（机械制造及其自动化专业论文）数控多刀管螺纹机床主轴箱的设计与研究.pdf

硕士学位论文 摘要 目前，国内企业对管子端部的螺纹进行加工时，一般采用工件做旋转运动、 刀具做直线进给运动的专用管子车床加工的方式，当遇到被加工的管子口径较 大( 大于由2 0 0 m m ) 且较长( 5 0 0 0 1 0 0 0 0 m m ) 时，由于其外形存在的圆柱度误 差，使得管子在旋转过程中会产生极大的振动，导致机床只能在较低的生产效 率状态下工作，当管子的圆柱度误差较大时，甚至还会发生伸出在主轴箱外面 的管子由于轴线弯曲甩打造成托架损坏的现象，工人在操作这种传统方式的管 子车床时劳动强度也比较大。 为提高管螺纹机床的生产效率和加工质量，本课题提出了研究一种刀具旋转 并完成进给运动，工件静止不动，且能多刀按程序工作的数控管螺纹机床的目 标。在仔细分析现有技术的基础之上，采用行星轮系机构的运动合成原理，使 刀具在承担旋转主运动的同时实现径向进给运动；并利用电子传动链代替机械 内联系传动链，实现机床螺纹加工的数字控制；以及采用三条独立的刀具径向 进给链，实现机床多刀按程序工作的功能。 本论文针对机床主轴箱设计，着重研究以下几个方面的内容； ( 1 ) 分析普通管螺纹机床加工大口径，大长度管子时存在的缺陷，找出技 术难点的制约因素，构想出一台工件静止不动，刀具进行主切削运动同时复合 进给运动，并且能够多刀按程序工作的高效率管螺纹机床。 ( 2 ) 按照机床的设计原则，对机床进行总体方案的设计，确定机床的主要技 术参数和机床的控制系统方案。 ( 3 ) 围绕机床的设计目标和传动要求，设计出主轴箱的传动零部件： 主轴组件、齿轮传动组、进给机构、消隙齿轮。 ( 4 ) 遵循数控机床传动系统的要求，设计出机床的主运动链和进给传动链， 并且研究本课题基于电子传动链的运动合成算法。 ( 5 ) 建立主轴和主轴箱的有限元模型，合理的确定载荷和约束条件，选定单 元类型。进行静力分析、模态分析和谐响应分析。 关键词：多刀；管螺纹机床；主轴箱；a n s y s 数控多刀管螺纹机床土轴箱的设计与研究 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，t h e d o m e s t i c m a n n u f a c t u r e r so fp i p et h r e a d n o r m a l l y u s e a p p r o p r i a t i v ep i p en cl a t h e s ，w i t ht h ew o r k p i e c e sr o t a t i o na n dt h et o o l sl i n e a rf e e d m o t i o n w h e ne n c o u n t e r e db yp r o c e s s i n gl a r g e rd i a m e t e rt u b e s ( g r e a t e rt h a n 由 2 0 0 m m ) a n dl o n g ( 5 0 0 0 - 10 0 0 0 m m ) ，g r e a tv i b r a t i o no c c u r sd u r i n gt h ep i p e sr o t a t i o n b e c a u s eo fi t sc y l i n d r i c a ls h a p ee r r o r , l e a d i n gt ol o w e rp r o d u c t i o n w h a t sm o r e ， w h e nt h es h a p ee r r o ri st o ol a r g e ，t h ep i p ee v e nb e n ds e r o u s l yi nt h ea x i sd e r e c t i o n ， w h i c hm i g h tc a u s et h eb r a c k e t sd a m a g e l a b o ri n t e n s i o nh a p p e n sw h e nw o r k e r s o p e r a t et h et r a d i t i o n a lt y p eo fp i p et h r e a dl a t h e t oi m p r o v ep r o d u c te f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t yo ft h ep i p et h r e a dl a t h e ， d e s i g no fan e wt y p ep i p et h r e a dl a t h ei sp r o p o s e di nt h