环状工件钻攻一体机结构与控制系统设计_曹希明.pdf
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1、收稿日期:20220606环状工件钻攻一体机结构与控制系统设计曹希明,吉晓民,章铭铭(西安理工大学 艺术与设计学院,西安710054)摘要:用于石油套管固井作业的某环状工件,其周向孔加工存在孔位误差大、螺纹精度低、自动化水平不足等问题,严重限制生产效率。针对上述问题,提出一款环状工件钻攻一体机。以全规格适配、多工艺一体为目标,对环状工件钻攻一体机的总体布局进行规划,以确定机床的机械结构以及控制系统方案。依据机械结构方案设计钻攻装置和回转分度装置,并完成进给电机、主轴电机和分度电机的计算选型。基于控制系统方案搭建机床控制系统架构,在WPL Soft环境下编写PLC钻攻程序和分度程序,并利用DOP
2、 Soft完成人机界面设计。成品测试结果表明,钻攻一体机实现了一次夹装加工完成钻孔、攻丝两步工序,相较于现行生产工艺,简化了生产流程,降低了人力和时间成本,提升了孔位精度和加工效率。关键词:钻攻一体机;PLC控制系统;伺服系统;人机界面中图分类号:TP23文献标志码:A文章编号:10099492(2023)03014107Design of Structure and Control System of Drilling and Tapping Machine forAnnular WorkpieceCao Ximing,Ji Xiaomin,Zhang Mingming(School of
3、Art and Design,Xian University of Technology,Xian 710054,China)Abstract:There are some problems in the circumferential hole machining of a annular workpiece used in oil casing cementing operation,suchas large hole position error,low thread accuracy,insufficient automation level and so on,which serio
4、usly limit the production efficiency.In viewof the above problems,a annular workpiece drilling and tapping machine was proposed.With the goal of full specification adaptation and multi-process integration,the overall layout of the annular workpiece drilling and tapping machine was planned to determi
5、ne the mechanical structureof the machine tool and the control system scheme.According to the mechanical structure scheme,the drilling and tapping device and rotaryindexing device were designed,and the calculation and selection of feed motor,spindle motor and indexing motor were completed.Based on t
6、hecontrol system scheme,the machine tool control system architecture was built,the PLC drilling program and indexing program were written inthe WPL environment,and the human machine interface design was completed by using DOP soft.The finished product test results show thatthe drilling and tapping i
