基于模块化设计的潜入式管道焊缝打磨机器人的制作方法

本发明涉及一种管道焊缝打磨机器人，基于模块化思想设计了动力模块和打磨模块，机器人可以适应一定范围（直径340mm至420mm）的管径变化，机器人可以进入管道内部打磨管道的焊缝。

背景技术：

管道运输石油、天然气具有高效、低耗、连续输送和自动化程度高等优势。未打磨的管道焊缝会导致管道极易腐蚀、泄露和断裂。传统的打磨方式有人工手提普通砂轮机进行打磨，或者利用绗磨机对管道内壁进行精确地绗磨，或者利用空气推动聚氨酯弹性体材料对管道内壁进行清理。但是，由于一些管道长度较长或管径较小，靠人工手提普通砂轮机来进行打磨无法实现；而利用珩磨机进行珩磨，则维护成本过高，且很难找到适合如此长度和管径的管道的珩磨机器。

针对这样的应用情况，嵌入式管道焊缝打磨机器人应具如下特性：

1）机器人可以在管道中自由的前进、后退；

2）机器人能够适应直径在340mm至420mm之间的管道；

3）机器人前进可以按照要求的方式对焊缝进行打磨，打磨部分可以在管道的360°全方向进行打磨，打磨结构根据管径调整进给量。

4）机器人的动力模块和打磨模块相互独立，支持后续开发检测、喷漆等模块。

技术实现要素：

本发明针对现有管道焊缝打磨技术的不足，设计了一种分模块、多管径适应的机器人。

本发明的技术方案为：

本发明开发的机器人分为两个模块——动力模块和打磨模块，两个模块之间有连接部分。

动力模块作用是带动整个机器人在管道内移动。动力模块需要适应管径变化，分为上部、中部和下部。上部和下部分别安装了4个轮子，其中一半是主动轮，另一半为从动轮，这些轮子可以保证机器人和管道受力均匀，让机器人前后运动。在运动过程中，上下部分的轮子需要同时接触到管壁才能保证机器人正常运行，同时为了适应不同的管径，上下部分被设计为相对中部可以移动。上部和中部通过两个双轴气缸相连接，通过通入一定压强的高压气后，上部伸出，上部的轮子和管壁接触，由于高压气压强可控，可以保证在不同管径的管道中，轮子和管壁之间的压力大致恒定，从而适应了管径的变化。下部与中部的连接与上部类似。

打磨模块的作用是在管道的焊缝位置进行打磨，打磨模块由三部分构成，前、后支撑结构、主轴及其打磨进给工作机构。前后支撑结构上各固定了三个定向轮，在管道内移动时，打磨模块依靠动力模块提供牵引力，定向轮与管道内壁接触滑动以前进、后退，此时气缸活塞站脚保持收缩。打磨模块的定滑轮通过加装标准铝型材块以适应不同直径的管道；打磨模块支撑结构上的定向轮、气缸呈放射状圆周阵列布置；当机器人达到管道内的指定位置时，其前、后支撑结构中的气缸活塞伸出，前后三个站脚撑开，从而使得前后支撑结构位置固定，并且能够在圆周布置的气缸的作用下与管道内壁严格对中，而主轴以及打磨进给工作机构能够在主轴电机的带动下圆周转动，实施打磨工作。主轴上固定的进给装置能够精确控制打磨进给量，进给装置的动力、控制电路可以通过主轴一端的中心孔与其他模块连接、通讯，不需要使用电滑环，避免了因主轴旋转产生的线路缠绕。

动力模块和打磨模块使用万向节进行连接，可以保证机器人在前进和后退时两个模块的协调，在通过有一点弯曲的管道时也能正常移动。

本发明具有的有益效果是：本发明应用模块化设计的思想，采用气动传动的方法，设计制作了可以打磨不同管径管道的焊缝。机器人进入管道后，在电磁阀和气缸的作用下，动力模块上下部分伸出，轮子与管壁接触，带动机器人在管道内运动。经过调整到达特定位置后，打磨模块的六个支撑气缸伸出，打磨模块踮脚支撑在管壁，将打磨模块固定在管壁内部。打磨模块的打磨机构搭载在丝杆滑块上，主轴可自锁，可使砂轮与焊缝接触并保持一定的压力，控制调整打磨机构的位置，即可实现打磨管道全方位的焊缝。由于采用模块化设计，后续可以灵活地开发探测、喷涂等模块。

