CN116507879A - 用于在至少一个金属管件的至少一个端部处制造螺纹的方法以及螺纹切削设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过在至少一个计算机数控机床(2)中对金属管件(3)进行切削加工而在至少一个金属管件(3)的至少一个端部处制造螺纹的方法，该方法包括：在螺纹切削过程期间和/或在螺纹切削过程之后，对螺纹进行光学测量；以及电子探测并评估螺纹的螺纹轮廓和/或密封唇(6)的测量数据；以及在使用与机床(2)耦联的调节器的情况下，由测量数据导出用于控制机床(2)的控制命令。本发明还涉及螺纹切削设备。

Description

用于在至少一个金属管件的至少一个端部处制造螺纹的方法 以及螺纹切削设备

技术领域

本发明涉及通过在至少一个计算机数控(CNC)机床中对金属管件进行切削加工而在至少一个金属管件的至少一个端部处制造螺纹的方法，该方法包括在螺纹切削过程期间和/或在螺纹切削过程之后对螺纹进行光学测量。

本发明还涉及用于在金属管件的端部处制造螺纹、特别是用于执行所述方法的螺纹切削设备。

背景技术

用于输送加压流体(例如天然气或石油)并以抗压且气密和液密地彼此螺纹连接的管件的螺纹受到严格的密封性要求。在这种石油专用管材(OCTG，Oil Country TubularGoods)作为用于石油或天然气勘探井的套管或立管、或者用于天然气或石油输送管路的情况下，通常使用具有底切的螺纹牙侧的锥形螺纹。在管件的端侧，密封唇通常联接至螺纹。螺纹和密封唇都必须满足最高的精度要求。在现有技术中，基本已知对螺纹进行光学测量，以便对管件做质量控制。

例如由专利文献WO 2019/09371A1已知用于对管件的外螺纹轮廓进行光学测量的方法和装置。所述装置包括用于待测管件的支具和具有至少一个测量设施的光学测量单元，其包括光源和布置在光源的光路中的、用于记录外螺纹轮廓的阴影图像的摄像机，其中，光学测量单元刚性地布置在保持成能够围绕三个空间轴线转动的支撑元件上，其中，光学测量单元还具有至少两个测量装置，它们的光路彼此相交。所述方法包括：将待测管件布置在支具上，使得空间轴线横向于测量单元的测量平面伸延，并且外螺纹布置在光源和分配的摄像机之间的光路中；将测量单元取向成使得测量平面与空间轴线围成直角；借助于至少一个测量设施的摄像机记录外螺纹的阴影图像；以及评估阴影图像。

例如由专利文献EP 3 465 079 B1已知用于测量螺纹的另一种装。该装置包括：用于可释放地保持管件的保持器，其中，螺纹形成在管件的端部处；具有第一光学传感器的第一光学测量区，其中，第一光学测量区安装至装置的操纵器，该操纵器设立成使第一测量区相对于管件运动，并且其中，第一光学测量区能够围绕第一调整轴线相对于螺纹的螺纹轴线调整，其中，在操纵器处布置有装置的具有第二光学传感器的第二光学测量区，其中，光学测量区共同形成用于同时测量螺纹的对置侧的测量通道。装置的特征尤其在于，借助于操纵器，测量通道能够围绕至少第二调整轴线相对于螺纹轴线倾斜，使得测量通道能够在立体角区间内自由取向。

通常随机探测用已知的装置和方法获得的测量数据，以便由此得出关于用于切削螺纹的刀具(Werkzeug)的磨损的结果。测量结果还用于记录质量保证数据。

发明内容

本发明的目的是，提供用于在金属管件处制造螺纹的方法和设备，其针对来自质量检查的测量数据的反馈做了改进。

该目的通过具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求12的特征的螺纹切削设备来实现。本发明的有利的设计方案由从属权利要求得出。

