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1、1第一章 绪论1.1 课题背景及意义1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动
2、/半自动机床不到 20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以
3、数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速
4、地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好2地满足产品频繁变化的加工要求。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一
5、般可达0.01 至 0.02mm，已能满足 CW6140 车床改造后加工零件的精度要求。1.2 数控机床国内外发展现状自从 1952 年美国第台数控铣床问世至今已经历了 50 个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有 10-20 万台，产值上百亿美元。 世界制造业在 20 世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90 年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从 90 年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技
6、术更新浪潮。如德国机床行业从 2000 年至今已接受 3 个月以后的订货合同，生产任务饱满。 我国数控机床制造业在 80 年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在 90 年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到 50%，库存超过 4 个月。从 1995 年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在 1999 年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技
7、改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从 2000 年 8 月份的上海数控机床展览会和 2001 年 4 月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题： （1） 低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销； （2） 高技术水平、全功能产品主要靠进口； （3） 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口； （4） 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用； （5） 自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我3国是全世界机床拥有量最多的国家（近 300 万
8、台） ，但我们的机床数控化率仅达到 1.9左右，这与西方工业国家一般能达到 20%的差距太大。日本不到 80 万台的机床却有近 10倍于我国的制造能力。数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国 21世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床 30004000 台，日本年产万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口 70009000 台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此，国家计委、经贸委从“八五” 、 “九五”就提出数控化改造的方针，在“九五”期间，我协会也曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达 810 万台，需投入 80100
9、 亿资金，但得到的经济效益将是投入的 510 倍以上。因此，这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。 “十五”刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6.8 亿元，用于对 1.21.8 万台机床的数控化改造。 数控技术经过 50 年的 5 个阶段和 6 代的发展： 第 1 阶段：硬件数控（NC） 第 1 代：1952 年的电子管 第 2 代：1959 年晶体管分离元件 第 3 代：1965 年的小规模集成电路 第 2 阶段：软件数控（CNC） 第 4 代：1970 年的小型计算机 第 5 代：1974 年的微处理器 第 6 代：1990 年基于个人 PC 机（P
10、CBASEO） 第 6 代的系统优点主要有： （1） 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到 5 万小时以上； （2） 基于 PC 平台，技术进步快，升级换代容易； （3） 提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如 CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等） ； （4） 对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。 目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本 FANUC 公司，1 年生产 5 万套以上系统，占世界市场约 40%左右，其次是德国的西门子公司约占 15%以上，再次是德海德汉尔，西班牙发格，意大利菲地亚，法国的
11、NUM，日本的三菱、安川。 国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过 300400 套。 近 10 年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。 (1) 高速化 由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由30004000r/mi n 提高到 800010000r/min，铣床和加工中心主轴转速由40008000r/min 提高到 12000r/min、24000r/min、40000r/min 以上； 快速移动速度4由过去的 1020m
12、/min 提高到 48m/min、60m/min、80m/min、120m/min 在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的 0.5G（重力加速度）提高到1.52G，最高可达 15G，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。(2) 高精度化 数控机床的定位精度已由一般的 0.010.02mm 提高到左右，亚微米级机床达到 0.0005mm 左右，纳米级机床达到0.0050.01，最小分辨率为 1（0.mm）的数控系统和机床已有产品。 数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到 1 的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量
13、，并可进行自动拐角处理等。 （3） 复合加工、新结构机床大量出现 如 5 轴 5 面体复合加工机床，轴联动加工各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构，包括轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。 （4） 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼” 。如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达 1000m/min，加工铝件能达 5000m/min。 （5） 数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些
14、制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为 21 世纪制造业发展的一个主要潮流1.3 本论文主要研究内容本课题研究的主要内容是 QKA1219 数控管螺纹车床的主轴箱传动部分。该机床主要为油田管螺纹的车削而开发，且适合于各类管螺纹的车削，还可作普通数控车床使用。该机床属于半闭环控制系统的简式数控管螺纹车床，可以加工以各种曲线为母线的连续的回转体，加工分辨为 0.001mm。可加工圆柱、锥面螺纹，以及圆柱与锥面连续连接螺纹、端面螺纹。具有刀具自动补偿功能，具有坯料循环、加工螺纹循环、切槽循环。可任意设定绝对零点
15、。适合多品种、中小批量的轮番加工，工艺适应性强、效率高，成品一致性好。编程容易，操作简单，是理想中的中型机械加工设设备。QKA1219 数控管螺纹车床是将 CW 系列车床进行数控改造而成的，引进了液压系统从而可以实现 8 级转速中的 4 级变速的自动化，由于引进了伺服系统和数控系统，实现了机5床的数控化，与普通机床相比省了进给箱和溜板箱，不仅提高了机床的加工精度，而且大大减少了机械设计的繁杂。它与普通机床的具体不同之处在于：主轴箱的运动不再传递给进给箱，而是直接传递给一个脉冲发生器，从而省略了机械内联系传动链，脉冲发生器发出的脉冲被送到脉冲处理器，并经过由数控系统传来的数控编程指令相应的处理，
16、最后到达控制纵向和横向运动的伺服电动机，这样就可以加工出各种复杂形状的轴类零件；但要加工螺纹，还要在加工过程中不乱扣，引进一个脉冲相位处理器就可以实现这个功能。本课题的主要任务就是利用引进的液动系统来实现主轴箱的 4 级自动换挡，改进机床的机械结构，实现整个机床的数控化，从而使机床获得较高的生产效率和加工表面质量。第二章 主轴箱参数的确定2.1 车床的参数和规格表 2.1 主要规格加工最大管子直径 主轴通孔直径 床身上最大回转直径 刀架最大回转直径 两顶尖距离 最大车削长度190mm 200mm 770mm 480mm 750/1000/1500mm 550/800/1300mm表 2.2 轮廓尺寸要求规格 长度 宽度 高度 净重7500 1000 1500 2912 3227 3612 1715 1745 3.7 3.9 4.22.2 公比和最大相对转速损失率由已知主轴的最大转速和最小转速分别为 450r/min 和 90r/min ，那
