精密主轴可变刚度在线系统的制作方法

本发明涉及数控机床主轴支承控制，具体为精密主轴可变刚度在线系统。

背景技术：

1、在数控车床主轴支承中，主轴轴颈由多个静压油腔形成的油膜支承，油膜刚度和油膜厚度通过供油压力或节流开度调节。切削加工时刀具沿主轴周向周期性切入和切出工件，切削力仅在刀尖与工件接触的切削弧区作用，非切削弧区没有同等载荷，主轴轴心轨迹在每转内随切削相位变化出现非对称偏移。现有可变刚度支承技术通常将主轴周向油腔作为整体控制对象，根据主轴中心偏移量或平均油膜压力调整供油压力，使各油腔刚度为均匀分布或同步变化。该控制方式忽略切削弧区与非切削弧区的载荷相位差异，不能按腔位角度分别设定目标油膜厚度和目标支承刚度，主轴在切削弧区油膜承载力不足时，非切削弧区仍维持相同刚度，造成刚度场与切削载荷方向不匹配，轴心轨迹偏差难以抑制。另一方面，油膜压力与油膜厚度、轴心位移之间的映射关系受油液温度、黏度、供油压力波动、密封条间隙变化和压电比例阀特性漂移影响，预设映射关系在连续加工过程中会偏离实际腔位油膜特性，现有系统大多依赖离线标定或固定参数，缺少利用下一周期轴心偏移幅值和油膜压力更新周向腔位刚度映射关系的在线校准方式。在需要根据每转切削相位生成非对称刚度分布指令时，现有技术缺少从刀尖通过脉冲与主轴编码器回转相位生成每转切削相位序列、再按该序列分区提取各液压腔轴心偏移幅值和相位并同步生成目标油膜厚度和目标支承刚度的控制链路。

技术实现思路

1、本发明提供一种精密主轴可变刚度在线系统，用于根据每转切削相位序列对主轴径向位移进行切削弧区和非切削弧区分区，按周向腔位角度区间获取各液压腔的轴心偏移幅值和相位，生成非对称刚度分布指令，并利用下一周期轴心偏移幅值和油膜压力在线更新周向腔位刚度映射关系。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：精密主轴可变刚度在线系统，包括：

3、可变刚度支承模块，围绕主轴轴颈周向布置多个独立液压腔，每个独立液压腔配置压电比例阀和油膜压力传感器；

4、切削相位感知模块，获取刀架振动阵列的刀尖通过脉冲与主轴编码器回转相位，生成每转切削相位序列；

5、轴心轨迹分区模块，按所述每转切削相位序列将主轴径向位移分为切削弧区数据和非切削弧区数据，并输出各液压腔对应的轴心偏移幅值和相位；

6、刚度场生成模块，读取所述轴心偏移幅值和相位及所述油膜压力传感器的压力值，按预设周向腔位刚度映射关系生成各液压腔的目标油膜厚度和目标支承刚度，形成非对称刚度分布指令；

