环状工件钻攻一体机结构与控制系统设计_曹希明.pdf

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 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 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 seriously 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 determine 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 thecontrol 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 integrated 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 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）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，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=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给，待加工螺纹螺距P=1.95 mm，选择C5精度等级的丝杠，设定主轴最大进给速度vmax=12 m/min。已知丝杠负载质量m=25 kg，有效行程l70 mm，因此选择公称型号为BTK1208V-2.6的滚珠丝杠，其相关参数如表3所示。根据丝杠负载质量及其基本参数计算电机轴负载惯量以及电机连续工作转速，计算公式如下：JL=Jw+Jb=m()Ph22+mLD28（9）N=3vmax50Ph（10）式中：Jw为重物折算转动惯量；Jb为丝杠自身转动惯量；JL为电机总负载转动惯量；N为电机连续转速。计算得 JL=4.05710-5kgm2，NL=600 r/min。电机总负载惯量应小于电机转子惯量的3倍，则选择进给电机的 型 号 为 ECM-A3L-C0807S1，其 转 子 惯 量 J=6.1410-5kgm2，额定转速N2=3 000 r/min，满足加工要求。2.2回转分度装置2.2.1分度回转装置结构设计分度回转装置如图 7所示，包括立式回转工作台、气动卡盘、撑环卡爪和卡爪底盘。为保证一次夹装能完成所有的孔位加工，在加工8孔工件时，需要使用回转工作台进行工位转换，转换角度为45。回转工作台使用伺服电机作为驱动元件，以蜗轮蜗杆作为传动机构，带动分度盘进行分度定位。在钻孔时工件会受到较大扭力，为保证其稳定性，回转工作台使用插销进行锁紧抱死。回转工作台中间设有通孔，以便安装气动卡盘的气缸和电磁阀，因此选择回转工作台型号为WY13255DL。选用三爪气动卡盘，利用其三爪定心特性以保证同型号环状工件加工位置始终一致。工件内径为102254mm，故气动卡盘型号选择KS250-3，其撑紧范围为30280 mm，许用压力为0.40.8 MPa，最大撑紧力为60 kN，符合设计要求。气动卡盘与回转工作台之间使用圆形法兰盘连接，并用螺栓紧固，防止加工时两者产生相对位移而影响加工精度。三爪卡盘的爪行程（直径）为5.7 mm，小于不同型号环状工件之间的直径差，因此在加工不同规格工件前，均需要对卡爪位置进行重新调试。考虑到气动卡盘卡爪拆装较为繁琐，为减少调试时间提高效率，在撑环卡爪下方增设卡爪底盘，用以连接气动卡盘。针对不同型号的工件，卡爪底盘上开设对应的撑环卡爪安装螺纹孔，当需要加工不同型号工件时，更换撑环卡爪并将其安装于对应的螺纹孔上即可。2.2.2分度电机选型参考所选 WY13255DL 回转工作台及其所连接的KS250-3卡爪的相关参数，为方便计算选型，简化其传动模型，如图8所示。其中，蜗 杆 外 径 D1=0.025 m，质 量 m1=0.5 kg；由 蜗轮、旋转台、法兰盘、气动卡盘等所组成的圆柱 型 回 转 体 外 径 D2=0.25 m，质量 m2=42 kg，其传动比i=90。计算分度电机负载惯量：JL=J1+J2i2=m1D128+m2D228i2（11）式中：J1为蜗杆转动惯量；J2为组合体转动惯量。