7、ntegrated machine can complete the two steps of drilling and tapping in one clamping process.Compared with thecurrent production process,the production process is simplified,the labor and time cost is reduced,and the hole location accuracy andprocessing efficiency are improved.Key words:drilling and
8、 tapping machine;PLC control system;servo system;human machine interface2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.029曹希明,吉晓民,章铭铭.环状工件钻攻一体机结构与控制系统设计 J.机电工程技术,2023,52(03):141-147.0引言随着科技的不断发展,自动化生产线的生产模式在工业生产中发挥越来越重要的作用,已成
9、为当今制造业的主流1,而面向制造业的自动化技术也正向着实用化、集成化以及智能化发展2。针对生产线的自动化升级,国内外学者进行了大量的研究与应用。文献3-5将自动化加工单元如数控机床、工业机器人融入相关生产线,提升了工件的加工质量和加工效率。在工业自动化控制方面,文献6-8以PLC为基础设计控制系统,实现逻辑控制和管理。PLC具有开放性高、稳定性强等优点9,可促进其控制系统朝着模块化、智能化、网络信息化方向发展。上述文献为生产线自动化升级提供了丰富的优化方法,但针对环状工件周向孔自动化加工的研究还较少。目前用于固定石油管道的环状工件的生产工艺为落料冲孔卷圆焊接打磨攻丝。常规环状工件周向分布48个
10、孔位,加工时需要使用手摇升降攻丝机进行手动攻丝,大量的人工重复作业影响了加工精度,降低了生产效率。同时,卷圆会导致通孔形变,焊接也会使焊缝两侧孔位产生较大误差,进而影响后续锁丝工艺。本文面向多型号、大批量的环状工件加工,提出一种钻攻一体机。利用回转分度装置及钻攻装置作为执行机构,结合执行机构的运动条件和工件材料属性,对机床相关电机进行计算选型;以 HMI+PLC 为基础,搭建141“一主多从”式控制架构,在WPL Soft环境下设计钻攻程序与分度程序,并基于DOP Soft设计机床的人机操作界面;对机床样机进行测试,验证环状工件钻攻加工系统的可行性。1总体结构方案1.1工件特征分析环状工件材料
11、为 Q235普通碳素结构钢,周向均布48个螺纹通孔,螺纹型号为N-1/2-13UNC。最小环内径为102 mm,最大环内径为254 mm,环壁厚均为6 mm,具体规格如表1所示。由此可见,加工零件的特点为待加工孔位周向均布,孔大小、深浅相同,内螺纹型号相同,环壁厚一致。但不同规格的环状工件,其内径尺寸差距较大,且壁厚较薄,加工时易产生形变。焊缝处作打磨处理,视觉区分明显,焊缝处强度较低,应避免于此处加工。1.2总体设计方案现有的多孔加工设备大致可分为两类:一类为自动化生产线和自动化加工中心;另一类为仿形加工机床10。前者自动化程度高,加工质量优良,但是设备成本高、维修难。后者自动化程度较低,加
12、工误差较大。因此,结合环状工件加工特性,设计一款针对多型号、大批量工件加工的钻攻一体式机床,如图1所示。该机床一次夹装便可完成钻孔和攻丝工艺,简化了加工步骤,提升了设备自动化水平,可解决现有加工工艺效率低、加工质量较差的问题。所设计的钻攻一体机包括:机床底座、回转分度装置、钻攻装置、防护罩、排屑机构、运动控制系统和冷却系统。回转分度装置包括立式回转工作台、气动卡盘和卡爪;加工装置由动力头和线性滑台构成。机床控制系统采用HMI作为上位机,以PLC作为下位机,结合伺服交流驱动器进行逻辑控制,伺服电机作为驱动元件带动传动机构工作。该钻攻一体机具体工作流程:通过上位机输入加工参数,人工上料并发出开始指
13、令;通过电磁阀操纵气动卡盘夹紧工件,动力头接收信号进入钻孔程序;经过过渡阶段进入攻丝程序并退刀,回传工作台带动环状工件完成工位转换,再次进入钻攻程序;最后动力头退刀、卡盘复位完成加工。2硬件结构设计与电机选型理论上,周向螺纹孔圆心处于工件对称轴上,安装时需确保动力头主轴与工件对称轴重合,如图 2所示。工件周向孔数量分别为4、6和8个,为适配所有型号工件的加工,机床底座均匀分布有四动力头与六动力头的安装座位,如图3所示,其中有一组相对底座可供两者共用。加工 4孔工件,可调用四动力头进行一次加工;加工8孔工件,可调用四动力头进行二次加工。加工6孔工件,可调用六动力头进行一次加工。本机床暂定为人工上
