朱治宇，翁乐杰，杨耿涛，叶剑，沈家栋
同济大学浙江学院 嘉兴 314005
绪论:近年来，我国液化石油气自给率逐年提高，2011年达到93%。从总体供需平衡看。虽然目前我国液化石油气消费结构中民用和商用燃料占62.4%，但石化原料领域的需求将快速增长，大型石油石化企业将越来越重视液化石油气的综合利用。
我国民用和商业用燃料主要用人工煤气、液化石油气和天然气，其中液化石油气占60%以上。2005年我国在工业领域的消费量仅4.1万吨(占总量的0.2%)；随着山东地区小型炼油厂液化石油气芳构化装置的陆续建设，估计2011年消费量增至322万吨以上(占总量的13.4%)，2005～2011年的年均增长率高达106.9%。
随着产业结构的调整，液化石油气消费量逐步变大，同时带动液化石油气钢瓶需求也在逐渐变大，国家规定液化石油气钢瓶在有安全问题或到报废年限一定要报废，据中国安全生产网统计，2012年仅上海地区就已报废160万余只。相对于如此大的液化石油气钢瓶需求，我国的生产设施还处于较落后阶段，大多数生产厂家还处在大量使用人力资源进行液化石油气瓶的生产制作吗，不仅生产效率较低，而且耗费资金较大，不容易满足现如今快速增长的需求。
目前，国内液化石油气钢瓶的各道生产工序主要由人工操作完成，不仅工作强度大、工作环境比较恶劣，而且生产效率偏低。液化石油气钢瓶在使用过程中要求具有较高的安全性和稳定性，液化石油气钢瓶的燃烧、爆炸极易发生人体伤亡事故，所以出厂的液化石油气钢瓶必须进行密封性检测。
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液化石油气钢瓶密封性检测目前主要采用两种技术：一种是利用各种介质进行探伤检测，如超声波探伤检测、射线检测技术、磁粉检测技术等；另一种是进行带压水密性测试，根据液化石油气钢瓶高压下是否产生气泡来检测液化石油气钢瓶有无缺陷。这两种技术都有一定的缺陷，第一种技术检测成本较高、使用有一定的局限性，如在煤气罐生产中要求采用水密性测试；第二种检测技术目前基本都是人工检测，没有自动化的检测设备，检测效率较低。
根据液化石油气钢瓶生产过程中产生的问题，研究液化石油气钢瓶水密性自动化检测关键技术，优化检测设备充放气流程势在必行。
检测关键技术分析
1、密封性检测
液化石油气钢瓶密封性无损检测目前主要采用两种技术：一种是利用各种介质进行探伤检测，如超声波探伤检测、射线检测技术、磁粉检测技术等；另一种是进行带压水密性测试，根据液化石油气钢瓶高压下是否产生气泡来检测液化石油气钢瓶有无缺陷。
这两种技术都有一定的缺陷，第一种技术检测成本较高、使用有一定的局限性，如在煤气罐生产中要求采用水密性测试；第二种检测技术目前主要人工检测，没有自动化的检测设备，检测效率较低。
2、 参数化结构分析
现代装备结构设计正在逐步摆脱传统观念的束缚，体现真正满足工艺要求的设计理念，追求实效性、安全性和经济性的和谐统一。装备设计过程中，计算机辅助设计、CAE理论、CFD理论在设计过程中被广泛应用。
CAE是用计算机求解复杂工程和产品结构强度、刚度等力学特性的分析计算以及结构性能优化设计等问题胡数值分析方法，CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题；CFD即计算流体动力学，是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。
在液化石油气钢瓶检测设备开发过程中，需要对各种参数进行合理优化，如加大检测效率、加快充、放气速度、减少噪音等方面的问题，应用计算机辅助设计、CAE理论、CFD理论，可以大大缩短设计时间，优化设计结果。
