QKA1219数控管螺纹车床主轴箱传动设计开题报告

毕业设计（论文）开题报告 机械工程 系（院） QKA1219数控管螺纹车床主轴箱传动设计design of headstock of QKA1219 numerical control lathe which machining pipe thread课题类型 学生姓名指导教师 师填一、本课题研究的主要内容、目的和意义 该课题的主要目的是设计QKA1219数控管螺纹车床的主轴箱传动. QKA1219数控管螺纹车床是安阳机床厂根据国际市场上数控车床的最新发展趋势研制开发的具有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。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备 这种车床是专门为油田管螺纹的车削而开发的,而且适合各类管螺纹的车削,还可以作普通车床使用.毫无疑问的是,这种车床既可以用作专门的用途,又有很高的通用性,随着我国经济的快速发展,必然带动能源需求的增加,势必会刺激油田的钻探和加工输送,这样就需要一大批管螺纹加工车床,而我国管螺纹加工车床的数控化程度还很底,从而影响了螺纹加工的效率.所以,急需要设计生产一种半闭环的数控车床来适应这种要求.机床数控化很关键的一部分就是主轴箱的设计和改造,所以,本课题很有研究的必要性. 本课题研究的重要内容如下:1传动方案设计 传动方案设计,包括确定主传动的运动参数,拟订结构网和转速网,确定齿轮齿数和带轮直径,主传动的换向和制动方式,画出主运动的传动的传动系统图.2计算重要传动件 计算内容如下:v带选择型号和设计所需的根数;传动轴按扭转刚度要求计算轴受扭部分的直径;齿轮按变动工作用量计算接触强度和弯曲强度,取二者中的较大值确定齿轮的模数;再进行齿轮的几何计算;摩擦片离合器摩擦面对数,对于有线性速度限制的传动件,要检查是否超过了线速度的允许值.3结构的分析与选择 主轴组成部件的结构,主轴头已经标准化;正确选择轴承的种类极其组件精度和调整轴承间隙的方法.计算主轴组件的合理跨距.合理选择润滑与密封的方式.注意主轴组件的拆装. 传动轴组件的结构,根据轴承的类型,正确选择轴的轴向定位的方法.轴上所安装的零件的拆装与固定.注意分析是否有需要用卸荷的结构.齿轮的结构,正确选择齿轮的精度并且考虑相应的加工齿轮的方法.对于双联和三联齿轮,加工方法决定了相临齿轮的间距,为了缩短轴向尺寸可以采用镶装的结构.轮毂的长度按导向的要求确定,通常为直径的1.5倍左右. 离合器与制动器,用摩擦片离合器实现主轴的正反转时,应该注意摩擦离合器压紧后的自锁,压紧力的承受以及能否实现内力平衡.制动器的作用,在于停车时消耗惯性动能,应该尽量使制动器位于转动速度较高的恒速轴上.注意选择制动器的安装轴的转动速度. 操纵机构,操纵机构的类型应该与变速要求相适应,注意选择定位机构和防止操纵机构中发生干涉现象.4传动件的验算 在装配图完成后,传动件的尺寸和位置均已经确定,便可以验算传动轴的弯曲刚度和滚动轴承的使用寿命.可以选择出承受载荷严重的一根轴进行验算.由于滑移齿轮在轴上有几个啮合位置,在各个啮合位置上,轴和轴承的载荷承受不同,因此应该首先判断和选定受力后使轴的挠度最大或一对齿轮处倾角最大的工作状态,再验算轴的弯曲刚度.轴承寿命的验算,可以在验算的传动轴上选择轴承规格相对较小的支反力相对较大出进行验算.当验算结果不能满足性能要求时,应该修改设计;如果需要修改的地方比较多的话,而时间又不允许时,可以在说明书中阐述改进措施.5绘制零件图和装配图6编写设计说明书 说明书的编写应该与设计同时进行,在图样工作全部完成后.二、文献综述（国内外相关研究现况和发展趋向） 1国内数控车床的发展现状 数控系统是数控产品的核心技术之一，从50年代末期，我国就开始研究数控技术，开发数控产品，其间三起三落。经过多年来不断的调整、优化、重组、开拓，中国数控产业通过自行研究、引进合作、独立开发、推进产业化进程，国产数控系统已经取得重大突破。在庆祝建国50周年之际，我们可以充满信心地说，中国的数控产业已经渡过了最艰难的时期，开始在产业化的道路上开拓前进。在充满信心的同时，我们更应清醒地认识到，走向新世纪的中国数控产业，尽管获得了新的发展机遇，但面临着更严峻的挑战，需要以更大的勇气、智慧和努力来攀登新的历史. (1) 数控产业的基本情况我国数控机床生产厂共有100多家，其中能批量生产的企业有42家(国有企业30家，民营企业5家，合资、独资企业7家)，平均年产量4050台，几家重点企业年产量可达400700台；数控系统(包括主轴和进给驱动单元)生产企业约50家，但生产具有一定批量的企业有8家，其中国有企业3家，民营企业2家，合资、独资企业3家；生产数控机床配套产品的企业共计300余家，产品品种包括八大类2000种以上。我国数控系统分为3种型级，即经济型、普及型和高级型。这是根据我国当前市场需求的实际情况，按技术应用不同领域和复杂程度进行的阶段性标准来划分的。在经济型数控系统中，我们具有很大优势，在当前每年数千台经济型数控车床和电加工机床的市场上，国产数控系统是“一花独秀”(其中有10%左右的是合资企业产品)。在普及型数控系统的市场中，我们正在取得进展。进入90年代以来，我国数控系统的各方面研究力量在集中优势、突破关键、以我为主、发展产业的原则基础上，逐步形成了以航天数控集团、机电集团、华中数控、蓝天数控等以生产普及型数控系统为主的国有企业，以及北京法那科、西门子数控(南京)有限公司等合资企业的基本力量。当然，拥有我国自主版权的数控系统在市场开拓上仍要尽更大的力量。(2) 技术状况80年代以来，国家对数控机床的发展十分重视，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主版权数控系统2个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好基础，并取得了长足的进步。