专利名称：固定式管道数控端面坡口机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固定式管道数控端面坡口机。
背景技术：
通常在厚工件对接时，为了增大焊缝接触面积而在工件的对接口 机削一个有斜度的坡口，坡口机就是机削坡口用的设备，原有的手动
端面坡口机，由于刀架轴向进给(简称X轴)与径向进给(简称z轴)主
要以手动控制为主，不能进行精确差补运算，导致控制精度不够，从
而不能加工"u"型、双"V"型等复杂端面型式。而且加工产品单
一，加工产品一致性差，自动化程度较低，对操作者要求高，操作者 工作强度大。
另外，如果实现"U"型、双"V"型等复杂端面型式的加工，
也可以采用数控车床的结构和切削方式实现，但数控车床是工件装在 主轴上，主轴旋转，工件跟着主轴旋转，而刀架不进行旋转运动，通 过两个方向的电机进行进给运动控制，刀架的径向进给与主轴旋转 (即主轴转速)相互独立，由于工件体积重量都较大的时候(例如加工 大型管道)，其主轴功率极大，适应性差，机械投入和工程造价巨大。
发明内容
本发明克服了上述缺点，提供了一种固定式管道数控端面坡口机。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是 一种固定式管道数
控端面坡口机，包括机架导轨和设置在所述机架导轨上的主机，所述主机上设置有刀盘，所述刀盘以主机的主轴为中心旋转，所述刀盘上 设置有沿刀盘径向固定安装的轨道，所述导轨上安装有沿所述轨道平 移的刀架，所述刀架、刀盘分别通过各自的传动机构和电机驱动，还 包括一个控制单元，所述控制单元实时检测刀盘的转速，控制所述刀 架电机的转速。
所述控制单元可包括转速检测单元和主轴编码器，所述转速检测 单元将检测到的主轴转速信号发送给编码器，通过编码器实时调整刀 架电机的转速。
所述刀架电机的输出可传动给一个前端带有锥齿轮的传动轴，所 述锥齿轮与另一设置在丝杠上的锥齿轮成对啮合，所述刀架与作为轨 道的所述丝杠相啮合。
所述刀架电机的输出还可设置有一个减速机，通过所述减速机传 动给所述传动轴。
所述传动轴与电机之间还可设置有离合器。
所述两锥齿轮的转速比可为正整数。
所述刀架电机的转速与刀盘转速以及Z轴进给量的关系可为
其中Nz为Z轴伺服电机转速
N—*为主轴电机转速(正转速度) fz为Z轴丝杠5螺距 ri为Z轴齿轮比修正系数 Fz为Z轴进给量(刀架进给量) 在启动或者结束时，所述刀架电机的转速与刀盘转速以及Z轴进 给量的关系可为其中Nz为Z轴伺服电机转速
N主为主轴电机转速(正转速度) fz为Z轴丝杠螺距
n 为z轴齿轮比修正系数
e 为加减速修正系数，根据机械结构和电机参数确定
Fz为Z轴进给量(刀架进给量)
本发明采用工件(管道)固定，刀架及其进给系统(丝杠)固定 在主轴盘上，通过离合器、主轴(刀盘)转速和刀架进给轴伺服电机 转速差来控制刀架的进给(刀架向管道径向进给)，实现对不同直径、 不同壁厚的管道不同端面坡口的加工，以极小的配置和工程量，灵活 满足不同长度的管道的加工，此外，通过主轴编码器，可以实现"U" 型、双"V"型等复杂端面型式，加工产品多样化，同时对操作者要 求较低，产品一致性好，粗加工和精加工一次性全自动加工。
图1为本发明的结构示意图2为本发明中控制单元的原理框图。
具体实施例方式
如图1中所示，本发明包括机架导轨4和设置在所述机架导轨4 上的主机l，所述主机上设置有刀盘2，所述刀盘2以主机1的主轴 为中心旋转，所述刀盘2上设置有沿刀盘径向固定安装的丝杠5，所 述丝杠5上设置有锥齿轮9，刀架12与作为轨道的所述丝杠5相啮 合，能够在丝杠5转动的过程中，带动所述刀架12沿所述刀盘2的 径向平移。所述锥齿轮9与另一锥齿轮3啮合，所述另一锥齿轮3固定在一个传动轴6的前端，所述传动轴6的另一端设置有电磁离合器
