皮帶張緊力和不同卡盤類型對主軸軸線的影響

摘 要：本文對影響主軸軸線偏移因素進(jìn)行了研究，采用非接觸式位移傳感器測量方式評價主軸軸線偏移量，通過偏移量變化的大小找到關(guān)鍵因素。結(jié)果表明，不同卡盤類型對機床加工精度影響較小，皮帶張緊力對機床加工精度影響較大。并以案例機床為范本，通過理論計算和試驗驗證的方法確定皮帶張緊力最優(yōu)值時單根皮帶頻率為31Hz。本文可為后續(xù)主軸軸線偏移研究提供參考，并為企業(yè)生產(chǎn)活動提供理論支持。

關(guān)鍵詞：皮帶張緊力；卡盤類型；主軸軸線；主軸熱偏移

中圖分類號：TG 659" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

影響機床精度的原因眾多，其中主軸軸線偏移是關(guān)鍵因素之一。主軸是機床的核心部件，對于機床的切削速度和加工精度，其性能至關(guān)重要[1]。然而，主軸的熱態(tài)特性，如溫度場分布、熱傳導(dǎo)特性和升溫特性等易受加工環(huán)境和條件變化的影響。在實際工況下，由難以預(yù)測溫度變化與變形間的非線性關(guān)系導(dǎo)致的熱誤差控制問題至今未能得到較好解決[2-3]。

結(jié)合機床結(jié)構(gòu)，從主軸部件外部受力分析和熱源分析與2個可能因素有關(guān)，即皮帶張緊力因素、主軸選用不同卡盤類型因素。本文著重研究這2個因素對主軸軸線的影響。

1 造成主軸軸線偏移的關(guān)鍵因素理論分析

根據(jù)試驗?zāi)康臏y量主軸軸線偏移量為目前實用的評價方法之一，即測量主軸中心線和刀架相對位置變化。此種評價有成熟的測試設(shè)備和方法，在測試過程中不會由操作者個體因素導(dǎo)致測量誤差。結(jié)合試驗?zāi)康闹桓淖兤渲袉我蛔兞浚\用成熟的主軸軸線偏移量測量方法，最終分析出單一變量是否為影響主軸軸線偏移的主要因素。找到主要因素后，再通過優(yōu)化技術(shù)方案提高機床加工精度[4-5]。

1.1 皮帶張緊力因素對主軸軸線偏移量的影響

主軸旋轉(zhuǎn)動力來源為伺服電機，它們之間通過皮帶連接。皮帶傳動的基本原理是通過張緊的皮帶將動力從驅(qū)動軸傳遞到被驅(qū)動軸。當(dāng)驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動時，皮帶受張緊力的作用產(chǎn)生摩擦力，并將轉(zhuǎn)動動力傳遞到被驅(qū)動軸上。最終把需要的動力傳遞到機床設(shè)備上。需要說明的是，在機械生產(chǎn)過程中，使用單根皮帶頻率來顯示可以快速實現(xiàn)單根皮帶張緊力調(diào)整，因此本文均采用頻率的形式來表示皮帶張緊力。

主軸所受不平衡力示意圖如圖1所示，根據(jù)上述原理，由于皮帶張緊力的出現(xiàn)使主軸受到了不平衡力，在生產(chǎn)加工過程中可能會造成主軸軸線偏移和加工精度降低。

1.2 不同卡盤類型因素對主軸軸線偏移量的影響

卡盤是一種工業(yè)機械設(shè)備，用于夾緊和固定工件。機床加工過程中需要用到該機構(gòu)。安裝液壓卡盤，液壓系統(tǒng)會產(chǎn)生溫度，溫度會輻射到主軸單元。并且液壓油缸的存在會使安裝了液壓卡盤類型的主軸單元后端的懸伸長于機械卡盤后端。

