（机械制造及其自动化专业论文）数控无缝钢管倒棱机的研究与开发.pdf

摘要 根据实际应用的需要，钢管应进行平端面加工，用于焊接的钢管还应进行倒 焊接坡口的加工。倒棱机是钢管端面加工的专用设备。目前传统倒棱机的加工质 量仍无法满足市场要求，而进口倒棱机价格昂贵，且服务周期长，因此，研发加 工质量和生产能力均满足实际要求的新型国产倒棱机迫在眉睫。 本文以“鲁宝钢管3 2 5 平头倒棱生产线的研制与开发”项目为背景，研究了 钢管倒棱的工作原理，进行倒棱机的总体方案设计；对其机械结构特别是影响加 工精度的重要部件，即刀盘和夹紧装置进行研究并做了详细的设计；用 s i n u m e r i c8 0 2 d 数控系统与工控机和p l c 组成倒棱机的电气控制系统；设计 了上位机( 工控机) 程序、s 肌7 m e 融c8 0 2 d 数控系统应用程序以及下位机p l c 程序。论文的具体内容安排如下： 第一章主要通过介绍无缝钢管的制造工艺，提出了钢管端面倒棱加工的意义 和工艺过程，阐述了开发数控倒棱机的必要性，介绍了倒棱机技术的研究现状和 发展方向，提出了本文的主要研究内容。 第二章根据倒棱机设计要求和参数，提出了全自动倒棱机的总体布置方案， 确定了各主要部件的功能和结构：并对系统运动控制进行了研究，提出了电气控 制系统的方案。 第三章计算了切削力，选择了主轴电机和进给电机；研究了倒棱切削过程中 存在的加工误差，设计了浮动刀盘；分析了钢管定位夹紧的特殊性，设计了专用 的夹紧装置。 第四章对电气控制系统进行设计，论述了s i n l r m e r i c8 0 2 1 ) 数控系统在倒 棱机中的硬件配置和西门子s 7 ，3 0 0 p l c 的硬件组态；研究了机床的位置检测装 置；并在分析系统干扰源的基础上提出了相应的抗干扰措施。 第五章根据实际工作要求，设计了上位机监控软件、s i n u m e r i c8 0 2 d 数 控系统倒棱应用程序和p l c 控制程序。 第六章对数控无缝钢管倒棱机的研制工作进行了总结，并对其进一步的开发 研究做了展望。 关键词：钢管，倒棱，刀盘，夹紧，p l c a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ea c t u a la p p l i c a t i o n ，t h es t e e lp i p e e n ds h o u l db ef l a t t e n e d0 1 c u t t h ew e l d e dg r o o v ew i t ht h ep i p eu s e di nw e l d i n g c h a m f e r i n gm a c h i n ei st h es p e c i a l e q u i p m e n t f o rp i p e e n dp r o c e s s i n g c u r r e n t l y , t h ep r o c e s s i n g q u a l i t yo ft h e t r a d i t i o n a lc h a m f e r i n gm a c h i n ei ss t i l lu n a b l et os a t i s f yt h ed e m a n d so ft h em a r k e t , w h i l ei m p o r tc h a m f e r i n gm a c h i n ei se x p e n s i v e ，l o i 培c y c l eo fs e r v i c e s t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e wd o m e s t i cc h a m f e r i n gm a c h i n em e e t i n ga 1 1a c t u a l r e q u i r e m e n t si nt h eq u a l i t ya n dc a p a c i t yo f t h ep r o c e s s i n gi si m m i n e n t t h es u b j e c ti so nt h eb a c k g r o u n do f t h ep r o j e c t ”r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f l u b a os t e e lp i p e3 2 5 一c h a m f e r i n gp r o d u c t i o nl i n e ”t 1 l i sp a = d e re s t a b l i s h e dt h eo v e r a l l d e s i g np r o g r a mo f t h ef u l l ya u t o m a t i cc h a m f e r i n gm a c h i n eo nt h eb a s i so f r e s e a r c h i n g