i st h e s i s ，w i t hc o m p o s i t e m o v e m e n to fr o t a t i o na n df e e dm o v e m e n to ft o o l s ，s t a t i o n a r yw o r k p i e c ea n d m u l t i t o o l ss i m u l t a n e o u sc o p o r a t i o nu n d e rn cc o n t r 0 1 b a s e do na b o r a t i v ea n a l y s i so f e x i s t e n tt e c h o n o l o g y , t e n e to fm o t i o nc o m p o s i t i o no ft h ep l a n e t a r yg e a rm e c h a n i s m i su s e dt or e a l i s es y n t h e s i so f r o t a t i n gt h et o o li nt h ep r i m a r yc a m p a i g n ，w h i l e c o m m i t m e n tt oa c h i e v er a d i a lf e e dm o v e m e n t ；e l e c t r o - k i n e m a t i c a lc h a i ni su s e dt o r e p l a c et h em e c h a n i c a lc o n t a c tw i t h i nt h et r a n s m i s s i o nc h a i n ，a i m e dt or e a l i s et h e n cc o n t r o lo fl a t h ed u r i n gt h em a c h i n i n go fp i p et h r e a d f u r t h e rm o r e ，t h r e e a b s o l u t er a d i a lf e e d i n gc h a i n sa r eu s e dt om a k es u r et h et o o l sw o r ki nd o u b l e h a r n e s s i nt h i st h e s i s ，f o c u s e do nt h ed e s i g no fh e a d s t o c k ，t h ef o l l o w i n gp r o b l e m sa r e d i s c u s s e d ： ( 1 ) t h ed e f e c t i o ni nt h em a c h i n i n go fl a r g ea l i b e r - l o n gp i p et h r e a do nn o r m a l e q u i p m e n ti sa n a l y s i s e d ，t e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sa r ei d e n t i f i e d ，f i n a l l y , al a t h ew i t hs t i l l w o r k p i e c e ，c o m p o s i t em o v e m e n to fc u t t i n ga n df e e d i n g ，a n ds i m u l t a n e o u sm u l t i t o o l s c o o p e r a t i o ni sc o n c e i v e d ，w h i c hp r o v i d e sh i g h e re f f i c i e n c y ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n td e s i g nr u l e so fl a t h e s ，t h eo v e r a l lp l a ni sd e s i g n e d ，a n d t h em a i np a r a m e t e ra sw e l la st h ec o n t r o lm o d e lo ft h el a t h ei sd e t e r m i n e d ( 3 ) f o c u s e do nt h ed e s i g no b je c t i v ea n dt h et r a n s m i s s i o nd e m a n d ，k e yd r i v ep a r t