CN105334800B - 管端数字仿形补刀控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种管端数字仿形补刀控制系统,包括硬件系统、软件系统,管端外形检测传感器、刀盘旋转角度检测传感器检测的数据经IM接口模块上传至处理器,处理器根据数据计算出径向进刀刀座的位置值,然后向根据计算值向模块化运动控制驱动器发出控制指令,模块化运动控制驱动器驱动轴向进刀伺服电机和径向进刀伺服电机运动,与之配套的刀具随之运动,实现对被加工钢管端头进行仿形加工。效果:实现了被加工钢管端头的电子仿形,彻底解决了传统办法无法实现管端内壁仿形补刀加工的缺陷,大幅度提高了该种设备的自动化程度,缩短了工件的加工周期,保证了加工精度。

Description

管端数字仿形补刀控制系统
技术领域
本发明属于制管行业机械加工设备自动控制技术领域,涉及一种钢管端头加工过程中的数字仿形补刀控制系统。
背景技术
随着经济的快速发展,石油天然气的用量不断增长,导致油气田的开发向边远荒漠、基地冻土和海洋等领域发展,随之面临的将是复杂的地理坏境、低寒的气温以及油气成分的多样性带来的对输送管线的腐蚀等问题。因此,在油气输送管线的铺设中对每根钢管的端头加工提出了更高要求的同时,钢管的材质也由单一的碳钢开始向复合材质转型,使得钢管生产线中的管端加工设备不仅要提高加工精度,更要满足复杂的加工流程和适应更多的钢管材质。目前,油气输送钢管主要是不锈钢和碳钢的复合钢管,其主要的加工流程有管端平头倒棱(如图1所示)、管端内壁镗孔(如图2所示)等工艺流程。
从理论上讲,只要能够保证钢管夹紧后中心与刀盘中心在同一中心线上,就完全能够满足各种管端加工需求。但是在钢管生产线中,往往由于成型、焊接、复合等加工流程,导致钢管端头产生变形,不能成为一个理论上的圆,或机床的安装、加工等其他原因使得钢管中心与刀盘中心很难找正(即在同一中心线),最终造成管端加工误差过大,废品率大幅度提升,给企业带来不必要的经济损失。所以在管端加工设备中都必须采用管端仿形加工,使加工刀具随着管端外形的变化做出相应的调整,以满足生产要求。而现有的管端加工设备通常采用机械仿形轮和浮动刀座的方法进行管端的仿形加工,该办法可以有效解决管端平头倒棱的加工仿形要求,但是对于钢管内壁的镗孔、挖槽等带有径向进刀功能的加工设备无法实现仿形加工。所以,探寻一种适合于各种管端加工的仿形补刀系统成为该行业的当务之急。
发明内容
为了解决上述现有现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种广泛适用于各种管端加工工艺的仿形补刀系统,有效解决现有设备不能满足钢管内壁的镗孔、挖槽等带有径向进刀功能设备的仿形补刀问题,同时也大幅度提高了设备的加工精度和自动化程度。
本发明技术方案:一种管端数字仿形补刀控制系统,包括硬件系统、软件系统,所述硬件系统包括处理器、IM接口模块、传输总线、模块化运动控制驱动器、人机界面、管端外形检测传感器、刀盘旋转角度检测传感器、轴向进刀伺服电机、径向进刀伺服电机,所述管端外形检测传感器、刀盘旋转角度检测传感器连接在IM接口模块上,IM接口模块通过传输总线连接在处理器上,模块化运动控制驱动器通过传输总线连接在处理器上,轴向进刀伺服电机、径向进刀伺服电机通过模块化运动控制驱动器驱动,人机界面通过传输总线连接在处理器上;所述软件系统包括人机界面的画面制作软件、处理器的逻辑编程软件和工艺参数配置软件;管端外形检测传感器、刀盘旋转角度检测传感器检测的数据经IM接口模块上传至处理器,处理器对接收到的数据进行处理后,计算出径向进刀刀座的位置值,然后向根据计算值向模块化运动控制驱动器发出控制指令,模块化运动控制驱动器驱动轴向进刀伺服电机和径向进刀伺服电机运动,与之配套的刀具随之运动,实现对被加工钢管端头进行仿形加工。
