皮帶張緊力和不同卡盤類型對(duì)主軸軸線的影響

摘 要：本文對(duì)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(píng)價(jià)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(duì)機(jī)床加工精度影響較小，皮帶張緊力對(duì)機(jī)床加工精度影響較大。并以案例機(jī)床為范本，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法確定皮帶張緊力最優(yōu)值時(shí)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(dòng)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(hào)：TG 659" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

影響機(jī)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(jī)床的核心部件，對(duì)于機(jī)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(shí)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(jī)床結(jié)構(gòu)，從主軸部件外部受力分析和熱源分析與2個(gè)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(gè)因素對(duì)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(yàn)?zāi)康臏y量主軸軸線偏移量為目前實(shí)用的評(píng)價(jià)方法之一，即測量主軸中心線和刀架相對(duì)位置變化。此種評(píng)價(jià)有成熟的測試設(shè)備和方法，在測試過程中不會(huì)由操作者個(gè)體因素導(dǎo)致測量誤差。結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康闹桓淖兤渲袉我蛔兞?，運(yùn)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(jī)床加工精度[4-5]。

1.1 皮帶張緊力因素對(duì)主軸軸線偏移量的影響

主軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)力來源為伺服電機(jī)，它們之間通過皮帶連接。皮帶傳動(dòng)的基本原理是通過張緊的皮帶將動(dòng)力從驅(qū)動(dòng)軸傳遞到被驅(qū)動(dòng)軸。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，皮帶受張緊力的作用產(chǎn)生摩擦力，并將轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力傳遞到被驅(qū)動(dòng)軸上。最終把需要的動(dòng)力傳遞到機(jī)床設(shè)備上。需要說明的是，在機(jī)械生產(chǎn)過程中，使用單根皮帶頻率來顯示可以快速實(shí)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(huì)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(duì)主軸軸線偏移量的影響

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

根據(jù)研究內(nèi)容設(shè)計(jì)出試驗(yàn)方案。第一步，確定主軸軸線偏移的檢測評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)儀器和裝置

2.1.1 主軸軸線偏移評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

將非接觸式位移傳感器布置到平行于機(jī)床行程運(yùn)動(dòng)方向的3個(gè)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(duì)位移，記錄主軸軸線偏移量[6]。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)主軸軸線偏移的情況。

2.1.2 測量主軸軸線偏移的試驗(yàn)儀器裝置和測試方法

主軸軸線偏移裝置由5個(gè)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(gè)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(diǎn)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(dòng)平臺(tái)工裝支架安裝到刀塔。支架上放置非接觸式位移傳感器，對(duì)準(zhǔn)測試檢棒上的測試點(diǎn)。步驟三：主軸按照試驗(yàn)預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)，采集試驗(yàn)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(yàn)儀器、裝置和條件

試驗(yàn)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(shí)進(jìn)行測量。

2.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容和過程

通過皮帶調(diào)整機(jī)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(duì)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(dòng)，將探頭放在離皮帶約1cm的位置，接收信號(hào)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(yùn)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(yàn)結(jié)果

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

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)論

皮帶張緊力43Hz運(yùn)行4h，10臺(tái)試驗(yàn)機(jī)床平均主軸軸線偏移量為0.0086mm；皮帶張緊力31Hz運(yùn)行4h，10臺(tái)試驗(yàn)機(jī)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(yàn)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(yàn)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(jī)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(yàn)程中，液壓系統(tǒng)產(chǎn)生溫升溫度并輻射到主軸單元，機(jī)械卡盤無液壓系統(tǒng)，不存在熱輻射。試驗(yàn)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(shí)進(jìn)行測量。

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

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)論

液壓卡盤條件下運(yùn)行4h，10臺(tái)試驗(yàn)機(jī)床平均主軸軸線偏移量0.0086mm；機(jī)械卡盤條件下運(yùn)行4h，10臺(tái)試驗(yàn)機(jī)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(yàn)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(jī)械卡盤2種方式，對(duì)主軸軸線偏移量基本沒有影響。