计算得电机负载惯量JL=7.9510-5kgm2，按照电机负载惯量应小于 3 倍电机转子惯量的原则，选择型号ECM-A3H-C0604S1的电机作为驱动电机，其转子惯量JM=4.810-5kgm2，JL3JM，满足工作要求。3控制系统设计3.1机床控制要求根据所设计的钻攻一体机的具体工作流程，提出以下控制要求。（1）机床设4个实体按钮，分别为开/关机按钮、夹紧按钮、钻攻按钮以及紧急停止按钮。（2）设定自动和手动两种模式，其中在自动模式表3丝杠参数参数丝杠外径D/m导程Ph/m参数值1210-3810-3参数轴长度L/m轴质量mL/kg参数值0.20.144图7回转分度装置图8回转分度装置传动模型2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期144下，可实时监测旋转分度装置、钻攻装置、冷却装置的工作状态以及计算加工工件数量；手动模式包含对刀功能即手轮滑台粗定位、动力头联动功能即单个动力头调试与加工坐标提取。（3）钻孔、攻丝相关参数可根据不同型号工件进行针对性调整。3.2控制系统硬件设计根据控制要求，基于 HMIPLC交流伺服驱动器设计本机床自动控制系统。其中，HMI编程简单灵活，可视化效果较好12，方便监控生产状况以及修改加工参数。PLC采集开关量信号并发送高速脉冲，对驱动器进行逻辑控制和管理13，驱动器控制伺服电机作为驱动元件，驱动执行机构完成夹紧、分度、钻孔、攻丝等动作。控制系统硬件架构如图9所示。整部机床驱动元件包含1个气缸和13个电机，为简化控制流程，同时方便故障排除与机器维修、升级，每个动力头配置1个PLC和功能拓展模块。动力头PLC采用位置脉冲命令以及模拟命令来控制切削和进给电机的伺服驱动器，则至少应具备4个晶体管形式的输出端子。考虑到机床后期的改进及优化，需要预留一定的输入/输出端子，因此选用PLC型号为台达DVP16EH00T3，外扩1 个 DVP04AD-H3 的模拟量输入模块。HMI 选用 DOP-107CV型触摸屏，通过RS-232通信接口与各个PLC串联通信。根据所选电机型号分别配备型号为 ASD-A3-3023、ASD-A3-0721和ASD-A3-0421的驱动器。3.3控制过程分析系统控制流程如图10所示，具体控制过程：机床开机上电，判断参数是否需重置，若不需重置则手动上料，若需重置则进入手动对刀模式，根据对刀结果提取加工参数，然后手动上料；检测到工件夹紧后调用钻攻子程序；钻攻结束后，根据加工参数判断是否需要分度，若否，则卡盘松开加工结束；若是，则运行卡盘分度子程序，之后再次进入钻攻子程序直至加工结束，至此完成一个加工循环14。3.4控制系统程序参数机床程序主要为钻攻程序和分度程序，其中钻攻程序又包括钻孔程序和攻丝程序。在钻孔过程中，主轴运动分为3段：快速接近产品阶段、慢速进给钻孔阶段以及调速阶段；攻丝过程分为攻进阶段、攻进/攻退转换阶段以及攻退阶段。因此，通过对刀程序所提取出的控制参数主要为：孔顶坐标A1（以主轴起始位置为原点），即钻头刚接触产品时的坐标；钻孔孔底A2，即钻孔结束坐标，A2=A1+h+A，其中h为壁厚，A为钻攻转换余量；攻丝孔底坐标 A3，A3=A1+2h+A。在分度程序中，由第2.1节可知电子齿轮比分母为3 600，回转工作台减速比为90，因此加工8孔位工件时回转工作台旋转45需要脉冲数Np=40 500。使用台达配套编程软件WPL Soft对机床控制流程进行编程。其加工过程主要包括：手动上料夹紧钻攻分度钻攻下料。分度子程序部分梯形图如图11所示，其中X1、X2分别对应夹紧按钮和回转分度装置启动按钮，Y0、Y2分别对应分度电机和卡盘气缸。图9控制系统硬件架构图10系统控制流程图11分度子程序部分梯形图曹希明，吉晓民，章铭铭：环状工件钻攻一体机结构与控制系统设计1453.5HMI人机界面架构在台达WPL Soft的编程环境下，利用DOP Soft对钻攻一体机的触摸屏人机界面进行设计。依据控制流程及要求，将人机操作界面划分为三部分：自动/监控画面、手动调式/对刀画面和参数输入画面。HMI具体架构如图12所示。其中，自动/监控画面可以帮助操作人员实时监控机床各个执行机构的状态，了解加工进程及产量，同时设置报警指示灯，遇到异常可及时报警；手动调试/对刀画面主要包括对刀模式、回转分度装置调试和冷却液调试，手动对刀可对单个动力头钻攻参数进行提取和清零，并以此对动力头进行逐一测试；参数输入画面包含钻孔/攻丝的坐标阈值输入、对应加工模式的主轴扭矩及转速的上限设置、分度参数以及相关工艺转换时间设置。