数控螺纹修复车床主轴上螺旋轨迹的检测调整装置及方法

摘要

本发明提供一种数控螺纹修复车床主轴上刀尖固有螺旋轨迹的调整装置，其特征在于：该装置主要包括床身、床头箱和尾台；床头箱和尾台设置在床身上，床头箱内水平安装有可做旋转运动的主轴，在床头箱的后侧设置有伺服电机驱动下外壳可转动的主轴编码器，在主轴的前端和后端上分别安装有前卡盘和后卡盘；在床身的一侧还设置有托架多组托辊；在尾台朝向床头箱的一端设置有定位锥装置，在床头箱与尾台之间还设置有用于螺纹相位电子检测定位的相位检测传感器。本发明显著提高了钻杆螺纹修复的技术水平、质量水平和经济效益。

说明书

技术领域

本发明专利用于金属切削加工领域，涉及数控管螺纹车床对已使用过的石油钻杆、钻铤等长管子类工件两端的内、外旧螺纹进行修复车削功能中，改变车床主轴上固有刀尖切削螺旋轨迹的装置。

背景技术

在石油和地质钻井行业，钻入地下几千米深的钻头都是由几百根钻杆和钻铤，依靠其两端的螺纹一根根地旋紧，并与地面钻机相连，地面钻机通过这些钻杆、钻铤将转矩传递给钻头。这些钻杆、钻铤在完成一口井的钻井工作后，需要一根根地卸下、回收、维修，并反复周转使用。在钻杆、钻铤的维修工作中，对其两端的内外锥形接头螺纹进行车削修复加工是最重要的工作之一。每年有大量的锥形钻杆接头螺纹需要修复车削加工。

目前，人们对钻杆、钻铤两端的锥形钻杆接头螺纹的修复车削加工都是在机械式的管螺纹车床上，由工人手工操作完成的。实施手工操作机械车床修复车削锥螺纹的原因在于，手工操作可容易地先将刀尖调到螺纹的凹槽中，再在刀具相对于工件做螺旋运动过程中，将原有旧三角形螺纹的两个侧表面均匀地车去一层，将锈蚀、点蚀、胶痕、碰痕以及应力疲劳层车去，达到修复螺纹的加工要求。这种机械式修复车削锥形螺纹的优点是：螺纹的径向切削量小，依据锥形的原理就使得每次修复螺纹后钻杆的长度尺寸减少量小，钻杆的修复次数增加，钻杆的使用寿命延长。

在机械制造领域中，使用数控车床车削锥螺纹比使用机械式车床车削有着加工螺纹精度高、表面质量好、加工效率高等明显的技术优势，因此数控车床已广泛用于新螺纹的制造加工中。在目前现有的数控车床的车削螺纹功能中，只要螺纹参数和刀具安装位置等因素确定后，刀具的刀尖相对于每台车床主轴的螺旋运动轨迹都是固定的、固有的，而各台车床的这个固有螺旋轨迹却是不同的，但这个固有刀尖螺旋轨迹又是人们仅凭感观所不能得知的。正是由于刀尖螺旋轨迹的这种固有规律，对于随机装夹到车床主轴卡盘上已有螺纹的待修复旧工件，其工件螺旋线与机床主轴上的固有刀尖切削螺旋轨迹不重合，且这两个螺旋线之间的相位差呈随机规律，刀尖不能沿工件旧螺纹的凹槽加工，从而出现乱扣现象。依据目前数控车床技术水平，数控修复螺纹的做法就是将旧螺纹从齿根向外全部车掉，并重新车出新螺纹。这种技术水平下的数控修复车削锥形螺纹的不足是：螺纹的径向切削量大，车削后钻杆的长度尺寸减少量大，钻杆的修复次数减少，经济效益不佳。这就是目前数控车床不能直接应用到旧螺纹修复加工领域的唯一原因。

产生车床主轴上刀尖固有螺旋轨迹不可改变的原因在于，车床在车削螺纹过程中，刀具的纵向运动始终按工件转1圈—刀架移动1个导程的平均和瞬态规律跟随着主轴的旋转运动，数控系统的计算机在计算和控制这一功能的过程中，需要得到主轴任意时刻的位置信号。人们在车床床头箱上安装了一个旋转编码器，它的定子外壳固定安装在床头箱上，它的转子轴头与车床主轴是1：1传动比传动的，该旋转编码器叫主轴编码器。

车床主轴转1圈，主轴编码器的转子就转1圈。编码器转子每转1圈都会发出固定数量的电脉冲信号，此外在编码器转子相对于定子的某一固定位置时，还会发出一个表示“O”位置的电脉冲信号，这一“O”位置是随机且固定的。主轴上刀尖固有螺旋轨迹的相位就与这“O”位置信号的绝对位置有关。因此，数控系统在接收到这种规律信号后，所控制得到的主轴上刀尖固有螺旋轨迹的相位也就必然呈现出随机且固定的规律。