本发明的一个方面涉及用于通过在至少一个计算机数控机床中对金属管件进行切削加工而在至少一个金属管件的至少一个端部处制造螺纹的方法，该方法包括：在螺纹切削过程期间和/或在螺纹切削过程之后对螺纹进行光学测量；以及电子探测并评估螺纹的螺纹轮廓和/或密封唇的测量数据；以及在使用与机床耦联的至少一个调节器的情况下，由测量数据导出用于控制机床的控制命令。

根据本发明的方法适宜地使用在金属管件的加工和螺纹测量之间的优选地闭合的调节回路，其中，以有利的方式直接评估并导出用于或已用于切削螺纹的机床的控制命令。

例如设置在机器控制系统中的用于评估和导出控制指令的调节器可包括用于导出控制指令的至少一种自学习算法。

适宜地，切削锥形外螺纹来作为螺纹，其应与另一金属管件的互补的内螺纹形成耐压和/或液密的连接部。

可借助于具有至少一个光学测量区的、在操纵器处被引导的至少一个测量头来执行对螺纹的光学测量。

操纵器例如可构造为具有关节臂的工业机器人，其具有多个自由度。测量头可布置在操纵器的自由端，使得测量头能够在至少三个空间轴线上在空间中自由地取向。测量头可布置在载体处，并且可相对于载体在多个自由度上调整地在载体处进行引导。测量头例如可构造成能够相对于载体线性调整和/或能够围绕至少一个空间轴线倾斜。

在本发明的意义中，光学测量区可为具有光学传感器的光学探测系统，借助于其可对物体进行光学测量。光学测量区可包括至少一个光源和摄像机和/或光切传感器。光学测量区例如可包括远心光学器件，在物侧平行的光路通过远心光学器件在光学传感器上成像。在方法的优选的变型方案中，使用至少一个测量头，其设立成测量具有底切的螺纹牙侧的锥形螺纹。这种测量头例如可包括第一光学测量区和第二光学测量区，二者共同形成用于同时测量螺纹的对置侧的测量通道。例如在专利文献EP 3 465 079 B1中描述了这种测量头。

在根据本发明的方法的另一优选的变型方案中规定，优选地在设立成用于批量加工大量金属管件的生产线中，在螺纹切削过程之后进行螺纹的光学测量，优选地在螺纹切削过程之后进行多个节拍。例如可在为此而设置的测量站中进行测量，该测量站布置在机床之后的工艺线中。例如可规定，在工艺线中机床之后开始对第二金属管件或第三金属管件进行测量，使得由相应的控制命令触发的对机床的任何修正伴随着产生相对少量的废管。

测量站可设立成使得待测金属管件可被固定在限定位置。这例如可通过底座中的相应止挡部或容纳部来实现。

根据本发明的方法还可替代地规定，在进行螺纹切削过程时(就地)立即进行螺纹的光学测量，其中，与此相关联的缺点是，检测到螺纹的质量缺陷时必须中断节拍化的制造过程。

在根据本发明的方法的适宜且优选的变型方案中规定，控制命令选自控制命令的组，这些控制命令包括：在调整参数错误的情况下或者为了磨损补偿，对至少一个刀具相对于待加工的金属管件的位置进行修正；根据磨损更换至少一个刀具；根据预先给定的对螺纹轮廓的几何要求选取至少一个刀具；调整机床的卡盘的转速和/或转矩；以及改变机床的节拍时间。

特别地，控制命令可为以下命令：

-由于刀具的切削刀片的几何布置而修正刀具，例如，如果在刀具更换之后识别到台阶；

-由于磨损而修正刀具，例如，当刀具的切削刀片开始切削不当时；

-由于其他外部影响而修正刀具，例如，当环境温度发生变化时；

-由于待加工的管件的壁厚的变化或者由于使用其他材料或其他材料成分而修正刀具。

特别地，可从由测量数据导出的以下信息来生成或导出控制命令：

-刀具的磨损识别以及由此导出的刀具更换请求；

-刀具的磨损识别以便优化使用寿命，例如以便协调切削速度、刀刃几何形状以及刀具进给；

-刀具的磨损识别以便生成使用寿命预测。

通过相应地评估测量数据，可通过优化节拍时间和改进材料流来提高加工过程、更确切地说螺纹切削过程的生产率。根据本发明的方法使得能够实现及早地识别问题。所收集的数据还可用于质量评估和汇编文件以及后续工序，并且可与机床的数据相关联，例如借助于相应的控制算法或人工智能。后续工序和关联性可为：