s i nt h eh e a d s t o c ki n c l u d i n gp r i n c i p l es u b a s s e m b l y , g e a rd r i v eg r o u p s ，f e e d i n g m e c h a n i s m ，a n t i b a c k l a s hg e a ra r ed e s i g n e d i i 硕十学位论文 ( 4 ) f l o w i n gt h ed e m a n do fn c d r i v es y s t e m ，t h em a i nd r i v ec h a i na n df e e d i n g t r a n s m i s s i o nc h a i na r ed e s i g n e da n dt h ea r i t h m e t i co fm o v e m e n tc o m p o s t i o nb a s e do n e l e c t r o nt r a n s m i s s i o nc h a i ni sd i s c u s s e d ( 5 ) f i n i t e - e l e m e n tm o d e l so ft h ep r i n c i p l ea x i sa n dh e a d s t o c kp a r t sa r eb u i l t ，w i t h a p p r o p r i a t ee l e m e n tt y p ea n dt h ed e s c r i b t i o no fl o a d sa n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s t a t i c ， m o d a la n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s y so ft h ep r i n c i p l ea r ea l lp r o c e s s e d k e y w o r d s ： m u l t i t o o l s ；p i p et h r e a dl a t h ；h e a d s t o c k ；a n s y s i i i 数控多刀管螺纹机床主轴箱的设计与研究 插图索引 图1 1 石油管螺纹图2 图1 2 管螺纹加工控制原理图4 图1 3s u c 8 1 0 5 型数控管螺纹加工车床5 图1 4s u c 8 1 0 5 机床数控切削平旋盘示意图6 图2 1 机床总体布置图8 图2 2 平旋盘结构图9 图2 3 定心夹具示意图1 0 图2 4 数控多刀管螺纹机床工作原理图1 2 图2 5 数控多刀管螺纹机床结构和坐标定位1 3 图3 1 主轴刚度分析图1 6 图3 2 主轴组件结构图1 8 图3 3 主轴头部圆支架剖视图2 0 图3 4 多层空套双联齿轮组结构图2 2 图3 5 差动轮系结构示意图2 3 图3 6 差动轮系结构图2 4 图3 7x 轴进给机构图2 5 图3 8 消隙齿轮结构图2 7 图4 1 主传动系统图一3 2 图4 2 主传动系统转速图3 3 图4 3 x 进给轴传动关系图3 4 图4 4x 轴进给链传动路线图3 4 图4 5 刀架滑板受力示意图3 7 图4 6 主轴箱传动关系示意图3 8 图4 7 径向进给滑板的径向进给量与主轴转速之间的内联传动链3 9 图5 1 主轴部件的结构简图4 4 图5 2 主轴三维图一4 4 图5 3 主轴有限元模型图4 5 图5 4s o l i d 9 2 单元示意图4 5 图5 5 主轴静力变形图4 6 i v 硕十学位论文 图5 6 主轴第一阶振型5 0 图5 7 主轴第二阶振型5 0 图5 8 主轴第三阶振型5 0 图5 9 主轴第四阶振型5 l 图5 1 0 主轴第五阶振型5 1 图5 1 1 主轴谐响应幅频曲线图5 6 图5 1 2 主轴箱箱体简化图5 7 图5 1 3 主轴箱网格划分有限元模型一5 7 图5 1 4 主轴箱一阶振型图5 8 图5 1 5 主轴箱二阶振型图5 9 图5 1 6 主轴箱三阶振型图5 9 图5 1 7 主轴箱四阶振型图5 9 图5 1 8 主轴箱五阶振型图6 0 图5 1 9 主轴箱改善后的模型6 0 v 数控多刀管螺纹机床主轴箱的设计与研究 附表索引 表2 1 机床尺寸参数表1 0 表2 2 机床技术参数表1 1 表4 1 各种控制类型电机的比较3 5 表4 2s i e m e n s 伺服电机型号及参数3 6 表5 1s o l i d 9 2 单元的输入参数4 6 表5 2 特征值和特征向量的提取方法4 7 表5 3 主轴前五阶无阻尼振动固有频率( h z ) 4 9 表5 4 主轴箱前5 阶模态5 8 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：审交向 日期：游月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：) 导师签名： 日期：2 0 l o , - 年 日期：却j o 年 6 只| f t 6 月f日 硕士学位论文 1 1 课题背景与意义 第1 章绪论 制造业是体现一个国家综合实力的重要方面，是国家财富的主要创造者， 世界上凡是发达国家都拥有高水平的制造业。