专利名称：坡口切管一体机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机械设备，特别是一种同时完成钢管的切断加工和坡口加工的 一体机，尤其涉及其机械结构。
背景技术：
钢管切断和坡口加工的常用的方法是先将原料管定长切断，然后再进行坡口加 工。定长切断通常使用的方法是采用带锯切割和火焰或等离子切割；坡口成形加工通常 使用的方法是采用端面坡口机加工或采用火焰或等离子切割加工。采用这样传统的加工 手段存在有生产周期长、效率低、成本高、劳动强度大、污染环境等不足之处。为了解 决这些问题，国内外都在研究应用金属切削刀具同时对钢管进行切断和坡口加工的工艺 方法，都是采用将钢管两端夹紧中间利用两把不同形式的金属切削刀具同时切削的加工 模式，而且都是采用刀具旋转并能同时进给的方法来完成切削加工过程，关键是切削和 刀具进给的机械传动技术以及控制技术相对落后。法国PROTEM公司生产的管子加工生 产线中配套使用了这样的设备，从资料显示来看，加工不同管径时需要人工调整刀具的 位置，加工不同管径时需要人工输入数据，自动化程度较低，而且只能加工壁厚较小的 钢管，只能加工一种V字型坡口。上海前山管道技术有限公司在2008年12月10日公 告了一种钢管切割坡口设备的发明专利，专利号为ZL 200820054413.8，权利要求内容完 全与前述法国PROTEM公司的雷同，其核心的切削加工机构是将进刀传动机构包括刀具 行程电机安装在主轴转盘上，由于加工时要求主轴转盘无限角度旋转，因此刀具行程电 机只能通过滑环由控制器控制电流电压等电气参数实现刀具行走，无法实时检测刀具行 程电机的当前位置。在切削加工中一个非常重要的参数是主轴转盘与刀具行走之间的关 系，即刀具进给量=刀具行走距离/主轴转盘每转。在前述的切削加工机构中，1)当负 载变化时主轴转速随之发生变化，控制刀具行走速度跟随变化比较困难，无法准确控制 刀具的移动量，特别是加工管壁较厚和材质不均勻的钢管时由于进刀量的不均勻容易造 成刀具损坏；2)由于不能实时检测刀具行程电机的当前位置，刀具进给深度的准确控制 比较困难，不能加工U型、双V型等坡口； 3)刀具进给装置决定了不能加工厚壁钢管； 4)由于进刀传动机构包括刀具行程电机安装在主轴转盘上，造成了主轴转盘偏重，即使 增加配重也使主轴转盘重量增加，不利于提高主轴转盘的转速，影响加工效率。因此， 仅局限于壁厚较薄的管子加工，坡口加工型式单一，加工效率相对还低，目前，国内外 的钢管切断和坡口加工设备在钢管切断和坡口加工过程中确保加工不同壁厚和不同形式 坡口时难以保证由于运动不平稳、控制不稳定造成的刀具损坏，难以实现较大壁厚和不 同型式坡口钢管的加工。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种钢管加工设备，它可满足不同的加工要求，提高 生产效率和加工精度，降低生产成本和劳动强度，减少环境污染。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种坡口切管一体机，它包括 机架，机架上设有主轴、刀具旋转盘、刀具进给盘、刀具移动装置和刀具进给伺服电机 以及主轴旋转伺服电机组成了切削机构，机架前后分别设置有夹持机构，机架下方设有 由底板、顶板和升降动力单元组成了的升降机构，机架上方设有横梁，横梁上安装有夹 爪机构、导轨和气动驱动装置组成了的出料机构，以及控制系统，其特征在于机架设 有主轴，刀具进给伺服电机固定安装在机架上，刀具旋转盘与主轴连接，刀具进给盘与 刀具旋转盘同心；刀具进给盘与刀具移动装置之间设有传动改向组件，刀具旋转盘上安 装有2-4套刀具移动装置；机架的前后分别安装有相同形式的夹持机构，前后夹紧机构 中的夹持座上分别均布3 6个卡爪；置于机架和支座上方的横梁内设有夹爪机构、导轨 和水平伸缩装置，夹爪机构内设置有垂直伸缩装置、导轨和一对夹爪。