WO2011072473A1 - 具有力反馈的油管接箍内螺纹切削机床在线检测装置 - Google Patents

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Description

具有力反馈的油管接箍内螺纹切削机床在线检测装置 技术领域
本发明涉及一种具有力反馈的油管接箍内螺紋切削机床在线检测装置， 用于切削机 床加工油管接箍内螺纹时对内螵紋齿形参数进行在线检测和监测。 本发明属于高精密自 动检测技术领域。 背景技术
油管接箍是油田设备中相当重要的零配件， 特别是在下井工具中起着不可替代的作 用。 油管接箍的主要功用是连接油管， 以使油管在油井中连接成一个整体。 油管接箍内 螺纹属于圆锥型内螺纹。 目前，油管接箍内螺纹加工生产过程中的检测主要有两种方法。 一种是现场抽检， 工人在现场根据检测规章定期抽取样件 , 目测加工后的内螺纹表面质 量并用螺纹塞规等仪器手动检测， 必要时还要用螺距量规、 锥度量规等对螺纹的螺距、 锥度进行检测； 另一种是离线检测， 选取个别单件产品， 用笔式记录仪记录螺纹齿型， 然后手工测绘进行人工进行数据处理、 填表存档。
以上两种方法都存在工人劳动强度大， 测量结果受人为因素影响大， 不能对所加工 的油管接箍内螺紋逐一进行检测等突出缺点。 而且， 螺纹塞规只能进行螺纹综合检验， 即只能测出由综合因素造成的不合格产品。 但到底是由加工机床的哪些因素造成的， 很 难判断，不能对生产起直接指导作用。一旦检测出现质量问题就对机床或刀具进行调整， 可实际上已经出现了废品和废件。 因此， 现有螺纹质量检测方法只是对螺紋的各项指标 进行判定， 并未起到质量预测、 预报， 以及在线检测的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于切削机床加工油管接箍内螺紋时对齿形参数进行在 线检测的装置， 其具有接触力反馈功能， 可以精确确定检测装置末端的测针是否与被测 内螺纹齿面接触以及接触力的大小。 本在线检测装置可以大幅度减轻工人劳动强度， 对 所加工的所有油管接箍产品逐一进行在线检测， 提高内螺紋检测精度与速度， 进一步提 高产品质量。
本在线检测装置具有两个垂直的运动自由度， 即轴向运动 （X轴方向） 可以精确定 位， 步进距离 Xi; 径向运动（Y轴方向） 亦可以实现精确运动定位控制， 并精确输出运 动距离。 同时， 具有力反馈功能的力检测探头组件安装在径向运动組件末端， 因此可确 定测针是否与被测内螺纹齿面接触以及接触力的大小。 当超过接触力的阈值， 即确认测 针与被测内螺纹齿面真正接触， Y轴方向停止运动并随即输出 Y轴位置 Yi。.