3 皮帶張緊力理論計(jì)算

上述試驗(yàn)表明，皮帶張緊力因素對(duì)主軸軸線偏移量影響較大，不同類型的卡盤形式對(duì)主軸軸線偏移量影響較小。解決方案為對(duì)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(jì)算

3.1.1.1 用單根皮帶頻率測量的原因

在機(jī)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(shí)現(xiàn)單根皮帶張緊力調(diào)整。

3.1.1.2 頻率張力的計(jì)算

皮帶張緊力和皮帶顫動(dòng)頻率間的計(jì)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(dòng)頻率（Hz）[7]。

其中，每條皮帶的最小靜態(tài)張力T（初次安裝時(shí)乘以1.3）的計(jì)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(jì)算實(shí)際傳動(dòng)數(shù)據(jù)）；PB為設(shè)計(jì)功率（kW）；k為用于計(jì)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(jì)算如公式（3）所示。

PB=P·c2 （3）

式中：P為電機(jī)功率或額定運(yùn)轉(zhuǎn)功率（kW）；c2為服務(wù)系數(shù)（c2考慮每天的工作時(shí)間、驅(qū)動(dòng)機(jī)以及從動(dòng)機(jī)的類型，專門適用于雙帶輪傳動(dòng)）。

其中，v的計(jì)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(jì)算如公式（5）所示。

nk=n2·i （5）

式中：n2為從動(dòng)帶輪速度（r/min）；i為傳動(dòng)比。

其中，i的計(jì)算如公式（6）所示。

（6）

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

其中，z（皮帶根數(shù)）的計(jì)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(jì)算

本文臥式數(shù)控車床型號(hào)產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)條件如下。電機(jī)額定功率為15kW，最高轉(zhuǎn)數(shù)nk為2000r/min，電機(jī)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(cè)，c1查得為1.0，c2查得為1.3（工作條件＞7.5kW，運(yùn)行16h以上），c3查得為1.03（根據(jù)3V/9N-750型號(hào)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?？傻霉剑?）～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(jì)算，最終得出皮帶輪為6根皮帶時(shí)，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(yàn)證

3.2.1 試驗(yàn)儀器、裝置和條件

試驗(yàn)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(shí)進(jìn)行測量。

3.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容和過程

在理論計(jì)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(dòng)，接收信號(hào)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(duì)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(dòng)系統(tǒng)最大扭矩試驗(yàn)，確定能否滿足設(shè)計(jì)需求。

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

該試驗(yàn)包具體如下。

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

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

3.2.4 試驗(yàn)結(jié)論

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，將皮帶張緊力調(diào)整到31Hz、25Hz時(shí)主軸軸線偏移量均好于37Hz。主傳動(dòng)系統(tǒng)最大扭矩試驗(yàn)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(shí)保證偏移量最優(yōu)和主傳動(dòng)系統(tǒng)最大扭矩試驗(yàn)通過。

4 結(jié)語

本文將皮帶張緊力和不同卡盤類型對(duì)主軸軸線的影響進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，所得結(jié)論如下。1）不同卡盤類型對(duì)主軸軸線偏移影響不顯著。2）不同皮帶張緊力對(duì)主軸軸線偏移影響顯著。3）案例機(jī)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。

參考文獻(xiàn)

[1]劉昌華，駱光進(jìn)，何為，等.基于熱網(wǎng)絡(luò)的某主軸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱分析[J].中國機(jī)械工程，2010，21（6）：631-635.

[2]MAYR J，JEDRZEJEWSKI J，UHLMANN E，et al.Thermal"issues in machine tools [J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2012，61（2）：771-791.

[3]鄧小雷.數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)熱態(tài)特性分析技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2017.

[4]郭敬濱，張國雄.快速檢測三坐標(biāo)測量機(jī)垂直度誤差的新方法[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，36（3）：39-41.

[5]楊建國.數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)及應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，1998.

[6]全國金屬切削機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).機(jī)床檢驗(yàn)通則 第3部分：熱效應(yīng)的確定：GB/T 17421.3—2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：7.

[7]安兆亮，瞿潮慶，顧建秀.音波張力計(jì)工作原理的理論分析及檢測方法探索[J].技術(shù)交流，2007（3）：32-33.