附图说明

图1为动力模块装配示意图；

图2为动力模块装配剖面图；

图3为动力模块底板示意图；

图4为打磨模块装配示意图；

图5为打磨模块剖面装配图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如附图1、附图2所示，动力模块零件包括：直流电机301、电机支架302、联轴器303、轴承304、主动轮305、角铁306、中间部分侧面挡板307、底板308、从动轮309、电机支架垫块310、轴承垫块311、动力轮轮轴312、动力轮与轮轴连接部分313、T型螺母314、螺钉315、螺钉316、螺母317、螺钉318、螺母319、螺钉320、螺母321、动力轮固定螺钉322、弹簧323、气缸固定螺钉324、双轴气缸325、动力模块连接万向节的滑杆326、滑杆挡片327、滑杆挡片固定螺母328、气缸固定螺母329、双轴气缸330、气缸固定螺母331、动力轮固定螺母332、气缸间固定板333、中间部分前方挡板334。

动力模块由三部分组成，包括上部的底板总成、下部的底板总成和中间部分。中间部分有前方挡板334、侧面挡板307及与这两个挡板相对的挡板组成，内部有空间可以放置机器人控制板等元器件。下部底板总成通过双轴气缸325及背后的另一个双轴气缸与中间部分相连接。类似地，上部底板总成通过双轴气缸330及相对的另一个气缸与中间体相连接。

当机器人进入管道内部时，双轴气缸325、330及相对应的另外两个气缸通入一定压强的高压气体，气缸带动上下两个底板总成伸出。四个气缸通入相同压强的气体，可以保证上下底板总成平稳的伸出。上下底板伸出后，各自的四个轮子接触到管壁，当底板总成受到管壁的压力、气缸压力和底板重力平衡时，上下地板不在伸出，动力模块紧紧地撑住管道。上下底板的电机启动，带动主动轮运动，机器人就可以在一定管径范围的管道中自由前进、后退了。

附图3为该动力模块底板总成的示意图，底板主要零件包括：T型螺母101、轴承垫块102、螺杆103、动力轮轮轴104、轴承105、动力轮106、底板107、从动轮108、直流电机109、直流电机支架110、联轴器111、轴承112、动力轮轮轴113、轴承114、动力轮115、轴承垫块116、从动轮117、电机支架118、直流电机119。

上下底板被撑出时与管壁接触，主动轮转动，带动整个机器人在管道内运动。底板上有四个轮子106、108、115和117。其中106和115为主动轮，主动轮106与传动轴104相连，传动轴104通过联轴器101与电机119相连；主动轮115与传动轴113相连，传动轴113通过联轴器11与电机109相连。当底板被撑出时，四个轮子可以同时接触管壁，使用四个轮子的方案可以使管壁受力均匀。电机带动主动轮106和115转动，同时轮子108和117跟随着转动，机器人就可以在管道内部自由的前进、后退了。四个轮子构成一个矩形，两个主动轮位于矩形的对角线上，同时上下底板的主动轮位置不相同。这样可以保证机器人动力模块各个地方受力比较均匀，同时动力模块整体的转矩平衡。

上下底板两段开有孔，上下底板的空中穿过一根轴，该轴与万向节相连，万向节再与打磨模块相连。

附图4为打磨模块装配示意图，打磨模块由三部分构成，前、后支撑结构、主轴及其打磨进给工作机构。前后支撑结构上各固定了三个定向轮，在管道内移动时，打磨模块依靠动力模块提供牵引力，定向轮与管道内壁接触滑动以前进、后退，此时气缸活塞站脚保持收缩。当机器人达到管道内的指定位置时，其前、后支撑结构中的气缸活塞伸出，前后三个站脚撑开，从而使得前后支撑结构位置固定，并且能够在圆周布置的气缸的作用下与管道内壁严格对中，而主轴以及打磨进给工作机构能够在主轴电机的带动下圆周转动，实施打磨工作。主轴上固定的进给装置能够精确控制打磨进给量。