t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs t e e lp i p ec h a m f e r i n g i t sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e s ，e s p e c i a l l y i m p o r t a n tc o m p o n e n t si m p a c t i n gt h ep r e c i s i o nm a c h i n i n g , n a m e l yc u t t e ra n d c l a m p i n gd e v i c e sh a sb e e nr e s e a r c h e da n dd o n ear e a s o n a b l ed e s i g n a d o p t t e d8 0 2 d n cs y s t e mw i t h ca n dp l ca st h ec o m p o n e n to ft h ee l e c t r i c a ic o n t r o ls y s t e m d e s i g n e dap c ( 口c ) p r o g r a m , 8 0 2 dn cs y s t e ma p p l i c a t i o np r o g r a ma n dt h eu n d e r c r e wp l cp r o g r a m t h es p e c i f i cc o n t e n to f t h et h e s i si s 邪f o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e dt h em a i ns e a m l e s ss t e e lp i p em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s r a i s e dt h es i g n i f i c a n c eo ft h ep i p l ee n d - c h a m f e r i n ga n di t sp r o c e s s ，e l a b o r a t e dt h e n e c e s s i t yo fd e v e l o p i n ge x p o u n d e dn cc h a m f e r i n gm a c h i n e , i n t r o d u c e dt h es t a t u s a n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t h et e c h n o l o g ya n dr a i s e dt h ep a p e r sm a j o rc o n t e n t t h es e c o n dc h a p t e rr a i s e dt h eo v e r a l ll a y o u tp r o g r a mb a s e do nt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t sa n dp a r a m e t e r s i d e n t i f i e dt h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h em a j o r c o m p o n e n t s ，s t u d i e dt h em o t i o nc o n t r o lo f t h es y s t e ma n dr a i s e dt h ee l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e mp r o g r a m t h et h i r dc h a p t e rc a l c u l a t e dt h ef o r c ea n dc h o s et h es p i n d l em o t o ra n df e e dm o t o r , s t u d i e dt h ep r o c e s s i n ge r r o ro ft h ec u t t e ra n dd e s i g n e dt h ef l o a t i n gc u t t e r , a n a l y z e d t h ep a r t i c u l a r i t yo f t h ep i p ec l a m p i n ga n dd e s i g n e dt h ec l a m p i n gd e v i c e t h ef o u r t hc h a p t e rd e s i g n e dt h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m d i s e n s s e dt h eh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o no f8 0 2 dn cs y s t e ma n ds i e m e n ss 7 3 0 0p l ci nt h ec h a m f e r i n g m a c h i n e 。