皮带张紧力和不同卡盘类型对主轴轴线的影响.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（上）-76-工 业 技 术根据公式（22）公式（25），参量（6）同表 4，为0.460。根据公式（21）=0.421，带入公式（29）后，可计算出上述跟踪式光伏项目在相同型号电缆和敷设方式下的循环系数为 1.206。5 结语中压电缆载流量计算和敷设涉及的因素较宽泛，本文汇集、整理了中压电缆载流量计算相关交流电阻、金属套损耗和导体外部结构热阻计算所需参数，为中压电缆载流量计算提供了数据参考。对于不同支架系统的光伏项目，电缆利用小时数普遍 6h，根据其不同的输出特性，可采用循环系数折算，以提升电缆选型的经济性。经研究后发现，本文利用循环系数折算电缆载流量时，忽略了导体屏蔽、绝缘层厚度等内部因素和直埋、空气中敷设等外界因素对电缆暂态温升的影响，降低了利用循环系数折算载流量的精度。该模型虽存在不足，但可以满足工程中的应用需求，具有较好的工程应用价值。参考文献1 马国栋.电线电缆载流量 M.北京：中国电力出版社，2013.2 卞佳音.500kV 电力电缆稳态热路模型分析及载流量计算J.绝缘材料，2019，52（9）：96-101.3 李超群.多回路土壤直埋高压电缆温度场建模与载流量计算 J.高压电器，2015，51（10）：63-70.4 郑志豪.电力电缆周期性负荷载流量计算方法综述 J.电线电缆，2019（3）：6-11.5 庄小亮.日负载系数与10kVXLPE 电缆周期负荷载流量关系的实验研究 J.电力自动化设备，2014，34（4）：168-172.影响机床精度的原因众多，其中主轴轴线偏移是关键因素之一。主轴是机床的核心部件，对于机床的切削速度和加工精度，其性能至关重要1。然而，主轴的热态特性，如温度场分布、热传导特性和升温特性等易受加工环境和条件变化的影响。在实际工况下，由难以预测温度变化与变形间的非线性关系导致的热误差控制问题至今未能得到较好解决2-3。结合机床结构，从主轴部件外部受力分析和热源分析与2 个可能因素有关，即皮带张紧力因素、主轴选用不同卡盘类型因素。本文着重研究这 2 个因素对主轴轴线的影响。1 造成主轴轴线偏移的关键因素理论分析根据试验目的测量主轴轴线偏移量为目前实用的评价皮带张紧力和不同卡盘类型对主轴轴线的影响郑志强张亮（沈阳机床股份有限公司，辽宁 沈阳 110142）摘 要：本文对影响主轴轴线偏移因素进行了研究，采用非接触式位移传感器测量方式评价主轴轴线偏移量，通过偏移量变化的大小找到关键因素。结果表明，不同卡盘类型对机床加工精度影响较小，皮带张紧力对机床加工精度影响较大。并以案例机床为范本，通过理论计算和试验验证的方法确定皮带张紧力最优值时单根皮带频率为31Hz。本文可为后续主轴轴线偏移研究提供参考，并为企业生产活动提供理论支持。关键词：皮带张紧力；卡盘类型；主轴轴线；主轴热偏移中图分类号：TG659文献标志码：A图 2 导体间距的定义l111klkkpdpkdpkpnnlplnlnlplkl1图 1 主轴所受不平衡力示意图向下不平衡力中国新技术新产品2024 NO.3（上）-77-工 业 技 术方法之一，即测量主轴中心线和刀架相对位置变化。此种评价有成熟的测试设备和方法，在测试过程中不会由操作者个体因素导致测量误差。结合试验目的只改变其中单一变量，运用成熟的主轴轴线偏移量测量方法，最终分析出单一变量是否为影响主轴轴线偏移的主要因素。找到主要因素后，再通过优化技术方案提高机床加工精度4-5。1.1 皮带张紧力因素对主轴轴线偏移量的影响主轴旋转动力来源为伺服电机，它们之间通过皮带连接。皮带传动的基本原理是通过张紧的皮带将动力从驱动轴传递到被驱动轴。当驱动轴转动时，皮带受张紧力的作用产生摩擦力，并将转动动力传递到被驱动轴上。最终把需要的动力传递到机床设备上。需要说明的是，在机械生产过程中，使用单根皮带频率来显示可以快速实现单根皮带张紧力调整，因此本文均采用频率的形式来表示皮带张紧力。主轴所受不平衡力示意图如图 1 所示，根据上述原理，由于皮带张紧力的出现使主轴受到了不平衡力，在生产加工过程中可能会造成主轴轴线偏移和加工精度降低。