射孔枪管自动上下料装置的设计

张乃立，汪建晓，*毛卫东

（1. 佛山科学技术学院机电工程与自动化学院，广东佛山528225；2. 佛山市南海中南机械有限公司，广东 佛山528247）

在油气钻采过程中，固井结束后，井筒与地层之间隔着一层套管和水泥环，另外还有一部分受泥浆污染的近井地带，需利用射孔技术打开储层，建立地层与井筒之间连通，使流体能够进入井筒，实现油气井的正常生产。射孔枪作为射孔技术中关键部件，主体为射孔枪管，枪管的加工精度与各类性能决定了射孔技术的成败。射孔枪管加工规格多样，如φ178、φ127、φ114 和φ73 等，壁厚分别为25.3、22、20、18 mm，每种不同直径的枪管长度也不尽相同，如6.1、4.5、4.2、3.3、2.1 m 等。枪管相当于薄壁圆筒，加工过程中需避免激烈碰撞，且加工工艺复杂，其加工工序有毛坯的带锯开料、车两头管螺纹、铣盲孔、铣两头键槽、激光打码等。根据某石油公司枪管器材制造车间统计，2019 年年产量为75 000 m，2020 年年产量需提升25%，现有的枪管加工条件不能满足生产需求。

随着《中国制造2025》不断深入推进，普遍推进“机器换人”已成为当前我国制造业实现“减员、增效、提质、保安全”目标的重要途径，现代工业生产中自动化上下料是进行高效、高速、高质量生产的有效方法［1-2］。零件在加工装配过程中，其供给、上料、下料及搬运等工序所占时间约为全部工时的2/3 以上，费用约占全部费用的1/3 且绝大部分事故发生在这些工序中［3-4］。枪管加工过程中需将枪管送入数控机床内，传统方式是人工手动完成，不仅耗时耗力，而且效率低下。基于此，本文设计了一种上料架和下料架并列的自动上下料装置，枪管的上料与下料都由顶料机构实现，有利于减小射孔枪管自动加工设备的体积和降低制造成本。由于枪管加工工艺复杂，需要多台数控机床配合加工，该装置主要作用是连接每一台数控车床，为机床提供自动上料与下料，属于枪管加工自动生产线的一部分，对整条自动生产线起关键性作用。自动上下料装置是集机械、液压、电气控制等融合成一体的高新技术，与半自动送料装置和完全依靠工人的手工送料相比，提高了工件传送效率，减少工人送料时手部被挤伤事件［5］。

1 总体方案设计

自动上下料传送装置对待加工物料起着上料、中间过程的传料和下料的作用［6］。综合分析射孔枪管外形特点、加工工艺要求和现场加工条件，设计了一套射孔枪管自动上下料装置，该装置主要由上料架、顶料与传动部件、下料架和控制系统4 部分组成。其中前3 部分并行排列，如图1 所示。上料架与下料架用于枪管工件的存放，顶料与传动部件含有顶料机构、滚轮高度调节机构与滚轮传动机构，如图2所示。其中顶料机构用于实现枪管从上料架到下料架的位置变化（x 向间歇运动）；滚轮高度调节机构用于调整支撑枪管的滚轮高度（z 向调整），以便使枪管中心与车床主轴高度一致；滚轮传动机构利用滚轮的回转运动驱动枪管进入车床加工部位或拖回（y 向往复运动）。顶料板、滚轮架、滚轮这些执行构件需沿y 向布置多个，用连杆或链条将各执行构件串联起来。

伺服电机控制精度高，选用其驱动滚轮高度调节机构，由于枪管重量大，因此顶料与传动部件中的顶料机构选用液压缸驱动顶料板进行上下摆动，实现枪管的上下料动作。选用步进电机驱动滚轮传动机构，通过链传动带动滚轮，将枪管传送至数控机床进行加工。

图1 射孔枪管自动上下料装置与数控车床

图2 顶料与传动部件

2 顶料机构设计

2.1 顶料机构工作原理

根据枪管传动特点，设计的顶料机构如图3 所示。顶料机构需配合上下料架才能工作，上下料架与水平面都有一定的倾斜度（3°～5°），上下料架设有挡板，防止料管自由滑入顶料机构，其运动简图如图4 所示。

处于I、II、IV 枪管位置如图5 所示，上料架上放满枪管。当进行上料操作时，顶料板位于枪管下方，在液压缸驱动下，滑块正向动作，通过连杆推动顶料板向上摆动，位于I 处的枪管被顶料板推起，为保证顶料板每次只推起一根枪管，以免液压缸承载过重；被推起的枪管沿着顶料板自由滑至II 位置，顶料板摆至高于滚轮位置时，枪管重心落在滚轮上，活塞杆退回，顶料板下摆，枪管落至滚轮上，滚至位置III；滚轮将枪管送至车床进行加工，待加工完成，活塞杆伸出，已加工枪管重心落在图5 顶料板凸起处左端，顶料板上摆枪管沿顶料板滑至IV 位置，顶料板摆至高于下料架位置，活塞杆退回，顶料板下摆，由于枪管重心位于下料架上，枪管滑至V 位置。同时位于I 处枪管被推起，进行下一次加工，如此反复，完成单根枪管上下料操作。顶料机构运动分析如图6 所示。

