石油管螺纹在机检测系统补偿技术研究

谢文龙，王 可，戴佳卉

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

石油管螺纹在机检测系统补偿技术研究

谢文龙，王 可，戴佳卉

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

在实际的石油管螺纹加工过程中，即使利用标准件螺纹廓形的检测结果计算待修复件的刀补参数修复螺纹，依然得不到所期望的理论尺寸，这是由于螺纹修复车床上的各种误差综合影响加工精度导致的。因此，本文提出了基于统计学规律的系统误差补偿算法修正综合误差影响量，可以有效地计算出提供补偿值的参数值，为实现自动化检测及修复过程提供了高效的补偿机制。

石油管螺纹；在机检测；误差补偿

0 前言

在传统的石油管螺纹修复过程中，加工和检测是分开进行的，这样将引入二次定位误差[1]。石油管螺纹在机检测系统为解决此问题提供了一种有效途径。在机检测是将加工过程和检测过程在同一台机床上进行，不但能显著提高加工质量，也能提高加工效率[2-3]。与接触式检测相比，非接触式检测具有更高的检测精度，检测时只需将刀具更换为测头即可[4]，通过测得螺纹表面廓形数据即可求得螺纹修复参数。利用标准件螺纹廓形的检测结果来计算待修复螺纹的刀补参数是实现自动化螺纹修复的必经过程。但在实际的加工中，即使按照样件与待修复件的差值计算出修复刀补参数依然得不到所期望的理论尺寸，这是由于修复车床上存在的各种误差综合影响加工精度导致的[5]。常见的加工误差来源包括机床、卡具、刀具的制造误差；工艺系统在切削力的作用下产生的变形误差；机床、刀具磨损引起的误差；机床、刀具的热变形误差等等。由于这些误差的消除需要以高成本为代价来实现，因此通常采用补偿的方式来平衡掉这些误差[6]，探讨误差补偿算法是解决这一问题的重要突破点。

1 石油管螺纹在机检测系统原理及组成

如图1所示，石油管螺纹在机检测系统由螺纹修复车床、激光测头、测头控制器、单片机、电源块等组成。接通全部线路之后，由数控程序控制刀架沿着锥螺纹表面平行移动，由于激光测头安装在刀架上，无需在测量的时候进行二次装卡。驱动刀架移动的丝杠上装有脉冲编码器，当丝杠转动一圈时，编码器同步转动一圈，由此可以实现脉冲触发测量方式。

图1 石油管螺纹测量实验平台Fig.1 Experimental platform for measuring oil pipe thread

开始检测后，首先由单片机向测头控制器发出开始存储数据的指令，此时测头控制器由编码器触发读数。当激光测头走完其测量行程之后，再由单片机触发激光测头控制器停止读数，并将读取的数据发送给单片机，单片机对接收的测量数据进行处理，将相位检测结果与精度检测结果均传输给螺纹修复车床的数控系统。最后，由数控系统发出指令，提供管螺纹旋转的相位差和螺纹修复刀补参数，对螺纹进行自动化修复过程，将修复后的螺纹再进行上述过程，判断是否合格，如不合格则再做修复，直至合格为止。

2 系统误差补偿理论

如果对影响加工精度的诸多因素一一进行分解[7-8]，再对其误差建立模型并分析，是一项浩大的工程，因为其中各种误差是具有交叉性的，不能独立进行分析判断。此外，分解各项误差成本较高且不易实现，所以根据现场实际的加工情况来，本文可以采取综合补偿的方式，基于加工误差的稳定性、重复性可得出结论：在相同的加工情况下，由于每一次的加工结果均为各项误差综合影响的结果，如果判断出由于加工综合误差导致的工件廓形偏离理论廓形的误差数值，即可将此数值直接用于原来车削轨迹上进行补偿，实现补偿功能。该种综合补偿方式简洁直观，同时提高了螺纹的修复效率。如图2所示，管螺纹的修复刀具采用螺纹梳刀，走刀方向由螺纹端面处起始，图中的三个廓形表示以不同刀补参数修复螺纹的轮廓位置关系。

图2 管螺纹加工示意图Fig.2 Sketch of pipe thread processing

由图2可知，如果确定出螺纹梳刀车削的实际廓形与理想廓形之间的位置关系，再根据其位置关系计算出补偿量，并将此补偿量编写入数控程序当中，理论上可实现一次修复就加工出合格的管螺纹。但是在实际的螺纹修复过程中，随着螺纹梳刀加工工件数目的增多导致刀具磨损，引起待修复螺纹加工出的实际廓形超过其理论廓形的极限尺寸。引起该误差的主要原因是刀具磨损引起的系统误差，对该误差的具体计算公式为

(1)

