射孔槍管自動(dòng)上下料裝置的設(shè)計(jì)

張乃立，汪建曉，*毛衛(wèi)東

（1. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東佛山528225；2. 佛山市南海中南機(jī)械有限公司，廣東 佛山528247）

在油氣鉆采過程中，固井結(jié)束后，井筒與地層之間隔著一層套管和水泥環(huán)，另外還有一部分受泥漿污染的近井地帶，需利用射孔技術(shù)打開儲(chǔ)層，建立地層與井筒之間連通，使流體能夠進(jìn)入井筒，實(shí)現(xiàn)油氣井的正常生產(chǎn)。射孔槍作為射孔技術(shù)中關(guān)鍵部件，主體為射孔槍管，槍管的加工精度與各類性能決定了射孔技術(shù)的成敗。射孔槍管加工規(guī)格多樣，如φ178、φ127、φ114 和φ73 等，壁厚分別為25.3、22、20、18 mm，每種不同直徑的槍管長(zhǎng)度也不盡相同，如6.1、4.5、4.2、3.3、2.1 m 等。槍管相當(dāng)于薄壁圓筒，加工過程中需避免激烈碰撞，且加工工藝復(fù)雜，其加工工序有毛坯的帶鋸開料、車兩頭管螺紋、銑盲孔、銑兩頭鍵槽、激光打碼等。根據(jù)某石油公司槍管器材制造車間統(tǒng)計(jì)，2019 年年產(chǎn)量為75 000 m，2020 年年產(chǎn)量需提升25%，現(xiàn)有的槍管加工條件不能滿足生產(chǎn)需求。

隨著《中國(guó)制造2025》不斷深入推進(jìn)，普遍推進(jìn)“機(jī)器換人”已成為當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)“減員、增效、提質(zhì)、保安全”目標(biāo)的重要途徑，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中自動(dòng)化上下料是進(jìn)行高效、高速、高質(zhì)量生產(chǎn)的有效方法［1-2］。零件在加工裝配過程中，其供給、上料、下料及搬運(yùn)等工序所占時(shí)間約為全部工時(shí)的2/3 以上，費(fèi)用約占全部費(fèi)用的1/3 且絕大部分事故發(fā)生在這些工序中［3-4］。槍管加工過程中需將槍管送入數(shù)控機(jī)床內(nèi)，傳統(tǒng)方式是人工手動(dòng)完成，不僅耗時(shí)耗力，而且效率低下?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種上料架和下料架并列的自動(dòng)上下料裝置，槍管的上料與下料都由頂料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，有利于減小射孔槍管自動(dòng)加工設(shè)備的體積和降低制造成本。由于槍管加工工藝復(fù)雜，需要多臺(tái)數(shù)控機(jī)床配合加工，該裝置主要作用是連接每一臺(tái)數(shù)控車床，為機(jī)床提供自動(dòng)上料與下料，屬于槍管加工自動(dòng)生產(chǎn)線的一部分，對(duì)整條自動(dòng)生產(chǎn)線起關(guān)鍵性作用。自動(dòng)上下料裝置是集機(jī)械、液壓、電氣控制等融合成一體的高新技術(shù)，與半自動(dòng)送料裝置和完全依靠工人的手工送料相比，提高了工件傳送效率，減少工人送料時(shí)手部被擠傷事件［5］。

1 總體方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)上下料傳送裝置對(duì)待加工物料起著上料、中間過程的傳料和下料的作用［6］。綜合分析射孔槍管外形特點(diǎn)、加工工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)加工條件，設(shè)計(jì)了一套射孔槍管自動(dòng)上下料裝置，該裝置主要由上料架、頂料與傳動(dòng)部件、下料架和控制系統(tǒng)4 部分組成。其中前3 部分并行排列，如圖1 所示。上料架與下料架用于槍管工件的存放，頂料與傳動(dòng)部件含有頂料機(jī)構(gòu)、滾輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與滾輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖2所示。其中頂料機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)槍管從上料架到下料架的位置變化（x 向間歇運(yùn)動(dòng)）；滾輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)整支撐槍管的滾輪高度（z 向調(diào)整），以便使槍管中心與車床主軸高度一致；滾輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)利用滾輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)槍管進(jìn)入車床加工部位或拖回（y 向往復(fù)運(yùn)動(dòng)）。頂料板、滾輪架、滾輪這些執(zhí)行構(gòu)件需沿y 向布置多個(gè)，用連桿或鏈條將各執(zhí)行構(gòu)件串聯(lián)起來。

