油氣田機械產品質量監督檢驗系統法蘭檢驗工裝的研制

胡凱博，王 亮，劉玉幫

中國石油長慶油田分公司技術監測中心 （陜西 西安 710018）

法蘭檢驗工裝主要是配合油氣田機械產品質量監督檢驗系統中三坐標測量機使用，需保證同一規格法蘭每次固定于同一位置、法蘭所有尺寸參數可測到、覆蓋各種規格、機器人搬運等條件。因此工裝設計需滿足以下要求：①同一規格法蘭固定位置統一；②保證法蘭平放；③法蘭各面參數都可測得；④減少工裝數量；⑤耐用。

1 分析調研

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，每類法蘭根據標準及通徑壓力不同，對應不同尺寸參數。在本系統測試范圍內總共涉及的法蘭類型有280余種，因此針對每一種法蘭設計一種工裝并不現實。

1.2 法蘭結構的相似性

雖然涉及的法蘭規格較多，但法蘭結構都有一定的相似性。法蘭的結構規則，大都為車床車削加工，從法蘭的俯視投影看，除法蘭蓋外，法蘭的結構大致相同，如圖1所示。

1.3 法蘭固定位置的選擇

1）法蘭外徑固定。通過標準查詢，不同規格的法蘭外徑雖有部分相同，但所有規格的尺寸依然多達百種以上，仍不能滿足通用性要求。

圖1 法蘭俯視圖

2）法蘭內徑固定。法蘭公稱通徑DN15 mm～DN200 mm共有12個通徑尺寸，理想狀態下只需要12套工裝就可以滿足所有法蘭的檢驗需要。但通過標準查詢，不同壓力下，法蘭的內徑并不相同，且帶頸對焊法蘭對內徑無要求，法蘭蓋無內徑，無法實現對工裝尺寸的確定。

3）螺栓孔固定。通過標準查詢，法蘭所使用的螺栓都為標準件，DN15 mm～DN200 mm所使用的螺栓涉及8個規格，對應的螺栓孔徑只有8個尺寸，且螺栓孔公差較小（±0.5 mm），有利于定位準確[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 工裝的設計及功能

2.1 調節方式的選擇

前期已確定了螺栓孔固定的方案，現只需調整不同規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，就可實現法蘭的固定，因此需確定尺寸的調節方式。

1）手動調節。手動調節需在調節滑塊上設定標尺，且要求調節準確，對手動操作要求較高，調節過程需在護欄內進行，涉及其他設備交叉作業，有一定安全隱患；如將系統整體停機后操作，影響檢測效率。

2）伺服電機調節。伺服電機只能實現距離的移動，而無法實現距離的控制，與手動調節的局限性相似，仍然需要人工控制移動、測量。

3）伺服驅動器+伺服電機調節。伺服驅動器適用于位置、速度控制，通過PLC與伺服驅動器編碼器連接，編寫適宜的控制代碼，實現對伺服電機驅動位置、速度控制。既能保證移動精度，也能滿足安全性與效率的需要。經過調研，最終選擇型號為PRONET-E-08A的伺服驅動器和EMJ-08APA伺服電機,調節精度可達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動器，由伺服控制器的編碼器將命令進行編碼計算，然后控制伺服電機進行正傳或反轉，由電機的帶動，實現水平位移的移動[3]。另外，PLC輸入還有啟動、停止、急停、伺服限位、伺服報警、氣缸開關等命令，保證整個系統運行安全可靠[4]。

圖2 伺服控制器電氣原理圖

2.2 主要零部件設計

由于法蘭固定后不能移動，否則對三坐標測量結果產生影響。考慮到法蘭密封面高度較低（2 mm左右），測試時法蘭密封面朝上有利于三坐標測量機的測量，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，三坐標測量除需改變測針角度，還需被測點與測量基準面存在一定高度差，否則探頭傳感器將與測試基準面發生接觸，無法實現測量。基于以上原因法蘭需被架起一定高度，通過標準查詢，所檢驗的法蘭焊徑最高高度為60 mm。

考慮三坐標探頭傳感器的高度，法蘭被架起高度不應小于100mm，為保證運行可靠及避免誤操作的影響，法蘭支架高度設計為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確，定位銷共分8個規格（圖4），定位銷固定在支架上靠銷孔連接，根據定位銷的尺寸共分大、中、小3個規格的銷孔。定位銷的材質是45號鋼調質處理，定位銷使用覆蓋范圍與法蘭規格有相應的對應關系。

圖4 不同規格定位銷

3 PLC操作流程

3.1 機械參數

點擊參數設置后會進入登陸界面，此處用戶憑用戶名和密碼進入機械參數設置界面（圖5），機械參數屬于關鍵參數，參數設定的各個參數根據設計工裝的銷孔尺寸、位置、高度等已設定完成，不可更改。

圖5 機械參數設置界面

3.2 配方設置

點擊參數設置后會進入登陸界面，此處操作人員憑用戶名和密碼進入配方設置界面，如圖6所示，在機器初始化前下載相應的配方。配方設置主要是選擇零件號、定位銷形式、頸高、轉臺場景組號等內容，主要是對所測規格法蘭的測量程序、視覺識別程序、機器人抓取位置、抓取高度的選擇，保證整個測量與轉移過程可靠。

圖6 配方設置界面

下載配方后，PLC將命令下達給伺服驅動器，控制伺服電機自動調整，完成工裝的移動[5]。

4 結束語

法蘭檢驗的工裝對保證檢驗精度與檢驗效率有著重要影響，對油氣田機械產品質量監督檢驗系統的完成具有重要價值[6]。在工裝開發過程中，技術人員通過各種方案對比分析，找到最佳設計方案，解決了實際問題，同時提高了技術人員解決問題的能力。