析

可控预紧力主轴能够满足高速主轴在整个切削转速范围内热、动特性兼优的要求,已逐步成为智能主轴的重要发展方向。为弥补压电驱动器(piezoelectric actuator,PEA)可控预紧力主轴设计及选型方面的不足,提出一种具有分辨率高、响应快、对切削刚度影响小及结构紧凑等优点的PEA可控预紧力主轴结构。建立了静止状态和运行状态下的角接触球轴承刚度模型,并以此为基础建立了PEA可控预紧力主轴的等效力学模型,得到了预紧机构负载刚度随预紧位移的变化规律。然后,分析了PEA的输出特性,建立了预紧机构的实际输入输出模型,并通过该模型分析了初始预紧力和PEA刚度对预紧力控制区间的影响规律,进而提出了预紧机构设计选型原则。最后,应用提出的主轴结构和预紧机构设计选型原则设计了PEA可控预紧力主轴试验台。试验结果表明预紧力控制分辨率为1.5 N,阶跃响应时间为300 ms,验证了所建预紧机构实际输入输出模型的准确性;温度控制试验结果表明该主轴试验台具有良好的温度调控能力。研究结果可为实际工程中PEA可控预紧力主轴的设计提供指导。