一種全自動金屬鉆桿校直機的設計與實現

杜鋒 楊永

（淮安信息職業技術學院電子工程學院，江蘇 淮安 223003）

一種全自動金屬鉆桿校直機的設計與實現

杜鋒 楊永

（淮安信息職業技術學院電子工程學院，江蘇 淮安 223003）

設計了一種以ATmega128A為主控制器的全自動金屬鉆桿校直系統。系統主要由工件旋轉系統、彎曲檢測系統、工件校直系統、校直激光檢測系統及主控電路組成。創造性地給出了一種基于觸摸屏技術的金屬鉆桿彎曲檢測方法，此方法是觸摸屏技術在彎曲檢測領域的創新應用。校直系統采用PID控制算法，提高了鉆桿的校直精度。經過系統仿真和整機實際測試，達到了預期的設計目標。

觸摸屏；彎曲檢測；PID控制

1 引言

金屬鉆桿熱處理后的校直是鉆桿生產中的一項重要工序，而校直精度是衡量校直水平的一個主要指標。目前我國多數專業生產麻花鉆的廠家，對鉆桿的校直還一直停留在用人眼看、錘子敲的低效生產工藝階段，校直精度低，生產效率低下，不僅勞動強度大而且人為因素影響校直精度的穩定性，與國外采用的自動化和半自動化校直設備相比存在較大差距。而國外設備價格昂貴，一般中小企業無法承受設備升級換代所付出的代價。

現階段企業迫切需要一款鉆桿全自動校直機，而企業對鉆桿全自動校直機的研制一直在苦苦探索之中。研制鉆桿全自動壓力校直機有著非常重大的現實意義。在研制過程中，鉆桿彎曲狀況在線檢測方法是一項關鍵技術。只要能測出鉆桿軸心線上最大的彎曲點，就可以依據彎曲曲率，用液壓頂桿及激光測距傳感器組成的閉環控制系統對其進行校正，直到鉆桿軸線的直線度在誤差規定范圍內。

2 系統構成和工作原理

2.1 系統構成

全自動鉆桿校直機主要由機械系統和電控系統兩大部分組成。機械系統主要由彎曲檢測系統移動滑臺、主旋轉系統、鉆桿校直系統、激光檢測系統等四部分組成。其中彎曲檢測系統又由移動滑臺和觸摸傳感器組成；主旋轉系統由驅動步進電機、卡盤、V槽支撐組成；鉆桿校直系統由水平移動滑臺和推桿電機組成。電控系統由步進電機驅動器，直流電機驅動器、激光傳感器接口電路、觸摸屏控制器、電源系統、人機接口電路和主控MCU電路組成。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2.2 工作原理

彎曲檢測系統由傳感器滑動平臺和主旋轉機構組成。工件由旋轉機構的卡盤和尾端V槽固定，在步進電機的帶動下以1度步進旋轉。在最大彎曲點沒有觸碰到檢測觸摸傳感器時，工件每旋轉360度，彎曲檢測傳感器在滑臺的帶動下以0.05mm的步進向工件靠近一次。當最大彎曲點觸碰到彎曲檢測傳感器時，主控CPU立即通過觸摸屏控制器讀取觸控點的水平坐標，隨后旋轉機構反轉90度，使工件最大彎曲點朝上，旋轉機構停止轉動。主控計算機根據彎曲檢測傳感器的當前位置計算最大彎曲點的彎曲量。校直推力電機在水平移動滑臺的帶動下平移到最大彎曲點的正上方，為校直做好準備。推力電機與激光位移傳感器構成閉環控制系統，采用增量式PID控制推桿電機的推力，提高鉆桿的校直精度。當最大彎曲點校直完成后，旋轉機構向傳感器方向旋轉90度，如果沒有觸碰到檢測觸摸屏，則說明此處已經校直。中央處理計算機控制傳感器滑動平臺繼續移動0.05mm，待旋轉機構旋轉一周后，傳感器滑動平臺繼續向軸心移動0.05mm。如此往復，直到滑動平臺移動到距軸心的距離在允許的公差范圍內時，說明工件的校直完成。傳感器自動歸位，校直推力電機也自動歸位。完成一個完整的鉆桿校直過程。