-识别金属管件的污染以及区分加工缺陷；

-将测量数据与先前收集的数据相关联，以便例如探测金属管件中产生应力的位置，该应力导致螺纹切削过程之后金属管件的不圆度。由此例如可导出对淬火策略的改进；

-通过将测量结果与刀具夹紧部处产生的转矩进行比较来提高质量；

-通过将测量结果、更确切地说测量数据与矫直机(Richtmaschine)处出现的矫直力进行比较来提高质量。

优选地，借助于相对于金属管件以位置固定的方式布置的至少一个刀具在夹紧在机床的旋转卡盘中的金属管件处来执行螺纹切削过程。

所述方法优选地包括至少一个方法步骤，在该方法步骤期间，通过布置在测量站中的至少一个参考构件来提供对测量头的校准。该参考构件例如可设置为用于金属管件的管径的量规。

此外可规定，在软件中配置要切削的螺纹，并将作为目标数据的软件数据与测量数据进行比较。为此，例如可附加地规定，将CAD系统的数据用于导出控制命令。

在根据本发明的方法的适宜的变型方案中规定，将测量数据存储在具有相关金属管件的明确标识和分配关系的质量数据库中，从而使得能够随时调用相应地标识的金属管件的质量数据。

所述方法的优选的变型方案的特征在于以下方法步骤：将待测金属管件固定在测量站内的限定的测量位置中；使用用于识别测量头的位置的系统将测量头相对于金属管件定位；使至少一个测量区相对于管件轴线取向；以及巡测(Abfahren)金属管件的螺纹轮廓和/或密封唇。例如可通过测量头的线性运动和/或旋转运动来巡测螺纹轮廓。

根据本发明的另一方面，提出了用于在金属管件的端部处制造螺纹的螺纹切削设备，该螺纹切削设备特别地被确定用于并适用于执行上述方法。根据本发明的螺纹切削设备包括用于对待设有螺纹的金属管件进行切削加工的至少一个计算机数控机床、用于对机床执行控制命令的控制器、以及用于对所切削的螺纹进行光学测量的至少一个装置、用于电子探测和存储螺纹测量的测量数据的器件、以及用于由螺纹测量的测量数据导出控制命令的至少一个调节器，其中，用于光学探测和存储测量数据的装置耦联至机床的控制器。

所述机床可构造为车床、车铣中心、螺纹攻丝机或耦联部攻丝机(Muffenschneidmaschine)。

材料机械适宜地包括：至少一个能够旋转的卡盘，其用于夹紧金属管件；以及具有至少一个刀具的至少一个刀具保持器，该刀具保持器能够相对于卡盘固定和定位。机床例如可包括构造为转塔头的至少一个、优选地多个刀具保持器，该刀具保持器具有多个不同的刀具。

根据本发明的螺纹切削设备可包括相继地布置在工艺线中的至少一个加工站和至少一个测量站，其中，加工站包括机床，测量站包括用于对所切削的螺纹进行光学测量的至少一个装置。

作为用于光学测量的装置，螺纹切削设备可包括带有至少一个光学测量区的至少一个测量头，该测量头安置在操纵器处，并且该操纵器设立成出于测量螺纹的螺纹轮廓和/或密封唇的目的而使测量头相对于金属管件运动。

测量头可包括用于清洁待测螺纹的器件，该器件例如呈至少一个刷子、刷子系统或至少一个气动式或液压式清洁器的形式。通过这种方式，确保了必要时在测量之前去除掉螺纹的任何杂质，例如仍然粘附在螺纹上的削屑。