由（ Xi, Yi )可以得到被测内螺纹齿形轴向截面某点的坐标值；在整个检测过程中（ Xi, Yi ) ( i=l,2... ... n )输出被采集后，可以合成被检测油管接箍内螺纹轴向截面的一段完成 齿形数据， 进而通过算法计算出齿形参数， 主要包括： 螺距、 螺纹锥度、 齿高和齿形角。 通过安装底板将整个检测装置安装到切削机床特定工位的卡盘上。 当机床加工油管接箍 运行到此工位时， 在线检测装置可以对工油管接箍内螺纹进行自动检测。
本发明的技术方案为： 一种具有力反馈的油管接箍内螺纹切削机床在线检测装置， 其中至少应包括：
一轴向运动机构组件， 用以带动检测机构、 力检测探头做快速、 精密轴向步进定位 运动， 并用于将整个检测装置定位安装到油管接箍内螺纹切削机床工位卡盘上；
一径向运动机构组件， 固定于轴向运动机构组件末端，用以带动力检测探头做快速、 精密径向步进运动；
一力检测探头组件， 用以安装在径向运动机构末端， 感知该组件末端安装的测针是 否与被检测油管接箍内螺纹齿形齿面接触以及接触力的大小；
该轴向运动机构组件具体包括：
一安装底板。 用以将整个检测装置定位安装到油管接箍内螺紋切削机床工位 卡盘上；
一外套筒， 同轴固定于安装底板上， 并且在内部， 沿外套筒中心轴线， 对称 有两个平行于中心轴线的导套孔；
四个滚珠导套， 两两分别同轴安装到外套筒的导套孔中， 并分别用一大挡圈 轴向锁紧；
两个导柱， 分别插入两组滚珠导套中； 一丝杠， 具有一光轴端、 一小凸圆面及一右轴端；
二轴承， 之间设有一隔套， 该二轴承及隔套同轴套入丝杠的光轴端、 限位至 小凸圆面， 之后同轴固定于安装底板上；
一大带轮， 固定于丝杠光轴端远离小凸圆面的一侧， 通过一短隔套与轴承限 位， 并通过一长顶丝径向锁紧； 一步进电机， 固定于该安装底板上； 整个轴向运动机构组件的动力源， 用以 接收控制指令， 转动给定的角度， 从而驱动丝杠转动指定的角度；
一小带轮， 固定于步进电机的电机轴上， 所述的小带轮及大带轮上安装有一 同步带齿形， 从而将步进电机的输出的扭矩传递给丝杠；
一滚珠螺母， 与一挡板同轴相连后， 沿丝杠轴线旋入， 同时， 使所述的两个 导柱分别进入该挡板的导柱安装孔 I和导柱安装孔中 II中， 并固定连接；
一丝杠保护罩， 与所述的滚珠螺母同轴相连， 并固定于挡板上；
一 U型托板， 置于丝杠保护罩外侧， 并垂直固定于挡板上。
该径向运动机构組件具体包括：
一直线步进电机， 固定于 U型托板的电机中孔内， 用以将该电机的步进旋转 运动转换为高精度径向直线位移运动；
一电机护套， 固定于直线电机尾部， 用以保护直线步进电机；
一护盖， 固定于直线电机的前端， 用以保护直线步进电机；
该力检测探头组件具体包括：
一套筒；
一线性轴承， 同轴安装入套筒的中部轴承安装孔内， 并通过一轴承挡圈使线 性轴承沿套筒轴向锁紧， 用以引导测针只沿套筒轴线做直线运动；
一力传感器， 轴向固定于套筒的尾部传感器安装孔内， 并与测针根部端面紧 密接触， 用以检测测针与油管接箍内螺纹齿形齿面接触后力的大小， 并转换成电压 量形式进行反馈；
一测针， 具有一杆部圓柱、 一根部端面及一上凸圆面， 该杆部圆柱同轴放入 套筒内部的线性轴承内， 并且使测针根部端面与力传感器紧密接触； 该测针用以探 知在线检测装置是否与油管接箍内螺纹齿形齿面接触， 并传递接触力；
一螺纹挡块， 其内螺紋与套筒的根部外螺纹连接， 并使该测针穿过该螺紋挡 块， 使螺紋挡块中的沉孔端面与测针的上凸囿面重合， 以给测针沿套筒的轴线方向 限位， 防止其脱落， 并给力传感器提供一初始的预紧力；
一连接螺母， 与直线步进电机的电机轴连接， 同时将力传感器沿套筒轴线方 向锁紧。 所述的轴 7?t为滚珠轴承。