而装备制造业做为整个国家工业 部门的装备提供者，其水平的高低决定了我国制造业的国际竞争力，特别是我 国加入到w t o 以后，行业竞争更加激烈，己经关系到我们国家现代化的进程和 民族的复兴，因此提高我国装备制造业的水平具有重大的理论和现实意义。 随着国民经济的发展，人们对物料输送管道的需求量逐渐增大，如在海洋 及陆地上用于油气、石油及天然气的管道运输、以及用于煤及矿浆等介质的管 道运输，。随着国民经济的高速发展，铁路、船舶、汽车已不能满足日益增长的 液体、气体的运输任务，目前，世界上工业发达国家对液体、气体及煤均采用 管道运输。管道口径大( 多采大管径，最大为由1 4 2 0 m m ) 、压力高( 多在7 5 m p a 以上，最高为1 0 m p a ) 、输送量大( 多在3 0 0 亿m 3 ) ，要求安全可靠，因此，对管 道提出了更高的要求。在能保证螺纹加工质量的前提下，力图提高大口径管子 生产率是管螺纹机床必须具备的基本功能。 管螺纹加工机床属于专用高效率机床，对这种机床的技术要求主要表现为： ( 1 ) 高切削效率；( 2 ) 高自动化；( 3 ) 高加工精度。目前，由于国际石油价格持续高 价位增长，大大推动了世界范围内对石油、天然气的开发。随着国内油井管市场 需求的剧增，我国出现了一轮从外国大量进口管螺纹加工机床和国内研究制造管 螺纹专用机床的局面。鉴于进口机床价格昂贵及目前国内管螺纹加工机床不能满 足大直径管螺纹加工需求的问题，应国内一家机床厂的要求，对大直径数控管螺 纹机床进行了研制。 1 2 管螺纹概述 管螺纹主要用来进行管道的连接，使其内外螺纹的配合紧密，有直管和锥 管两种。常见的管螺纹主要包括以下几种：n p t 、p t 、g 等。 ( 1 ) n p t 是n a t i o n a l ( a m e r i c a n ) p i p et h r e a d 的缩写，属于美国标准的6 0 度锥管螺纹，用于北美地区，国标查阅g b t 1 2 7 16 19 9 l 。 ( 2 ) p t ( b s p t ) 是p i p et h r e a d 的缩写，是5 5 度密封圆椎管螺纹，属于 惠氏螺纹家族，多用于欧洲及英联邦国家，常用于水及煤气管行业，锥度l ：l6 ， 国标查阅g b t 7 3 0 6 2 0 0 0 。国内叫法为z g 。 ( 3 ) g 是5 5 度非螺纹密封管螺纹，属惠氏螺纹家族。标记为g 代表圆柱 数控多刀管螺纹机床主轴箱的设计与研究 螺纹。国标查阅g b t 7 3 0 7 - 2 0 0 图11 石油管螺纹图 欧洲围家和英联邦围家首先接受了英制管螺纹标准。i s o t c 5 s c 5 管螺纹标 准化技术委员会及其秘书处受欧洲国家控制，英制管螺纹标准被i s o 标准采用。 1 9 5 5 年，i s o 提出英制密封管螺纹标准( i s or 7 ) ；1 9 6 1 年，i s o 提出英制非 密封管螺纹标准( i s or 2 2 8 ) 。1 9 7 8 年，i s o 颁布了两种英制管螺纹的正式标准 ( i s 0 7 1 和i s 0 2 2 8 1 ) 。目前英制管螺纹己被北美洲以外的国家所普遍接受， 广泛的应用于国际贸易中。 i s o 标准内的英制管螺纹已转化为米制单位制。英制管螺纹的米制化方法非 常简单，将原来管螺纹的英寸尺寸乘咀2 54 就转化为毫米尺寸。英制管螺纹尺 寸在被淘汰的问题。所谓要使用真正的管螺纹标准是不现实的。这里不存在真 米制管螺纹与假米制管螺纹之分。 本机床主要适用于锥管螺纹的加工，可实现圆柱、圆锥、圆弧面、公英制 内外直螺纹或锥螺纹加丁，发管子端而、管口内外倒角、车锥度、车螺纹等工 序的加工，特别适合于大口径、大长度的石油管类零件端部锥螺纹( a p i 和c o s t 标准的螺纹) 的加工，如图i1 所示。 1 3 国外管螺纹加工设备现状 目前，世界各国主要执行的螺纹管产品的技术标准是美国石油学会的a p i 技术 标准。对于管螺纹加工机床来说，如果加工美国a p i 石油学会标准规定的圆螺纹、 偏梯形螺纹，则要求在根短的时问内，在机床上完成人批量地同规格、同等级、同 类型的油井管管螺纹切削所需要进行的车外圆、车螺纹、平端面、倒内外棱等工序， 因此对机床的切削效率提出了很高的要求。