伺服電機(jī)控制精度高，選用其驅(qū)動(dòng)滾輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，由于槍管重量大，因此頂料與傳動(dòng)部件中的頂料機(jī)構(gòu)選用液壓缸驅(qū)動(dòng)頂料板進(jìn)行上下擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)槍管的上下料動(dòng)作。選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)滾輪，將槍管傳送至數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。

圖1 射孔槍管自動(dòng)上下料裝置與數(shù)控車床

圖2 頂料與傳動(dòng)部件

2 頂料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 頂料機(jī)構(gòu)工作原理

根據(jù)槍管傳動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的頂料機(jī)構(gòu)如圖3 所示。頂料機(jī)構(gòu)需配合上下料架才能工作，上下料架與水平面都有一定的傾斜度（3°～5°），上下料架設(shè)有擋板，防止料管自由滑入頂料機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4 所示。

處于I、II、IV 槍管位置如圖5 所示，上料架上放滿槍管。當(dāng)進(jìn)行上料操作時(shí)，頂料板位于槍管下方，在液壓缸驅(qū)動(dòng)下，滑塊正向動(dòng)作，通過連桿推動(dòng)頂料板向上擺動(dòng)，位于I 處的槍管被頂料板推起，為保證頂料板每次只推起一根槍管，以免液壓缸承載過重；被推起的槍管沿著頂料板自由滑至II 位置，頂料板擺至高于滾輪位置時(shí)，槍管重心落在滾輪上，活塞桿退回，頂料板下擺，槍管落至滾輪上，滾至位置III；滾輪將槍管送至車床進(jìn)行加工，待加工完成，活塞桿伸出，已加工槍管重心落在圖5 頂料板凸起處左端，頂料板上擺槍管沿頂料板滑至IV 位置，頂料板擺至高于下料架位置，活塞桿退回，頂料板下擺，由于槍管重心位于下料架上，槍管滑至V 位置。同時(shí)位于I 處槍管被推起，進(jìn)行下一次加工，如此反復(fù)，完成單根槍管上下料操作。頂料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析如圖6 所示。

圖3 頂料機(jī)構(gòu)

圖4 頂料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖5 處于I、II、IV 槍管

2.2 頂料板機(jī)構(gòu)危險(xiǎn)截面設(shè)計(jì)

為保證頂料機(jī)構(gòu)能正常工作，需對(duì)頂料板進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與校核，其受力如圖7 所示。

圖6 頂料機(jī)構(gòu)動(dòng)作分析

圖7 頂料板受力情況

桿件在包含其軸線的縱向平面內(nèi)，承受垂直于軸線的橫向外力或外力偶作用，以彎曲為主要變形的桿件為梁［7］。將頂料板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁模型，其受力分析如圖8 所示。每個(gè)頂料板承受的最大載荷為808.5 N。在對(duì)頂料板危險(xiǎn)截面設(shè)計(jì)時(shí)，危險(xiǎn)截面高寬比為h/b=3。

由圖8 可知

頂料板材料為Q235A，在常溫下該材料許用應(yīng)力［δ］≈113 MPa，根據(jù)強(qiáng)度條件公式有

圖8 頂料板受力分析的簡(jiǎn)支梁模型

頂料板最小截面處按高寬比h/b=3 計(jì)算時(shí)，寬度不小于10.88 mm，本研究取頂料板危險(xiǎn)截面寬度為20 mm。

2.3 頂料板的連接螺栓強(qiáng)度計(jì)算

頂料板所受的載荷有較大波動(dòng)，普通螺栓連接不牢靠，鉸制孔螺栓連接能精確固定被連接件的相對(duì)位置，且能承受橫向載荷，從而增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性。頂料板螺栓組布置形式如圖9 所示，在分析螺栓組連接受力時(shí)，假設(shè)所有螺栓的材料、直徑、長(zhǎng)度和預(yù)緊力均相同、螺栓組的對(duì)稱中心與連接接合面的形心重合和受載后連接接合面仍然保持為平面［8］。頂料板的螺栓材料用碳鋼Q215，性能等級(jí)采用4.6 級(jí)，螺栓屈服強(qiáng)度σs=240 MPa，碳鋼螺栓連接安全系數(shù)Sτ=3.5～5，Sp=1.5，取安全系數(shù)Sτ=4.0，螺紋連接件許用應(yīng)力［τ］=60 MPa 和許用擠壓應(yīng)力［σp］=160 MPa。