1.2 不同卡盘类型因素对主轴轴线偏移量的影响卡盘是一种工业机械设备，用于夹紧和固定工件。机床加工过程中需要用到该机构。安装液压卡盘，液压系统会产生温度，温度会辐射到主轴单元。并且液压油缸的存在会使安装了液压卡盘类型的主轴单元后端的悬伸长于机械卡盘后端。根据上述原理，由于采用不同卡盘类型，因此主轴单元会受额外的温度辐射和不平衡力，可能造成主轴轴线偏移和加工精度降低。2 造成主轴轴线偏移量的试验论证根据研究内容设计出试验方案。第一步，确定主轴轴线偏移的检测评价标准。第二步，改变皮带张紧力单一变量测量主轴轴线偏移的情况。第三步，改变安装卡盘类型单一变量测量主轴轴线偏移的情况。2.1 确定主轴轴线偏移评价标准和试验仪器和装置2.1.1 主轴轴线偏移评价标准将非接触式位移传感器布置到平行于机床行程运动方向的 3 个相互垂直轴线上，测量夹持刀具部件和夹持工件部件间的相对位移，记录主轴轴线偏移量6。根据该标准来评价主轴轴线偏移的情况。2.1.2 测量主轴轴线偏移的试验仪器装置和测试方法主轴轴线偏移装置由 5 个非接触式位移传感器组成，位移传感器分别为 X、X2、Y、Y2、Z。从 x、y、z 这 3 个方向对安装在主轴上的检棒进行偏移测量，检测出检棒上点的位移变化值。主轴轴线的偏移测量装置的安装如图 2 所示。具体顺序如下。步骤一：卡盘卡持测试试棒，找正。步骤二：将微动平台工装支架安装到刀塔。支架上放置非接触式位移传感器，对准测试检棒上的测试点。步骤三：主轴按照试验预设转数转动，采集试验数据。数据包括 x、y、z 方向的偏移数值。图 2 主轴轴线偏移测量装置X2Y2XYZ2.2 改变皮带张紧力单一变量测量主轴轴线偏移量2.2.1 试验仪器、装置和条件试验仪器、装置为 optibelTT 频率测量仪，用于检测皮带张紧力；主轴误差测试仪，采用非接触式位移传感器。温度条件为所有线性测量都应在室温 20下进行，测量仪器、被测物体与周围环境达到热平衡时进行测量。2.2.2 试验内容和过程通过皮带调整机构调整皮带张紧力，使其分别为 43Hz和 31Hz。在 2 种不同张紧力条件下对主轴轴线偏移量进行测量。主轴皮带张紧力测量如图 3 所示，拍打皮带使皮带振动，将探头放在离皮带约 1cm 的位置，接收信号后记录皮带频率读数，去掉明显偏差无效的异常值，采集 3 次有效数值求平均值。运转设备采集数据，最后得到单一变量“不同皮带张紧力”条件下主轴轴线偏移量数值。图 3 主轴皮带张紧力测量2.2.3 试验结果主轴转速为 1500s/min，运行 4h，比较“不同皮带张紧力”条件下对主轴轴线偏移量的影响，结果见表 1。2.2.4 试验结论皮带张紧力 43Hz 运行 4h，10 台试验机床平均主轴轴线偏移量为 0.0086mm；皮带张紧力 31Hz 运行 4h，10 台试验机床平均主轴轴线偏移量为 0.004mm；主轴轴线偏移量降低了 53.5%。根据试验数据分析可得改变皮带张紧力，主轴轴线偏移量变化较大，皮带张紧力是影响主轴轴线的关键因素之一。中国新技术新产品2024 NO.3（上）-78-工 业 技 术在降低皮带涨紧力的条件下，主轴轴线偏移量降低，产品精度显著提高。2.3 改变卡盘类型单一变量测量主轴轴线偏移量2.3.1 试验仪器、装置和条件采用液压卡盘（拥有液压系统存在热辐射）和机械卡盘（无热辐射）2 种卡盘形式，如图 4 所示。持待测检棒，试验程中，液压系统产生温升温度并辐射到主轴单元，机械卡盘无液压系统，不存在热辐射。试验仪器、装置为主轴误差测试仪，采用非接触式位移传感器。所有线性测量均应在室温为 20下进行，测量仪器、被测物体与周围环境达到热平衡时进行测量。图 4 不同卡盘类型主轴转速为 1500s/min，运行 4h，比较“不同类型卡盘”条件下对主轴轴线偏移量的影响，结果见表 2。表 2 不同卡盘类型条件下主轴轴线偏移量试验机床序号液压卡盘主轴轴线偏移量（mm）机械卡盘主轴轴线偏移量（mm）10.0070.00720.0120.01130.010.0140.0060.00550.0080.00860.0060.00670.010.01180.010.0190.0060.007100.0090.01偏移量平均值0.00860.00852.3.2 试验结论液压卡盘条件下运行 4h，10 台试验机床平均主轴轴线偏移量 0.0086mm；机械卡盘条件下运行 4h，10 台试验机床平均主轴轴线偏移量 0.0085mm，两者主轴轴线偏移量基本一样。