3.充、放气自动接口技术的研究
目前，管件充、放气自动接口技术的研究主要采用机械结构、光学成像等。如下几个自动对准系统是市场上采用较多的自动充、放气自动接口技术。
高精度光学自动对准系统：自动对准系统是自动充气结构中的关键组件之一,包括光学照明系统、光学成像系统、图像处理软件和运动控制系统,其对准方法是利用机器视觉和图像处理技术来识别和测量微细标记特征,然后反馈给控制系统引导机械装置进行对准定位。
共光路自动对准系统：激光发射装置和光电跟踪系统中,光学器件多,光路复杂,光学机械零件位置的相对移动会使光轴平行度偏离。
视觉对准系统：视觉对准系统所涉及的光学部件设计和图像处理算法,本身就是高度专业化的产品。图像处理技术是视觉对准的关键技术之一,图像预处理方法直接影响图像定位的精度。
机械式自动充放气系统需要对产品本身结构深入研究，可靠性较高，适合大批量的生产。
液化石油气钢瓶目前采用的充放气技术主要由人工操作完成，在大批量生产过程中，生产效率较低，并且充放气过程中产生的噪音对人体产生危害，劳动环境比较恶劣，急需改进目前的工作状态。
总体方案设计
检测流水线设计过程如图
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具体实施方式
液化石油气钢瓶瓶阀自动安装及检测装置包括输送带、瓶阀自动安装充气装置、气密性检测装置和送料装置，输送带依次从瓶阀自动安装充气装置和气密性检测装置中穿过。
参见图2和图3，瓶阀自动安装充气装置包括机架3、固定机构、机械臂行进机构、减压阀夹取机构和充气机构。固定机构包括两个正向相对设置在机架3上的夹紧气缸15，夹具16固定在夹紧气缸15的推杆端部。输送带将液化石油气钢瓶输送到两个夹紧气缸15之间，夹紧气缸15的推杆推动夹具16将液化石油气钢瓶夹住，液化石油气钢瓶得到了定位，便于后续进行减压阀的装配和充气。
机械臂行进机构设置在机架3的上部，包括机械臂11、滑板1、移动气缸一2、导轨一4、滑块5、移动气缸二12和导轨二14。导轨一4和移动气缸一2设置在机架3上，机械臂11安装在滑板1上，滑板1在导轨一4上可来回滑动，移动气缸一2的推杆与滑板1连接，移动气缸一2推动滑板1沿着导轨一4来回移动。移动气缸二12和导轨二14设置在滑板1上，滑块5在导轨二14上可来回滑动，移动气缸二12的推杆与滑块5连接，移动气缸二12推动滑块5沿着导轨二14来回移动。导轨一4和导轨二14互相垂直，使机械臂11可在互相垂直的两个方向上移动，机械臂11可实现各个位置的精确调节。
减压阀夹取机构设置在机械臂11上，由机械臂行进机构来驱动。减压阀夹取机构包括下压气缸6、旋转电机7、齿轮8、固定气缸9和刀头17，下压气缸6安装在机械臂11上，固定气缸9和旋转电机7均设置在下压气缸6的推杆上，齿轮8与旋转电机7的转轴连接，刀头17设置在齿轮8上。当液化石油气钢瓶被固定机构固定以后，机械臂行进机构带动减压阀夹取机构移动，去夹取减压阀。当减压阀被套入刀头17，固定气缸9下压顶住减压阀，固定住减压阀，防止减压阀位置发生变化。减压阀夹取机构继续移动，当移动到到液化石油气钢瓶瓶口正上方时，下压气缸6进行下压，然后旋转电机7启动，齿轮8旋转带动刀头17进行旋转，将减压阀装配进液化石油气钢瓶中。
充气机构包括充气气缸19和充气枪10，充气气缸19安装在机架3上，充气枪10设置在充气气缸19的推杆上。当液化石油气钢瓶装配好减压阀后，充气气缸19推动充气枪10进入减压阀阀口进行充气。