根據(jù)上述原理，由于采用不同卡盤類型，因此主軸單元會受額外的溫度輻射和不平衡力，可能造成主軸軸線偏移和加工精度降低。

2 造成主軸軸線偏移量的試驗論證

根據(jù)研究內(nèi)容設(shè)計出試驗方案。第一步，確定主軸軸線偏移的檢測評價標(biāo)準(zhǔn)。第二步，改變皮帶張緊力單一變量測量主軸軸線偏移的情況。第三步，改變安裝卡盤類型單一變量測量主軸軸線偏移的情況。

2.1 確定主軸軸線偏移評價標(biāo)準(zhǔn)和試驗儀器和裝置

2.1.1 主軸軸線偏移評價標(biāo)準(zhǔn)

將非接觸式位移傳感器布置到平行于機床行程運動方向的3個相互垂直軸線上，測量夾持刀具部件和夾持工件部件間的相對位移，記錄主軸軸線偏移量[6]。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)來評價主軸軸線偏移的情況。

2.1.2 測量主軸軸線偏移的試驗儀器裝置和測試方法

主軸軸線偏移裝置由5個非接觸式位移傳感器組成，位移傳感器分別為X、X2、Y、Y2、Z。從x、y、z這3個方向?qū)Π惭b在主軸上的檢棒進(jìn)行偏移測量，檢測出檢棒上點的位移變化值。主軸軸線的偏移測量裝置的安裝如圖2所示。

具體順序如下。步驟一：卡盤卡持測試試棒，找正。步驟二：將微動平臺工裝支架安裝到刀塔。支架上放置非接觸式位移傳感器，對準(zhǔn)測試檢棒上的測試點。步驟三：主軸按照試驗預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)動，采集試驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括x、y、z方向的偏移數(shù)值。

2.2 改變皮帶張緊力單一變量測量主軸軸線偏移量

2.2.1 試驗儀器、裝置和條件

試驗儀器、裝置為optibelTT頻率測量儀，用于檢測皮帶張緊力；主軸誤差測試儀，采用非接觸式位移傳感器。

溫度條件為所有線性測量都應(yīng)在室溫20℃下進(jìn)行，測量儀器、被測物體與周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡時進(jìn)行測量。

2.2.2 試驗內(nèi)容和過程

通過皮帶調(diào)整機構(gòu)調(diào)整皮帶張緊力，使其分別為43Hz和31Hz。在2種不同張緊力條件下對主軸軸線偏移量進(jìn)行測量。主軸皮帶張緊力測量如圖3所示，拍打皮帶使皮帶振動，將探頭放在離皮帶約1cm的位置，接收信號后記錄皮帶頻率讀數(shù)，去掉明顯偏差無效的異常值，采集3次有效數(shù)值求平均值。運轉(zhuǎn)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，最后得到單一變量“不同皮帶張緊力”條件下主軸軸線偏移量數(shù)值。

2.2.3 試驗結(jié)果

主軸轉(zhuǎn)速為1500s/min，運行4h，比較“不同皮帶張緊力”條件下對主軸軸線偏移量的影響，結(jié)果見表1。

2.2.4 試驗結(jié)論

皮帶張緊力43Hz運行4h，10臺試驗機床平均主軸軸線偏移量為0.0086mm；皮帶張緊力31Hz運行4h，10臺試驗機床平均主軸軸線偏移量為0.004mm；主軸軸線偏移量降低了53.5%。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可得改變皮帶張緊力，主軸軸線偏移量變化較大，皮帶張緊力是影響主軸軸線的關(guān)鍵因素之一。在降低皮帶漲緊力的條件下，主軸軸線偏移量降低，產(chǎn)品精度顯著提高。

2.3 改變卡盤類型單一變量測量主軸軸線偏移量

2.3.1 試驗儀器、裝置和條件

采用液壓卡盤（擁有液壓系統(tǒng)存在熱輻射）和機械卡盤（無熱輻射）2種卡盤形式，如圖4所示。持待測檢棒，試驗程中，液壓系統(tǒng)產(chǎn)生溫升溫度并輻射到主軸單元，機械卡盤無液壓系統(tǒng)，不存在熱輻射。試驗儀器、裝置為主軸誤差測試儀，采用非接觸式位移傳感器。所有線性測量均應(yīng)在室溫為20℃下進(jìn)行，測量儀器、被測物體與周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡時進(jìn)行測量。