尽管管螺纹加工对机床的其他功能和所 需的工序要求不多，相对并不复杂，但是对加工速度、切削效率却要求较高。近十 几年来，国外管螺纹加工机床设计制造技术在不断发展具体表现在以下几个方面： 硕十学侍论文 多刀架，多刀位、多轴控制、全自动；快速上卸料，快速定位，高效，专用； 在高压大流量冷却条件下高速切削，强力切削：充分满足特殊螺纹加工的多种 需到13 1 。 总体来讲，国外管螺纹加工机床经过几十年发展基本已形成比较固定的模式， 属于相对比较成熟的机床产品，并逐步形成了几家专业化的典型的设计制造厂，主 要是美国p m c 公司、比利时高力耐公司、德国m e e r 公司等。 美国p m c 公司是一家专门设计制造管加工设备的公司，历史悠久，经验丰 富，在管加工设备制造上具有独到之处。p m c 公司设计制造的管加工设备具有 以下特点【1 4 j ： ( 1 ) 所有的p m c 机床都采用工件固定、刀具旋转的加工方式。p m c 公司 是这种新型结构的管加工设备的开拓者，第一台钢管固定、刀具旋转的管体车 丝机于1 9 4 5 年问世，第一台接箍车丝机建于1 9 6 0 年，而第一台钢管固定的切 管机于1 9 6 3 年被制造出来。 ( 2 ) p m c 机床既可采用高速钢刀具又可采用碳化钨刀具。 ( 3 ) 机床的主轴均安装在重载的精密耐磨轴承中，从而保证加工精度。 ( 4 ) 机床的主轴由变速范围大的直流电机传动，并由最现代的电控设备进行 控制。p m c 公司于1 9 8 3 年首次采用计算机数控技术，第一台c n c 管体车丝机( 4 7 0 型) 和第一台c n c 接箍车丝机( 10 0 7 型) 均产于1 9 8 3 年。 ( 5 ) 机床的床身都装有淬硬并研磨过的可以更换的衬垫，使用寿命长又容 易维修。 ( 6 ) 机床部件如卡盘、主轴箱和床身等用铸钢件或厚铁板焊接制造，从而 提高机床的整体刚性。 美国p m c 公司采用的加工管体的方式是管体不动，刀具旋转进给，而法国克里 丹公司、德国曼内斯曼公司、比利时的高力耐公司等采用刀具直线进给、管体旋转 的切削方式，他们目前设计制造的机床大都是采用多刀多刃强力切削技术，增加了 刀台和刀位数量，提高机床主轴电机的功率以及转速，改进辅助功能加快进料，完 善钢管夹紧系统，采用强制制冷系统，大大提高了管螺纹加工机床的生产效率。 除了上述几家公司之外，虽然还有其他一些也能够提供管螺纹加工机床的厂 家，如美国的英格索尔，日本的大隈、森精机、马扎克，韩国的大宇等公司，但大 都是在通用机床的基础上改进而成的，没有钢管的快速夹紧、快速定位系统；没有 辅助夹紧及内支撑系统；没有多刀架、多刀位的刀具系统；没有快速上卸料的辅机 系统。所以，其加工效率、自动化程度、专业化水平等都与上述专业化管螺纹机床 制造厂的产品存在较大的差距。 1 4 国内管螺纹加工设备现状 长期以来，大部分国内管子车床的加工模式与普通车床的加工模式相似，结 构上也大体一样，这类车床都是以工件的旋转运动作为主切削运动，刀具做轴向 3 数控多刀管螺纹机床主轴箱的设计j 研究 进给运动和径向进给运动，来完成管螺纹的加工。目前国内这类机床有许多厂家 生产，如天水星火，山东三正，山东聚龙等。只有沈阳第一机床厂生产管子不旋 转的专用大口径管螺纹机床s u c 8 1 0 5 ，下面分别对这两种管螺纹机床加以介绍。 1 4 1 管子旋转式管螺纹机床 这种数控车床在加工螺纹时，其径向进给链不是采用机械传动链实现的，而 是通过主轴编码器、数控系统进给驱动装置、进给电机、丝杠、刀架、刀具来实 现螺纹加工【5 , 1 5 - 2 4 。 车削螺纹时，主轴转一圈，编码器c 相产生一个零位脉冲同步信号，在每次开 始扫描c 相同步信号。数控系统检测n c 相信号到来时开始切削，否则处于等待状 态。这样就保证每次切削的初始位置在被加工工件圆周的某一定点位置上，防止 了多次切削乱扣现象发生。对多头螺纹的切削，可以将a 相信号与c 相信号结合起 来进行多头的分度。主轴转一圈a 相输出n 个脉冲，若切削k 头螺纹，一条螺纹以c 相信号作为切削开始点切削完成后，则按n k 分度。其具体实施是，切削第二条螺 纹时，扫描到c 相信号后，再接着扫描a 相信号的第n k 个脉冲，以此位置作为第 二条螺纹的切削开始点。依次类推，切削k 条螺纹时，依据c 相信号和a 相的 ( k 一1 ) ( n k ) 个脉冲处作为切削开始点，直n k 条螺纹全部切削完成【3 2 d 引。 x 图1 2 管螺纹加工控制原理图 主轴脉冲发生器与主轴同步旋转，数控系统可根据螺纹导程t 和主轴脉冲信 号，控制刀具在z 方向进给，以确保主轴转一圈，刀具在z 向进给一个导程t 。其原 理是将对应主轴每转的编码器a 相脉冲数n 与对应螺距t 所需的进给脉冲当量数l 的比值n l ( 由数控系统计算) 作为计数常数，存入计数器中。