s t u d i e dt h el o c a t i o nd e t e c t i o nd e v i c eu s e di nt h em a c h i n e ，r a i s e dt h e c o r r e s p o n d i n ga n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e sb a s e do na n a l y z i n gt h es y s t e mi n t e r f e r e n e e s o n r c c t h ef i 蚀c h a p t e rd e s i g n e dt h ei p cc o n t r o ls y s t e m ss o f t w a r e ，8 0 2 dn cs y s t e m c h a m f e r i n ga p p l i c a t i o ns o r w a r ea n dp l cc o n t r o lp r o c e d u r e si nt i g h to ft h ea c t u a l w o r kr e q u i r e m e n t s t h es i x t hc h a p t e rs u m m a r i z e dt h ew o r kf o rr & do fn cs e a m l e s ss t e e lp i p e c h a m f e r i n gm a c h i n e , a n dp r o s p e c t e dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s t e e lp i p e ，c h a m f e r i n g , c u t t e r , c l a m p i n g ，p l c 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：澎、，函签字隰叫年箩月l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝鎏盘茎可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 莎1 哩霞 签字日期：印年夕月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：移 年甲月形日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 i 本章提要】本章首先介绍了无缝钢管的制造过程，接着阐述了无缝钢管端面倒 棱加工的工艺过程，以及课题来源；然后介绍了倒棱机技术的研究现状和发展方 向；最后叙述了课题的研究意义与本文的主要内容。 1 1 课题背景及来源 1 1 1 无缝钢管的制造过程 无缝钢管是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材，按横截面积形状 的不同可分为圆管和异型管。本文所述无缝钢管是指具有圆环形截面的无缝钢 管。具有中空截面的钢管，与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重 量较轻，且圆环截面在承受内部或外部径向压力时，受力较均匀，在周长相等的 条件下，圆面积最大。因此，无缝钢管是一种经济断面钢材，在原油开采和加工、 管道输送、机械制造、锅炉制造以及大型场馆建设等方面应用广泛。 无缝钢管是用实心管坯经穿孔后轧制的，按制造方法不同可以分为热轧管、 冷轧管、冷拔管、挤压管等品种。热轧无缝管一般在自动轧管机组上生产，制造 过程见图1 1 。实心管坯经检查并清除表面缺陷，截成所需长度，在管坯穿孔端 端面上定心，然后送往加热炉加热，在穿孔机上穿孔；在穿孔同时不断旋转和前 进，在轧辊和顶头的作用下，管坯内部逐渐形成空腔，称毛管；再送至自动轧管 机上继续轧制，最后经均整机均整壁厚，经定径机定径，达到规格要求。利用连 续式轧管机组生产热轧无缝钢管是较先进的方法。若欲获得尺寸更小和质量更好 的无缝管，必须采用冷轧、冷拔或者两者联合的方法。冷轧通常在二辊式轧机上 进行，钢管在变断面圆孔槽和不动的锥形顶头所组成的环形孔型中* l n 。冷拔通 常在0 5 l o o t 的单链式或双链式冷拔机上进行。挤压法即将加热好的管坯放在 密闭的挤压圆筒内，穿孔棒与挤压杆一起运动，使挤压件从较小的模孔中挤出。 此法可生产直径较小的钢管。 管坯经过剪断、加热、穿孔、轧管、定径、冷却等一系列加工工艺后，进入 精整工序，完成钢管出厂前的精加工。