本发明与现有技术相比具有以下优点1.本发明最显著的优点是所描述的切削机构以及控制技术与现有技术有很大的 不同，根本区别在于刀具进给伺服电机固定安装在机架上。这样带来的好处是可以通过 编码器检测进给伺服电机的出轴旋转位置，一方面可以准确控制刀具行走的移动量和位 置；另一方面受负载影响主轴旋转盘的速度发生变化时由控制系统及时调整进给电机的 转速，使刀具进给盘与刀具旋转盘之间产生相对的单位时间转角差保持恒定。单位时间 转角差的恒定和累积值，保证了刀具进给平稳和准确控制刀具的移动位置，从而实现不 同形式的坡口的加工，并使刀具不易损坏；2.在刀具进给盘与刀具移动装置之间增设有传动改向组件，减少设备的震动， 减少刀具损坏的几率；3.刀具进给运动机构的主要件包括伺服电机都固定安装在机架上，减少了刀具 旋转盘的重量，有利于提高刀具旋转速度，缩短加工时间。主轴驱动电机、刀具进给电 机都采用伺服电机，伺服电机固有的特性保证了切削速度和进给速度均勻；4.刀具移动装置可以实现厚壁钢管的坡口加工，可确保一次性同时完成钢管的 切断和坡口成形加工，确保不同壁厚钢管的坡口加工，确保不同形式坡口的加工。5.采用干式切削，不会造成环境污染。6.加工过程包括调整高低、夹紧、切削加工、如出料再由控制系统自动执行完 成，将更为操作简便，劳动强度低。
图1为本发明的主体外观2为本发明的切削机构局部示意3为本发明的切削机构进给装置局部示意4为本发明的切削机构旋转装置局部示意5为本发明的前夹持机构示意图
图6为本发明的后夹持机构示意7为本发明的出料机构示意8为本发明的升降调心机构示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。图1给出了一种全自动坡口切管一体机的实施例，由机架101、前夹持机构2、后夹持机构3、出料机构4、升降调心机构5、控制系统组成，其中的控制系统为现有技 术。本发明为一种全自动坡口切管一体机，它主要包括机架101，机架101上设有主 轴102、刀具旋转盘105、刀具进给盘103、刀具移动装置和刀具进给伺服电机以及主轴 旋转伺服电机组成的切削机构，机架前后分别设置有夹持机构，机架下方设有由底板、 顶板和升降动力单元组成的升降机构，机架上方设有横梁，横梁上安装有夹爪机构、导 轨和气动驱动装置组成的出料机构，以及控制系统，它区别与现有技术在于机架101 上安装有刀具旋转盘105、刀具进给盘103，刀具进给盘103与刀具旋转盘105的中心一 致，另外根据需要刀具进给盘103也可以安装在主轴102上，刀具进给盘103外圆上加工 有齿，刀具进给盘103与机架101之间设有轴承117，亦可具体实施时将轴承117设置在 主轴102与刀具进给盘103之间，本实施例的刀具旋转盘105与主轴102连接，参见图2。 机架101上还安装有主轴伺服电机112、减速机118、齿轮116、主轴102，齿轮116与设 置在主轴102上的齿轮119啮合，主轴102与机架101之间设有轴承120，参见图2、图 4。机架101上还安装有进给伺服电机115、减速机121、齿轮113，齿轮113与刀具进给 盘103外圆上的齿啮合，减速机121通过轴套114与机架101连接，参见图2、图3。