车削螺纹时主轴旋转， 数控系统每接受到主轴编码器送来的( n l ) 值个a 相脉冲，就发出一个进给脉冲， 使刀具沿z 方向进给t l ，这样就实现了主轴转一圈，螺纹车刀精确地z 向进给一个 导程t 【3 ，l o ，36 1 。 4 硕士学似论立 此类管螺纹机床当加工管子口径较大( 中2 0 0 m m 以上) 且长度较长( 5 0 0 0 m m 以 上) 时，存在些困难：如由于管予长，质量大，装央比较困难，主轴带动这样的 管子做旋转运动，不仪产生极大的振动和噪音，而且影响加工精度和表面质量， 所以提高机床的精度和生产效率有很大的困难。 1 4 2 管于不旋转式管螺纹机床 在国内，沈阳第一机床厂生产管子不旋转的专用大口径管螺纹机床s u c 8 1 0 5 ， 这种机床为两坐标连续控制加工的c n c 莉l 床，具有较高的柔性，性能可靠、加工精度 高，能车公制、英制螺纹，直、锥螺纹，多头螺纹等。与同类产品相比，它的优势 在于主轴轴承小，适于高转速。加工工件不随主轴旋转，丰电机消耗的功率小， 在加_ _ 【= 过程中噪音小。 团 i 啡一 图13s u c 8 1 0 5 型数控管螺纹加工车床 s u c 8 l0 5 机床的技术核心在于具有径向进给功能的“数控切削平旋盘”部件。 其径向进给运动是由主轴后面的伺服电机、蜗轮蜗杆、行星轮系、锥齿轮副、 丝杠螺母副、刀架完成的，结构如图i7 所示，可以看出，该机床的径向进给系 统是山一套复杂的机械传动链构成，而且还是单刀工作方式。 s u c 8 1 0 5 机床虽然是管于不旋转，刀具旋转的用于加工大1 3 径管子螺纹的 机床，但是，已报导的这种机床仅限于只有一维方向的刀具径向进给运动，因 为只有一维方向的刀具径向进给运动，而管子螺纹有多个需要加工的要素，如 果将所需要的几种川具全部安装在同一块滑板e 随滑板在旋转中做径向运动， 则在加 工过程中进行更换刀具的便捷程度就受到了限制。也就限制了进步提高 机床生产率的可能性。这种机床均采用机械结构的差动机构实现运动合成。但 是，由于机械结构差动机构的存在，导致机构复杂，增加了传动链误差。也正 是因为机械结构差动机构的存在，在空间上限制了机床向具有多维径向运动的 数控多刀管螺纹机床主轴箱的设计与研究 图14s u c 8 1 0 5 机床数控切削平旋盘示意图 功能发展的可能性。因此，该管螺纹机床虽然实现管子不动的情况，完成管螺 纹的加工，由于要换刀( 只有一把刀工作) ，因此，它的加工效率还是不够高， 且成本较高。 1 5 国内机床加工大口径管螺纹时存在的问题 国内管螺纹加工方式大都是采用管子做旋转主运动，刀具做进给运动。针 对大直径管子( 大于巾1 0 0 m m ) ，管子长( 大于5 m ) 的加工，存在下面几个问 题： ( 1 ) 管子的安装比较困难，由于大口径管子质量大，惯量大，所以让它旋 转起来，必然会降低管子的定位和夹紧精度。 ( 2 ) 使机床的制动、启动、系统复杂化。 ( 3 ) 使机床本身的功耗增大，由于主轴带动太质量管予做旋转运动，所以 难免会使机床主运动功耗增大。 ( 4 ) 提高机床的精度和生产效率是很困难的。 ( 5 ) 虽然有管子不动的加工机床，但仅是单刀工作方式，效率还不够高。 基于国内管螺纹存在的 述固有问题，本课胚着手于对管子的加工方式进 行改变，进一步考虑机床传动方案，确定出一种新式加工管螺纹的高效率机床 总体方案。本课题主要研究目标就是研究并制造出一台高效、高性能的数控多 刀管螺纹机床【3 。4 ”。 1 5 论文主要研究内容 本论文基于兰卅理工大学与受企业委托合作研究设计的项目“q k i2 6 0 数控 硕+ 学位论文 多刀管螺纹机床”，本课题所研究设计的工件( 管子) 保持不动，刀具完成切削 螺纹的所有运动要素的数控多刀管螺纹加工机床，是一种全新的管螺纹加工机 床。完成该机床的研究必须解决如下几个方面的问题： ( 1 ) 分析现有管螺纹机床的加工方式及加工原理，找出了其加工大口径，大 长度管子时存在的缺陷，最终构想出设计一台工件静止不动，刀具进行复合运动， 并且能够多刀同时工作的高效率管螺纹机床为本课题的设计目标； ( 2 ) 机床为实现自动化加工而必须具备的工件自动加紧、运动部件自动循环， 以及机床总体结构的研究设计，确定了机床的主要技术参数和机床的控制系统方 案； ( 3 ) 针对机床的设计目标和传动要求，设计出主轴箱的主要传动零部件：主 轴组件、齿轮组、进给机构传动链、消隙齿轮： ( 4 ) 遵循数控机床传动系统的要求，研究了刀具在进行回转切削运动的同时， 实现径向进给运动的传动链如何实现，及其径向进给传动链结构的研究设计，并 且研究了用电子传动链代替机械传动链实现径向进给传动的运动合成算法； ( 5 ) 论述了有限元静力学和动力学分析的基本求解过程，建立了主轴和主轴 箱的有限元模型，合理的确定了载荷，选定了单元类型，进行了静力分析、模态分 析和谐响应分析，校核和改善了主要部件性能。 