所述处理器为西门子T-CPU。
所述IM接口模块为IM174接口模块。
传输总线为PROFIBUS DP。
模块化运动控制驱动器为SINAMICS S120。
所使用的软件具体有:人机界面的画面制作软件SIMATIC WinCC flexible 2008、西门子T-CPU 的逻辑编程软件SIMATIC STEP7和工艺参数配置软件S7 Technology。
本发明的特点在于实现了被加工钢管端头的电子仿形,彻底解决了传统办法无法实现管端内壁仿形补刀加工的缺陷,大幅度提高了该种设备的自动化程度,缩短了工件的加工周期,保证了加工精度。
附图说明
图1是管端平头倒棱加工工艺流程示意图;
图2是管端镗内孔加工工艺流程示意图;
图3是本发明的系统结构示意图;
附图中:
1.被加工钢管端头 2.机械仿形浮动刀座
3.旋转刀盘 4.机械仿形轮
5.管端倒棱刀片 6.管端平头刀片
7.管端夹紧装置 8.管端镗内孔刀片
9.径向进刀刀座 10.处理器
11.IM接口模块 12.传输总线
13. 模块化运动控制驱动器 14.人机界面
15.管端外形检测传感器 16.刀盘旋转角度检测传感器
17.轴向进刀伺服电机 18.径向进刀伺服电机。
具体实施方法
下面结合附图中的加工工艺流程示意图和系统结构示意图对本发明系统进行详细说明。
图1是管端平头倒棱加工示意图,被加工钢管端头1的外壁与机械仿形轮4紧贴,管端倒棱刀盘5和管端平头刀盘6安装在机械仿形浮动刀座2上,机械仿形轮4与机械仿形浮动刀座2相连,当被加工钢管端头1外形变化时,机械仿形轮4跟随其外形变化,进而带动与之相连的机械仿形浮动刀座2也随着被加工钢管端头1外形的变化而变化,最终实现了管端倒棱刀盘5和管端平头刀盘6在被加工钢管端头1的切削量始终不变,达到仿形补刀的目的。当旋转刀盘3旋转时,在轴向进刀伺服电机17的作用下,实现了被加工钢管端头1的平头倒棱加工。这就是传统的机械仿形方式,其仅限于加工钢管端头和外壁,无法实现对钢管内壁的加工。
图2是管端内壁镗孔加工示意图,被加工钢管端头1被管端夹紧装置7夹紧后,在径向进刀刀座9上安装管端镗内孔刀片,通过径向进刀伺服电机18驱动径向进刀刀座9到达一定的位置。当旋转刀盘3旋转时,在轴向进刀伺服电机17的作用下,可对被加工钢管端头1内壁进行镗孔加工。要保证该种加工方式的精度,必须保证被加工钢管端头1、管端夹紧装置7、旋转刀盘3的中心线在同一条直线上,而且要求被加工钢管端头1是理论上的圆,不得有任何变形。否则会造成加工件的损坏或机床刀盘的损坏,并且对钢管的圆度和操作人员的要求很高。在实际的生产中,所有被加工钢管端头1或多或少都会有不 同程度的变形,所以这种办法很难广泛适用于工业现场,并且效率低,废品率高,加工刀片的损耗大,无形中增加了生产成本,给企业带来巨大的经济损失。
为了解决上述管端内壁镗孔加工中的缺陷,本发明提供了一种管端数字仿形补刀控制系统,可使径向进刀刀座9的位置随着被加工钢管端头1外形的变化而变化,带动径向加工刀片随之变化。由于被加工钢管端头1的壁厚是一固定数值,所以径向进刀刀座9的位置值跟随被加工钢管端头1的外形检测值变化是完全符合仿形原理的,实现了对钢管端头电子仿形的目的。处理器10根据被加工钢管端头1的外形检测值,通过径向进刀伺服电机18来控制径向进刀刀座9的位置,实现了实时补刀的目的。