刀 具旋转盘105上对称安装有2个滑座106，其每个滑座106上分别设有滑台107、丝杆副 111、锥形齿轮110、丝杆副111的支撑座，滑台107在滑座106内可移动，其移动方向与 刀具旋转盘105的旋转中心成90°夹角，切断刀具108和坡口刀具109分别安装在2个 滑台107上，参见图2。刀具进给盘103安装有锥形齿轮104，锥形齿轮104同时与两个 锥形齿轮110啮合，参见图2。图2、图3、图4的动态过程为，控制系统分别给主轴伺 服电机和刀具进给电机发一序列脉冲信号。主轴伺服电机112驱动刀具旋转盘105连续 旋转，使刀具转盘105带动刀具108和刀具109 —起作旋转切削运动；进给伺服电机115 驱动刀具进给盘103绕刀具转盘105的中心连续旋转；当所发脉冲信号使刀具转盘105的 旋转速度和刀具进给盘103的旋转速度不相同时，刀具旋转盘105和刀具进给盘103之间 发生相对角速度差，即刀具进给盘103与刀具旋转盘105之间产生相对的单位时间的转角 差，刀具进给盘103所产生的相对旋转运动通过传动锥形齿轮104、锥形齿轮110、螺杆 副111带动滑台107作直线移动，使刀具108和刀具109同时作进给运动。所发脉冲信 号在单位时间内增量保持不变，转角差保持恒定，由此实现刀具旋转切削的同时且能均 勻进给的切削加工过程。所产生的转角差的大小决定滑台107的移动速度，即确定刀具 108和刀具109进给量的大小。当仅有使刀具进给盘103旋转时，可实现刀具的快速进 退。实施时机架101还安装有由4个夹持爪201a、一偏心盘202a、一伸缩驱动装置 203a组成的前夹持机构，4个夹持爪201a分别设置在机架101上等分的滑槽内，偏心盘 202a安装在机架101上并可以绕其中心转动，偏心盘202a端面设有等分四个圆弧槽，各 夹持爪201a均设有滚轮，各夹持爪201a上的滚轮分别安装在偏心盘202a端面的四个圆弧 槽内，伸缩驱动装置203a设有伸缩杆，该伸缩杆与偏心盘202a铰接，伸缩驱动装置203a的本体安装在支座516上(图5)。由夹持爪201b、偏心盘202b、伸缩驱动装置203b共同 组成后夹持机构，具体为，机架101的前端设置有支座301，支座301上安装有4个与前 夹持机构相同的夹持爪201b，即4个夹持爪201b分别设置在支座301上等分的滑槽内， 偏心盘202b安装在支座301上并可以绕其中心转动，偏心盘202b端面设有等分四个圆弧 槽，各夹持爪201b均设有滚轮，各夹持爪201b上的滚轮分别安装在偏心盘202b端面的 四个圆弧槽内，伸缩驱动装置203b设有伸缩杆，该伸缩杆与偏心盘202b铰接，伸缩驱动 装置203b的本体安装在支座516上(图6)。机架101上方设置有由夹爪409、滑轨408、 楔形板406、夹爪座407、垂直伸缩驱动装置403、滑座404、导轨402、横梁401、水平 伸缩驱动装置405组成的出料机构，滑座404同时与导轨420、夹持座407、水平伸缩驱 动装置405连接，(图7)。机架101下方设置有由底板510、顶板501、螺旋副513、内 侧板507、外侧板509、导轨514、减速机座515、升降伺服电机512、减速机511组成的 升降调心机构，减速机511通过减速机座515支撑在底板510上，调节手轮502、调节座 503、调节滑台504、锁紧螺杆505、零位传感器座506、传感器挡板508组成了升降调心 机构起始位置的调整机构，具体为零位传感器座506连接在调节滑台504上，调节滑台 504设置在调节座503内，调节手轮502安装在锁紧螺杆505上，锁紧螺杆505安装在调 节滑台504和调节座503之间，调节座503连接在内侧板507上，传感器挡板508固定在 外侧板509上，支座516设置有两个，前后分别固定连接在侧板509上并分别与前夹持机 构中的伸缩驱动装置203a、后夹持机构中的伸缩驱动装置203b连接(图8)。