钢管生产线中，根据技术要求进行如下的 精整工序：矫直，吹刷管子内表面，切头和切成定尺，去除耳子和倒棱，端部定 径，修理内外表面，水压试验，内外表面目视检查，车、镗、磨以及抛光内外表 面，检查几何尺寸( 直径、壁厚、长度、弯曲度) ，管子几何尺寸和质量的非破坏 性检查，喷漆，标记，打印，称重和包装( 装箱) 等“1 。精整区域的生产设备及工 浙江大学硕士学位论文 艺水平直接影响到钢管的品质，是钢管生产线中附加值最高的部分。 矫直切头尾倒棱检查涡流探伤超声波探伤喷字包装 图1 1 无缝铜管加工流程图 随着我国加入w t o ，国内市场与国际市场的接轨，钢铁企业的竞争也日趋激 烈，无缝钢管的质量要求日益增高，如海底管线对钢管的内在质量稳定性、可焊 性、几何精度、防腐性能等均有较高的要求。为了适应市场对无缝钢管需求数量 不断增长和对品种质量越来越高的变化要求，近年来，我国无缝钢管生产企业均 加大了技术改造的力度，对无缝钢管生产线技术装备进行改造。 1 1 2 无缝钢管端面倒棱加工的意义和工艺过程 精整工序是提高无缝钢管质量的重要工序，在整个钢管生产线所占的地位越 来越重要。对钢管的精整区域进行技术改造是提高钢管质量和附加值的重要途径 之一。 多年来，我国钢管企业存在重视钢管成型工序，而轻视钢管热处理工序、精 整工序以及后续探伤检查工序的现象。这些工序不是处理能力不足，就是工序流 程不畅或是装备水平配置较低，难以满足生产高质量产品的要求。而高附加值的 产品就是因为有了这些高水平配置的精整工序才生产出来的。对精整工序的技术 改造十分必要。 据统计，我国2 0 0 5 年1 9 月进口管材7 8 万吨，其中8 0 用于石油化工行业。 进口钢管中大部分是附加值很高的产品，也是我国钢管生产能力不足或不具备生 产条件的产品。从国外进口钢管，无论是采购周期还是采购价格均给石化生产建 设的顺利进行造成一定的困难。因此，石化行业呼唤钢管制造业国产化，全力支 持国内钢管制造企业进行高质量钢管研发工作，以使我国早日成为真正的钢管制 造强国。 倒棱是钢管精整区域中的一个重要生产工艺。根据a p is p e c5 l 一2 0 0 0 管 线钢管规范、( g b t 9 7 1 1 2 - 1 9 9 9 石油天然气工业输送钢管交货技术条件规 定，除非订货合同另有规定，通常钢管的端面应有坡口和钝边，如图1 2 所示。 2 浙江大学硕士学位论文 图1 2 管端倒棱加工图 因此要在精整区对钢管进行铣头倒棱处理，经过倒棱的钢管，品质高，属于 标准产品。倒棱后的钢管在实际生产中，能大大提高工程质量，在石油、冶金、 石化等行业得到了广泛的应用。倒棱机是对钢管进行倒棱的专用机床，倒棱机的 设计和制造水平决定了倒棱的效率和精度，是无缝钢管生产线上的一台重要的生 产设备。 1 1 3 无缝钢管倒棱机研发课题的来源 烟台鲁宝钢管有限责任公司( 以下简称鲁宝钢管公司) 是始建于1 9 9 2 年的 宝钢集团鲁宝钢管厂，2 0 0 3 年1 0 月成为宝钢股份控股子公司，是山东省目前最 大的无缝钢管专业生产基地。生产的无缝钢管主要应用于石油化工行业和高中低 压锅炉行业以及机械结构的应用。随着钢管行业的蓬勃发展，钢管质量要求的提 高，鲁宝公司不断引进新技术，进行装备改造。鲁宝公司原有一台倒棱机，基本 上是人工操作，自动化程度低，加工效率无法达到目前公司生产的要求；加工的 钢管规格仅限于小管径钢管的加工；而且加工质量已经无法适应现在市场上对钢 管加工精度的要求。鉴于此种情况，必须要对倒棱机进行技术改造，若是引进国 外的产品，一是价格昂贵，二是安装周期长，因此，鲁宝公司和浙江大学合作， 自行研制开发加工质量高，加工能力强，自动化程度高的新型倒棱机。 1 2 国内外无缝钢管倒棱机技术发展现状 无缝钢管生产过程中，经过各道工序时，由于钢管的塑性变形，会产生壁厚 不均和外径误差。壁厚不均波动在很宽的范围之内，而且，在光管端部( 特别是 前端) 2 0 0 3 0 0 毫米有最大的壁厚不均【“。又由于无缝钢管壁厚与直径比值较大， 生产率要求高等特点，倒棱加工时尤其需要解决因壁厚不均而引起的钝边尺寸不 均匀等钝边质量问题。 无缝钢管管体的直径误差和壁厚误差对刀盘的设计提出了较高的要求，使用 传统的固定刀盘对钢管倒棱，无法保证加工基准和设计基准的一致性，从而无法 3 浙江大学硕士学位论文 做到a p is p e c5 l 中所要求的钝边的尺寸为1 1 6 i n 1 3 2 i n 的要求，必须设 计新型浮动刀盘加工钢管。夹紧装置的设计需考虑钢管弯曲度，尤其是管端弯曲 度的影响，必须对传统的夹紧装置进行改造，提高夹紧的稳定性。一般钢管长度 在6 1 2 5 m 之间，壁厚在5 4 0 o m m 之间，属于薄壁细长类零件，这类零件的 加工，与普通工件的加工有很多不同之处，在工装、切削等方面都要做出相应的 合理设计。 为了提高无缝钢管倒棱机的生产效率和自动化水平，在电气控制方面，要采 用计算机控制，并与可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 相结合， 通过p r o f i b u s 等通讯方式，形成机、电、液一体化自动化系统。 倒棱机在无缝钢管生产线上已经应用了较长的一段时间，经过科研工作者的 不断试验和总结，已经解决了某些一直阻碍倒棱设备应用的技术难题。