本发明中以管段内壁镗内孔为例进行说明,其硬件结构示意图如图3所示。管端外形检测传感器15和刀盘旋转角度检测传感器16连接在IM接口模块11(IM174接口模块)上,IM接口模块11通过PROFIBUS DP(DRIVE)传输总线12连接在处理器10(西门子T-CPU)上。轴向进刀伺服电机17和径向进刀伺服电机18通过模块化运动控制驱动器13(SINAMICS S120)驱动,SINAMICS S120通过PROFIBUS DP(DRIVE)总线连接在西门子T-CPU驱动系统上。人机界面14通过PROFIBUS DP总线连接在西门子T-CPU上,用来实现设备参数设定、状态显示及故障报警等人机对话,这样就构成了本发明的硬件系统。硬件系统中以西门子T-CPU 10为中央处理器,将IM174接口模块上传的管端外形检测数据和刀盘旋转检测数据进行处理后,可自动计算出径向进刀刀座9的位置值,然后向根据计算值向SINAMICS S120发出控制指令,SINAMICS S120驱动轴向进刀伺服电机17和径向进刀伺服电机18以完成对被加工钢管端头的加工。
本发明中所使用的软件主要有,人机界面14的画面制作软件SIMATIC WinCCflexible 2008,西门子T-CPU的逻辑编程软件SIMATIC STEP7和工艺参数配置软件S7Technology。
在软件控制系统的编写配置中,首先通过西门子T-CPU的编程软件S7 Technology建立旋转刀盘3的旋转角度检测值和管端外形检测值之间的凸轮盘关系,当旋转刀盘3旋转时,可通过软件测出其凸轮曲线。然后将测得的凸轮曲线关联到旋转刀盘3的旋转角度检测值和径向进刀刀座9的位置值之间的关系上,使得旋转刀盘3的旋转角度值和径向进刀刀座9的位置值按照该曲线的关系运行。也就是说,旋转刀盘3旋转某一角度时,管端外形检测将对应一个唯一的检测值,由于钢管壁厚时固定值,所以不难得出径向进刀刀座9也对应一个唯一的位置值。以此类推,旋转刀盘3在任意角度时都将对应一个径向进刀刀座9的位置值,也就实现了径向进刀刀座9的位置控制,最终实现了电子仿形补刀的目的。
本发明的软件配置及程序编写具体步骤如下:
步骤1:在SIMATIC STEP7中进行系统硬件组态,设定个模块及控制单元之间的通讯参数,制作人机界面14中的操作、监控、显示界面并下载到人机界面14中。
步骤2:在S7 Technology软件中配置系统参数,组态轴、外部编码器、凸轮盘等并设定个参数。该发明中将管端外形检测传感器15组态为外部编码器,命名为外部编码器;将刀盘旋转角度检测传感器16组态为旋转轴,命名为轴1;将径向进刀伺服电机18组态为线性轴,命名为轴2。
步骤3:在S7 Technology软件中,设定轴1为引导轴,外部编码器为跟随轴,创建一个跟随轴对引导轴位置依靠关系的凸轮盘,并将该凸轮盘关联到轴1对轴2 的依靠关系中。
步骤4;在SIMATIC STEP7编写控制程序,西门子T-CPU 10提供了“S7-Tech”库。其中包含了各个版本符合PLCopen标准的功能块,功能块的版本适合集成工艺的固件版本。工艺功能块构成了控制单元集成工艺之间的接口,通过一致的调用单个的工艺功能块来实现程序上的控制功能。