图3 顶料机构

图4 顶料机构运动简图

图5 处于I、II、IV 枪管

2.2 顶料板机构危险截面设计

为保证顶料机构能正常工作，需对顶料板进行力学强度设计与校核，其受力如图7 所示。

图6 顶料机构动作分析

图7 顶料板受力情况

杆件在包含其轴线的纵向平面内，承受垂直于轴线的横向外力或外力偶作用，以弯曲为主要变形的杆件为梁［7］。将顶料板结构简化为简支梁模型，其受力分析如图8 所示。每个顶料板承受的最大载荷为808.5 N。在对顶料板危险截面设计时，危险截面高宽比为h/b=3。

由图8 可知

顶料板材料为Q235A，在常温下该材料许用应力［δ］≈113 MPa，根据强度条件公式有

图8 顶料板受力分析的简支梁模型

顶料板最小截面处按高宽比h/b=3 计算时，宽度不小于10.88 mm，本研究取顶料板危险截面宽度为20 mm。

2.3 顶料板的连接螺栓强度计算

顶料板所受的载荷有较大波动，普通螺栓连接不牢靠，铰制孔螺栓连接能精确固定被连接件的相对位置，且能承受横向载荷，从而增强连接的可靠性和紧密性。顶料板螺栓组布置形式如图9 所示，在分析螺栓组连接受力时，假设所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同、螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合和受载后连接接合面仍然保持为平面［8］。顶料板的螺栓材料用碳钢Q215，性能等级采用4.6 级，螺栓屈服强度σs=240 MPa，碳钢螺栓连接安全系数Sτ=3.5～5，Sp=1.5，取安全系数Sτ=4.0，螺纹连接件许用应力［τ］=60 MPa 和许用挤压应力［σp］=160 MPa。

螺栓组受剪力F、转矩T1和T2，设剪力F 分在各个螺栓上的力为Fi，各螺栓轴线到螺栓组对称中心的距离为ri，FTmax表示受力最大螺栓的工作剪力，则螺栓受最大剪切力为

图9 顶料板连接螺栓的布置形式

其中，d0为螺栓剪切面的直径（可取为螺栓孔直径），单位为mm；Lmin为螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm，设计时为Lmin≥1.25d0。

由计算结果可知，螺栓孔直径d0≥5.53mm，因此设计顶料板连接螺栓确定选用材料为Q215 的M10×40螺栓。

3 滚轮高度调节机构与滚轮传动机构设计

滚轮的调节与传送结构分为滚轮高度调节机构与滚轮传送机构，结构如图10 所示。加工前，伺服电机驱动滚珠丝杆上丝杆滑块动作，连杆带动滚轮架使滚轮上下摆动，以保证枪管中心与机床轴孔中心一致；步进电机通过链条驱动滚轮转动带动枪管传送过程中，有限位传感器对枪管传送加工位置进行限位。由于枪管直径规格不同，枪管直径差最大为66 mm，因此滚轮上枪管重心与车床轴孔之间最大距离为33 mm。为保证滚轮调整最大为33 mm，需对丝杆螺母移动距离进行设计，丝杆螺母运动过程如图11 所示。

图10 滚轮高度调节机构与滚轮传动机构

由图11 可知，封闭图形ABCD 所构成的封闭矢量方程为

图11 丝杆螺母、连杆与滚轮位置示意

杆3 不工作时与水平面夹的锐角为45°，当杆3 摆至垂直于水平面时，滑块运动至最远，此时θ=115°，将已知量代入式（9）得，β=29.16，sc=229.14。

由此可知，丝杆螺母移动距离不低于229.14 mm，为保证丝杆螺母正常工作，本文设计证丝杆螺母移动最大距离为250 mm。

4 控制系统设计

自动上下料装置能高效、稳定实现工件一系列加工操作，并将需要实现的加工工序以最简便方式组织起来，使装置具有较高操作性、灵活性和可靠性。可编程控制器PLC 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而产生的一种新型工业控制装置，它具有结构简单、编程方便以及可靠性高等优点，广泛应用于工业过程的自动控制中［9-10］。本设计自动上下料装置系统控制流程如图12 所示。

图12 自动上下料装置系统控制流程

根据枪管自动上下料装置控制要求，本设计拟用三菱FX 系列PLC 对系统进行控制。三菱PLC 具有高速度、高效率、高可靠性等优点，并吸收现代化科技元素，这使它在逻辑选件和导向定位控制等方面具有压倒性优势［11］。本系统主要由伺服电机、PLC、液压缸和传感器等元件组成，系统检测对象为滚轮上枪管与车床轴孔间垂直距离、枪管传送位置和液压缸动作方向等。PLC 系统的CPU 负责伺服电机和步进电机对各轴驱动的运动控制、系统的启停控制及紧急事件处理等任务，系统配置以太网模块方便进行上位机远程控制，并设置数量检测传感器，对枪管的数量进行跟踪［12］。系统控制物理量为滚轮高度和液压缸伸缩距离，执行元件为滚轮传动机构和顶料与传动部件。

5 小结

枪管自动上下料装置样机已投入使用，收到了预期的效果。与传统的枪管半自动加工生产相比，自动上下料装置代替人工进行单调、繁杂和重复的上下料作业，将工人从繁复的劳动中解放出来，工人的人身安全也得到极大保障，对提高生产效率、节约原材料及降低成本有着重大意义。