謝文龍，王 可，戴佳卉

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

石油管螺紋在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)補(bǔ)償技術(shù)研究

謝文龍，王 可，戴佳卉

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

在實(shí)際的石油管螺紋加工過(guò)程中，即使利用標(biāo)準(zhǔn)件螺紋廓形的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算待修復(fù)件的刀補(bǔ)參數(shù)修復(fù)螺紋，依然得不到所期望的理論尺寸，這是由于螺紋修復(fù)車床上的各種誤差綜合影響加工精度導(dǎo)致的。因此，本文提出了基于統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償算法修正綜合誤差影響量，可以有效地計(jì)算出提供補(bǔ)償值的參數(shù)值，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)及修復(fù)過(guò)程提供了高效的補(bǔ)償機(jī)制。

石油管螺紋；在機(jī)檢測(cè)；誤差補(bǔ)償

0 前言

在傳統(tǒng)的石油管螺紋修復(fù)過(guò)程中，加工和檢測(cè)是分開進(jìn)行的，這樣將引入二次定位誤差[1]。石油管螺紋在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)為解決此問(wèn)題提供了一種有效途徑。在機(jī)檢測(cè)是將加工過(guò)程和檢測(cè)過(guò)程在同一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行，不但能顯著提高加工質(zhì)量，也能提高加工效率[2-3]。與接觸式檢測(cè)相比，非接觸式檢測(cè)具有更高的檢測(cè)精度，檢測(cè)時(shí)只需將刀具更換為測(cè)頭即可[4]，通過(guò)測(cè)得螺紋表面廓形數(shù)據(jù)即可求得螺紋修復(fù)參數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)件螺紋廓形的檢測(cè)結(jié)果來(lái)計(jì)算待修復(fù)螺紋的刀補(bǔ)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化螺紋修復(fù)的必經(jīng)過(guò)程。但在實(shí)際的加工中，即使按照樣件與待修復(fù)件的差值計(jì)算出修復(fù)刀補(bǔ)參數(shù)依然得不到所期望的理論尺寸，這是由于修復(fù)車床上存在的各種誤差綜合影響加工精度導(dǎo)致的[5]。常見的加工誤差來(lái)源包括機(jī)床、卡具、刀具的制造誤差；工藝系統(tǒng)在切削力的作用下產(chǎn)生的變形誤差；機(jī)床、刀具磨損引起的誤差；機(jī)床、刀具的熱變形誤差等等。由于這些誤差的消除需要以高成本為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此通常采用補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)平衡掉這些誤差[6]，探討誤差補(bǔ)償算法是解決這一問(wèn)題的重要突破點(diǎn)。

1 石油管螺紋在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)原理及組成

如圖1所示，石油管螺紋在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)由螺紋修復(fù)車床、激光測(cè)頭、測(cè)頭控制器、單片機(jī)、電源塊等組成。接通全部線路之后，由數(shù)控程序控制刀架沿著錐螺紋表面平行移動(dòng)，由于激光測(cè)頭安裝在刀架上，無(wú)需在測(cè)量的時(shí)候進(jìn)行二次裝卡。驅(qū)動(dòng)刀架移動(dòng)的絲杠上裝有脈沖編碼器，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，由此可以實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)測(cè)量方式。

圖1 石油管螺紋測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform for measuring oil pipe thread

開始檢測(cè)后，首先由單片機(jī)向測(cè)頭控制器發(fā)出開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的指令，此時(shí)測(cè)頭控制器由編碼器觸發(fā)讀數(shù)。當(dāng)激光測(cè)頭走完其測(cè)量行程之后，再由單片機(jī)觸發(fā)激光測(cè)頭控制器停止讀數(shù)，并將讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)接收的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將相位檢測(cè)結(jié)果與精度檢測(cè)結(jié)果均傳輸給螺紋修復(fù)車床的數(shù)控系統(tǒng)。最后，由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，提供管螺紋旋轉(zhuǎn)的相位差和螺紋修復(fù)刀補(bǔ)參數(shù)，對(duì)螺紋進(jìn)行自動(dòng)化修復(fù)過(guò)程，將修復(fù)后的螺紋再進(jìn)行上述過(guò)程，判斷是否合格，如不合格則再做修復(fù)，直至合格為止。