所述挡板的导柱安装孔中 I和导柱安装孔中 II沿挡板中心轴线对称分布。
所述挡板的 U型托板有一个上臂定位凸圃和一个下臂定位凸圆， 并且上臂定位凸 圓和下臂定位凸圆轴线平行。
所述挡板的直线步进电机的直线步进分辨率为 0.0254mm, 安装法兰上有两个安装 通孔。
所述的线性轴承为滚珠线性轴承。
所述的套筒前部有一段根部外螺纹， 尾部有一尾部传感器安装孔； 根部有一根部 内螺纹孔。
所述的测针头部为圓锥形。
所述的连接螺母有一外圆螺纹， 中部有一螺纹内孔。
本发明一种具有力反馈的油管接箍内螺紋切削机床在线检测装置， 其优点及功效 在于： 本发明具有接触力反馈功能， 可以精确确定检测装置末端的测针是否与被测内螺 紋齿形齿面接触以及接触力的大小。 本在线检测装置可以大幅度减轻工人劳动强度， 对 所加工的所有油管接箍产品逐一进行在线检测， 提高内螺纹检测精度与速度， 进一步提 高产品质量. 附图说明
图 1所示为本发明的整体外形图。
图 2A所示为本发明的纵向剖视图。
图 2B所示为本发明除去径向运动机构组件 102和力检测探头组件 103的横向剖视 图。
图 2C所示为本发明径向运动机构组件 102结构轴侧视图。
图 2D所示为本发明去除护盖 241后， 力检测探头组件 103结构轴侧视图。
图 2E所示为本发明力检测探头组件 103的轴向剖视图。
图 3A所示为图 2A中安装底板 201的轴侧视图。
图 3B所示为图 2A中安装底板 201的轴向剖视图。
图 4所示为图 2A中外套筒 203的轴向剖视图。
图 5所示为图 2A中丝杠 214的正视图。
图 6所示为图 2A中挡板 205的轴侧视图。 图 7所示为图 2A中 U型托板 208的轴侧视图。
图 8所示为图 2D中测针 251的轴侧视图。
图 9所示为图 2D中套筒 253的轴向剖视图。
图 10所示为图 2D中螺 挡块 252的轴向剖视图。
图 11所示为图 2D中连接螺母 257的轴向剖视图。
图中具体标号如下：
101 轴向运动机构组件 102径向运动机构組件
103 力检测探头组件
201安装底板 202螺钉
203外套筒 204滚珠导套
205挡板 206导柱
207 U型托板连接螺母 208 U型托板
209丝杠护罩 210沉头内六方螺 4丁
211导柱顶丝 212大挡圈
213滚珠螺母 214丝杠
215隔套 216轴承螺纹挡块
217滚珠轴承 218短隔套
219大带轮 220长顶丝
221同步带齿形
230圆头螺钉 231步进电机
232小带轮 233短顶丝
240六方螺母 241护盖
242直线步进电机 243一字螺钉
244电机护套
251测针 252螺纹挡块
253套筒 254线性轴承
255轴承挡圈 256力传感器
257接螺母
301A定位外圓 302A大端面
303A大圓凹槽 304A电机安装通孔
301B大凹孔 302B大凹 端面
401大外圓 402上导套孔
403上环槽 404下环槽
405下导套孔
501光轴端 502小凸圆面
503右轴端
601导柱安装孔 I 602导柱安装孔 II
603上定位孔 604下定位孔
605前端面
701上臂定位凸圆 702下臂定位凸圆
703电机中孔
801杆部圓柱 802上凸圆面 803根部端面
901根部外螺紋 902尾部圆环面
903中部轴承安装孔 904定位环槽
905尾部传感器安装孔 906根部内螺纹孔
1001内螺纹 1002尾部外端面
1003 沉孔端面
1101外圆螺纹 1102螺纹内孔 具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的实施方案。