根据试验数据分析可知，在不同卡盘类型条件下，主轴偏移量变化基本无差异，采用液压卡盘和机械卡盘 2 种方式，对主轴轴线偏移量基本没有影响。3 皮带张紧力理论计算上述试验表明，皮带张紧力因素对主轴轴线偏移量影响较大，不同类型的卡盘形式对主轴轴线偏移量影响较小。解决方案为对主轴轴线偏移量影响较大的皮带张紧力因素进行研究和分析。3.1 皮带张紧力的选择3.1.1 皮带张紧力的计算3.1.1.1 用单根皮带频率测量的原因在机械生产皮带张力调整过程中，使用单根皮带频率来显示可以快速实现单根皮带张紧力调整。3.1.1.2 频率张力的计算皮带张紧力和皮带颤动频率间的计算如公式（1）所示。T=4kL2f 2（1）式中：T 为每条皮带最小静态张力（N）；k 为皮带带重（kg/m）；L 为跨距长（m）；f 为皮带颤动频率（Hz）7。其中，每条皮带的最小静态张力 T（初次安装时乘以1.3）的计算如公式（2）所示。TcPcz vk v?5002 04112.B（2）式中：c1为包角弧修正系数（根据包角弧和所使用的带长计算实际传动数据）；PB为设计功率（kW）；k 为用于计算皮带组中离心力的常数；z 为皮带数量；v 为带速（m/s）。其中，PB的计算如公式（3）所示。PB=Pc2（3）式中：P 为电机功率或额定运转功率（kW）；c2为服务系数（c2考虑每天的工作时间、驱动机以及从动机的类型，专门适用于双带轮传动）。其中，v 的计算如公式（4）所示。vdn?dkk19100（4）式中：ddk为小带轮基准直径（mm）；nk为小带轮转数（r/min）。其中，nk的计算如公式（5）所示。nk=n2i（5）式中：n2为从动带轮速度（r/min）；i 为传动比。其中，i 的计算如公式（6）所示。inndd=12d2d1（6）式中：n1为主动带轮速度；n2为从动带轮速度；dd1为主动带轮基准直径（mm）；dd2位从动带轮基准直径（mm）。其中，z（皮带根数）的计算如公式（7）所示。zP cPc c?213N（7）式中：c3为皮带长度系数（长度系数 c3考虑了基于具体带型参考长度的皮带挠曲比）；PN为每条皮带的额定功率值（根据 ddk小带轮基准直径和 nk小带轮转数确定 PN）。其中，PN的数值根据 ddk值和 nk值，再查询额定功率推荐表取得。3.1.2 皮带张紧力的案例理论值计算本文卧式数控车床型号产品的相关技术条件如下。电表 1 测试不同皮带张紧力条件下的主轴轴线偏移量试验机床序号张紧力43Hz主轴轴线偏移量（mm）张紧力31Hz主轴轴线偏移量（mm）10.0070.00220.0130.00430.010.00740.0050.00350.0090.00560.0060.00370.010.00480.010.00490.0070.003100.0090.005偏移量平均值0.00860.004中国新技术新产品2024 NO.3（上）-79-工 业 技 术机额定功率为 15kW，最高转数 nk为 2000r/min，电机皮带轮直径为 132mm，主轴端皮带轮直径为 225mm，皮带类型为 3V/9N-750。大小轮间跨距 L 为 0.696m。查欧皮特皮带手册，c1查得为 1.0，c2查得为 1.3（工作条件 7.5kW，运行16h 以上），c3查得为 1.03（根据 3V/9N-750 型号皮带，长为 1955mm）。PN查得为 7.91kW（根据 ddk小带轮基准直径和nk小带轮转数确定 PN=7.36+0.55=7.91kW），ddk值为 132mm。可得公式（8）公式（14）。zP cPc c?21315 1 37 91 1 0 1 032 393N.（8）vdn?dkkm/s19100132 34001910023 5.（9）PB=Pc2=151.3=19.5kW （10）inndd=122251321 7d2d1.（11）T 135.7N （12）T=4kL2f 2=40.0740.6962f 2 （13）f=30.8Hz（建议 f 取整为 31Hz）（14）通过理论计算，最终得出皮带轮为 6 根皮带时，将单根皮带张紧力调整到 31Hz 为理论理想值。