本发明的全自动坡口切管机的前夹持机构、后夹持机构。如图5、图6的动态过 程为，伸缩驱动装置203中的推杆伸出带动偏心盘202转动，偏心盘202同时驱动4个夹 持爪201同时向心移动，直至接触到被加工钢管，同时使被加工钢管的中心与转盘105的 旋转中心保持一致。本发明的全自动坡口切管机的调心升降机构，如图8的动态过程为，系统给升 降伺服电机512发一序列脉冲使电机旋转，通过减速机511驱动螺旋副513带动顶板501 沿导轨514上下移动，使顶板501上的切削机构、夹持机构、出料机构从起始位置升降到
指定位置。本发明的全自动坡口切管机的出料机构，如图7动态过程为，垂直伸缩驱动装 置403通过楔形板406、滑轨408带动对称布置的夹爪409垂直于转盘105的轴线收缩或 张开；水平伸缩驱动装置405通过横梁401、导轨402、滑座404带动由夹爪409、滑轨 408、楔形板406、夹爪座407、垂直伸缩驱动装置403组成的夹爪机构沿转盘105的轴线 移动。当被加工的钢管加工完成后，垂直伸缩驱动装置403中的控制器接受系统给出指 令，垂直伸缩驱动装置403中的推杆推出带动楔形板406向上移动，楔形板406中的斜槽 带动夹爪409相向移动直至接触到被加工钢管；然后水平伸缩驱动装置405中的控制器接 受系统给出的指令，水平伸缩驱动装置405中的推杆拉动夹爪机构夹持的被加工的钢管 一起移出到设备之外。本发明所涉及的创新相关技术是在钢管切断和坡口加工过程中确保加工不同壁 厚和不同形式坡口的关键技术。如果不采纳该相关技术，难以保证由于运动不平稳、控 制不稳定造成的刀具损坏，难以实现较大壁厚和不同型式坡口钢管的加工。
本发明的运动过程以及动作过程按照控制软件中给定值和程序由控制系统自动执行。简单归纳地说，本发明所提供的全自动坡口切管机由切削机构、升降调心机 构、前后夹持机构、出料机构、控制系统组成。1)切削机构主要包括刀具旋转的装置和刀具进给的装置。其中刀具旋转装置由主轴旋转转 盘、主轴、轴承、齿轮副、机架和主动力伺服电机单元组成；刀具进给装置由刀具进给 盘、齿轮副、改向传动改向组件、刀具移动装置和刀具进给伺服电机单元组成，其中移 动滑台设置在转盘上，共设置2 4套，不同形式的刀具分别安装在移动滑台的滑板上。在加工壁厚小于等于18毫米的钢管时，一种坡口切管一体机，其特征在于刀 具旋转盘上安装有2套刀具移动装置，每个刀具移动装置由滑台和滑座组成，滑台与所 述传动改向组件连接。使用时传动改向组件可使2套刀具移动装置中的滑台同时移动， 切断刀具和坡口刀具分别安装在刀具移动装置的滑台上，刀具的移动方向与主轴转盘旋 转中心垂直。在加工壁厚大于18毫米的钢管时，刀具旋转盘上安装有3 4套刀具移动装 置，每个刀具移动装置由滑台和滑座组成，滑台与前述传动改向组件连接，传动改向组 件可使3 4套刀具移动装置中的滑台同时移动，前述滑台的移动方向与刀具旋转盘的旋 转中心成90° 30°夹角，滑台上安装有横向调节装置，横向调节装置由调节座、调节 台、丝杆组成，切断刀具和坡口刀具分别安装在调节台上。采用本发明中的这种切削机构，在刀具旋转装置和刀具移动装置以一定的规律 配合作用下，实现刀具在转盘上旋转，同时实现不同形式的刀具同时移动，这样实现了 刀具旋转切削并按规定的规律移动的加工过程。