发明内容

发明目的：本发明提供一种改变数控螺纹修复车床主轴上刀尖固有螺旋轨迹的装置及方法，其目的是解决以往在工件修复螺纹车削过程中，由于固定的主轴上刀尖固有螺旋轨迹与随机安装的待修复螺纹的螺旋线不重合而产生的螺纹乱扣问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种数控螺纹修复车床主轴上刀尖固有螺旋轨迹的调整装置，其特征在于：该装置主要包括床身、床头箱和尾台；床头箱和尾台设置在床身上，床头箱内水平安装有可做旋转运动的主轴，在床头箱的后侧设置有伺服电机驱动下外壳可转动的主轴编码器，在主轴的前端和后端上分别安装有前卡盘和后卡盘；在床身的一侧还设置有托架多组托辊；在尾台朝向床头箱的一端设置有定位锥装置，在床头箱与尾台之间还设置有用于螺纹相位电子检测定位的相位检测传感器。

尾台通过导轨可前后移动的设置在床身上，在床身上还设置有推动尾台前后移动的液压油缸。

定位锥装置为使用时将待修复工件的轴向和径向定位的结构。

定位锥装置为能套在待修复外螺纹上的定位锥套结构，该定位锥装置的内径与外螺纹待修复工件的螺纹外径相配合。

定位锥装置为能伸进待修复内锥螺纹的定位锥轴结构，该定位锥装置的外径与内螺纹待修复工件的螺纹内径相配合。

相位检测传感器为接触式或非接触式传感器。

主轴编码器与主轴传动比为1：1。

应用上述数控螺纹修复车床上刀尖固有螺旋轨迹的调整装置所实施的数控螺纹修复车床上刀尖固有螺旋轨迹的移动方法，其特征在于：该方法的步骤如下：将待修复工件穿过主轴及后卡盘前卡盘后，伸到主轴前端，尾台在液压油缸的推动下向前移动，使尾台前端安装的定位锥装置与工件前端旧锥螺纹相配合，先后夹紧后卡盘和前卡盘，退回尾台，此时，安装到主轴上的待修复工件旧螺纹的轴向和径向位置已由定位锥装置所确定，圆周位置尚为随机规律。利用螺纹相位电子检测定位传感器，测量螺纹特定母线上螺旋线的高点或低点到螺纹的固定端面距离来确定螺纹相位，若之前已测量过并已存储在相位检测装置中的车床主轴固有切削螺旋轨迹的某个低点到螺纹端面的距离为                                                ,而本次测量的该工件的这个距离为，则本次装夹的待修复螺纹对主轴上刀尖固有切削螺纹轨迹的相位差为：

其中：为螺距；

     =0、1；

      0 ≤＜360°

令伺服电机驱动主轴编码器壳体转动度角（即使编码器“0”位置信号的绝对位置转动度角），此时，车床主轴上的固有刀尖切削螺旋轨迹就与被夹紧到车床主轴卡盘上的钻杆、钻铤工件等已有有螺纹工件上待修复旧螺纹的螺旋线相重合，工件定位安装工作完成。

当待修复的螺纹为外螺纹时，定位锥装置为可以套在待修复螺纹外围的结构，定位锥装置的内径与待修复螺纹的外径相配合。

当待修复的螺纹为内螺纹时，定位锥装置为可以伸进待修复螺纹内的结构，定位锥装置的外径与待修复内螺纹的内径相配合。

优点及效果：

   本发明提供一种在数控螺纹修复车床上改变主轴上刀尖固有螺旋轨迹相位的装置及方法，主要包括编码器转位装置和电子相位检测装置等两部分。本发明将原来固定安装在床头箱上的编码器定子外壳结构，改变为编码器定子外壳可以相对于床头箱体转动，该转动由一个伺服电机驱动，转动的角度由数控系统根据所检测到的工件待加工螺纹相位数据控制得到。转动范围为以内。

