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        皮帶張緊力和不同卡盤(pán)類型對(duì)主軸軸線的影響

        2024-12-04 00:00:00鄭志強(qiáng)張亮

        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(cè)量方式評(píng)價(jià)主軸軸線偏移量,通過(guò)偏移量變化的大小找到關(guān)鍵因素。結(jié)果表明,不同卡盤(pán)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(guò)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(pán)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(chǎng)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(cè)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(wèn)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(pán)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(cè)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(cè)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(cè)試設(shè)備和方法,在測(cè)試過(guò)程中不會(huì)由操作者個(gè)體因素導(dǎo)致測(cè)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(cè)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(guò)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(lái)源為伺服電機(jī),它們之間通過(guò)皮帶連接。皮帶傳動(dòng)的基本原理是通過(guò)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(shuō)明的是,在機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程中,使用單根皮帶頻率來(lái)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(lái)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(guò)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(pán)類型因素對(duì)主軸軸線偏移量的影響

        卡盤(pán)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(guò)程中需要用到該機(jī)構(gòu)。安裝液壓卡盤(pán),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(pán)類型的主軸單元后端的懸伸長(zhǎng)于機(jī)械卡盤(pán)后端。

        根據(jù)上述原理,由于采用不同卡盤(pán)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?jī)?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(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。第二步,改變皮帶張緊力單一變量測(cè)量主軸軸線偏移的情況。第三步,改變安裝卡盤(pán)類型單一變量測(cè)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(cè)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(lái)評(píng)價(jià)主軸軸線偏移的情況。

        2.1.2 測(cè)量主軸軸線偏移的試驗(yàn)儀器裝置和測(cè)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(cè)量,檢測(cè)出檢棒上點(diǎn)的位移變化值。主軸軸線的偏移測(cè)量裝置的安裝如圖2所示。

        具體順序如下。步驟一:卡盤(pán)卡持測(cè)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(cè)試檢棒上的測(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x,用于檢測(cè)皮帶張緊力;主軸誤差測(cè)試儀,采用非接觸式位移傳感器。

        溫度條件為所有線性測(cè)量都應(yīng)在室溫20℃下進(jìn)行,測(cè)量?jī)x器、被測(cè)物體與周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

        2.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)程

        通過(guò)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(cè)量。主軸皮帶張緊力測(cè)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(wú)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(jiàn)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(pán)類型單一變量測(cè)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(pán)(擁有液壓系統(tǒng)存在熱輻射)和機(jī)械卡盤(pán)(無(wú)熱輻射)2種卡盤(pán)形式,如圖4所示。持待測(cè)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(pán)無(wú)液壓系統(tǒng),不存在熱輻射。試驗(yàn)儀器、裝置為主軸誤差測(cè)試儀,采用非接觸式位移傳感器。所有線性測(cè)量均應(yīng)在室溫為20℃下進(jìn)行,測(cè)量?jī)x器、被測(cè)物體與周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

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

        2.3.2 試驗(yàn)結(jié)論

        液壓卡盤(pán)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(pán)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(pán)類型條件下,主軸偏移量變化基本無(wú)差異,采用液壓卡盤(pán)和機(jī)械卡盤(pán)2種方式,對(duì)主軸軸線偏移量基本沒(méi)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(pán)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(cè)量的原因

        在機(jī)械生產(chǎn)皮帶張力調(diào)整過(guò)程中,使用單根皮帶頻率來(lái)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(zhǎng)(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(zhǎng)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(zhǎng)度系數(shù)(長(zhǎng)度系數(shù)c3考慮了基于具體帶型參考長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(cè)量?jī)x,用于檢測(cè)皮帶張緊力;主軸誤差測(cè)試儀,采用非接觸式位移傳感器。所有線性測(cè)量均應(yīng)在室溫20℃下進(jìn)行,測(cè)量?jī)x器、被測(cè)物體與周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

        3.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)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(cè)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(wú)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(cè)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(jiàn)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(jiàn)表4。

        3.2.4 試驗(yàn)結(jié)論

        通過(guò)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(cè)試中,皮帶張緊力37Hz、31Hz能夠通過(guò),25Hz無(wú)法通過(guò)。

        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(guò)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文將皮帶張緊力和不同卡盤(pán)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(pán)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。

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