2)调心升降机构包括由本发明中的底板、内外侧板、导轨、顶板、升降伺服动力单元。具体 为，机架下方设置底板，底板和顶板之间设置有伺服电机驱动的升降动力单元，底板上 设置有内侧板，顶板连接有外侧板，内外侧板之间设置有导轨和位置传感器；刀具进给 盘与主轴连接，刀具进给盘与刀具移动装置之间设置的传动改向组件结构为，传动改向 组件包含有齿轮副和丝杆螺母副或端面螺旋齿盘和齿爪副。采用本发明中的这种调心升降机构，带动前述切削机构和后述的夹持机构、出 料机构垂直上下移动，实现本发明的坡口切管一体机的中心高低调整，以适应钢管直径 不同时中心的变化。3)夹持机构由夹持座、偏心盘、夹持爪、伸缩驱动装置组成的夹持机构在本发明中设置两 套，分别设置在前述切削机构的前后，形成前夹持机构和后夹持机构。每套夹持机构中 夹持爪设置3 6。采用本发明中的这种夹持机构实现钢管切削加工时在切割部位两端同时将钢管 夹紧，使被加工的钢管固定于前述切削机构的中心。4)出料机构
由横梁、导轨、夹爪机构、水平伸缩驱动装置组成，其中夹爪(1对)、滑轨、 楔形板、支撑板、垂直伸缩驱动装置构成夹爪机构。出料机构通过横梁使夹爪机构中的夹爪伸入到前述的后夹持机构中，当被加工的钢管加工完成后由夹爪夹持已加工好的钢管在水平伸缩驱动装置的作用下移出设备之外。安装在机架上的主轴伺服电机和进给伺服电机分别驱动刀具旋转盘和刀具进给 盘旋转产生不同的旋转速度，使刀具旋转盘和刀具进给盘之间产生恒定的角速度差，即 刀具进给盘与刀具旋转盘之间产生相对的单位时间恒定转角差，刀具进给盘所产生的相 对旋转运动通过传动改向组件带动滑台作直线移动运动，所产生的单位时间恒定转角差 的大小决定滑台移动速度，即决定刀具进给量的大小，由此实现刀具旋转切削的同时且 能进给的切削加工过程。机架下方设置底板，底板和顶板之间设置伺服电机驱动的升降 动力单元，底板上设置内侧板，顶板连接有外侧板，内、外侧板之间设置有导轨和位置 传感器；刀具进给盘与主轴连接，刀具进给盘与刀具移动装置之间设置的传动改向组件 结构为，传动改向组件包含有齿轮副和丝杆螺母副或端面螺旋齿盘和齿爪副。当给定某 一管径参数后顶板自动上下升降使设备中心到达给定管径的所需高度。机架的前后分别 安装有相同形式的夹持机构，前后夹紧机构中的夹持座上分别均布3 6个卡爪，当控制 系统给出信息后，前后夹持机构上的伸缩装置同时动作，由伸缩装置的推杆推动偏心盘 转动使3 6卡爪向中心移动直至夹紧钢管，前后夹持机构中的3 6个卡爪分别形成 的中心与转盘中心一致.置于机架和支座上方的横梁内设有夹爪机构、导轨和水平伸缩装 置，夹爪机构内设置有垂直伸缩装置、楔形板、导轨和一对夹爪，当垂直伸缩装置接受 到控制系统的信息后驱动楔形板向上移动并带动一对夹爪水平相向运动直至夹紧钢管， 然后水平伸缩装置接受来至控制系统的信息，水平伸缩装置动作将已加工完成的成品管 移出设备之外。本发明可采用与坡口切管机相配合的全自动数控控制系统，该控制系统视为现 有技术，在此不作具体描述。在控制系统的统一执行下，通过本设备可以实现钢管的自动夹紧、自动切削、 自动出料的全过程，一次性同时完成钢管的切断和坡口加工。满足不同的加工要求，提 高生产效率和加工精度，降低生产成本和劳动强度，减少环境污染。本发明的全自动数控坡口切管机实施例加工操作步骤1)开机，各运动机构自动至零位。2)输入加工文件。通过局域网或U盘或手工输入。3)选择加工对象。设备自动调整到加工对象所需位置。4)上料。将被加工钢管吊入或由输送机构送入到空心套107中的合适位置。5)启动控制程序。自动夹紧、自动切削、自动出料。6)加工完成后，夹持机构、切削机构、出料机构自动回零。7)同一根或同一规格原料管加工，重复步骤4)、5)、6)。8)不同规格原料管加工，重复步骤3)、4)、5)、6)。
