高速精密主轴是高档数控机床的核心功能部件之一,其热、动态特性直接决定着零件的加工质量和效率。高速主轴轴承的预紧力是主轴系统热态特性和动态特性耦合交互作用的桥梁,是影响主轴加工精度和寿命的关键因素。目前,国内外主轴制造商凭经验或实验来决定主轴-轴承系统的安装预紧力,不仅效率低,而且难以充分发挥主轴的性能。同时,随着主轴的高速化、智能化和复合化的发展,在同一台加工中心上,主轴需要同时满足低速重切削和高速轻切削。传统的定位预紧和定压预紧方式,其安装预紧力只能在某一转速范围内实现良好的动态性能和热态性能,无法保证整个转速范围内主轴系统的动态、热态特性全局兼优。针对上述问题,围绕高速精密主轴设计制造关键技术的相关工程需求,论文研究高速精密主轴预紧力设计与主动控制的相关理论与方法,内容涉及轴承非线性建模、主轴系统预紧力设计方法、预紧机构创新设计、预紧力主动控制方法和策略等内容,旨在为提高主轴的设计水平和优化主轴的热-动态性能提供理论支持和技术指导。全文取得了如下创造性成果:在角接触球轴承非线性建模方面,改进传统的Jones轴承模型,根据高速效应、陀螺力矩效应、热效应引起的轴承部件热-弹性变形,建立考虑热-力耦合效应的角接触球轴承非线性模型。分析了角接触球轴承的接触角、接触载荷、轴向和径向刚度随预紧力和转速的变化规律。在主轴-轴承系统预紧力设计方法方面,采用有限元热-固耦合数值仿真技术与解析建模相结合的方法,分析高速运行条件下主轴-轴承系统的预紧状态。利用考虑高速效应和热效应的轴承非线性模型,构建考虑热-弹性变形的主轴-轴承系统运行预紧力模型。在此基础上,提出一种高速主轴-轴承系统的预紧力设计方法和流程。该方法为高速精密主轴预紧力的主动控制和优化提供了理论指导和技术支持。在主轴-轴承系统预紧力控制方法和机构创新设计方面,针对典型的高速精密主轴支撑轴承配组形式,提出一种基于压电作动器的主轴-轴承系统预紧力控制方法,并据此开发出基于压电作动器的可变预紧主轴实验平台及相关控制软件、硬件,为高速精密主轴预紧力主动控制策略的研究提供了软硬件基础。在可变预紧主轴系统力学建模方面,构建考虑外部载荷和高速效应的可变预紧主轴-轴承系统力学模型,揭示出调位预紧和调压预紧两种预紧方式在外部载荷和高速效应的影响下,主轴系统的静、动态性能的变化规律和差异。仿真与实验结果表明,相比调压预紧方式,调位预紧方式在获得良好的静、动态性能方面更具有优势。在主轴-轴承系统预紧力控制策略方面,提出一种以主轴轴承的寿命和温升为约束条件的预紧力控制策略。比较了预紧力主动控制策略与传统的定压预紧策略在回转精度、径向刚度和温升方面的差异,仿真与实验结果表明,相较于传统的定压预紧策略,预紧力主动控制策略对提高主轴系统在整个转速范围内的回转精度和热-动态性能具有显著的优势。同时,为后续电主轴预紧力主动控制策略的研究提供思路和借鉴。本文的研究工作可为高速精密主轴静-动-热态特性设计、预紧力主动控制和主轴系统热-动态特性优化提供理论指导和技术支持。对我国高速精密主轴设计水平的提升具有重要的理论意义和工程应用价值,对具有预紧力自适应控制功能的智能高速主轴产品的设计和研发具有积极的推动作用。