但是由于 倒棱机技术含量较高，造价和维护费用也较高，国内许多资金实力薄弱的中小型 无缝钢管厂尚无法配置倒棱机，而大中型无缝钢管厂大都配置了进口的倒棱机， 如宝钢从美国p m c 公司引进的由1 4 0 平头倒棱机，天津无缝钢管公司引进了巾2 7 3 平头倒棱机，衡阳华菱钢管有限公司从德国r e i k aw e r k 公司进口了由1 3 3 平头倒 棱机等。国产的平头倒棱机主要是由西安重型机械研究所( 西重所) 设计成套的， 在国内大型无缝钢管厂也得到了较好的应用。国内外这些主要的倒棱机生产厂 家，在倒棱机设计上各有特点，所生产的倒棱机适用于不同的工作要求。 ( 1 ) 美国p m c 公司的平头倒棱机的主要结构特点是：导轨轴承采用带有预紧 系统的滚柱直线轴承，保证切削时系统稳定，承载能力大；主轴进给采用了液压 伺服系统，响应速度快；夹紧装置采用了浮动夹紧机构及锁紧机构，保证了钢管 的自然形状并消除夹瓦滑动间隙，刚性好；步进传动采用了液压马达机构，速度 快，运行平稳；主轴刀盘带有冷却系统对刀具进行冷却，能有效延长刀具的寿命。 ( 2 ) 德国r e i k a we r k 公司的平头倒棱机的主要结构特点是：导轨轴承采用 了无预紧系统的直线滚珠轴承，主要用于负载较轻的场合；主轴进给采用了电机 伺服系统，低速性好，维护方便；无冷却系统，带有排屑运输装置；步进传动采 用了电机减速器机构。 ( 3 ) 西重所生产的平头倒棱机导轨轴承采用了带有预紧力滚柱直线轴承， 主轴箱里主轴带有预紧力轴承，夹紧装置采用带有浮动机构及轴向锁紧机构，提 高了设备的刚性和稳定性；刀盘上刀具采用了内浮动机构新技术，解决了因壁厚 不均而引起倒坡口后的钝边质量问题。带有冷却系统，对刀具进行冷却并且带有 对切屑的冲洗功能。 由以上对国内外先进的无缝钢管倒棱机的结构特点的分析可以看出，目前进 给系统一般采用电液伺服系统或电机伺服系统；步进系统可根据节奏要求采用液 压马达或电机减速器机构。美国p m c 公司的倒棱机就采用电液伺服系统控制刀盘 4 浙江大学硕士学位论文 轴向进给。电液伺服系统具有结构紧凑、系统快速性好，响应快，伺服系统抗负 载刚度大，低速稳定性好等优点，并且伺服系统可以与计算机相结合，具有很大 的灵活性和适应性。德国r e i i ( a we r k 公司的平头倒棱机采用了电机伺服系统。 伺服电机进给系统采用伺服电机与滚珠丝杠直联，进给精度高、低速性好，维护 方便，而且主轴进给的动态特性比采用液压伺服系统要高一些。电机伺服系统由 于其易于维护，远距离传输方便，噪音低，应用越来越广泛。 在电气控制方面，目前高控制水平的倒棱机均采用p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机控制，并与可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 通过p r o f i b u s 网络通讯方式，形成机、电、液一体化自动化网络系统。p c 机采用人机对话界面 h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) ，对各种动作故障进行报警诊断，界面友好，可 以方便地了解到产品信息及机组工作状态，并能进行参数设定。这些控制措施大 大地提高了生产效率“。 由以上分析可知，目前，在实际应用中，针对某些工况设计的倒棱机对于相 应规格的无缝钢管管端的加工已经取得了成功，这对于我们改进传统倒棱机的设 计，使新型倒棱机能够具有更高的加工精度和更大的加工能力提供了经验和数 据。 1 3 课题意义和研究内容 1 3 1 研究课题的意义 提高先进制造装备的国产化对促进我国无缝钢管行业的发展有着很重要的 意义。石化、冶金、建筑等钢管使用广泛的行业，所需要的无缝钢管的管径、壁 厚不断增大。例如，伴随着石化生产装置的大型化，单套装置的生产加工能力大 幅提高，所需钢管为满足大流量物流的输送，其口径加大的趋势会更加明显。以 前石化所需钢管的规格是以中8 9 0 2 1 9 咖为主，现在是以1 5 9 0 4 0 6 砌为主， 同时为满足高压蒸汽输送的需要还使用了0 6 1 0 m m 4 5 7 0 m m 的钢管。加工大管 径厚壁管，对平头倒棱机加工的稳定性，进给精度及自动化程度提出了更高的要 求。传统的倒棱机在大管径、厚壁管加工方面没有明显的优势，而且加工精度， 自动化程度低。本文所研发的新型数控倒棱机稳定性好，除了满足小管径的加工 要求外，在加工大管径厚壁管方面，加工精度高、质量稳定，所加工的钢管完全 符合a p i 、d i n 、a n s i 等国际标准的规定，可为无缝钢管厂创造可观的经济效益， 加之价格低廉，可以替代进口，能够被各大中小型钢管厂采用，为我国无缝钢管 的发展做出了贡献。 国际上的无缝钢管设备设计制造公司一直都在关注和占领着我国的这一重 浙江大学硕士学位论文 要市场，我国的无缝钢管装备市场不但面l 临国内的竞争，而且面l 临着更严峻的国 际市场竞争。本论文研发的新型倒棱机，加工质量达到国际水平，且价格低廉， 具有很大的国际竞争力，对提高我国无缝钢管制造装备技术水平，促进先进装备 的国产化，起到了很好的示范作用。 