以上逐项在本课题的研究中均得到了很好的解决，其中：径向进给运动的传 动链结构、用电子传动链代替机械传动链实现径向迸给传动的运动合成算法的研 究、以及机床总体结构的设计，已申报发明专利。 在解决了以上逐项的研究后，本课题已完成了全部工程图的设计。 1 6 本章小结 本章主要简述了课题的研究背景、内容和意义，介绍了国内外管螺纹机床的 工作原理和管螺纹机床的现状，在此基础上，根据国内管螺纹机床加工大直径、 大长度管子时，存在的技术缺陷，构想出设计一台工件静止不动，刀具进行复合 运动，并且能够多刀同时工作的高效率管螺纹机床为本课题的设计目标。 7 数控多刀管螺纹机床士轴箱的醴训与研究 第2 章数控多刀管螺纹机床总体设计 2 1 机床方案设计 2 1 1 机床的布局 本机床采用单面卧式的布局形式，如图21 所示。这种布局的特点是：机殊以 床身作为水平面定位基准，主轴箱及主电机安装在同一动力滑板上，z 向进给装置 驱动动力滑板完成z 向进给运动；平旋盘安装在主轴上，随芋轴旋转；定心夹具通 过夹具底座安装在床身导轨上；机床的轮廓高度较低，机床的敞开性比较好，方 便工件的装卸和机床的维护；主轴箱的重力垂直作用于动力滑台上。动力滑台驱 动力仅需克服切削力和摩擦力，所以滑台的运行稳定可靠而且容易掌控。 图21 机床总体布置圈 1 一土轴箱；2 一z 向进给装黄：3 一半旋盘4 一定心夹5 一床身仁操作及控制柜 2 1 2 机床的主要部件 机床由主轴箱、定心夹具、z 向进给装置、平旋盘、床身、操作及控制柜、刀 具、工具、捡具以及冷却润滑等部件和电气、液压控制系统构成，主轴箱将在第3 章介绍，下面主要介绍：平旋盘、z 向进给装置、床身和定心灾具 1 。” 。 ( 1 ) 平旋箍 平旋盘是在主轴的前部安装的一个旋盘，旋盘与主轴同步旋转，在旋盘上设 置一个可以沿旋盘作径向运动的滑板，滑板的径向运动与旋盘的旋转运动柬自不 鞲 同驱动系统，由于滑板是在随旋盘作旋转运动的同时又要在旋盘上作径向运动， 因此两个不同的驱动系统必须借助运动合成机构来实现滑板的平面运动，安装在 惜板上的刀具才有可能实现在旋转的同时做径向移动的切削运动。浚机床的平旋 盘上均布的安装着六组相同的径向进给装置，每套由伞齿轮，丝杠螺母副，直线 导轨，刀架构成，其结构如图22 所示，花盘通过1 ：1 2 的锥孔与主轴配合，与主轴 一起旋转。 图22 平旋盘结构图 ( 2 ) z 向进给装霄 本机床z 向进给装置由z 轴滑板、床身导轨、z 轴伺服电机、同步齿形带及齿 形带轮、丝杠螺母副等构成，其工作原理是：采用同步齿形带将伺服电机的运动 和动力传到丝杠上，最终由丝杠带动固连在螺母上的z 轴滑板实现z 轴进给运动。 其特点是：利用齿形带的齿轮与带轮的轮齿依次啮合传递动力，因而兼有带传动、 齿轮传动及链传动的优点，且无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，而 且齿形带的强度高、厚度小、重量轻、故可用于高速传动。齿形带无需特别张紧 故作用在轴和轴承上的载荷小，传动效率也高，现已在数控机床上广泛应用。 ( 3 ) 床身 床身采用课题委托企业的现有床身作为基础，由于本课题设计机床的丰轴箱 做z 向进给运功，所以要在现有的床身上做部分修改，床身中间部位，需增加两个 凸台，以便安装z 轴进给装置。改造后的床身为卧式结构，剐性好。床身上的导 轨为矩形导轨，摩擦系数低，刚性高，加工和检验和维修都比较方便，精度高， 滑板在其r 运动平稳，灵活，机床工作精度稳定保持性好。 数控多刀管螺纹机床主轴箱的设计与研究 ( 4 ) 定心夹具 数控多刀管螺纹机床是一种自动化程度较高的机床，因此，在设讨央具时， 除考虑到实际工作需要的功能外，还特意设计了自动夹紧装置，该装置如图2 4 所 示。主要由f 反丝杠2 、左滑块3 、左v 形块4 、左滑板8 、右v 形块7 、液压马达9 、 夹具底座6 等构成。工作时，由液压马达9 带动作用滑板3 和8 同时向相反方向移动， 从而带动周定在滑板上的左、右v 形块加紧或放松管子，起到定位和加紧的目的。 图23 定心夹具示意图 l 一丝杠座：2 一止反丝杠：3 一左滑板；仁左v 形块：5 一管子：仁夹具底座； 7 一右v 彤块：8 一左滑板；9 - 液压马达 2 2 机床的功能部件尺寸参数 该机床为全新设计的管螺纹机床，考虑到机床是一个整体系统，在各个功能 表2i 机床尺寸参数表 长3 0 0 0 毫米 床身 宽9 7 0 毫米 高6 0 0 毫米 长 12 0 0 毫米 主轴箱宽1 0 0 0 毫米 高1 0 3 5 毫米 长 5 5 0 毫米 定心夹具 宽 1 i8 2 毫米 高825毫米 平旋盘 直径i i o o 毫米 厚 2 3 5 毫米 硕士学位论文 部件的设计过程中，需要考虑各部件之间的相对尺寸，这样才能从整体上对机 床进行设计。