请参照附图 1 , 本发明由轴向运动机构组件 101、 径向运动机构组件 102、 力检测探 头组件 103组成。
请参照图 2A、 图 3A, 本发明通过安装底板 201中的直径为 220mm定位外圓 301A 与切削机床的三爪卡盘进行定位， 并可以通过三爪卡盘压紧安装底板 201 中的大端面 302A以实现检测装置与机床的固定连接。
将外套筒 203的大外圓 401与安装底板 201上的大圓凹槽 303A进行定位后， 并用 三个螺钉 202连接牢固。
将两个滚珠导套 204同轴放入外套筒 203的上导套孔 402中， 用大挡囷 212放入上 环槽 403后将两个滚珠导套 204轴向锁紧。 依次方法， 将另外两个滚珠导套 204放入下 导套孔 405中， 并用大挡圈 212放入下环槽 404后锁紧。 将两个导柱 206分别插入上导 套孔 402和下导套孔 405的滚珠导套 204中。 至此， 两个导柱 206轴线分布在同一个平 面内， 并可以平滑地^ L轴向移动。
将一个滚珠轴承 217、 隔套 215、 另一个滚珠轴承 217依次轴向套入丝杠 214的光 轴端 501， 并轴向限位至小凸圆面 502后， 再放入安装底板 201上的大凹孔 301B中， 并轴向限位至大凹孔端面 302B。 接着用轴承螺纹挡块 216将滚珠轴承 217轴向锁紧。 再把短隔套 218同轴套入丝杠 214的光轴端 501 , 并轴向限位至滚珠轴承 217。 紧接着 把大带轮 219同轴套入丝杠 214的光轴端 501 , 并轴向限位至短隔套 218; 再接着用长 顶丝 220将大带轮 219与丝杠 214径向锁紧固定。
如图 2A、 图 2B、 图 3A所示， 将步进电机 231安装到安装底板 201上的电机安装 通孔 304A中， 并用四个圓头螺钉 230轴向锁紧。 将小带轮 232套入步进电机 231的电 机轴上， 并用短顶丝 233将其与步进电机 231的电机轴径向锁紧固定。 在大带轮 219和 小带轮 232上安装上同步带齿形 221。 请参阅图 2A、 图 5、 图 6所示， 将挡板 205与滚珠螺母 213同轴相连， 并用两个沉 头内六方螺钉 210紧固成为一体后， 沿丝杠 214轴线旋入， 以使挡板 205前端面 605置 于丝杠 214右轴端 503的左侧。调整挡板 205的轴线位移和径向角度，以使两个导柱 206 分别进入挡板 205中的导柱安装孔 1 601、 导柱安装孔 II 602， 并使两个导柱 206的轴端 面与挡板 205前端面 605平齐，再用两个导柱顶丝 211将两个导柱 206与挡板 205紧固 在一起。
将丝杠护罩 209与滚珠螺母 213同轴相连， 并与挡板 205粘结在一起。
请参阅图 2A、 图 6、 图 7所示， 利用 U型托板 208中的上臂定位凸圆 701和下臂 定位凸圓 702分别与挡板 205中的上定位孔 603和下定位孔 604同轴定位后，再用两个 U型托板连接螺母 207进行固定连接。
至此构成轴向运动机构组件 101 , 径向运动机构组件 102与 U型托板 208固连在一 起。 当步进电机 231旋转指定角度后， 其通过小带轮 232和同步带齿形 221带动大带轮 219和丝杠 214转动一个指定的角度。 由于受到两个导柱 206的限制， 滚珠螺母 213无 法转动， 在丝杠 214的驱动下， 滚珠螺母 213只能沿轴线运动指定位移。 也即带动径向 运动机构组件 102—起沿轴线运动指定位移。
如图 2C、 图 7所示， 将电机护套 244装配粘结到直线步进电机 242的尾部， 而 后将直线步进电机 242装配到 U型托板 208的电机中孔 703内，将护盖 241套接到直所 述的轴承为滚珠轴承。