1 3 2 论文的主要内容 本文旨在开发一种可以替代进口、填补国内空白的全自动数控无缝钢管倒棱 机，满足实际生产的要求，提高倒棱加工的质量和自动化程度。具体来说，论文 的主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 分析了国内外无缝钢管倒棱机的发展现状和趋势，结合加工工艺要求 进行了倒棱机的总体设计； ( 2 ) 设计了倒棱机的机械部分，研究了对提高加工精度有重要作用的刀盘 和夹紧装置，并对其作了详细设计； ( 3 ) 设计了倒棱机的电气控制部分，将西门子s 娜m e 融c8 0 2 d 数控系统 ( 以下简称8 0 2 d ) 用于倒棱系统控制，并与西门子s 7 - 3 0 0 p l c 相结合，提高了倒 棱机的自动化水平，有效的提高了倒棱质量和稳定性； ( 4 ) 分析了倒棱机自身和工作环境中存在的各种干扰因素，详细的论述了 系统在硬件和软件两个方面采用的一系列行之有效的抗干扰措施。 ( 5 ) 设计了倒棱机控制系统软件，上位机监控程序、s i n u m e r i c8 0 2 d 数 控程序以及p l c 程序有机结合实现了倒棱机的全自动控制。 本文所论述的倒棱机在完成现场的安装调试工作后，已经投入运行，设备运 行稳定，加工精度高，为鲁宝钢管公司取得了可观的经济效益。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 【本章提要】本章首先提出了无缝钢管倒棱机设计要求、规格参数，并依照这些 功能和指标，制定了无缝钢管倒棱机的机械总体方案；在系统运动控制分析的基 础上确立了电气控制系统方案，为下一步机械，电气和控制软件的详细设计奠定 了基础。 2 1 设计要求及参数 倒棱机是对钢管进行倒棱的专用设备，倒棱后的钢管应符合( a p is p e c 5 l _ 2 0 0 0 管线钢管规范、( g b t 9 7 11 2 - 1 9 9 9 石油天然气工业输送钢管交货技 术条件等标准的规定。综合各项标准，倒棱后钢管应满足如下要求( 参见图 2 1 ) ： ( 1 ) 钢管管端均应切直且不应有毛刺； ( 2 ) 切斜f 不应超过l m m ( 适用于外径小于或等于2 2 0 m m 的钢管) ； ( 3 ) 壁厚6 大于3 2 m m 的钢管端面应开坡口，坡口角度a 应为3 0 。3 5 ，钝 边宽度h 为1 6 m m 0 8 m m ； ( 4 ) 当进行内表面加工或修磨时，内锥角b ，自钢管轴线测量，不应大于表 2 1 所列数值。 表2 1 内锥角规定表 规定壁厚5 ，m最大内锥角d ，( 。) 6 l o 57 1 0 5 6 1 49 5 1 4 3 2 r i m 的钢管端面进行开坡口和平端面加工。其设计要求及参数如下： 7 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 钢管规格尺寸 外径：中1 0 8 3 4 0 r a m 壁厚：4 3 0 m m 长度：5 1 2 7 m 材质：碳钢如2 0 、4 5 、x 4 2 x 7 0 等，低合金钢如q 3 4 5 等，合金钢如 2 5 m n 2 v 、3 4 1 m 1 2 v 、4 2 m n m 0 7 、3 4 c r m 0 4 、1 2 c r l m o v 等。 外径尺寸精度：1 o ( 最大不超过3 m m ) 壁厚尺寸精度：1 2 5 管体弯曲度：1 5 m n 【1 ，m 管端弯曲度：2 m m 扣( 管端长度：1 5 m ) 全长弯曲度：1 0 m m 管体椭圆度：1 5 端面斜度：6 m m 端面状态：矫直后冷锯9 0 0 ( l o ) ( 2 ) 质量要求： 参见表2 1 和图2 1 ，并满足如下要求：去毛刺倒角4 5 。；清除钢管端面 切口毛刺，端面不垂直度允许偏差0 2 。；管端切口光滑平整，粗糙度 不低于r a l 2 5 ；加工过程中不允许损伤钢管管体。 ( 3 ) 生产能力：1 5 1 1 0 根小时； ( 4 ) 倒棱方式：钢管固定，刀具旋转，v 型支架高度可调h 1 5 0 m m ； ( 5 ) 辊子为“v ”型，倒棱机机头前v 型支架高度可调h 1 5 0 m m ； ( 6 ) 配置安全保护措施，防止钢管意外将设备损坏。 2 2 机械部分总体方案设计 2 2 1 总体布置 根据生产的需要，钢管需倒焊接坡口或平端面，倒焊接坡口的钢管端面需进 行倒焊接坡口、平端面、倒内角的加工；平端面的钢管端面需进行平端面、去毛 刺、倒内角的加工。每道工序均需配有相应的刀片，因此共需要3 到4 把刀，也 就是说加工过程中至少需换三次刀，增加了对刀和换刀的辅助时间，降低了加工 效率。因此需设计一种可以同时装备4 把刀的刀盘，对刀后，刀盘上的刀片同时 对钢管端面进行切削加工，一次成型，提高加工效率。 由于钢管的两个端面均需加工，首先考虑采用两端面同时加工的方式，见图 2 2 ( a ) 。