3.2 皮带张紧力调整为理论理想值的合理性验证3.2.1 试验仪器、装置和条件试验仪器、装置如下。optibelTT 频率测量仪，用于检测皮带张紧力；主轴误差测试仪，采用非接触式位移传感器。所有线性测量均应在室温 20下进行，测量仪器、被测物体与周围环境达到热平衡时进行测量。3.2.2 试验内容和过程在理论计算结果基础值 31Hz 的前提下，上浮 20%和下降 20%得到皮带张紧力分别为 37Hz、31Hz、25Hz。皮带张紧力测量如图 3 所示。将探头置于距离皮带约 1cm。拍打皮带使皮带振动，接收信号后，记录设备显示的皮带频率读数，去掉明显偏差异常无效值，采集 3 次有效数值，求得平均值。在 3 种不同张紧力条件下对主轴轴线偏移量进行测量，得到单一变量“不同皮带轮张紧力”的条件下的主轴轴线偏移量数值，再进行主传动系统最大扭矩试验，确定能否满足设计需求。3.2.3 验证皮带不同张紧力条件下主轴轴线偏移量和主传动系统最大扭矩试验该试验包具体如下。验证一：主轴转速为 1500s/min，运行 4h，分别验证皮带张紧力在 37Hz、31Hz、25Hz 条件下对主轴轴线偏移量的影响，结果见表 3。验证二：调整皮带张紧力，使其分别为 37Hz、31Hz、25Hz，验证主传动系统最大扭矩试验是否能够正常运转并满足设计需求，结果见表 4。3.2.4 试验结论通过分析试验数据可以得出，将皮带张紧力调整到31Hz、25Hz时主轴轴线偏移量均好于37Hz。主传动系统最大扭矩试验测试中，皮带张紧力 37Hz、31Hz 能够通过，25Hz无法通过。综上所述，在皮带张紧力为 31Hz 的条件下，能够同时保证偏移量最优和主传动系统最大扭矩试验通过。表 3 验证不同张紧力条件下主轴轴线偏移量情况试验机床序号张紧力37Hz主轴轴线偏移量（mm）张紧力31Hz主轴轴线偏移量（mm）张紧力25Hz主轴轴线偏移量（mm）10.0050.0020.00220.0110.0040.00330.0080.0070.00840.0050.0030.00350.0070.0050.00560.0050.0030.00270.0080.0040.00580.0080.0040.00490.0070.0030.003100.0090.0050.005偏移量平均值0.00730.0040.004表 4 验证不同条件下主传动系统最大扭矩通过情况试验机床序号张紧力37Hz主传动系统最大扭矩通过试验张紧力31Hz主传动系统最大扭矩通过试验张紧力25Hz主传动系统最大扭矩通过试验1通过通过未通过2通过通过未通过3通过通过未通过4通过通过未通过5通过通过未通过6通过通过未通过7通过通过未通过8通过通过未通过9通过通过未通过10通过通过未通过4 结语本文将皮带张紧力和不同卡盘类型对主轴轴线的影响进行了理论分析和试验研究，所得结论如下。1）不同卡盘类型对主轴轴线偏移影响不显著。2）不同皮带张紧力对主轴轴线偏移影响显著。3）案例机床皮带张紧力最优值为 31Hz，比优化前主轴轴线偏移量降低了53.5%，加工精度显著提升。参考文献1 刘昌华，骆光进，何为，等.基于热网络的某主轴系统稳态热分析 J.中国机械工程，2010，21（6）：631-635.2MAYR J，JEDRZEJEWSKI J，UHLMANN E，et al.Thermal issues in machine tools J.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2012，61（2）：771-791.3 邓小雷.数控机床主轴系统热态特性分析技术 M.杭州：浙江大学出版社，2017.4 郭敬滨，张国雄.快速检测三坐标测量机垂直度误差的新方法 J.天津大学学报，2003，36（3）：39-41.5 杨建国.数控机床误差综合补偿技术及应用 D.上海：上海交通大学，1998.6 全国金属切削机床标准化技术委员会.机床检验通则 第3部分：热效应的确定：GB/T 17421.32009S.北京：中国标准出版社，2009：7.7 安兆亮，瞿潮庆，顾建秀.音波张力计工作原理的理论分析及检测方法探索 J.技术交流，2007（3）：32-33.