主軸轉(zhuǎn)速為1500s/min，運行4h，比較“不同類型卡盤”條件下對主軸軸線偏移量的影響，結(jié)果見表2。

2.3.2 試驗結(jié)論

液壓卡盤條件下運行4h，10臺試驗機床平均主軸軸線偏移量0.0086mm；機械卡盤條件下運行4h，10臺試驗機床平均主軸軸線偏移量0.0085mm，兩者主軸軸線偏移量基本一樣。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可知，在不同卡盤類型條件下，主軸偏移量變化基本無差異，采用液壓卡盤和機械卡盤2種方式，對主軸軸線偏移量基本沒有影響。

3 皮帶張緊力理論計算

上述試驗表明，皮帶張緊力因素對主軸軸線偏移量影響較大，不同類型的卡盤形式對主軸軸線偏移量影響較小。解決方案為對主軸軸線偏移量影響較大的皮帶張緊力因素進(jìn)行研究和分析。

3.1 皮帶張緊力的選擇

3.1.1 皮帶張緊力的計算

3.1.1.1 用單根皮帶頻率測量的原因

在機械生產(chǎn)皮帶張力調(diào)整過程中，使用單根皮帶頻率來顯示可以快速實現(xiàn)單根皮帶張緊力調(diào)整。

3.1.1.2 頻率張力的計算

皮帶張緊力和皮帶顫動頻率間的計算如公式（1）所示。

T=4·k·L2·f 2 （1）

式中：T為每條皮帶最小靜態(tài)張力（N）；k為皮帶帶重（kg/m）；L為跨距長（m）；f為皮帶顫動頻率（Hz）[7]。

其中，每條皮帶的最小靜態(tài)張力T（初次安裝時乘以1.3）的計算如公式（2）所示。

（2）

式中：c1為包角弧修正系數(shù)（根據(jù)包角弧和所使用的帶長計算實際傳動數(shù)據(jù)）；PB為設(shè)計功率（kW）；k為用于計算皮帶組中離心力的常數(shù)；z為皮帶數(shù)量；v為帶速（m/s）。

其中，PB的計算如公式（3）所示。

PB=P·c2 （3）

式中：P為電機功率或額定運轉(zhuǎn)功率（kW）；c2為服務(wù)系數(shù)（c2考慮每天的工作時間、驅(qū)動機以及從動機的類型，專門適用于雙帶輪傳動）。

其中，v的計算如公式（4）所示。

（4）

式中：ddk為小帶輪基準(zhǔn)直徑（mm）；nk為小帶輪轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）。

其中，nk的計算如公式（5）所示。

nk=n2·i （5）

式中：n2為從動帶輪速度（r/min）；i為傳動比。

其中，i的計算如公式（6）所示。

（6）

式中：n1為主動帶輪速度；n2為從動帶輪速度；dd1為主動帶輪基準(zhǔn)直徑（mm）；dd2位從動帶輪基準(zhǔn)直徑（mm）。

其中，z（皮帶根數(shù)）的計算如公式（7）所示。

（7）

式中：c3為皮帶長度系數(shù)（長度系數(shù)c3考慮了基于具體帶型參考長度的皮帶撓曲比）；PN為每條皮帶的額定功率值（根據(jù)ddk小帶輪基準(zhǔn)直徑和nk小帶輪轉(zhuǎn)數(shù)確定PN）。

