油氣田機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)系統(tǒng)法蘭檢驗(yàn)工裝的研制

胡凱博，王 亮，劉玉幫

中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心 （陜西 西安 710018）

法蘭檢驗(yàn)工裝主要是配合油氣田機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)系統(tǒng)中三坐標(biāo)測量機(jī)使用，需保證同一規(guī)格法蘭每次固定于同一位置、法蘭所有尺寸參數(shù)可測到、覆蓋各種規(guī)格、機(jī)器人搬運(yùn)等條件。因此工裝設(shè)計(jì)需滿足以下要求：①同一規(guī)格法蘭固定位置統(tǒng)一；②保證法蘭平放；③法蘭各面參數(shù)都可測得；④減少工裝數(shù)量；⑤耐用。

1 分析調(diào)研

1.1 法蘭的類型及型號

法蘭的類型主要有板式平焊法蘭、帶頸對焊法蘭、帶頸平焊法蘭、法蘭蓋四大類，每類法蘭根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及通徑壓力不同，對應(yīng)不同尺寸參數(shù)。在本系統(tǒng)測試范圍內(nèi)總共涉及的法蘭類型有280余種，因此針對每一種法蘭設(shè)計(jì)一種工裝并不現(xiàn)實(shí)。

1.2 法蘭結(jié)構(gòu)的相似性

雖然涉及的法蘭規(guī)格較多，但法蘭結(jié)構(gòu)都有一定的相似性。法蘭的結(jié)構(gòu)規(guī)則，大都為車床車削加工，從法蘭的俯視投影看，除法蘭蓋外，法蘭的結(jié)構(gòu)大致相同，如圖1所示。

1.3 法蘭固定位置的選擇

1）法蘭外徑固定。通過標(biāo)準(zhǔn)查詢，不同規(guī)格的法蘭外徑雖有部分相同，但所有規(guī)格的尺寸依然多達(dá)百種以上，仍不能滿足通用性要求。

圖1 法蘭俯視圖

2）法蘭內(nèi)徑固定。法蘭公稱通徑DN15 mm～DN200 mm共有12個(gè)通徑尺寸，理想狀態(tài)下只需要12套工裝就可以滿足所有法蘭的檢驗(yàn)需要。但通過標(biāo)準(zhǔn)查詢，不同壓力下，法蘭的內(nèi)徑并不相同，且?guī)ьi對焊法蘭對內(nèi)徑無要求，法蘭蓋無內(nèi)徑，無法實(shí)現(xiàn)對工裝尺寸的確定。

3）螺栓孔固定。通過標(biāo)準(zhǔn)查詢，法蘭所使用的螺栓都為標(biāo)準(zhǔn)件，DN15 mm～DN200 mm所使用的螺栓涉及8個(gè)規(guī)格，對應(yīng)的螺栓孔徑只有8個(gè)尺寸，且螺栓孔公差較?。ā?.5 mm），有利于定位準(zhǔn)確[1]。雖然螺栓孔尺寸確定，但螺栓孔中心圓直徑仍然不同，因此需解決螺栓孔中心圓的定位問題。

2 工裝的設(shè)計(jì)及功能

2.1 調(diào)節(jié)方式的選擇

前期已確定了螺栓孔固定的方案，現(xiàn)只需調(diào)整不同規(guī)格法蘭對角螺栓孔的距離，使其符合螺栓孔中心圓直徑的要求，就可實(shí)現(xiàn)法蘭的固定，因此需確定尺寸的調(diào)節(jié)方式。

1）手動(dòng)調(diào)節(jié)。手動(dòng)調(diào)節(jié)需在調(diào)節(jié)滑塊上設(shè)定標(biāo)尺，且要求調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，對手動(dòng)操作要求較高，調(diào)節(jié)過程需在護(hù)欄內(nèi)進(jìn)行，涉及其他設(shè)備交叉作業(yè)，有一定安全隱患；如將系統(tǒng)整體停機(jī)后操作，影響檢測效率。

2）伺服電機(jī)調(diào)節(jié)。伺服電機(jī)只能實(shí)現(xiàn)距離的移動(dòng)，而無法實(shí)現(xiàn)距離的控制，與手動(dòng)調(diào)節(jié)的局限性相似，仍然需要人工控制移動(dòng)、測量。