忽略升降装置上v 型定位块的定位误差，钢管的外径、壁厚等误差以 浙江大学硕士学位论文 及主轴径向跳动度的影响，仅考虑钢管不直度的影响；忽略刀盘1 和刀盘2 旋转 中心高度的误差，认为两个刀盘的中心线一致；假设左侧管段为理想状况，右侧 管段存在弯曲，则两端面中心线高度存在误差h ，a h = h - - h 。 假如以端面1 的中心线为基准调整钢管中心高度，调整后端面1 的中心线与 刀盘1 、刀盘2 的旋转中心线重合，而刀盘2 的中心线与端面2 的中心线不重合， 存在高度差h 。端面1 可以加工出符合要求的坡口、钝边，如图2 2 ( b ) ，而端 面2 则无法加工出符合要求的端面，见图2 2 ( c ) 。 姊一一 i ( a )( b )( c ) 图2 2 钢管两端同时加工示意图 在加工过程中，钢管定位夹紧后，倒棱主机带动刀盘分别向钢管两端面靠近。 见图2 3 ，假设每根钢管长度的中点都是对齐的，厶。为最短钢管的长度，厶。为 最长钢管的长度，工为倒棱主机移动的距离，则 如( k 一乙男 z - t 所需设计的导轨长度 l l 2 - 2 】 由式2 1 、2 2 得 三 ( 帆以一 2 - 3 图2 3 导轨长度计算示意图 钢管的长度在5 1 2 7 m 之间，则k 。= 1 2 7 m ，工曲= 5 m ， 由式2 - 3 得：导轨长度l ( 三一一工墒髟：( 1 2 7 5 z ：3 8 5 加。 导轨是机床中确定主要部件相对位置的基准，也是运动的基准，它的各项误 差将直接影响被加工零件的精度。机床导轨的精度要求有水平面内的直线度，垂 直面内的直线度和前后导轨的平行度3 ，此外，机床导轨与带动刀盘回转的主轴 9 浙江大学硕士学位论文 轴线不平行对加工精度也有不良影响。当导轨长度l 3 8 5 m 时，其制造和安装 的难度将会很高。 除了上述对钢管两个端面同时加工的方式外，也可采用先加工一个端面，再 加工另一个端面的方式。此种方式仅需被加工端面的中心线和刀盘中心线重合， 可以避免由于钢管不直度而产生的两端面中心线高度不同对切削加工的影响。 一目# 女锻i # * 亡二茎= = = 茎 图2 4 钢管一端加工工序示意图 图2 4 为钢管一端加工工序示意图。对齐辊道将钢管沿箭头所示方向平移( 见 图2 4 ( a ) ) ，然后由对齐装置将钢管端面对齐定位( 见图2 4 ( b ) ) ；再由移钢机 将钢管平移至升降装置上，调整钢管中一t l , 的高度，使其与刀盘中心重合，夹紧装 置在端面附近夹紧钢管，刀盘旋转、迸给，完成对一个端面的加工( 见图2 4 ( c ) ) 。 加工另一个端面时，方法相同，只是钢管的运动方向不同。倒棱主机在导轨上移 动的距离约为刀盘到钢管端面的距离与切削进给量之和，比上述钢管两端同时加 工时所需导轨的长度小很多，大大减少了导轨制造和安装的难度。 然而此种加工方式，钢管仅在被加工端面附近被夹紧，而钢管长度在5 1 2 7 m 之间，重心偏后，很难保证夹紧的可靠性。随着钢管壁厚的增加，管径的 增大，切削力迅速增大，切削过程中，钢管振动加剧，将严重影响加工质量。故 采用此种方式的倒棱机只适于薄壁、小管径且质量要求不高的钢管，且与钢管两 端同时加工相比，钢管两端分开加工的生产效率也比较低。 通过上述对两种加工方式的分析比较，本文研发的倒棱机采用钢管两个端面 1 0 浙江大学硕士学位论文 分开加工的方式。见图2 5 ，将两个倒棱主机放置在两侧，轴线平行，刀盘相对， 对齐装置、移钢机和升降装置等放置在两倒棱主机之间，先用l # 倒棱主机将钢 管的一端倒棱，再用2 # 倒棱主机将钢管另一端倒棱。 上料方向i 6789 下料方向l l - 2 # 倒棱主机2 2 # 管端对齐装置3 2 # 保护挡块4 2 # 固定夹紧装置5 2 # 浮 动夹紧装置6 移钢机7 移钢机传动机构8 1 # 升降装置9 1 # 对齐辊道1 0 1 # 管 端对齐装置1 1 1 # 倒棱主机1 2 1 # 保护挡块1 3 1 # 固定夹紧装置1 4 2 # 浮动夹 紧装置1 5 2 # 对齐辊道1 6 2 # 升降装置 图2 5 倒棱机平面布置示意图 2 2 2 工作流程 倒棱机主要包括两台倒棱主机及其辅助设备。主机上装有回转刀盘完成管端 倒焊接坡口、平端面、去毛刺和倒内角的加工。辅助设备主要完成钢管的平移、 输送、定位和夹紧等工作，为主机作业做准备。 参见图2 5 和图2 6 。以一根钢管为例，其工作流程如下： ( 1 ) 钢管停在上料台架上，移钢机将钢管输送到1 # 对齐辊道9 上，辊道旋转， 将钢管送至装置1 0 处进行端面对齐。 ( 2 ) 移钢机托起端面已对齐的钢管，输送到1 # 倒棱主机1 1 的主轴中心线上， 夹紧钢管，刀盘旋转、进给，完成对钢管一端的切削加工，随后，夹紧松开。 ( 3 ) 移钢机托起一端已加工好的钢管，输送到2 # 对齐辊道1 5 上，辊道旋转 将钢管送至装置2 处，对钢管另一端进行端面对齐。 ( 4 ) 移钢机托起端面已对齐的钢管，输送到2 # 倒棱主机1 的主轴中心线上， 夹紧钢管，刀盘旋转、进给，完成对钢管另一端的切削加工，随后，夹紧松开。 ( 5 ) 移钢机将己加工好的钢管输送到下料台架上，完成了对一根钢管的加工。 ；l一，曲i佣州一强浏 浙江大学硕士学位论文 上科对齐1佃援1 对i 2 倒2t 科 料艨 图2 6 倒棱机流程示意图 以上只介绍了一根钢管的倒棱过程，实际工作中，各工位上钢管同时工作， 效率很高，可达3 0 1 1 0 根小时。 