23,所述离合器23通过由大齿轮24和小齿轮30构成的齿轮组连接 有减速机27，所述减速机27通过一个刀架电机(图中未标示)驱动， 所述刀架电机采用伺服电机。所述机架导轨带动主机沿主轴进给的传 动方式与现有坡口机相同，这里不再赘述。所述离合器可以在系统调 试时，使传动轴脱离刀架电机的驱动控制。
所述主机还连接有一个控制单元，如图2中所示，所述控制单元 包括转速检测单元和主轴编码器，所述转速检测单元将检测到的刀盘 转速，即主轴转速信号发送给编码器，通过编码器实时调整刀架电机 的转速。
所述刀盘2通过一台三相异步电机驱动，沿X轴，即沿被加工 管道的轴向床身运动方向，按照一定速度旋转，所述刀架12在刀架 电机的驱动下，沿Z轴，即刀盘2上沿着被加工管道径向实现差动控 制，而实现X、 Z轴精确差补控制，达到指定管道端面坡口型式的加 工要求。
使用过程中，将待加工的工件(如管道)固定在刀盘2的对面(装 夹机构未在图中标示)，刀架及其进给系统(丝杠)固定在主轴盘上， 通过离合器、刀盘转速和刀架电机转速差来控制刀架向管道径向进 给。根据上述机械结构，利用差动控制原理，实现对进给轴的精确进 给控制，是固定式管道数控端面坡口机研制的关键，由于刀架12进 给系统(Z轴)安装在主轴刀盘2上，其运动除了响应伺服电机驱动 进给运动之外，还有随着主轴刀盘一起旋转的旋转运动，因此Z轴的 精确进给控制与主轴转速、伺服电机转速密切相关，同时也跟2个电 机的旋转方向(正转和反转)密切相关。由于用于驱动刀盘2的主轴电机是三相异步电机，刀架电机是伺 服电机，主轴电机转速存在一定的偏差，无法精确控制，导致Z轴进 给控制精度不够，无法满足加工要求，因此采用主轴编码器，将主轴 的实际转速进行采集，实时反馈到数控系统，通过修改和调整系统的 响应时间，实时调整Z轴伺服电机的转速，伺服电机和主轴电机之间 的转速差可以精确控制，从而达到Z轴的精确进给。
在数控系统中修改转速的控制方式为每转进给控制，即按照主轴
每转一圈来控制z轴的进给量，也就是调整z轴伺服电机的转速，z 轴伺服电机的转速与主轴转速以及z轴进给量的关系为-
其中Nz为Z轴伺服电机转速
Ni为主轴电机转速(正转速度) fz为Z轴丝杠5螺距
n为z轴齿轮比修正系数
Fz为Z轴进给量(刀架进给量)
通过主轴编码器的主轴转速反馈，数控系统同时根据程序编程确 定的进给量，实时调整Z轴伺服电机的转速，因此对系统和Z轴伺 服电机的响应速度和频率要求较高，需要硬件的支持。
为了简化Z轴进给控制的复杂程度，限制主轴的转速和旋转方
向，当z轴伺服电机的转速与主轴转速相同时，z轴进给量为o，刀
架和管道外壁距离保持不变；当Z轴伺服电机的转速大于主轴转速， 则Z轴进给量为正，刀架将远离管道中心运动；当Z轴伺服电机的 转速小于主轴转速，则Z轴进给量为负，刀架将向管道中心运动。如 果此时与X轴同时进行差补运动，就可以实现复杂管道端面坡口加工，包括圆弧差补的控制。
还有，由于在系统启动或者结束时，由于伺服电机和主轴电机的 加减速特性，导致Z轴方向的进给量有一定的误差，这种误差会随着 主轴转速以及管道加工的数量进行累加，累加到一定程度后，将不能 满足加工的精度要求，因此需要对Z轴进给量程序开始和结束时进行
修正，将误差控制在精度要求的范围内，因此z轴进给量修正关系如
下
其中NZ为Z轴伺服电机转速
Nt:为主轴电机转速(正转速度) fz为Z轴丝杠螺距 ri为Z轴齿轮比修正系数
P为加减速修正系数，根据机械结构和电机参数确定 Fz为Z轴进给量(刀架进给量)
另外，固定式管道数控端面坡口机加工产品的特殊性，管道半径 和壁厚是变化的，采用相对量编程控制，可以大大简化程序结构，提 高统一数控程序的适用范围。
最后，通过对影响加工精度的机械精度，如丝杠的反相间隙等在 数控程序中进行补偿，使程序能反复多次循环运行后，精度能满足加 工要求，同时对程序和人机交互界面进行优化，使操作简单化、程序 模块化、通用化，降低操作者的操作难度和要求。