2 系統(tǒng)誤差補(bǔ)償理論

如果對(duì)影響加工精度的諸多因素一一進(jìn)行分解[7-8]，再對(duì)其誤差建立模型并分析，是一項(xiàng)浩大的工程，因?yàn)槠渲懈鞣N誤差是具有交叉性的，不能獨(dú)立進(jìn)行分析判斷。此外，分解各項(xiàng)誤差成本較高且不易實(shí)現(xiàn)，所以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的加工情況來(lái)，本文可以采取綜合補(bǔ)償?shù)姆绞?，基于加工誤差的穩(wěn)定性、重復(fù)性可得出結(jié)論：在相同的加工情況下，由于每一次的加工結(jié)果均為各項(xiàng)誤差綜合影響的結(jié)果，如果判斷出由于加工綜合誤差導(dǎo)致的工件廓形偏離理論廓形的誤差數(shù)值，即可將此數(shù)值直接用于原來(lái)車削軌跡上進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能。該種綜合補(bǔ)償方式簡(jiǎn)潔直觀，同時(shí)提高了螺紋的修復(fù)效率。如圖2所示，管螺紋的修復(fù)刀具采用螺紋梳刀，走刀方向由螺紋端面處起始，圖中的三個(gè)廓形表示以不同刀補(bǔ)參數(shù)修復(fù)螺紋的輪廓位置關(guān)系。

圖2 管螺紋加工示意圖Fig.2 Sketch of pipe thread processing

由圖2可知，如果確定出螺紋梳刀車削的實(shí)際廓形與理想廓形之間的位置關(guān)系，再根據(jù)其位置關(guān)系計(jì)算出補(bǔ)償量，并將此補(bǔ)償量編寫入數(shù)控程序當(dāng)中，理論上可實(shí)現(xiàn)一次修復(fù)就加工出合格的管螺紋。但是在實(shí)際的螺紋修復(fù)過(guò)程中，隨著螺紋梳刀加工工件數(shù)目的增多導(dǎo)致刀具磨損，引起待修復(fù)螺紋加工出的實(shí)際廓形超過(guò)其理論廓形的極限尺寸。引起該誤差的主要原因是刀具磨損引起的系統(tǒng)誤差，對(duì)該誤差的具體計(jì)算公式為

(1)

只要將目前的螺紋梳刀運(yùn)行軌跡沿理想的運(yùn)行軌跡偏移一個(gè)系統(tǒng)誤差值，即可得到新的補(bǔ)償后的螺紋廓形，實(shí)現(xiàn)了加工誤差的補(bǔ)償[9]。由于本文提出的管螺紋修復(fù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找到螺紋修復(fù)起始點(diǎn)，可以準(zhǔn)確的沿原有螺紋軌跡進(jìn)行修復(fù)；同時(shí)本系統(tǒng)屬于在機(jī)檢測(cè)，沒(méi)有二次裝卡帶來(lái)的定位誤差，無(wú)需再做其他補(bǔ)償，因此由式(1)計(jì)算出的補(bǔ)償量可以直接編寫入數(shù)控程序中使用。此種補(bǔ)償方式可以大大提高螺紋修復(fù)效率，實(shí)現(xiàn)管螺紋自動(dòng)化修復(fù)過(guò)程[10]。

3 基于統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的誤差補(bǔ)償機(jī)制

由誤差補(bǔ)償理論確定誤差補(bǔ)償方式為綜合補(bǔ)償法，其補(bǔ)償機(jī)制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先對(duì)待修復(fù)螺紋提供理論的刀補(bǔ)參數(shù)，再將修復(fù)后的螺紋用螺紋規(guī)檢測(cè)，判斷是否實(shí)現(xiàn)預(yù)期的尺寸，通過(guò)多次的修復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，絕大多數(shù)的管螺紋均可以通過(guò)該理論刀補(bǔ)參數(shù)實(shí)現(xiàn)螺紋修復(fù)過(guò)程。但是隨著待修復(fù)件數(shù)目的增加，待修復(fù)螺紋的尺寸逐步增大，以至于超出極限尺寸，這正是事先判斷出的刀具磨損導(dǎo)致的。當(dāng)尺寸增大到超過(guò)螺紋的尺寸上限時(shí)，則沒(méi)有實(shí)現(xiàn)一次性完成修復(fù)的功能。

為判斷具體的補(bǔ)償時(shí)機(jī)，提出了一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的判斷提供補(bǔ)償參數(shù)時(shí)間算法，流程圖如圖3所示。圖3所示的判斷程序可以通過(guò)最后的輸出結(jié)果i值來(lái)判斷刀具經(jīng)過(guò)多少次(數(shù)量級(jí))的切削過(guò)程后，需要給出補(bǔ)償參數(shù)，該算法可以較為準(zhǔn)確地保證補(bǔ)償參數(shù)的提供時(shí)機(jī)。