2 2 3 机械结构 按照上述对设计要求和布置方案的分析，倒棱机机械部分应由以下几个部件 组成。 ( 1 ) 倒棱主机 倒棱主机是倒棱机的核心部件，其结构如图2 7 所示，由主轴系统、进给系 统、辅助系统、润滑系统等组成。 5 1 伺服进给电机2 滚珠丝杠3 直线导轨4 圆弧齿型带5 主轴电机6 刀盘7 夹紧装置 图2 7 倒棱主机示意图 主轴系统提供切削时刀盘的旋转运动，要有较大的调速范围，以保证加工时 能选用合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。主轴结 构参见图2 8 ，其一端装有旋转刀盘，另一端装有同步带轮，主轴电机通过同步 带带动同步带轮旋转，从而使主轴带动刀盘旋转。变频器控制主轴电机的转速及 转矩，提供切削所需的动力，主轴的转速通过外接编码器，传入控制系统。为了 保证主轴连续运转时得到良好冷却，减少加工误差，主轴轴承采用油液循环冷却。 1 2 浙江大学硕士学位论文 1 同步带轮2 丝杠座3 润滑系统4 主轴5 刀盘6 主轴电机 图2 8 主轴系统结构示意图 主轴箱的进给运动分为快进、粗进给、精进给、光整、快速返回等过程。进 给系统采用滚珠丝杠和直线滚动导轨组成运动副部件，由伺服电机驱动，见图 2 9 。伺服电机与滚珠丝杠直接连接，减小了传动链间隙，保证了传动的精度。 1 f t 6 伺服电机配备行星减速器，它不但能提供低转速切削时的转矩，还能保证 高速旋转时的转矩。导轨间隙可调，主轴箱与导轨之间带有预紧力，使导轨与滑 块之间的摩擦为滚动摩擦，降低了二者之间的摩擦阻力，实现无间隙运动，提高 机械系统的运动刚度。 1 伺服电机2 减速器3 连轴器4 滚珠丝杠 图2 9 进给系统结构示意图 辅助系统主要包括冷却装置、排屑装置、防护罩等。冷却装置用于切削过程 中刀具与工件的冷却，同时也起冲屑作用。排屑机采用链板式，将铁屑提升到高 处落入运输车内拉走。为了防止铁屑的飞溅，设计了防护罩。 润滑系统用于对机床导轨、传动齿轮、滚珠丝杠及主轴箱等的润滑。采用电 动间歇润滑泵，其自动润滑间歇时问和每次泵油量，可根据润滑要求进行调整或 用参数设定。该系统可使用润滑脂或高粘度润滑油，润滑泵供给给油器的供油量 可以单独调节，给油器上安有行程开关，控制润滑时间。系统装有限压阀，以保 护润滑泵和给油器不遭高压损坏。 ( 2 ) 移钢机 移钢机的作用是把一个工位上的钢管移到下一个工位上，其机构示意见图 2 1 0 ，齿轮a 、b 、c 、d 安装在机架上，齿轮c 和d 分别与平行四杆机构a b c d 的连杆a b 和c d 固结。运行时，移钢机电机通过减速机构驱动齿轮b ，带动相 啮合的各齿轮旋转，其方向如图中箭头所示，连杆2 平动，其上任一点m 的运 动轨迹为半径为r m 的圆。齿轮c 和d 旋转一圈，连杆2 上任一点也旋转一圈， 1 3 浙江大学硕士学位论文 完成一个运动周期，将位置i ( m i ) 的钢管举起，放到位置i l l ( m i l i ) ，将钢管从 一个工位平移至下一个工位。移钢机步进梁放置钢管的v 型槽嵌有聚胺脂，以 防止钢管表面划伤，并减少噪声。 图2 1 0 移钢机机构示意图 ( 3 ) 对齐装置 对齐装置用于钢管端面的轴向精确定位，结构示意图见图2 1 1 ，由输送辊道、 光电传感器、对齐油缸等组成。减速电机带动辊子旋转使钢管轴向移动，当前端 面到达传感器4 时，辊道电机停止，钢管靠惯性继续前进，油缸上的挡板5 先回 退至传感器8 的位置，然后向前推出至传感器9 的位置，这样就将钢管端面推齐 到了固定的位置。 1 辊道电机2 钢管3 辊道4 接近开关5 管端缓冲挡板 6 对齐油缸7 对齐缓冲支架8 油缸后位接近开关9 油缸前位接近开关 图2 1 l 管端对齐装置示意图 ( 4 ) 升降装置 管端已对齐的钢管，经移钢机送到倒棱工位，平放在升降辊道上，由于钢管 的直径不同，中心高度也不同，为了确保放置钢管的中心线与倒棱主轴中心线一 致，需要升降装置调整辊道高度。参见图2 1 2 ，升降装置由升降辊道、减速电机、 螺旋升降机、升降测量装置组成。减速电机驱动螺旋升降机运动，钡4 量装置采用 脉冲编码器，由控制系统采集编码器信号并计算升降辊道的位置，实现升降辊道 1 4 浙江大学硕士学位论文 的自动控制。 1 极限位传感器2 测量装置3 钢管支架4 螺旋升降机5 减速电机 图2 1 2 升降装置结构示意图 ( 5 ) 夹紧装置 对钢管进行倒棱之前，需要将钢管夹紧，夹紧装置由油缸及夹紧机构组成。 夹紧机构为连杆机构，在油缸的驱动下，两夹紧块向钢管中心线移动，实现夹紧， 根据不同的管径，夹头可方便更换。为了防止倒棱过程中夹紧松动，设计滑块锁 定机构。不同壁厚的钢管，能承受的夹紧力差别较大，因此夹紧油缸的油路压力 可调。 钢管为长条形结构，为了保证夹紧的可靠性，采用两组夹紧装置。但是由于 钢管不直度的影响，会产生一组夹紧块压紧钢管，另一组没有压紧的情况，导致 夹紧失效。因此其中一组采用浮动夹紧方式，浮动夹紧装置能根据钢管的弯曲情 况，调整夹紧位置，保证两个夹紧装置同时夹紧钢管。 2