本发明利用差动控制理论，实时检测主轴的转速，控制所述刀架 电机的转速，能够精确控制Z轴刀架的进给量，实现对"U"型、 双"V"型等复杂端面坡口的全自动加工，实现手动坡口机无法实现的功能。
以上对本发明所提供的固定式管道数控端面坡口机进行了详细 介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐 述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思 想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体 实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不 应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种固定式管道数控端面坡口机，包括机架导轨和设置在所述机架导轨上的主机，所述主机上设置有刀盘，所述刀盘以主机的主轴为中心旋转，其特征在于所述刀盘上设置有沿刀盘径向固定安装的轨道，所述导轨上安装有沿所述轨道平移的刀架，所述刀架、刀盘分别通过各自的传动机构和电机驱动，还包括一个控制单元，所述控制单元实时检测刀盘的转速，控制所述刀架电机的转速。
2. 根据权利要求1所述的固定式管道数控端面坡口机，其特征在 于所述控制单元包括转速检测单元和主轴编码器，所述转速检测单 元将检测到的主轴转速信号发送给编码器，通过编码器实时调整刀架 电机的转速。
3. 根据权利要求1或2所述的固定式管道数控端面坡口机，其特 征在于所述刀架电机的输出传动给一个前端带有锥齿轮的传动轴， 所述锥齿轮与另一设置在丝杠上的锥齿轮成对啮合，所述刀架与作为 轨道的所述丝杠相啮合。
4. 根据权利要求3所述的固定式管道数控端面坡口机，其特征在 于所述刀架电机的输出还设置有一个减速机，通过所述减速机传动 给所述传动轴。
5. 根据权利要求3所述的固定式管道数控端面坡口机，其特征在 于.-所述传动轴与电机之间还设置有离合器。
6. 根据权利要求3所述的固定式管道数控端面坡口机，其特征在于所述两锥齿轮的转速比为正整数。
7. 根据权利要求2所述的固定式管道数控端面坡口机，其特征在 于所述刀架电机的转速与刀盘转速以及Z轴进给量的关系为其中Nz为Z轴伺服电机转速N;t为主轴电机转速 fz为Z轴丝杠5螺距 il为Z轴齿轮比修正系数 Fz为Z轴进给量。
8. 根据权利要求2所述的固定式管道数控端面坡口机，其特征在于在启动或者结束时，所述刀架电机的转速与刀盘转速以及Z轴进给量的关系为其中NZ为Z轴伺服电机转速N主为主轴电机转速 fz 为Z轴丝杠螺距il为z轴齿轮比修正系数 为加减速修正系数，根据机械结构和电机参数确定Fz为Z轴进给量
全文摘要
本发明涉及一种固定式管道数控端面坡口机，包括机架导轨和设置在所述机架导轨上的主机，所述主机上设置有刀盘，所述刀盘以主机的主轴为中心旋转，所述刀盘上设置有沿刀盘径向固定安装的轨道，所述导轨上安装有沿所述轨道平移的刀架，所述刀架、刀盘分别通过各自的传动机构和电机驱动，还包括一个控制单元，所述控制单元实时检测刀盘的转速，控制所述刀架电机的转速。本发明通过离合器、主轴(刀盘)转速和刀架进给轴伺服电机转速差来控制刀架的进给(刀架向管道径向进给)，实现对不同直径、不同壁厚的管道不同端面坡口的加工，以极小的配置和工程量，灵活满足不同长度的管道的加工。
文档编号B23K33/00GK101513696SQ20091004895
公开日2009年8月26日 申请日期2009年4月8日 优先权日2009年4月8日
发明者戚发明, 飞 李, 谭忆辉 申请人:上海前山管道技术有限公司;上海希灿实业有限公司