气动式清洁器例如可包括至少一个压缩空气环(Druckluftring)，在清洁阶段中，该压缩空气环包围螺纹。可设置彼此间隔开地布置的多个压缩空气环，或者替代地设置压缩空气弧(Druckluftbogen)，其具有不同直径，以便能够清洁锥形螺纹或者以便能够实现匹配不同的螺纹直径。

清洁器可设立成：使待清洁的螺纹相对于清洁器旋转，或者使得清洁器围绕待清洁的螺纹旋转和/或相对于其线性地运动。

清洁器例如可包括具有向内指向的压缩空气喷嘴的半圆形弧形件，在这些压缩空气喷嘴中，例如多个相对于螺纹或金属管件的纵向轴线相继地布置和/或布置在相同的高度，螺纹在这些压缩空气喷嘴之间沿纵向轴线运动并且必要时同时旋转。

附图说明

下面根据实施例结合附图来解释本发明。其中：

图1示出了根据本发明的螺纹切削设备的布局的示意图；

图2示出了根据本发明的螺纹切削设备的测量站的示意性的立体图；

图3示出了根据本发明在测量螺纹时测量头的立体图；

图4a以沿金属管件的纵向轴线方向的视图示出了根据本发明的光学测量原理的图示；

图4b示出了利用用于测量底切的螺纹牙侧的附加光切传感器的光学测量原理的侧视图；

图4c示出了测量底切的螺纹牙侧时的测量原理的示意图；以及

图5示出了金属管件的外螺纹轮廓的图示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的螺纹切削设备1的布局。螺纹切削设备1包括用于对金属管件3的端部进行切削加工的机床2，该金属管件例如可被构造为用于天然气生产井或石油生产井的套管或立管。这些金属管件3彼此螺纹连接，以便形成抗压的以及液密且气密的连接部，其中，该连接部建立在具有外螺纹4的插头端和具有内螺纹的套管端之间。根据本发明的方法优选地涉及制造这种金属管件的外螺纹4。在机床2中对金属管件3设置锥形外螺纹4，该外螺纹必要时具有底切的螺纹牙侧5和端侧的密封唇6。图5示出了带有底切的螺纹牙侧5以及端侧的密封唇6的锥形外螺纹4的外螺纹轮廓。

首先将待加工的金属管件3夹持到机床2的能够旋转的卡盘中。为了制造螺纹，机床2优选地包括配备有刀具的两个刀具转塔，该刀具转塔分别相对于随卡盘转动、更确切地说以加工速度旋转的金属管件布置，其中，刀具分别以切削的方式被引导与金属管件的端部接合。所示螺纹轮廓是存储在机床2的控制部中的目标轮廓。根据本发明的方法首先包括在工艺线中对金属管件3进行切削加工，以及对金属管件3的外螺纹4进行设置在工艺线中的光学测量。如从图1所示的设备布局可以看出的那样，在工艺线中，在构造为计算机数控机床2的机床的下游，布置有测量站7。

在图2中示意性地示出了测量站7。该测量站包括机器人8，该机器人具有优选地具有五个自由度的能够旋转和摆动的机器人臂部9，在机器人臂部的自由端布置有测量头10。测量头10包括载体11，该载体具有设置在其上的、用于对外螺纹4进行光学测量的光学测量器件。在螺纹切削过程之后，金属管件3通过辊道12输送到测量站7，并被固定在限定的测量位置。如图3中示意性示出的，该测量位置例如可通过居中地收缩的定位辊13(即，空竹形辊子(Diabolo Rolle))来限定，该定位轮的收缩部确定金属管件3的位置。替代地，可设置侧向止挡，以固定待测金属管件3的位置。在金属管件3的测量位置，必要时在金属管件3的直径修正之后，测量头10的载体11移动到测量位置中，在该测量位置中测量头10相对于金属管件3取向。