螺栓組受剪力F、轉(zhuǎn)矩T1和T2，設(shè)剪力F 分在各個(gè)螺栓上的力為Fi，各螺栓軸線到螺栓組對(duì)稱中心的距離為ri，F(xiàn)Tmax表示受力最大螺栓的工作剪力，則螺栓受最大剪切力為

圖9 頂料板連接螺栓的布置形式

其中，d0為螺栓剪切面的直徑（可取為螺栓孔直徑），單位為mm；Lmin為螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，單位為mm，設(shè)計(jì)時(shí)為L(zhǎng)min≥1.25d0。

由計(jì)算結(jié)果可知，螺栓孔直徑d0≥5.53mm，因此設(shè)計(jì)頂料板連接螺栓確定選用材料為Q215 的M10×40螺栓。

3 滾輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與滾輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾輪的調(diào)節(jié)與傳送結(jié)構(gòu)分為滾輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與滾輪傳送機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖10 所示。加工前，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿上絲桿滑塊動(dòng)作，連桿帶動(dòng)滾輪架使?jié)L輪上下擺動(dòng)，以保證槍管中心與機(jī)床軸孔中心一致；步進(jìn)電機(jī)通過鏈條驅(qū)動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)槍管傳送過程中，有限位傳感器對(duì)槍管傳送加工位置進(jìn)行限位。由于槍管直徑規(guī)格不同，槍管直徑差最大為66 mm，因此滾輪上槍管重心與車床軸孔之間最大距離為33 mm。為保證滾輪調(diào)整最大為33 mm，需對(duì)絲桿螺母移動(dòng)距離進(jìn)行設(shè)計(jì)，絲桿螺母運(yùn)動(dòng)過程如圖11 所示。

圖10 滾輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與滾輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

由圖11 可知，封閉圖形ABCD 所構(gòu)成的封閉矢量方程為

圖11 絲桿螺母、連桿與滾輪位置示意

桿3 不工作時(shí)與水平面夾的銳角為45°，當(dāng)桿3 擺至垂直于水平面時(shí)，滑塊運(yùn)動(dòng)至最遠(yuǎn)，此時(shí)θ=115°，將已知量代入式（9）得，β=29.16，sc=229.14。

由此可知，絲桿螺母移動(dòng)距離不低于229.14 mm，為保證絲桿螺母正常工作，本文設(shè)計(jì)證絲桿螺母移動(dòng)最大距離為250 mm。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)上下料裝置能高效、穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)工件一系列加工操作，并將需要實(shí)現(xiàn)的加工工序以最簡(jiǎn)便方式組織起來，使裝置具有較高操作性、靈活性和可靠性?？删幊炭刂破鱌LC 是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型工業(yè)控制裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程的自動(dòng)控制中［9-10］。本設(shè)計(jì)自動(dòng)上下料裝置系統(tǒng)控制流程如圖12 所示。

圖12 自動(dòng)上下料裝置系統(tǒng)控制流程

根據(jù)槍管自動(dòng)上下料裝置控制要求，本設(shè)計(jì)擬用三菱FX 系列PLC 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。三菱PLC 具有高速度、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，并吸收現(xiàn)代化科技元素，這使它在邏輯選件和導(dǎo)向定位控制等方面具有壓倒性優(yōu)勢(shì)［11］。本系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、PLC、液壓缸和傳感器等元件組成，系統(tǒng)檢測(cè)對(duì)象為滾輪上槍管與車床軸孔間垂直距離、槍管傳送位置和液壓缸動(dòng)作方向等。PLC 系統(tǒng)的CPU 負(fù)責(zé)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)對(duì)各軸驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制、系統(tǒng)的啟?？刂萍熬o急事件處理等任務(wù)，系統(tǒng)配置以太網(wǎng)模塊方便進(jìn)行上位機(jī)遠(yuǎn)程控制，并設(shè)置數(shù)量檢測(cè)傳感器，對(duì)槍管的數(shù)量進(jìn)行跟蹤［12］。系統(tǒng)控制物理量為滾輪高度和液壓缸伸縮距離，執(zhí)行元件為滾輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和頂料與傳動(dòng)部件。

5 小結(jié)

槍管自動(dòng)上下料裝置樣機(jī)已投入使用，收到了預(yù)期的效果。與傳統(tǒng)的槍管半自動(dòng)加工生產(chǎn)相比，自動(dòng)上下料裝置代替人工進(jìn)行單調(diào)、繁雜和重復(fù)的上下料作業(yè)，將工人從繁復(fù)的勞動(dòng)中解放出來，工人的人身安全也得到極大保障，對(duì)提高生產(chǎn)效率、節(jié)約原材料及降低成本有著重大意義。