本发明以西门子T-CPU为主控制器,通过S120来驱动进刀伺服电机,IM174接口模块采集管端外形和刀盘角度检测信号,控制系统结构图如图3所示。在T-CPU的应用软件,将刀盘旋转轴设置为主轴,管端外形检测传感器设置为从轴,在刀盘的旋转过程中,可以建立一个关于刀盘旋转轴和管端外形检测的凸轮盘。由于管端外形检测和径向进刀伺服轴的位置之差是一个钢管壁厚的值(或其他可确定的固定值),所以可以将这个凸轮曲线应用于刀盘旋转和径向进刀伺服轴的关系中,使得径向进刀伺服轴的位置始终以相差一个钢管壁厚的值跟随于管端外形检测传感器的值。这样就实现了径向进刀伺服轴始终保持着与管端外形一致的位置值,当钢管外形变大时,径向进刀伺服轴的位置值随着增大,反之亦然。在本发明中,管端外形检测传感器实现了管端的数字仿形功能,径向进刀伺服轴通过T-CPU软件功能中的凸轮盘功能实现了跟随管端外形变化的实时补刀功能,最终达到了数字仿形,自动补刀的目的,可以有效解决以往设备不能对钢管内壁进行仿形补刀的问题。

Claims (7)

1.一种管端数字仿形补刀控制系统,包括硬件系统、软件系统,其特征是所述硬件系统包括处理器(10)、IM接口模块(11)、传输总线(12)、模块化运动控制驱动器(13)、人机界面(14)、管端外形检测传感器(15)、刀盘旋转角度检测传感器(16)、轴向进刀伺服电机(17)、径向进刀伺服电机(18),所述管端外形检测传感器(15)、刀盘旋转角度检测传感器(16)连接在IM接口模块(11)上,IM接口模块(11)通过传输总线(12)连接在处理器(10)上,模块化运动控制驱动器(13)通过传输总线(12)连接在处理器(10)上,轴向进刀伺服电机(17)、径向进刀伺服电机(18)通过模块化运动控制驱动器(13)驱动,人机界面(14)通过传输总线(12)连接在处理器(10)上;所述软件系统包括人机界面(14)的画面制作软件、处理器(10)的逻辑编程软件和工艺参数配置软件;管端外形检测传感器(15)、刀盘旋转角度检测传感器(16)检测的数据经IM接口模块(11)上传至处理器(10),处理器(10)对接收到的数据进行处理后,计算出径向进刀刀座(9)的位置值,然后向根据计算值向模块化运动控制驱动器(13)发出控制指令,模块化运动控制驱动器(13)驱动轴向进刀伺服电机(17)和径向进刀伺服电机(18)运动,与之配套的刀具随之运动,实现对被加工钢管端头(1)进行仿形加工。
2.如权利要求1所述的管端数字仿形补刀控制系统,其特征是所述处理器(10)为西门子T-CPU。
3.如权利要求1所述的管端数字仿形补刀控制系统,其特征是所述IM接口模块(11)为IM174接口模块。
4.如权利要求1所述的管端数字仿形补刀控制系统,其特征是所述传输总线(12)为PROFIBUS DP。
5.如权利要求1所述的管端数字仿形补刀控制系统,其特征是所述模块化运动控制驱动器(13)为SINAMICS S120。
6.如权利要求2所述的管端数字仿形补刀控制系统,其特征是所使用的软件有:人机界面(14)的画面制作软件SIMATIC WinCC flexible 2008、西门子T-CPU 的逻辑编程软件SIMATIC STEP7和工艺参数配置软件S7 Technology。
7.如权利要求6所述的管端数字仿形补刀控制系统,其特征是在西门子T-CPU的应用软件中,将刀盘旋转轴设置为主轴,管端外形检测传感器设置为从轴,在刀盘的旋转过程中,建立一个关于刀盘旋转轴和管端外形检测的凸轮盘。
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