圖2 電控系統框圖

3 硬件電路設計

全自動鉆桿校直機控制電路主要由步進電機控制器、直流推桿電機控制器、大功率直流穩壓電源、觸摸屏傳感器接口電路、激光位移傳感器接口電路、人機接口電路、主控CPU系統電路組成。電控系統框圖如圖2所示。下面主要介紹觸摸屏接口電路和激光位移傳感器接口電路。

3.1 彎曲點檢測電路設計

觸摸屏傳感器是測量鉆桿彎曲的核心組成部分，觸屏傳感器和水平滑臺2共同組成鉆桿彎曲檢測系統。彎曲點由觸摸屏傳感器檢測，彎曲度由滑臺絲桿控制檢測。鉆桿彎曲水平位置經觸摸屏傳感器轉換為電壓信號，經AD7843采樣，A/ D轉換后得到彎曲點的電壓，根據電壓與彎曲點的兩個變量構建的數學模型即可準確測量到彎曲點的位置。下面結合AD7843的工作原理進行詳細介紹。觸摸屏屏接口電路如圖3所示。

圖3 觸摸屏接口電路

根據AD7843的內部等效電路，X+端的電壓隨著鉆桿彎曲點與觸摸屏的接觸點不同而不斷變化且這種變化是線性的。因此可以通過測量X+的電壓很方便地計算出彎曲點的水平坐標。

假設Y-對應電壓經A/D轉換后的數字量為X1，Y+對應電壓經A/D轉換后的數字量為X2，X+對應電壓為X0。金屬鉆桿起始點對應到Y-位置，亦即Y-電極的引出側邊緣位置。金屬鉆桿末端對應到Y+位置，亦即Y+電極的引出側邊緣位置。假設鉆桿有效長度為L。設彎曲點距離起始點的距離為Lx，則有：

由式（1）則有：

根據式（2）則可有主控CPU計算出彎曲點的位置。實測數據如表1所示。

表1 鉆桿彎曲點實測參數

由表1可知實際測量值與標準值之間的誤差優于±0.1mm的精度，滿足鉆桿校直應用對彎曲點檢測的精度要求。證明設計是合理的，可以滿足系統測量要求。

3.2 彎曲點校直與校直精度分析

鉆桿自動校直機在檢測到彎曲點后，夾緊與旋轉機構自動將彎曲點旋轉到正上方，電動推桿在水平滑臺1的帶動下，自動停到彎曲點的正上方，為校直做準備。本設計采用增量式PID控制算法，提高系統的校直精度。測試結果如表2所示：

表2 校直參數

由表2可知，系統的校直精度在±0.1mm，滿足系統設計要求。

4 結束語

全自動鉆桿校直機的使用，對于減輕工人勞動強度、節約材料和加工成本以及提高生產效率和成品質量都具有十分重要的意義。該設備經廠家實際使用后，效果良好，取得了不錯的經濟效益。參考文獻：

[1]徐灝．機械設計手冊[M]．北京：機械工業出版社,1991．

[2]張曉崗,余榮．螺旋麻花鉆的校直方案探討[J]．成都：成都大學學報(自然科學版),1996,18(2)．

[3]欽明浩,柯尊忠,張向軍等．精密矯直機中軸累零件矯直工藝理論研究[J]．北京:機械工業學報,1977,33(2):48-53．

【 Abstractact】This paper designs an automatic metal drill pipe straightening system using ATmega128A as controller for.The system is composed mainly of the work piece rotation system,bending detection system,straightening system,laser detection system and the main control circuit.It creatively gives a method of bending metal pipe detection based on touch screen technology.This method is a creative application of touch screen technology in bending test field.Straightening system using PID control algorithm improves the straightening accuracy of drill pipe.After the system simulation and test,it achieves the desired goals.

Design and Implementation of anAutomatic Metal Drill Pipe Straightening Machine

Du Feng Yang Yong
（Huai'an College of Information Technology,Huai'an 223003,Jiangsu）

touch screen;bending detection;PID control

TG305

：A

1008-6609(2015)03-0060-02

杜鋒，男，安徽淮北人，碩士，講師，工程師。研究方向：電子信息，自動控制。

淮安市科技支撐計劃項目：“全自動鉆桿校直機研制”，項目編號：HAG2012013。