通过自动/监控画面，可以更直观地展现机床加工过程。同时，手动和参数画面的使用，简化了操作流程，减少了设备调试时间，极大地提高了工作效率。4测试验证与结果分析针对上述设计方案，委托厂家购买相关硬件设备，并进行加工和样机装配。在保证周向孔加工精度的基础上，需最大化提升机床的加工效率。经过调试，确定钻孔阶段主轴最佳切削转速为 1 400 r/min，攻丝阶段主轴最佳切削转速为600 r/min；根据电子齿轮比以及分度时间要求，调整脉冲输出频率，确定分度电机最佳脉冲输出频率为13 500脉冲/s。样机调试完毕，对其进行加工试运行。以需要分度一次的8孔环为例，单个工件平均加工时长为1 min10 s，单日单个机床平均加工工件数量约为400件，相较于传统工艺，在减少人工成本的同时，加工效率提升近25%。孔位轴向误差和周向误差控制在0.5 mm之内，满足精度要求，运行结果符合预期。机床实物如图1415所示。5结束语针对环状工件螺纹孔手动加工误差大、效率低等问题，本文开发了一款环状工件钻攻一体机。采用回转工作台和气动卡爪进行夹装，动力头搭配线性滑台进行钻攻。根据机床控制系统方案，以HMI+PLC为基础，搭建了“一主多从”式控制架构。机床设有四工位和六工位两种加工布局，适配所有工件型号的加工要求。该机床采用复合刀具前钻后攻，简化了加工步骤，能够实现一次加工完成两步工艺。功能分析与实际测试结果表明，本文所开发的环状工件钻攻一体机不仅精简了流程、缩短了调试时间，还提高了孔位精度，同时将加工效率提高了近25%，提高了自动化水平。图12HMI架构图13HMI启动画面图14钻攻一体机外观图15钻攻一体机工作台2023年03月机 电 工 程 技 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杨侠,李书鹏,肖昂,等.PLC控制的专用自动攻丝系统设计J.机械工程与自动化,2016(4):149-150.作者简介：曹希明（1996-），男，硕士，研究领域为机电产品研究和产品造型技术与实践，已发表论文1篇。吉晓民（1958-），男，博士，教授，研究领域为产品造型设计理论、计算机辅助工业设计技术、机电产品研究与开发等，发表论文150余篇。（编辑：张楠）图1617为测量得到凸轮回转中心的驱动力矩，在机构启动时，驱动力矩有波动，最大驱动力矩为 3 057Nmm，如图16所示，随后机构稳定运行后的平均驱动力矩为810 Nmm，如图17所示。3结束语从包装机封盒机机构工作原理和设计工艺要求入手，基于ADAMS软件和 CATIA软件对包装机封盒机机构进行了建模和仿真。从执行件滑块的运动规律出发对凸轮轮廓曲线进行反求，利用反转法和ADAMS的轨迹追踪功能，求得凸轮的轮廓曲线，在借助CATIA软件进行三维建模对机构进行仿真。用ADAMS软件代替传统的画图法求解凸轮省去了大量运算，求解快速精确，误差较小。仿真结果求得了滚子之间的接触力和凸轮回转中心的驱动力矩，对包装机封盒底机构后续进行动力学分析、优化设计及结构设计具有实际参考价值。参考文献：1 徐婷.我国制药包装机械的发展现状与前景分析J.临床医学工程,2007(4):40-41.2 向飞,李克天,何卫峰,等.自动装盒机推料机构凸轮的设计及运动仿真J.制造业自动化,2014(5):137-139.3 韩庆红,张锁怀,陈香利.基于SolidWorks Motion的灌装机分瓶机构凸轮曲线设计J.包装工程,2016,37(5):110-114.4 韩炬,曹利杰,张宏宇.基于Creo Parametric轨迹曲线的袋成型包装机热封凸轮廓线设计J.食品与机械,2016,32(6):83-86.5 国志刚,冯蕴雯,冯元生.摆动推杆盘形凸轮机构运动精度可靠性分析J.机械科学与技术,2006,25(2):200-203.6 NEAMTU M,POTTMANN H,SCHUMAKER L L.DesigningNURBS Cam Profiles Using rigonometric splinesJ.Journal ofMechanical Design,1998,120(6):175-180.7 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