圖3 判斷提供補(bǔ)償參數(shù)時(shí)機(jī)的算法流程圖Fig.3 The algorithm flow chart for judging the time of providing the cutter compensation parameter

圖3中數(shù)值i為經(jīng)過(guò)多少次磨損后需要提供補(bǔ)償量；j為連續(xù)多少次出現(xiàn)因?yàn)榈毒吣p而導(dǎo)致的尺寸超差；程序運(yùn)行中設(shè)置的n為10，表示連續(xù)出現(xiàn)10次因刀具磨損而引起的尺寸超差。當(dāng)j滿足大于10的條件時(shí)，即輸出i值，由此判斷數(shù)值i即為第一次出現(xiàn)因刀具磨損引起的尺寸超差。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以將提供刀補(bǔ)參數(shù)的時(shí)間設(shè)定為(0.8～0.9)i次，用以確保加工的準(zhǔn)確性。

對(duì)于螺紋的公差帶來(lái)說(shuō)，給出的補(bǔ)償值只要滿足切削后工件的尺寸在公差帶范圍內(nèi)即可，但是為了生產(chǎn)效率的提高和成本的降低，本文將補(bǔ)償值補(bǔ)給到公差帶整體尺寸的1/8處，如圖4中虛線所示。圖4中的公稱尺寸是在傳統(tǒng)螺紋修復(fù)中，提供的刀補(bǔ)參數(shù)的基準(zhǔn)線，圖中虛線所示是設(shè)定的刀補(bǔ)基準(zhǔn)線。

圖4 螺紋尺寸公差帶示意圖Fig.4 Sketch of thread size tolerance zone

按照設(shè)定的基準(zhǔn)線計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)并用以修復(fù)螺紋將導(dǎo)致螺紋的尺寸相對(duì)公稱尺寸較小一些，但仍為合格品。圖5所示為誤差補(bǔ)償前后刀具路徑對(duì)比圖。

圖5 誤差補(bǔ)償前、后的刀具路徑對(duì)比圖Fig.5 Comparison of the tool path before and after the error compensation

從圖5可以看出，經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后的螺紋滿足螺紋尺寸公差帶的范圍，屬于合格的石油管螺紋，同時(shí)該補(bǔ)償方式可以有效降低修改刀補(bǔ)參數(shù)的次數(shù)，是一種高效、實(shí)用的螺紋補(bǔ)償方式機(jī)制。

4 結(jié)論

針對(duì)石油管螺紋自動(dòng)化的檢修過(guò)程中，因修復(fù)車床上各種綜合誤差因素導(dǎo)致即使對(duì)待修復(fù)螺紋提供理論刀補(bǔ)參數(shù)仍不能實(shí)現(xiàn)高精度修復(fù)的問(wèn)題，本文提出 一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償算法，它可以有效地計(jì)算出提供補(bǔ)償值的準(zhǔn)確時(shí)間和補(bǔ)償參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺紋修復(fù)車床系統(tǒng)誤差的綜合補(bǔ)償。為驗(yàn)證該算法的實(shí)用性，將該算法程序編寫入單片機(jī)中進(jìn)行補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，相比以往提供刀補(bǔ)參數(shù)的時(shí)間周期，該算法可以減少修改刀補(bǔ)次數(shù)，有效延長(zhǎng)提供刀補(bǔ)參數(shù)時(shí)間30%以上，同時(shí)對(duì)比以往的補(bǔ)償方式可以提高產(chǎn)品合格率16.66%，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)及修復(fù)過(guò)程提供了高效的補(bǔ)償機(jī)制。

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Research on compensation technology of petroleum pipe thread on-machine detection system

XIE Wen-long, WANG Ke, DAI Jia-hui

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, 110870, China)

In the actual petroleum pipe thread processing, even if calculate the parameters of cutter compensation repair parts through the detection result of the standard thread profile to repair thread, the desired theoretical dimensions are still not available, which is due to a variety of error sources on the screw repair machine on the comprehensive impact of processing accuracy. Therefore, in this paper, a systematic error compensation algorithm based on statistical rule is presented to correct the error, which can effectively calculate the accurate time and compensation parameters. It provides an efficient compensation mechanism for the realization of automatic detection and repair process.

petroleum pipe thread; on-machine detection; error compensation

2016-01-26；

2016-02-26

謝文龍(1990-)，男，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)楝F(xiàn)代制造技術(shù)。

TH16；TN247

A

1001-196X(2016)06-0052-04