7、液压伺服模块，接收所述非对称刚度分布指令并调节压电比例阀开度；

8、在线校准模块，采集下一周期轴心偏移幅值和油膜压力值，更新所述周向腔位刚度映射关系。

9、优选的，所述可变刚度支承模块具体包括：

10、安装于数控车床主轴箱内，主轴轴颈外周套装环形保持架，环形保持架沿周向由隔板分隔出多个独立液压腔；

11、每个独立液压腔的腔壁设置压电比例阀安装孔和油膜压力传感器安装孔；

12、压电比例阀安装孔连接进油通道；

13、油膜压力传感器安装孔连通腔底油膜区；

14、相邻独立液压腔之间设置弹性密封条；

15、所述独立液压腔的内侧开口朝向主轴轴颈外圆面。

16、优选的，所述切削相位感知模块具体包括：

17、刀架振动阵列包含沿刀架周向均布的三个压电振动片；

18、主轴编码器输出每转一个零位脉冲和多个角度增量脉冲；

19、刀尖通过脉冲由压电振动片在刀尖切入工件时输出；

20、每转切削相位序列以主轴零位脉冲为序号起点，按角度增量脉冲累计角度，将刀尖通过脉冲对应角度写入转序号。

21、优选的，所述轴心轨迹分区模块具体包括：

22、接收主轴径向位移信号和所述每转切削相位序列；

23、按转序号将每个回转周期分为切削弧区和非切削弧区；

24、在切削弧区内按周向腔位角度区间抽取径向位移采样点，得到各液压腔的切削弧位移簇；

25、在非切削弧区内按同一周向腔位角度区间抽取径向位移采样点，得到各液压腔的非切削弧位移簇；

26、对各液压腔的切削弧位移簇和非切削弧位移簇分别计算幅值和相位，并写入轴心偏移数据帧。

27、优选的，所述刚度场生成模块具体包括：

28、建立周向腔位索引表，每个索引项包含腔位角度区间、轴心偏移幅值、轴心偏移相位、油膜压力值、目标油膜厚度和目标支承刚度；

29、读取所述轴心偏移数据帧中的轴心偏移幅值和相位以及油膜压力传感器的压力值；

30、按腔位角度区间将读取值写入对应索引项；

31、对相邻索引项的目标油膜厚度按腔位角度进行线性插值；

32、将插值后的目标油膜厚度与目标支承刚度组合为非对称刚度分布指令。

33、优选的，所述周向腔位索引表的建立方式包括：

34、按独立液压腔数量沿周向等分设置腔位角度区间，在每个腔位角度区间内配置一个索引项标识；

35、将主轴轴颈位移传感器安装角度与索引项标识绑定；

36、将压电比例阀的进油通道标识与索引项标识绑定；

37、将油膜压力传感器的安装角度与索引项标识绑定；

38、在索引项中预留目标油膜厚度字段和目标支承刚度字段；

39、所述索引项标识由轴心轨迹分区模块和液压伺服模块共同调用。

40、优选的，所述液压伺服模块具体包括：

41、接收所述非对称刚度分布指令；

42、按所述周向腔位索引表读取每个独立液压腔的目标油膜厚度和目标支承刚度；

43、将目标油膜厚度转换为压电比例阀阀芯位移量；

44、将目标支承刚度转换为进油通道压力设定量；

45、按所述阀芯位移量和所述压力设定量驱动压电比例阀；

46、采集油膜压力传感器的压力值并写入所述周向腔位索引表。

47、优选的，所述在线校准模块具体包括：

48、按回转周期序号接收所述轴心偏移幅值和相位、所述油膜压力传感器的压力值及所述压电比例阀阀芯位移量；

49、将同一腔位索引项内的目标油膜厚度与油膜压力值组合为腔位状态记录；

50、将所述阀芯位移量与所述油膜压力值组合为阀态记录；

51、按腔位序号将所述腔位状态记录和所述阀态记录写入所述周向腔位索引表；

52、将所述目标支承刚度更新为下一回转周期的目标支承刚度。

53、优选的，所述弹性密封条中，沿相邻隔板端面设置燕尾槽；

54、所述弹性密封条嵌入所述燕尾槽；

55、所述弹性密封条的外侧凸出隔板端面，并与主轴轴颈外圆面接触；

56、所述弹性密封条内部设置压力平衡孔；

57、所述压力平衡孔连通相邻独立液压腔；

58、所述压力平衡孔内设置节流柱；

59、所述节流柱的位置由周向刚度场生成模块输出的非对称刚度分布指令调节。

60、优选的，所述压电比例阀中，阀体设置进油口、回油口和工作口；

61、工作口连通独立液压腔；

62、阀芯由压电叠堆驱动；

63、压电叠堆接收阀芯位移量；

64、阀芯位移量与目标油膜厚度对应；

65、位移传感器安装于压电叠堆端部；

66、位移传感器输出阀芯实际位移；

67、阀芯实际位移写入所述周向腔位索引表；

68、回油口设置节流阀；

69、节流阀开度与目标支承刚度对应。

70、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

71、切削相位感知模块通过刀架振动阵列获取刀尖通过脉冲，主轴编码器输出零位脉冲和角度增量脉冲，生成每转切削相位序列。轴心轨迹分区模块依据该序列将主轴径向位移划分为切削弧区数据和非切削弧区数据，并按照周向腔位角度区间分别抽取各液压腔在切削弧区和非切削弧区的径向位移采样点，获得切削弧位移簇和非切削弧位移簇，进而计算各液压腔对应的轴心偏移幅值和相位。刚度场生成模块读取轴心偏移幅值、相位以及油膜压力传感器采集的压力值，按周向腔位索引表将上述信息写入对应腔位索引项，由预设周向腔位刚度映射关系得到各液压腔的目标油膜厚度和目标支承刚度，并对相邻索引项的目标油膜厚度按腔位角度进行线性插值，形成非对称刚度分布指令。该方案使每个独立液压腔的控制量依据其所在腔位在切削弧区和非切削弧区中的实际轴心偏移特征产生，而不是按照均匀刚度假设给出相同目标值，因此能够在主轴回转过程中形成与切削相位同步的非对称支承刚度分布，减小切削弧区与非切削弧区受力差异引起的轴心轨迹偏移，使油膜承载方向与切削载荷方向相适应。在线校准模块采集下一回转周期的轴心偏移幅值和油膜压力传感器压力值，并将同一腔位索引项内的目标油膜厚度与油膜压力组合为腔位状态记录，将压电比例阀阀芯位移量与油膜压力组合为阀态记录，按腔位序号写入周向腔位索引表，将目标支承刚度更新为下一回转周期的目标支承刚度。采用实际油膜压力和轴心偏移响应更新周向腔位刚度映射关系，不再依赖固定预设关系，当油液温度、黏度、密封状态或供油压力变化时，映射关系能够随主轴当前运行状态进行调整，减小离线标定误差和工况漂移导致的刚度场失配，使非对称刚度分布指令持续贴近当前腔位油膜特性，维持在线调节的一致性。