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段。数控机床新开发品种300个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。在技术上也取得了突破，如高速主轴制造技术(12 000 r/min18 000 r/min)、快速进给(60 m/min)、快速换刀(1.5 s)、柔性制造、快速成形制造技术等为下一步国产数控机床的发展奠定的基础。当前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。从生产规模上看，已有像航天数控集团、华中数控系统有限公司、北京机床研究所等可实现批量生产的产业化基地。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上(包括核心技术)，已达到国外先进水平。目前，已新开发出数控系统80种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1 m当量的超精密数控系统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能，既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。特别重要的是，我国数控系统的可*性已有很大提高，MPBF值可以在15 000 h以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过60%。这些成果为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。 数控产业发展面临的问题(1) 缺乏产业规模在一段时间里，我国数控机床产品品种相对较少，开发和交货周期较长，由于没有按市场需求进行开发，批量不大，不能满足市场需求，市场占有率较低；质量不稳定(可靠性是突出的质量症结)，性能水平与国外相对有一定差距，竞争力不强；软件开发投入不足，开发的数控系统缺少共同的软件规范和支撑平台，尚未实现系列化、商品化，没有产业规模。 (2) 缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系40多年来，我国政府对数控机床的发展给予了大量的财力和物力支持，在政策上也陆续出台了一些支持措施，对数控机床的发展起了很好的促进作用。但在政策的配套及相互制约方面力度不够，在引进外资和扩大开放的同时，对国产数控机床的必要保护显得过于单薄。例如，进口产品可以免除关税和进口环节税，而国内产品却很少能享受这种待遇。同时，数控机床的发展需要较高的零部件专业化技术配套体系来支承，而我国工业发展的总体水平尚不能满足这种体系的建立，国家对这种配套体系的建立没有大举措出台，也缺少相应的政策支持，因而未能对数控产业的发展起到更有力的推动作用。 (3) 缺乏技术创新、产品更新和产业调整的内在动力1994年，机床工具工业总产值(1990年不变价)达到176亿元，销售收入达到200亿元，机床总产量创记录地达到26万台。普通机床、一般量刃具等的比例高达93%以上，但数控机床、专用机床及各种自动线所占比例却很小。在当时过热的经济增长刺激下，各类产品均出现供不应求的现象。在普通机床销售势头良好的形势下，机床工具行业被市场假像所迷惑，大部分企业顾及眼前利益，没有及时依*壮大起来的财力进行调整，而是一味加大普通机床产量，放弃了已开始进行的产业调整、产品调整、组织结构调整，放松了技术创新，看不到产业的发展趋势，从而错过了调整的最佳时机，丧失了更进一步发展契机.(4) 面临国外强手竞争的巨大压力进入90年代以来，我国国内市场对数控机床和数控系统迅速增长，成为工业发达国家竞相争夺的目标。面对强手如林的国际竞争对手，国内数控机床和数控系统无论是性能、质量，还是价格都难以与发达国家产品相抗衡，面临着进口冲击的强大压力。 我国数控产业发展的条件稳定增长的市场需求 我国数控机床80年代以来有了迅速发展，平均年产量增长20%以上；数控机床市场消费量从1990年的2588台增长至1996年的18 000台；目前已是世界数控机床第三进口大国。进入90年代以来，我国数控机床生产企业都经历了结构调整、转变机制的艰苦磨砺过程。由于市场结构的变化，使得1997年数控机床市场消费量下降到14 329台。同时由于进口减少，国产数控机床市场占有率上升到45.9%；1998年数控机床市场消费量下降到11 528台，国产数控机床市场占有率达到53%。19941998年，我国机床工具行业的产值持续滑坡，由于市场变化和结构调整，市场容量减少到原来的75%，总产值为149.6亿元，其中金属加工机床约为90多亿元，市场占有率达到47%，机床(金切和锻压)总产量只有10万台，而在10万台机床的销售额中，数控机床自动化生产线及各种先进量刃具达到27.7%。正是由于结构的变化，才有可能形成产量下降、市场占有率提高的局面。近期，国家为扩大内需，通过加大技改投资和基础设施建设投资的措施来拉动国内市场消费。正在执行中的“国家财政技改专项”和“高新技术产业化项目”，都将形成对数控机床新的市场需求。这将为我国数控产业发展带来新的市场机遇。 3.2现有的发展条件(1)目前我国主要数控机床生产企业年产能力为10 000台，其中经济型数控机床为5 000台以上。到“九五”末期，数控机床生产达到15 000台。(2)到“九五”末期，我国数控系统生产能力为15 000套，其中经济型数控系统约为6 500套。