所述挡板的导柱安装孔中 I和导柱安装孔中 II沿挡板中心轴线对称分布。
所述挡板的 U型托板有一个上臂定位凸圆和一个下臂定位凸圆，并且上臂定位凸 圆和下臂定位凸圆轴线平行。
所述挡板的直线步进电机的直线步进分辨率为 0.0254mm, 安装法兰上有两个安 装通孔。
所述的线性轴承为滚珠线性轴承。
所述的套筒前部有一段根部外螺纹， 尾部有一尾部传感器安装孔； 根部有一根部 内螺紋孔。
所述的测针头部为圆雄形。
所述的连接螺母有一外圓螺纹， 中部有一螺纹内孔。
线步进电机 242的前端， 而后用两个一字螺钉 243、 两个六方螺母 240将直线步进 电机 242、 U型托板 208和护盖 241连接成一体。
如图 2E、 图 9所示， 将线性轴承 254同轴装入套筒 253的中部轴承安装孔 903内， 并把轴承挡圈 255放入套筒 253的定位环槽 904中， 以使线性轴承 254沿套筒 253轴向 锁紧。
如图 2E、 图 8、 图 9所示， 将测针 251的根部端面 803朝向套筒 253的尾部圓环面 902后， 把测针 251的杆部圆柱 801同轴放入线性轴承 254。
如图 9、 图 10、 图 11所示， 将螺纹挡块 252的内螺纹 1001旋入套筒 253的根部外 螺紋 901， 以使螺纹挡块 252的尾部外端面 1002与套筒 253的尾部圆环面 902平齐， 同 时螺致挡块 252的沉孔端面 1003与测针的上凸圆面 802重合。
如图 2E、 图 9、 图 11所示，将力传感器 256放入套筒 253的尾部传感器安装孔 905 中后，把连接螺母 257外圆螺纹 1101旋入套筒 253的根部内螺紋孔 906, 以使力传感器 256沿套筒 253的轴向与测针 251的根部端面 803紧密接触， 并轴向锁紧。 最后， 将连 接螺母 257螺纹内孔 1102旋入直线步进电机的电机轴并锁紧。 高精密径向运动， 使检测探头组件 103逐渐接近被测油管接箍内螺紋齿形齿面。 当检测 探头组件 103中的测针 251未与被测油管接箍内螺纹齿形齿面接触时， 力传感器 256有 一个初始的预紧力 F0; 当检测探头组件 103中的测针 251与被测油管接箍内螺紋齿形 齿面接触后， 力传感器 256就会反馈回一个接触力 F1 , 测针 251与齿形齿面真实的接 触力即为 F=F卜 F0。 从而， 径向运动机构组件 102可以根据此接触力 F的大小与预先设 定的阈值进行比较， 超过阈值停止运动， 并记录此时的径向位移量。
至此， 形成一个完整的具有力反馈的油管接箍内螺紋切削机床在线检测装置。 虽然结合以上实施方案阐明了本发明， 然而并非限定本发明， 任何本领域的工程技 术人员， 在不脱离本发明的精神和范围内， 可以作相应更动与润色， 因此本发明的保护 范围应以权利要求所界定的为标准。

Claims

权 利 要 求 书
1. 一种具有力反馈的油管接箍内螺纹切削机床在线检测装置， 其特征在于： 该装置 至少应包括：
一轴向运动机构组件；
一径向运动机构组件， 固定于轴向运动机构组件末端， 并使径向运动机构组件中心 轴线与轴向运动机构组件中心轴线垂直正交；
一力检测探头组件， 同轴安装在径向运动机构末端；
该轴向运动机构组件具体包括：
一安装底板， 用以将整个检测装置定位安装到油管接箍内螺纹切削机床工位 卡盘上； ，
一外套筒，同轴固定于安装底板上，并且在该外套筒内部，沿外套筒中心轴线， 对称设置有两个平行于中心轴线的导套孔；
四个滚珠导套， 两两分别同轴安装到外套筒的导套孔中， 并分别用一大挡圈 轴向锁紧；
两个导柱， 分别插入两组滚珠导套中；
一丝杠， 具有一光轴端、 一小凸圓面及一右轴端；