测量头10的直径校准用于将测量头10的测量器件相对于载体11定位，使得金属管件3在测量器件之间被布置成使得测量头10在预取向时不与金属管件3碰撞。为此，在测量站7中布置有作为参考构件的量规18，可借助于该参考构件在执行测量过程之前校准测量头10。为了定位、更确切地说预取向测量头10，可设置至少一个位置传感器，其例如作为激光光切传感器，利用该位置传感器可检查并且必要时修正测量头10相对于固定在测量位置中的金属管件3的位置。该方法既可包括通过相应地操控机器人臂部9来对测量头10进行预取向，也可包括通过相对于载体11调整测量头10来对测量头10进行精细取向。精细取向包括至少一个测量区16相对于金属管件3的管件轴线的取向。

如上所述，测量头10能够相对于载体线性移动，并且优选地能够围绕至少一个轴线摆动。例如可通过受驱动的至少一个滚珠丝杠或借助于至少一个销-齿轮传动单元(Triebstock)来实现线性调整。测量器件分别布置在测量头10的腿部19中。测量头10的腿部19的彼此的间距可线性调整。测量头10的腿部19形成金属管件3的U形包围部。腿部二者都可构造成能够独立地且相对于彼此调整。在所描述的实施例中规定，测量头10的一腿部19位置固定地布置，而测量头10的另一腿部19能够相对于测量头10的对置的腿部19调整。

作为测量器件，具有远心光学器件的摄像机14和与摄像机对置地定位的光源15设置在测量头10的腿部19中的每个腿部中，如图4a中示例性所示。摄像机14和光源15相应布置成有间距地彼此对置并形成测量区16，其中，该测量区16可构造为直的测量区16。替代地，摄像机14和光源15之间的光路可通过镜子转向。

下面通过参考图4a、图4b和图4c来解释测量原理。每个测量区16探测在金属管件3的一侧的外螺纹轮廓的一部分，其中，相应通过远心光学器件，在布置在摄像机14中的光敏传感器、例如CMOS传感器或CCD传感器上出现外螺纹4的一部分的由光源15产生的投影。通过在摄像机14处使用远心物镜确保可不失真且按正确比例地记录由相应的传感器探测的投影。以这种方式探测的外螺纹4的测量数据被记录并与外螺纹4的目标轮廓进行比较。两个测量区16可形成单个测量通道。

在根据本发明的测量头10的变型方案中规定，测量头包括至少一个光切传感器17，该光切传感器被构造为激光光切传感器并且指向外螺纹4的螺纹牙侧5进行取向。在图4c中示出了对螺纹牙侧5的测量。

在未示出的调节器中评估外螺纹轮廓和/或密封唇6的测量数据，以及导出用于控制机床2的控制命令，特别是当目标轮廓和通过测量数据记录的实际轮廓之间有偏差时。相应的目标轮廓例如能够在操作界面(HMI)中从不同螺纹类型的目录中自由地选取。测量头10和机床2的控制部形成优选闭合的调节回路。控制命令例如能够是调整刀具位置、选取刀具、机床2的卡盘以及金属管件3的转速和在此所施加的转矩、执行刀具更换、改变机床2的节拍时间等。如上所述，调节部可构造为自学习的调节部(KI)，并且为此可包括至少一种调节算法。根据本发明，关于管件确定的测量数据不仅用于与机床2的反馈和机床2的控制，而且还用于质量数据备份和跟踪。

在根据本发明的方法中优选地规定，在螺纹切削过程之后大约三个节拍至四个节拍，在工艺线中执行外螺纹4的光学测量。

附图标记列表

1 螺纹切削设备

2 机床

3 金属管件

4 外螺纹

5 螺纹牙侧

6 密封唇

7 测量站

8 机器人

9 机器人臂部

10 测量头

11 载体

12 辊道

13 定位轮

14 摄像机

15 光源

16 测量区

17 光切传感器

18 量规

19 腿部。

Claims (18)