当一根待修复旧螺纹的钻杆工件，在车床主轴孔内确定了轴向位置和径向位置之后，夹紧后、前端两个卡盘，此时工件已被夹紧到主轴上，工件的轴向和径向位置已确定，但其待修复螺纹的圆周相位还是呈现随机规律的。此时，应用本发明中的电子相位检测装置测量随机安装到主轴上的工件待修复螺纹的相位。将这一检测数据与之前已知的主轴上刀尖螺旋运动轨迹相比较，得到其相位差。数控系统控制伺服电动机驱动主轴编码器外壳转动，转动的角度等于这一相位差值，依此装置和方法实现了主轴上刀尖固有螺旋轨迹的调整和改变，实现了主轴上的固有刀尖切削螺旋轨迹与安装到车床主轴卡盘上待修复旧钻杆的螺纹线相重合的技术要求，进而达到数控修复车削螺纹的工作目标。本发明可以实现待修复旧螺纹的数控修复车削，它集数控车床的螺纹加工精度高、表面质量好、加工效率高的优点和机械车床的螺纹修复径向切削量小、钻杆长度损失小的优点于一体，本发明显著提高了钻杆螺纹修复的技术水平、质量水平和经济效益。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示，本发明提供一种数控螺纹修复车床主轴刀尖固有螺旋轨迹的调整装置，该装置主要包括床身1、床头箱8和尾台3；床头箱8和尾台3设置在床身1上，床头箱8内水平安装有可做旋转运动的主轴7，在主轴7的前端和后端分别安装有前卡盘6和后卡盘9；在床身1的一侧还设置有具有多组托辊10的托架；在尾台3朝向床头箱8的一端设置有定位锥装置4，在床头箱8与尾台3之间还设置有用于螺纹相位电子检测定位的相位检测传感器11。在床头箱8的后侧，设置有伺服电机驱动下外壳可转动的主轴编码器12。相位检测传感器11为接触式或非接触式传感器。主轴编码器12与主轴7传动比为1：1。

尾台3通过导轨可前后移动的设置在床身1上，在床身1上还设置有推动尾台3前后移动的液压油缸2。定位锥装置4为使用时将待修复工件的轴向和径向定位的结构。

定位锥装置4为两种，如下：

定位锥装置4为能套在待修复外锥螺纹上的定位锥套结构，该定位锥装置的内径与外螺纹待修复工件的螺纹外径相配合。

定位锥装置4为能伸进待修复内锥螺纹的定位锥轴结构，该定位锥装置的外径与内螺纹待修复工件的螺纹内径相配合。

附图中所示为工件5上欲修复的锥螺纹为外螺纹时的情况，这时定位锥装置4为盘子形的内锥套；若工件5上欲修复锥螺纹为内螺纹时，则标号4的件就为定位轴，附图示出的是工件5与定位套正在配合的状态。

另外本发明还提供一种通过检测定位装置的测量数据实施主轴上刀尖固有螺旋轨迹调整的工件定位方法，该方法的步骤如下：在托架多组托辊10的作用下，将工件5前端旧锥螺纹部分穿过主轴7及后卡盘9和前卡盘6后，伸到安装在尾台前端的定位锥装置处，尾台3在液压油缸2的推动下向主轴端移动，工件5前端旧锥螺纹与定位锥装置相配合。当待修复的工件螺纹为外螺纹时，定位锥装置为可以套在待修复螺纹外围的结构，定位锥装置的内径与待修复螺纹的外径相配合；当待修复的螺纹为内螺纹时，定位锥装置为可以伸进待修复螺纹内的结构，定位锥装置的外径与待修复内螺纹的内径相配合。此时，工件旧螺纹相对于主轴的轴向、径向和周向位置都已确定，但周向位置是随机的。先后夹紧后卡盘9和前卡盘6，液压油缸2带动尾台3后退到后位，完成了工件的装夹过程。利用螺纹相位电子检测定位传感器，测量螺纹特定母线上螺旋线的高点或低点到螺纹的固定端面距离来确定螺纹相位，若之前已测量过并已存储在相位检测装置中的车床主轴上刀尖固有切削螺旋轨迹的某个低点到螺纹端面的距离为,而本次测量的该工件的这个距离为，则本次装夹的待修复螺纹对主轴上固有刀尖切削螺纹轨迹的相位差为：

其中：为螺距；

     =0、1；

      0 ≤＜360°

令伺服电机驱动主轴编码器壳体转动度角（即使编码器“0”位置信号的绝对位置转动了度角），此时，车床主轴上的固有刀尖切削螺旋轨迹就与被夹紧到车床主轴卡盘上的钻杆、钻铤工件等已有有螺纹工件上待修复旧螺纹的螺旋线相重合，工件定位安装工作完成。

由此保证在后续的螺纹车削过程中，刀尖可以对正旧螺纹的凹槽中，在刀具与工件的螺旋相对车削运动中，保证旧三角螺纹的两侧面能被刀具均匀地切去一层，到达修复螺纹的工作要求。

附图中示出了应用本发明装置后，机床上与定位装夹工件有关的主要部件，车床上的床鞍、滑板、刀架等部分未做赘述。