只要将目前的螺纹梳刀运行轨迹沿理想的运行轨迹偏移一个系统误差值，即可得到新的补偿后的螺纹廓形，实现了加工误差的补偿[9]。由于本文提出的管螺纹修复系统可以实现自动找到螺纹修复起始点，可以准确的沿原有螺纹轨迹进行修复；同时本系统属于在机检测，没有二次装卡带来的定位误差，无需再做其他补偿，因此由式(1)计算出的补偿量可以直接编写入数控程序中使用。此种补偿方式可以大大提高螺纹修复效率，实现管螺纹自动化修复过程[10]。

3 基于统计学规律的误差补偿机制

由误差补偿理论确定误差补偿方式为综合补偿法，其补偿机制的实现过程为：首先对待修复螺纹提供理论的刀补参数，再将修复后的螺纹用螺纹规检测，判断是否实现预期的尺寸，通过多次的修复实验证明，绝大多数的管螺纹均可以通过该理论刀补参数实现螺纹修复过程。但是随着待修复件数目的增加，待修复螺纹的尺寸逐步增大，以至于超出极限尺寸，这正是事先判断出的刀具磨损导致的。当尺寸增大到超过螺纹的尺寸上限时，则没有实现一次性完成修复的功能。

为判断具体的补偿时机，提出了一种基于统计学规律的判断提供补偿参数时间算法，流程图如图3所示。图3所示的判断程序可以通过最后的输出结果i值来判断刀具经过多少次(数量级)的切削过程后，需要给出补偿参数，该算法可以较为准确地保证补偿参数的提供时机。

图3 判断提供补偿参数时机的算法流程图Fig.3 The algorithm flow chart for judging the time of providing the cutter compensation parameter

图3中数值i为经过多少次磨损后需要提供补偿量；j为连续多少次出现因为刀具磨损而导致的尺寸超差；程序运行中设置的n为10，表示连续出现10次因刀具磨损而引起的尺寸超差。当j满足大于10的条件时，即输出i值，由此判断数值i即为第一次出现因刀具磨损引起的尺寸超差。在实际生产中，可以将提供刀补参数的时间设定为(0.8～0.9)i次，用以确保加工的准确性。

对于螺纹的公差带来说，给出的补偿值只要满足切削后工件的尺寸在公差带范围内即可，但是为了生产效率的提高和成本的降低，本文将补偿值补给到公差带整体尺寸的1/8处，如图4中虚线所示。图4中的公称尺寸是在传统螺纹修复中，提供的刀补参数的基准线，图中虚线所示是设定的刀补基准线。

图4 螺纹尺寸公差带示意图Fig.4 Sketch of thread size tolerance zone

按照设定的基准线计算补偿参数并用以修复螺纹将导致螺纹的尺寸相对公称尺寸较小一些，但仍为合格品。图5所示为误差补偿前后刀具路径对比图。

图5 误差补偿前、后的刀具路径对比图Fig.5 Comparison of the tool path before and after the error compensation

从图5可以看出，经过误差补偿后的螺纹满足螺纹尺寸公差带的范围，属于合格的石油管螺纹，同时该补偿方式可以有效降低修改刀补参数的次数，是一种高效、实用的螺纹补偿方式机制。

4 结论

针对石油管螺纹自动化的检修过程中，因修复车床上各种综合误差因素导致即使对待修复螺纹提供理论刀补参数仍不能实现高精度修复的问题，本文提出 一种基于统计学规律的系统误差补偿算法，它可以有效地计算出提供补偿值的准确时间和补偿参数，实现对螺纹修复车床系统误差的综合补偿。为验证该算法的实用性，将该算法程序编写入单片机中进行补偿实验，相比以往提供刀补参数的时间周期，该算法可以减少修改刀补次数，有效延长提供刀补参数时间30%以上，同时对比以往的补偿方式可以提高产品合格率16.66%，为实现自动化检测及修复过程提供了高效的补偿机制。

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Research on compensation technology of petroleum pipe thread on-machine detection system

XIE Wen-long, WANG Ke, DAI Jia-hui

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, 110870, China)

In the actual petroleum pipe thread processing, even if calculate the parameters of cutter compensation repair parts through the detection result of the standard thread profile to repair thread, the desired theoretical dimensions are still not available, which is due to a variety of error sources on the screw repair machine on the comprehensive impact of processing accuracy. Therefore, in this paper, a systematic error compensation algorithm based on statistical rule is presented to correct the error, which can effectively calculate the accurate time and compensation parameters. It provides an efficient compensation mechanism for the realization of automatic detection and repair process.

petroleum pipe thread; on-machine detection; error compensation

2016-01-26；

2016-02-26

谢文龙(1990-)，男，沈阳工业大学硕士研究生,研究方向为现代制造技术。

TH16；TN247

A

1001-196X(2016)06-0052-04