其中，PN的數(shù)值根據(jù)ddk值和nk值，再查詢額定功率推薦表取得。

3.1.2 皮帶張緊力的案例理論值計算

本文臥式數(shù)控車床型號產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)條件如下。電機額定功率為15kW，最高轉(zhuǎn)數(shù)nk為2000r/min，電機皮帶輪直徑為132mm，主軸端皮帶輪直徑為225mm，皮帶類型為3V/9N-750。大小輪間跨距L為0.696m。查歐皮特皮帶手冊，c1查得為1.0，c2查得為1.3（工作條件＞7.5kW，運行16h以上），c3查得為1.03（根據(jù)3V/9N-750型號皮帶，長為1955mm）。PN查得為7.91kW（根據(jù)ddk小帶輪基準(zhǔn)直徑和nk小帶輪轉(zhuǎn)數(shù)確定PN=7.36+0.55=7.91kW），ddk值為132mm。可得公式（8）～公式（14）。

（8）

（9）

PB=P·c2=15×1.3=19.5kW" （10）

（11）

T≈135.7N" （12）

T=4·k·L2·f 2=4×0.074×0.6962×f 2 " "（13）

f=30.8Hz（建議f取整為31Hz） " " （14）

通過理論計算，最終得出皮帶輪為6根皮帶時，將單根皮帶張緊力調(diào)整到31Hz為理論理想值。

3.2 皮帶張緊力調(diào)整為理論理想值的合理性驗證

3.2.1 試驗儀器、裝置和條件

試驗儀器、裝置如下。optibelTT頻率測量儀，用于檢測皮帶張緊力；主軸誤差測試儀，采用非接觸式位移傳感器。所有線性測量均應(yīng)在室溫20℃下進(jìn)行，測量儀器、被測物體與周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡時進(jìn)行測量。

3.2.2 試驗內(nèi)容和過程

在理論計算結(jié)果基礎(chǔ)值31Hz的前提下，上浮20%和下降20%得到皮帶張緊力分別為37Hz、31Hz、25Hz。皮帶張緊力測量如圖3所示。將探頭置于距離皮帶約1cm。拍打皮帶使皮帶振動，接收信號后，記錄設(shè)備顯示的皮帶頻率讀數(shù)，去掉明顯偏差異常無效值，采集3次有效數(shù)值，求得平均值。

在3種不同張緊力條件下對主軸軸線偏移量進(jìn)行測量，得到單一變量“不同皮帶輪張緊力”的條件下的主軸軸線偏移量數(shù)值，再進(jìn)行主傳動系統(tǒng)最大扭矩試驗，確定能否滿足設(shè)計需求。

3.2.3 驗證皮帶不同張緊力條件下主軸軸線偏移量和主傳動系統(tǒng)最大扭矩試驗

該試驗包具體如下。

驗證一：主軸轉(zhuǎn)速為1500s/min，運行4h，分別驗證皮帶張緊力在37Hz、31Hz、25Hz條件下對主軸軸線偏移量的影響，結(jié)果見表3。

驗證二：調(diào)整皮帶張緊力，使其分別為37Hz、31Hz、25Hz，驗證主傳動系統(tǒng)最大扭矩試驗是否能夠正常運轉(zhuǎn)并滿足設(shè)計需求，結(jié)果見表4。

3.2.4 試驗結(jié)論

通過分析試驗數(shù)據(jù)可以得出，將皮帶張緊力調(diào)整到31Hz、25Hz時主軸軸線偏移量均好于37Hz。主傳動系統(tǒng)最大扭矩試驗測試中，皮帶張緊力37Hz、31Hz能夠通過，25Hz無法通過。

綜上所述，在皮帶張緊力為31Hz的條件下，能夠同時保證偏移量最優(yōu)和主傳動系統(tǒng)最大扭矩試驗通過。

4 結(jié)語

本文將皮帶張緊力和不同卡盤類型對主軸軸線的影響進(jìn)行了理論分析和試驗研究，所得結(jié)論如下。1）不同卡盤類型對主軸軸線偏移影響不顯著。2）不同皮帶張緊力對主軸軸線偏移影響顯著。3）案例機床皮帶張緊力最優(yōu)值為31Hz，比優(yōu)化前主軸軸線偏移量降低了53.5%，加工精度顯著提升。

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