1.通过在至少一个计算机数控机床(2)中对金属管件(3)进行切削加工而在至少一个金属管件(3)的至少一个端部处制造螺纹的方法，所述方法包括：

在螺纹切削过程期间和/或在所述螺纹切削过程之后对螺纹进行光学测量；以及

电子探测并评估螺纹的螺纹轮廓和/或密封唇(6)的测量数据；以及

在使用与所述机床(2)耦联的至少一个调节器的情况下，由测量数据导出用于控制所述机床(2)的控制命令。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节器包括用于导出所述控制命令的至少一种自学习算法。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，切削作为螺纹的锥形外螺纹(4)，该螺纹应与另一金属管件(3)的互补的内螺纹形成抗压的并且气密的和/或液密的连接部。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，借助于具有至少一个光学测量区(16)的、在操纵器处被引导的至少一个测量头(10)来执行对所述螺纹的光学测量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述测量头(10)设立成用于测量具有底切的螺纹牙侧(5)的锥形螺纹。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，优选地在设立成批量加工大量金属管件(3)的生产线中，在所述螺纹切削过程之后进行所述螺纹的光学测量，在所述螺纹切削过程之后进行多个节拍。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制命令选自控制命令的组，所述控制命令包括：

在调整参数错误的情况下或者为了补偿磨损，对至少一个刀具相对于待加工的金属管件进行位置修正；

根据磨损更换至少一个刀具；

根据对螺纹轮廓的预先给定的几何要求选取至少一个刀具；

调整所述机床(2)的卡盘的转速和/或转矩；以及

改变所述机床(2)的节拍时间。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个方法步骤包括借助于布置在测量站(7)中的至少一个参考构件对所述测量头(10)进行至少一次校准。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在软件中配置待切削的螺纹，并将配置数据与测量数据进行比较。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，将所述测量数据存储在具有相关金属管件的明确标识和分配关系的质量数据库中。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法具有以下方法步骤：

将待测金属管件(3)固定在测量站内的限定的测量位置中；

通过用于所述测量头(10)的位置识别的系统将所述测量头(10)相对于所述金属管件(3)定位；

使至少一个测量区(16)相对于管件轴线取向；以及

巡测所述金属管件(3)的螺纹轮廓和/或密封唇(6)。

12.用于在金属管件的端部处制造螺纹的螺纹切削设备，所述螺纹切削设备特别地用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法，所述螺纹切削设备包括用于对待设置螺纹的金属管件(3)进行切削加工的至少一个计算机数控机床(2)、用于对所述机床(2)执行控制命令的控制器、以及用于对所切削的螺纹进行光学测量的至少一个装置、用于电子探测和存储螺纹测量的测量数据的器件、以及用于由螺纹测量的测量数据导出控制命令的至少一个调节器，其中，用于光学探测和存储测量数据的装置耦联至所述机床(2)的控制器。

13.根据权利要求12所述的螺纹切削设备，其特征在于，所述机床(2)是车床、车铣中心、螺纹攻丝机或耦联部攻丝机。

14.根据权利要求11或12所述的螺纹切削设备，其特征在于，所述机床(2)具有：能够旋转的至少一个卡盘，其用于夹紧所述金属管件(3)；以及至少一个刀具保持器，所述刀具保持器能够相对于所述卡盘固定和定位，并且具有至少一个刀具。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的螺纹切削设备，其特征在于，所述螺纹切削设备包括相继地布置在工艺线中的加工站和测量站(7)，其中，所述加工站包括所述机床(2)，所述测量站(7)包括用于对所切削的螺纹进行光学测量的至少一个装置。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的螺纹切削设备，其特征在于，作为用于光学测量的装置，至少一个测量头(10)设有至少一个光学测量区(16)，所述测量头安置在操纵器处，并且所述操纵器设立成出于测量螺纹的螺纹轮廓和/或密封唇(6)的目的而使所述测量头(10)相对于所述金属管件(3)运动。

17.根据权利要求16所述的螺纹切削设备，其特征在于，所述测量头(10)包括用于清洁待测螺纹的器件。

18.根据权利要求17所述的螺纹切削设备，其特征在于，设置机械式地和/或利用清洁流体作用的至少一个清洁器来作为用于清洁待测螺纹的器件。