(3)我国主要数控机床配套企业已初具规模，其中，机床数控刀架、滚珠丝杆、滚动导轨、机床电器都引进了技术，能为主机配套。(4)我国主要数控机床生产厂通过“八五”和“九五”期间的技术改造，数控机床生产能力有了很大提高，进口了一批关键加工设备，提高了关键件的加工质量和效率，新建了一批装配调试厂房，改善了控机床制造的装备条件，基本具备了产业化生产能力。 2数控车床未来发展的趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。 1. 高速、高精密化 高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。 数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。 直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙(包括反向间隙)，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。 直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。 通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的1020m/mim提高到6080m/min，甚至高达120m/min。 2. 高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。 3. 数控车床设计CAD化、结构设计模块化 随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。 通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。 4. 功能复合化 功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有X、Z轴以及C轴和Y轴。通过C轴和Y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。 5. 智能化、网络化、柔性化和集成化 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。 网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可*性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。三、拟采取的研究方法（方案、技术路线等）和实现的可行性论证 设计（或研究）方法： （1）由导师指导，指明设计的大体方向和内容； （2）到企业实习调研，进一步确定设计方案； （3）借阅图书馆的有关书籍； （4）查阅网上的相关资料，以借鉴学习。 实现的可行性论证： 本改造设计实际上是对CW系列普通卧式车床的主轴箱进行数控改造, 在改造设计中，采用的是日本FANUC数控设备公司生产的FANUC 0i-mate数控系统;引进一套日本横田的液动系统,实现要求的主轴箱的4级自动变速,这样的稍微对普通车床加以改造设计的方法是非常可行的,它的机械部分已经经过多年实践的证明,是可靠的,引进的数控液动系统又很经济,非常适合我国国情, 是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的非常有效的选择。它具有一定的典型性和实用性.四、预期结果（或预计成果）课题设计（或研究）的内容： （1）完成5000以上印刷字符的英文资料翻译； （2）了解机床数控化改造发展前沿及其在机械工业中的应用； （3）到企业了解生产线产品的加工流程，工艺的要求和先进的企业管理经验等 ( 4 ) 根据任务要求和改进要求,完成主轴箱各部件的设计: a传动设计和转速图的设计; b各部件的估计和结构设计; c主要传动部件的校核; d截面图设计.五、研究进度安排2.253.22 毕业实习4周3.233.29 熟悉课题完成开题报告1周3.304.26 结构设计及计算4周4.275.24 绘制组件装配图和主要零件图2周5.255.31 完成设计说明书1周 6.016.14 准备答辩及答辩2周六、主要参考文献(1)、机械设计手册第三版第二卷 成大先主编 化学工业出版社 (2)、机械设计手册第三版第五卷 成大先主编 化学工业出版社 (3)、机械设计与制造简明手册 唐保宁主编 同济大学出版社 (4)、实用机床设计手册 李洪主编 辽宁科学技术出版社 (5)、数控机床维修技术手册 孙汗卿主编 机械工业出版社 (6)、现代金属切削机床概论 贾亚州主编 机械工业出版社 (7)、机械传动装置设计手册 卜炎主编 机械工业出版社 (8)、机修手册 王林玉主编 机械工业出版社 (9)、机械设计手册第四版第二卷 成大先主编 化学工业出版社 (10)、机械设计手册新版 化学工业出版社 (11)、机械零件设计手册 吴宗泽主编 机械工业出版社 (12)、机械设机师手册 吴宗泽主编 机械工业出版社 (13)、实用机械传动设计手册 姚振浦主编 科学技术出版社 (14)、机械工程师手册 赵明生主编 机械工业出版社 (15)、现代数控机床 王爱玲主编 国防工业出版社 (16)、数控机床加工工艺编程技术与维护维修实用手册 席子杰主编 吉林电子出版社 (17)、数控原理与系统 李宏胜主编 机械工业出版社 (18)、液压与气压传动 王积伟主编 机械工业出版社 (19)、公差与配合技术手册 唐锡杰主编 机械工业出版社 (20)、互换性与测量技术基础 陈隆德主编 大连理工大学出版社 七、审核意见指导教师对开题的意见：指导教师签字： 年 月 日系（院）审核意见：审核人签字： 年 月 日10