参见附图4、附图5，打磨模块主要有：主轴201、主轴轴承座202、轴承座圆盘203、U型轮架204、U型架联接螺钉205、U型架联接螺母206、U型架联接垫圈207、定向轮208、定位脚橡胶帽209、定位脚连接件210、气缸211、气缸联接螺钉212、气缸联接螺母213、气缸联接垫圈214、电机圆盘215、主轴电机216、步进电机217、梅花联轴器218、轴承座219、丝杆220、万向节圆盘221、梅花联轴器222、打磨模块万向节连接件223、定位脚橡胶帽联接螺钉224、定位脚-气缸联接螺钉225、定向轮联接螺钉226、定向轮联接螺母227、定向轮联接垫圈228、轴承座联接螺钉229、轴承座联接螺母230、轴承座联接垫圈231、打磨滑台232、滑台-电机板联接螺钉233、电机架234、打磨电机235、导轨236、砂轮237、主轴-导轨联接螺钉238、主轴定位圈239。

万向节圆盘221上固定着万向节连接件223，万向节连接件上连接与动力模块相连接的轴，两个模块由此连接。万向节圆盘221同时通过气缸联接螺钉212、气缸联接螺母213、气缸联接垫圈214固定着气缸211，另外通过U型架联接螺钉205、U型架联接螺母206、U型架联接垫圈207、连接固定U型轮架204。U型轮架204通过定向轮联接螺母227、定向轮联接垫圈228、轴承座联接螺钉229固定定向轮208。值得注意的是，在此U型轮架也可以通过螺钉螺母固定标准铝型材垫块，再将定向轮与铝型材垫块连接，这样便可以调节定向轮的圆周分布直径，以适应不同内径的管道。

U型轮架204的另一边对称地通过螺钉螺母垫圈与轴承座圆盘203连接，轴承座圆盘203上通过轴承座联接螺钉229、轴承座联接螺母230、轴承座联接垫圈231固定主轴轴承座202，主轴轴承座的轴承内圈与主轴201固定，使得主轴201可以相对支撑结构转动，主轴201也与主轴定位圈239连接固定，以防止轴向滑动。对称地，主轴201的另一端也同样与主轴轴承座固定也对称地与主轴定位圈239固定以防止轴向滑动，主轴轴承座也同样通过螺钉螺母垫圈固定在轴承座圆盘上，轴承座圆盘也同样连接U型轮架。U型轮架上固定定向轮，并与电机圆盘215固定。电机圆盘215上也固定着三个气缸211，与万向节圆盘221不同的是，电机圆盘215上还固定着主轴电机216。主轴电机通过梅花联轴器222连接着主轴201，以此提供主轴的转动动力。

至于主轴上的打磨进给工作机构，实施如下：主轴201中间设计有平台，可以通过主轴-导轨联接螺钉238与导轨236固定，导轨236上固定着步进电机217、轴承座219，步进电机217的轴与丝杆220通过梅花联轴器218连接，丝杠220两端穿过两个轴承座219，步进电机的转动可以带动丝杆，以控制打磨滑台232的前后进给，打磨滑台232通过滑台-电机板联接螺钉233固定着电机架234，打磨电机235固定在电机架234上。打磨电机235的转轴上固定有砂轮237，打磨电机运行时带动砂轮以实施打磨工作。这样一来，可以通过步进电机217精确控制电机架234的管道径向进给量，适应不同的管道内径、控制打磨的进给。

主轴201的一端为空心，步进电机217以及打磨电机235的电线可以穿过主轴201与其他模块连接。在轴承座圆盘203、电机圆盘215以及万向节圆盘221都采用了镂空设计，气缸211以及主轴电机216的气路电路均通过其镂空孔，经过主轴时，预留一定长度并固定在主轴平台背面，再经过另一端的支撑结构的镂空孔以与其他模块相连接。在打磨模块工作时，主轴采取来回转动的运动方式，单向转动尽量不超过400度，以避免气路电路受影响。