权利要求
1.一种坡口切管一体机，它包括机架，机架上设有主轴、刀具旋转盘、刀具进给 盘、刀具移动装置和刀具进给伺服电机以及主轴驱动伺服电机组成了切削机构，机架前 后分别设置有夹持机构，机架下方设有由底板、顶板和升降动力单元组成了的升降机 构，机架上方设有横梁，横梁上安装有夹爪机构、导轨和气动驱动装置组成了的出料机 构，以及控制系统，其特征在于机架设有主轴，刀具进给伺服电机固定安装在机架 上，主轴驱动伺服电机固定安装在机架上，刀具旋转盘与主轴连接，刀具进给盘与刀具 旋转盘同心；刀具进给盘与刀具移动装置之间设有传动改向组件，刀具旋转盘上安装有 2-4套刀具移动装置；机架的前后分别安装有夹持机构，前后夹紧机构中的夹持座上分 别均布3 6个卡爪；置于机架和支座上方的横梁内设有夹爪机构、导轨和水平伸缩装 置，夹爪机构内设置有垂直伸缩装置、楔形板、支撑板、导轨和一对夹爪。一对夹爪通 过导轨与支撑板连接，支撑板上安装有垂直伸缩装置，垂直伸缩装置与楔形板连接，支 撑板通过横梁内的导轨与水平伸缩装置。
2.根据权利要求1所述的一种坡口切管一体机，其特征在于机架下方设置底板， 底板和顶板之间设置由伺服电机驱动的升降动力单元，底板上设置内侧板，顶板连接外 侧板，内外侧板之间设置有导轨和位置传感器；刀具进给盘与主轴连接，刀具进给盘与 刀具移动装置之间设置的传动改向组件结构为，传动改向组件包含有齿轮副和丝杆螺母 副或端面螺旋齿盘和齿爪副。
3.根据权利要求2所述的一种坡口切管一体机，其特征在于刀具旋转盘上安装有 2套刀具移动装置，每个刀具移动装置由滑台和滑座组成，滑台与所述传动改向组件连 接。
4.根据权利要求2所述的一种坡口切管一体机，其特征在于刀具旋转盘上安装有 3 4套刀具移动装置，每个刀具移动装置由滑台和滑座组成，滑台与所述传动改向组件 连接，滑台上安装有横向调节装置，横向调节装置由调节座、调节台、丝杆组成，所述 滑台的移动方向与刀具旋转盘的旋转中心成90° 30°夹角。
5.根据权利要求2所述的一种坡口切管一体机，其特征在于所述传动改向组件的 齿轮副中的齿轮与丝杆螺母副中的丝杆连接，齿轮副和丝杆螺母副为锥形齿轮副和丝杆 螺母副或螺旋齿轮副和丝杆螺母副。
6.根据权利要求2所述的一种坡口切管一体机，其特征在于所述传动改向组件的 端面螺旋齿盘中的齿与齿爪副中的齿啮合。
全文摘要
本发明公开了一种坡口切管一体机，其特征在于机架设有主轴，刀具进给伺服电机固定安装在机架上，刀具旋转盘与主轴连接，刀具进给盘与刀具旋转盘同心；刀具进给盘与刀具移动装置之间设有传动改向组件，刀具旋转盘上安装有2-4套刀具移动装置；机架的前后分别安装有夹持机构，前后夹紧机构中的夹持座上分别均布3～6个卡爪；置于机架和支座上方的横梁内设有夹爪机构、导轨和水平伸缩装置，夹爪机构内设置有垂直伸缩装置、导轨和一对夹爪。本发明可使刀具进给盘与刀具旋转盘之间产生相对的角速度差保持恒定，使刀具进给平稳和准确控制刀具的移动位置，从而实现不同形式的坡口的加工，并使刀具不易损坏，保证了切削速度和进给速度均匀；确保不同壁厚钢管的坡口加工。
文档编号B23D19/00GK102009223SQ20091019537
公开日2011年4月13日 申请日期2009年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者张剑锋, 徐宝东, 曹凌源, 赵柏楗 申请人:上海船舶工艺研究所