参见图4，送料装置105设置在瓶阀自动安装充气装置102的一侧，包括上传输带51，机械手52、升降臂53、下传输带54、料盘55、送料传输带56和运输小车57，下传输带54在上输送带51的正下方，机械手52和升降臂53设置在上传输带51末端，送料传输带56在机械手52一侧，多个运输小车57在送料传输带56上，送料传输带56把运输小车57输送到瓶阀自动安装充气装置。人工把放满减压阀的料盘55放置在上传输带51上，上传输带51把料盘55输送到上传输带51末端位置。机械手52把料盘55上的减压阀一个一个地抓取并放到运输小车57上，运输小车57再把减压阀输送到瓶阀自动安装充气装置102。在上传输带51末端的料盘55上的减压阀被机械手52拿取完时，升降臂53把空的料盘55夹取并放置到下传输带54上，传输带54再把空的料盘55输送到上传输带51放置料盘55的一端。
检测系统控制流程
液化石油气流水线装置工作中有一下五个部分组成：液化石油气钢瓶的传送，液化石油气钢瓶瓶阀的安装，瓶阀的运送，液化石油气钢瓶的充气，水密性检测。
在液化石油气钢瓶的传送中，被控对象有：传送带的运行速度，运行方向，运行时间。其中运行速度与运行方向都是固定不变的，需要控制的运行距离需要用光电开关输出的高低电平信号配合程序来决定。
在液化石油气钢瓶瓶阀的安装过程中，被控对象有：x,y,z轴的移动方向，速度，距离。
其中速度不变，方向由三位五通电磁气阀控制，运行距离由各点的限位开关控制。机械手旋转的圈数由给定脉冲控制。工作压力由压力传感器配合程序控制。
在液化石油气钢瓶充气过程中，被控对象有：充气压力，气嘴的行程，充气口的开关。
在水密性检测过程中,被控对象有：上升，下压行程，下压时间。
工作流程图
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式中，DI/DO--为估算的输入输出点数量；
K--备用量系数，一般取1.1~1.2之间；
--单个系统类型参数。对于DI来说，在单速可逆系统中，=3*操作点，在单速不可逆系统中，=2*操作点；在多速（有级）可逆系统中，=3*操作点+速度档位数；而对于DO来说，在单速可逆系统中，=2；在单速不可逆系统中，=1；在多速（有级）可逆系统中，=速度档位数；在多速不可逆系统中，=2*操作点+速度档位；
--单个系统点数。对于DI来说，如接触器辅助接触点、限位开关、故障信号等；对于DO来说，如指示灯、接触器等；
C--其他点数，如系统集中的按钮、报警等输入/输出点；
N--单个系统的总数。
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结论
目前液化石油气钢瓶人工充气存在的安全和生产率低的问题，本设计提出了一种全自动化的液化石油气钢瓶瓶阀自动安装及检测装置，提高了生产效率和生产安全性。
液化石油气钢瓶瓶阀自动安装及检测装置，包括输送带、瓶阀自动安装充气装置和气密性检测装置，输送带依次从瓶阀自动安装充气装置和气密性检测装置中穿过，瓶阀自动安装充气装置包括机架、固定机构、机械臂行进机构、减压阀夹取机构和充气机构，固定机构用于把输送带输送到预定位置的液化石油气钢瓶固定，减压阀夹取机构设置在机械臂行进机构上，机械臂行进机构带动减压阀夹取机构移动，减压阀夹取机构用于把减压阀夹取并旋到液化石油气钢瓶上，充气机构对装配好减压阀的液化石油气钢瓶进行充气，输送带把充好气的液化石油气钢瓶输送到气密性检测装置。
液化石油气钢瓶瓶阀自动安装及检测装置，液化石油气钢瓶输送和固定、减压阀的夹取和装配到液化石油气钢瓶上、减压阀的输送、充气以及检测均自动完成，自动化程度高，减少人员操作，提高了生产效率和生产安全性。
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