根据机床总体设计目标，确定了机床各功能部件的尺寸参数，为 下一步具体功能部件的设计确定了主要尺寸，如上表2 1 所示。 2 3 1 主要参数 表2 2 机床技术参数表 数控多刀管螺纹机床t 轴箱的设计与研究 2 3 2 机床的加工范围 该机床适用于直径在10 0 - - 5 5 0 m m ，长度在5 l o m 范围的各种石油套管两端的 直( 锥) 螺纹的加工。 2 4 机床的工作原理 本机床是采用半闭环数控系统，其工作原理是：利用主轴编码器将主轴的转 速反馈给控制单元，由控制单元依据检测到的主轴旋转信号，控制进给电动机的 进给，实现车螺纹所要求的比例关系( 主轴转一圈，刀架带动螺纹车刀在z 向精确 地移动一个螺距) ，切削出符合要求的螺纹。其径向进给是本机床的核心技术，如 图2 6 所示，利用运动合成原理，通过差动轮系将主轴的运动和径向进给链上半段 行星轮的运动合成起来，然后通过锥齿轮转变传动方向，通过丝杠带动刀架实现 径向进给运动。最终将进给电机的旋转运动转化为径向移动滑板沿平旋盘的径向 进给运动【1 4 - l7 1 。 图2 4 数控多刀管螺纹机床工作原理图 2 5 机床的运动形式 该机床有三轴驱动，分别是c 、x 、z ，其中c 轴驱动刀具旋转( 即主轴) ，实 现主运动，x 轴控制刀具的径向进给运动，实现对工件轮廓锥度的加工，z 轴则根据 主轴编码器的反馈信号，相应实现机床纵向进给运动。 该机床结构和坐标定位见图2 5 所示( 图2 5 只画出了径向进给的一条传动链， 其余两条结构上与图2 5 所示相同) 。机床要求x 、z 实现两轴联动，可以加工锥管 1 2 硕十学位论文 螺纹。 图2 5 数控多刀管螺纹机床结构和坐标定位 2 6 机床的控制系统 机床采用开放式数控系统，开放式数控系统的核心是具有开放性的运动控制 器。本机床采用p m a c 运动控制器，它是美国d e l t at a us y s t e m 公司遵循开放式系 统体系结构标准开发的开放式可编程多轴运动控制器。p m a c 多轴运动控制器是世 界上功能最强的运动控制器。最终开发出，人性化的主控面板操作，参数命令输 入方式，自动和控制程序的方式，方便操作，降低操作者误操作的机率。 ( 1 ) z 轴位置控制 采用同步齿形带将伺服电机的运动和动力传到丝杠上，最终由丝杠带动固连 在螺母上的z 轴滑板实现z 轴进给运动。z 向滑板采用了半闭环控制方式。 ( 2 ) x 轴位置控制 由于在加工过程中，刀具随平旋盘一同旋转，所以对x 轴位置实时检测就比较 困，为此，对x 轴位置采用停车检测的方式，即加工一段时间后，对x 轴位置进 行检测，并且将该数值反馈给数控系统，进行零位校核，以减小累计误差，提高 机床的加工精度。 2 6 本机床的创新点 ( 1 ) 采用行星轮系机构的运动合成原理，使多刀在承担旋转主运动的同时 实现径向进给运动； ( 2 ) 利用电子传动链代替机械传动链，即通过数控系统的软件实时计算功能， 数控多刀管螺纹机床主轴箱的设计与研究 实现平旋盘旋旋转而刀架进给量为零时，径向进给电机所需的基本转速即基本( 见 4 3 2 节) ，最终完成机床螺纹加工的全数字控制； ( 3 ) 采用三条独立的径向进给链，实现机床多刀按程序工作的功能。 2 7 本章小结 按照机床的一般设计规律，对机床进行了总体方案的设计，制定了机床的坐 标轴数，确定了机床的主要技术参数和机床的控制系统方案。 1 4 硕士学位论文 第3 章机床主轴箱主要结构件设计 主轴箱中的传动机构包括定比机构和变速机构两部分，前者仅用于传递运动 和动力，或进行升速和降速，一般采用齿轮传动副，后者用来使主轴变速，通常 采用滑移齿轮变速机构，因其结构简单紧凑，传动效率高。 数控多刀管螺纹机床最多可一次装夹六把刀，其中三把刀可以同时工作，采 用三条独立的传动链，每条传动链可以带动两个径向移动滑板移动，一次可以安 装六把刀具分三组工作，其中每一组可以独立工作，刀具的选择是由径向进给伺 服电机控制，要实现多刀切削的功能，必须要有相应的传动机构，在本机床的设 计中，通过结构创新和机构变型设计了以下零部件。 3 1 主轴组件的设计 3 1 1 对主轴组件性能要求 主轴组件是机床的重要组成部分，它包括主轴、轴承以及安装在主轴上的传 动件机床工作时，主轴要夹持着工件或刀具共同完成表面成形运动，所以，主轴 组件的工作性能将直接影响加工工件的质量和机床生产率。 与一般传动轴一样，主轴也要在一定的转速下传递一定的扭矩。但是主轴要 带着工件或刀具参与切削工作，以形成工件表面。所以，一台机床的加工质量在 很大程度上决定于主轴组件的质量。主轴组件要传递扭矩，直接承受切削力，主 轴组件是机床最主要最关键的部件之一。它的性能，对机床整体性能有很大的影 响。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴组件的主要性能特提出 如下要求 1 8 - 2 0 】： ( 1 ) 回转精度 主轴组件