二轴承， 之间设有一隔套， 该二轴承及隔套同轴套入丝杠的光轴端、 限位至 小凸圆面， 之后同轴固定于安装底板上；
一大带轮， 固定于丝杠光轴端远离小凸圓面的一侧， 通过一短隔套与轴承限 位， 并通过一长顶丝径向锁紧；
一步进电机， 固定于该安装底板上； 整个轴向运动机构組件的动力源， 用以 接收控制指令， 转动给定的角度， 从而驱动丝杠转动指定的角度；
—小带轮， 固定于步进电机的电机轴上， 所述的小带轮及大带轮上安装有一 同步带齿形， 从而将步进电机的输出的扭矩传递给丝杠；
一滚珠螺母， 与一挡板同轴相连后， 沿丝杠轴线旋入， 同时， 使所述的两个 导柱分别进入该挡板的导柱安装孔 I和导柱安装孔中 II中， 并固定连接；
一丝杠保护罩， 与所述的滚珠螺母同轴相连， 并固定于挡板上； 一 U型托板， 置于丝杠保护罩外侧， 并垂直固定于挡板上； 该径向运动机构组件具体包括：
一直线步进电机， 固定于 U型托板的电机中孔内， 用以将该电机的步进旋转 运动转换为高精度径向直线位移运动；
一电机护套， 固定于直线电机尾部， 用以保护直线步进电机；
一护盖， 固定于直线电机的前端， 用以保护直线步进电机；
该力检测探头组件具体包括：
一套筒；
一线性轴承， 同轴安装入套筒的中部轴承安装孔内， 并通过一轴承挡圈使线 性轴承沿套筒轴向锁紧， 用以引导测针只沿套筒轴线做直线运动；
一力传感器， 轴向固定于套筒的尾部传感器安装孔内， 并与测针根部端面紧 密接触， 用以检测测针与油管接箍内螺紋齿形齿面接触后力的大小， 并转换成电压 量形式进行反馈；
一测针， 具有一杆部圓柱、 一根部端面及一上凸圓面， 该杆部圆柱同轴放入 套筒内部的线性轴承内， 并且使测针根部端面与力传感器紧密接触； 该测针用以探 知在线检测装置是否与油管接箍内螺纹齿形齿面接触， 并传递接触力；
一螺纹挡块， 其内螺紋与套筒的根部外螺紋连接， 并使该测针穿过该螺紋挡 块， 使螺紋挡块中的沉孔端面与测针的上凸圆面重合， 以给测针沿套筒的轴线方向 限位， 防止其脱落， 并给力传感器提供一初始的预紧力；
一连接螺母， 与直线步进电机的电机轴连接， 同时将力传感器沿套筒轴线方 向锁紧。
2、 根据权利要求 I所述的具有力反馈的油管接箍内螺紋切削机床在线检测装置， 其 特征在于： 所述的轴承为滚珠轴承。
3、根据权利要求 1所述的具有力反馈的油管接箍内螺纹切削机床在线检测装置， 其 特征在于： 所述挡板的导柱安装孔中 I和导柱安装孔中 II沿挡板中心轴线对称分布。
4、根据权利要求 1所述的具有力反馈的油管接箍内螺纹切削机床在线检测装置， 其 特征在于：所述 U型托板有一个上臂定位凸圓和一个下臂定位凸圆，并且上臂定位凸圆 和下臂定位凸圆轴线平行。
5、 根据权利要求 1 所述的具有力反馈的油管接箍内螺纹切削机床在线检测装置， 其 特征在于： 所述直线步进电机的直线步进分辨率为 0.0254mm, 安装法兰上有两个安装 通孔。
6、 根据权利要求 1 所述的具有力反馈的油管接箍内螺纹切削机床在线检测装置， 其 特征在于： 所述的线性轴承为滚珠线性轴承。
7、 根据权利要求 1 所述的具有力反馈的油管接箍内螺纹切削机床在线检测装置， 其 特征在于： 所述的套筒前部有一段根部外螺纹， 尾部有一尾部传感器安装孔； 根部有一 根部内螺纹孔。
8、 根据权利要求 1 所述的具有力反馈的油管接箍内螺纹切削机床在线检测装置， 其 特征在于： 所述的测针头部为圓锥形。
9、 根据权利要求 1 所述的具有力反馈的油管接箍内螺纹切削机床在线检测装置， 其 特征在于： 所述的连接螺母有一外圆螺纹， 中部有一螺纹内孔。
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