14、下料,从人机工程学角度出发,结合站姿双臂作业近身空间模型确定相关参数11:机床装夹作业面高度为135145 cm,工件加工位与人体操作位距离约45 cm。防护罩四面设透明移动门,方便动力头换位以及观察机床工作时的工件状态。2.1钻攻装置2.1.1钻攻装置结构设计钻攻装置作为机床的重要部件,承担钻孔和攻丝的任务。如图4所示,所设计的钻攻装置包括:动力头1、定位抱箍2、连接法兰3、线性滑台4、定位底座5和摇表1环状工件规格内径/mm102115127141孔数N4444内径/mm183245254孔数N688图1钻攻一体机结构图1钻攻一体机结构图2工件和钻头相对位置(a)六动力头安装座位(b)四动
15、力头安装座位图3加工位布局示意2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期142轮装置6。为适配所有工件的加工要求,钻攻装置有四工位安装和六工位安装两种模式。前者安装底座之间互成90,后者互成60,因此两者可共用一组相对的安装底座以节约成本。环状工件半径最大差值为76 mm,超过动力头最大进给加工行程,因此在底座增设手摇线性滑台,根据不同规格工件的尺寸调整动力头径向位置,以满足加工需要。其中,丝杠通过联轴器与手轮连接组成手摇丝杠机构。手摇丝杠穿过定位底座的侧孔,丝杠支撑座与定位底座5通过螺栓连接,丝杠滑块与线性滑台4之间使用螺钉紧固连接。线性滑台4上端面开设螺纹孔,定位抱箍2可以与线
16、性滑台4通过法兰进行连接紧固。定位抱箍2分为上盖和底座,二者通过螺栓紧固,抱箍内径稍小于动力头主轴臂外径。动力头1采用双伺服钻攻一体机,切削电机负责主轴旋转,进给电机负责主轴进给。如图5所示,钻头为复合刀具,工作时先钻孔后攻丝。钻头前端为麻花钻,中间设过渡段,后端为丝锥。2.1.2动力头主轴电机选型环状工件螺纹为美制螺纹,型号N-1/2-13UNC,即粗牙系列的统一螺纹,螺纹牙型角60,公称直径1.27 cm(0.5英寸),螺距为0.195 cm(1/13英寸)。根据工件材料和螺纹公称直径计算出攻丝前钻底孔用钻头直径dz=10.7 mm,计算公式如式(1)所示:dz=25.4()d 1n(1)
17、式中:dz为攻丝前钻头直径(mm);d为螺纹公称直径(英寸);n为每英寸牙数。由于钻孔的切削功率大于攻丝切削功率,以钻孔所消耗的功率和扭矩作为电机选型依据。麻花钻(图 6)作为钻孔工具被广泛使用,其材料为钨钼钢,钻头外径d0=10.7 mm,顶角=118。依据相关设计手册,设定主轴转速n=600 r/min,进给量f=0.3 mm/r。由此可确定相关钻削要素,钻削参数计算公式如下:v=d0n1000(2)ap=d0/2(3)ac=f2sin2(4)aw=d02sin2(5)式中:v 为切削速度即钻头外径处的主运动速度,v=0.336 m/s;ap为钻削深度,ap=5.35 mm;ac为切削厚度
18、,ac=0.13 mm;aw为切削宽度,aw=6.29 mm。确定相关要素具体数值后,根据环状工件材料Q235,查阅相关手册,其单位切削力p2 000 N/mm2,则根据公式(6)(8)求得钻孔主切削力Fz、所消耗功率Pm以及主轴负载扭矩Tm,计算公式如下:Fz=pAc=pacaw(6)Pm=papfv 10 3(7)Tm=Fzd0(8)式中:Ac为切削面积;d为主切削刃负载扭矩占比,d80%。求得主切削力 Fz=1 605 N,主轴消耗功率 Pm=1.08 kW,主轴负载扭矩Tm=21.5 Nm。钻孔时设备需承受少量的轴向载荷,因此设定电机选用单级圆锥齿轮减速器,其减速比n=2,传动效率h1
19、=95%,以此计算出主轴电机钻孔时所需参数如表2所示。以电机钻孔参数为依据对主轴电机进行选型,则电机额定功率Pn1.14kW且额定扭矩Tn11.3 Nm。选择电机型号为 ECMC-EW1830S,其额定功率 P=3 kW;额定扭矩T=14.32 Nm;额定转速N1=2 000 r/min,满足加工需求。图4钻攻装置图5复合刀具示意图6麻花钻示意表2电机钻孔参数参数电机转速ne/(rmin-1)负载功率Pe/kW负载转矩Te/(Nm)参数值1 2001.1411.3曹希明,吉晓民,章铭铭:环状工件钻攻一体机结构与控制系统设计1432.1.3动力头进给电机选型进给电机连接滚珠丝杠机构推动主轴钻头进
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