3）伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)調(diào)節(jié)。伺服驅(qū)動(dòng)器適用于位置、速度控制，通過PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器編碼器連接，編寫適宜的控制代碼，實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)位置、速度控制。既能保證移動(dòng)精度，也能滿足安全性與效率的需要。經(jīng)過調(diào)研，最終選擇型號為PRONET-E-08A的伺服驅(qū)動(dòng)器和EMJ-08APA伺服電機(jī),調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.01 mm[2]。

通過圖2伺服控制器的電氣原理圖可看出，PLC將接收的命令傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服控制器的編碼器將命令進(jìn)行編碼計(jì)算，然后控制伺服電機(jī)進(jìn)行正傳或反轉(zhuǎn)，由電機(jī)的帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平位移的移動(dòng)[3]。另外，PLC輸入還有啟動(dòng)、停止、急停、伺服限位、伺服報(bào)警、氣缸開關(guān)等命令，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠[4]。

圖2 伺服控制器電氣原理圖

2.2 主要零部件設(shè)計(jì)

由于法蘭固定后不能移動(dòng)，否則對三坐標(biāo)測量結(jié)果產(chǎn)生影響。考慮到法蘭密封面高度較低（2 mm左右），測試時(shí)法蘭密封面朝上有利于三坐標(biāo)測量機(jī)的測量，對于帶頸對焊法蘭還涉及焊端外徑的測量，如法蘭密封面朝上放置，焊端外徑就在法蘭下方，三坐標(biāo)測量除需改變測針角度，還需被測點(diǎn)與測量基準(zhǔn)面存在一定高度差，否則探頭傳感器將與測試基準(zhǔn)面發(fā)生接觸，無法實(shí)現(xiàn)測量?；谝陨显蚍ㄌm需被架起一定高度，通過標(biāo)準(zhǔn)查詢，所檢驗(yàn)的法蘭焊徑最高高度為60 mm。

考慮三坐標(biāo)探頭傳感器的高度，法蘭被架起高度不應(yīng)小于100mm，為保證運(yùn)行可靠及避免誤操作的影響，法蘭支架高度設(shè)計(jì)為130 mm，為保證使用耐用性，材料選擇Q235B鈑金再噴塑（圖3）。

圖3 法蘭支架

螺栓孔定位工裝選用錐形定位銷，錐形定位銷可保證在加工精度相差不大的情況下定位準(zhǔn)確，定位銷共分8個(gè)規(guī)格（圖4），定位銷固定在支架上靠銷孔連接，根據(jù)定位銷的尺寸共分大、中、小3個(gè)規(guī)格的銷孔。定位銷的材質(zhì)是45號鋼調(diào)質(zhì)處理，定位銷使用覆蓋范圍與法蘭規(guī)格有相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 不同規(guī)格定位銷

3 PLC操作流程

3.1 機(jī)械參數(shù)

點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置后會(huì)進(jìn)入登陸界面，此處用戶憑用戶名和密碼進(jìn)入機(jī)械參數(shù)設(shè)置界面（圖5），機(jī)械參數(shù)屬于關(guān)鍵參數(shù)，參數(shù)設(shè)定的各個(gè)參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)工裝的銷孔尺寸、位置、高度等已設(shè)定完成，不可更改。

圖5 機(jī)械參數(shù)設(shè)置界面

3.2 配方設(shè)置

點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置后會(huì)進(jìn)入登陸界面，此處操作人員憑用戶名和密碼進(jìn)入配方設(shè)置界面，如圖6所示，在機(jī)器初始化前下載相應(yīng)的配方。配方設(shè)置主要是選擇零件號、定位銷形式、頸高、轉(zhuǎn)臺場景組號等內(nèi)容，主要是對所測規(guī)格法蘭的測量程序、視覺識別程序、機(jī)器人抓取位置、抓取高度的選擇，保證整個(gè)測量與轉(zhuǎn)移過程可靠。

圖6 配方設(shè)置界面

下載配方后，PLC將命令下達(dá)給伺服驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)自動(dòng)調(diào)整，完成工裝的移動(dòng)[5]。

4 結(jié)束語

法蘭檢驗(yàn)的工裝對保證檢驗(yàn)精度與檢驗(yàn)效率有著重要影響，對油氣田機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)系統(tǒng)的完成具有重要價(jià)值[6]。在工裝開發(fā)過程中，技術(shù)人員通過各種方案對比分析，找到最佳設(shè)計(jì)方案，解決了實(shí)際問題，同時(shí)提高了技術(shù)人員解決問題的能力。