水下密闭空间局部干法焊接机器人的制作方法

本发明涉及一种水下焊接机器人。

背景技术：

在海洋石油和天然气工业中的海洋输送管道建设中，油气输送作为一个重要环节，它的管道铺设和焊接技术就尤为重要。目前，我国的水下焊接技术大部分还停留在手工焊接的水平，基本上是由潜水员潜入水底进行焊接。因此实现高效低成本焊接自动化一直是焊接技术领域的一项难题，其中水下焊接自动化的实现要求比在陆地上焊接困难得多。对于水深度深、压强大、作业空间狭小、甚至核辐射强的水下环境，现有的焊接机器人还不能代替人完成相应任务。实现水下焊接自动化是进行海洋资源开发的重要课题，水下机器人自动焊接技术首先排除人为因素干扰，在简化操作设备的同时还要具有稳定高效和适应水下环境的特点，这些都是目前现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种水下管道密闭空间局部干法焊接机器人，其行走方式模仿坦克或一些履带式机器人，以应付水底的复杂恶劣环境。其履带有别于一般的坦克或者机器人，采用了三角形履带轮进行前进。相比于普通的平行式履带轮，三角形履带轮具有克服不平整路面，在海底遇到软沙时防止出现凹陷或者侧翻的情况，并且具有良好的机动性能和稳定性。在机器人机身顶部安置的焊接部位，采取机械操作臂连接水下密闭焊接空间装置，机械操作臂可以通过控制进行上下的移动，水下密闭焊接空间装置为圆柱形可开口的装置，内部为移动焊接枪，通过三者共同完成多位置可调控的焊接作业，在水下能够更好的完成焊接自动化和安全化。

本发明的技术方案是：本种水下密闭空间局部干法焊接机器人，包括行走机构、机械操作臂机构2、水下密闭空间焊接装置1以及液压系统，其独特之处在于：

所述行走机构包括机器人壳体3和行走三角履带轮4；其中，

机器人壳体3形状为长方体箱体状，壳体本身采用分层形式，由上耐压壳体15和下耐压壳体17组成，机器人壳体3的下半部分用于装配运动机构19，机器人壳体3的底部为底板20，在运动机构19的上部安置工作台18；机器人壳体3的上半部分用于安置电子元件以及检测设备和动力设备，上下两部分完全分隔开；所述上、下耐压壳体之间安置一个可拆卸的封头16a，用于装拆壳体内的电子器件和仪器；所述上、下耐压壳体之间的密封16为焊接密封和接触密封，在所述上、下耐压壳体四周缝隙和夹层内填充o型橡胶圈16b；所述下耐压壳体底部的四角处开有安置四个行走带轮4的通孔，所述下耐压壳体顶部右前方留有安置机械操作臂机构2的长方形空位。

所述行走三角履带轮4，包括履带21、三角支架22、驱动轮系23、张紧轮系24、连接皮带25以及防侧翻轮系26；行走三角履带轮4的主体框架由两片三角支架22外部包裹履带21组成，所述三角支架22形状为三角形的一块上边开有许多条孔的钢板，为两片，平行安置；驱动轮系23位于所述行走三角履带轮4的三角形顶部，驱动轮系23由三个齿轮同轴安装合成，其中中间的齿轮直径较两侧要小，负责配合内部的连接皮带25连接中心部位的防侧翻轮系26，外部两侧安装连接盘，通过螺栓螺母连接至三角支架22上；所述防侧翻轮系26，由一个齿轮和一个带轴的连接盘组成，所述齿轮连接连接皮带25，所述连接盘连接三角支架22，所述连接盘上的轴用于连接内部驱动系统；所述张紧轮系24，由一个大齿轮和两侧两个连接盘组成，所述大齿轮负责连接外侧履带，所述连接盘用于连接两侧的三角支架22，三角形履带底部两侧各一个张紧轮系24。

所述机械操作臂机构2，包括机械臂主臂11和机械臂上下升降作业装置，其中，机械臂主臂11为扁长的立方体，上开有多个椭圆形孔，顶部半圆处开有平键形孔，底部半圆处开有五个圆形孔；两片机械臂主臂11平行放置，中间安装链传动机构，主臂11和链传动固定在底座上，形成完整的机械臂主臂；所述机械臂上下升降作业装置，安装在和机械臂主臂11相同的底座上，由旋转升降装置13和电机减速器组合12组合而成，其中，旋转升降装置13连接主臂11和链传动，形成传动机构，实现上下升降；电机减速器组合12内部连接旋转升降装置13，为上下升降提供动力和控制；旋转装置14安装在机械臂主臂11的顶部，通过夹持在两个机械臂主臂11之间的连接件连接机械操作臂系统2和水下密闭空间焊接装置1，用于控制水下密闭焊接装置1的旋转。

所述水下密闭焊接空间装置1，包括上壳体部分5、下壳体部分6、封盖9以及内部焊接执行机构7；所述上壳体部分5为一半圆柱型，内部中空，上面切有燕尾槽孔，上下分别布有7个连接件固定部位，其中较小两个为密封液压锁锁扣安置位置，用于密封上壳体部分5和下壳体部分6，顶部的两个用于安置液压系统，控制上壳体5打开合拢，下边的三个用于连接上壳体5和机架8；单向阀10安置在封盖9上，用于控制装置内部的液压大小；下壳体6和上壳体5同样为半圆柱型，内部中空，开有燕尾槽孔，较小的两个连接件位置是密封液压锁的锁柱位置；所述内部焊接执行机构7，包括执行滑块7b和焊接枪7a，执行滑块7b的形状配合上壳体5和下壳体6上所开的两个燕尾槽孔，可以相互滑动，在密闭圆柱空间里沿x轴方向来回运动，并以此形成移动轨道；在滑块7b上安装有半圆环齿条，并在其槽口中安装移动焊接枪7a。

本发明具有如下有益效果：

本种机器人主要解决了水深度深、压强大、作业空间狭小、甚至核辐射强的水下环境下的焊接技术问题。本种机器人借鉴水下机器人和焊接机器人的特点以及机械、液压、电驱动的方法，简化操作设备同时也要具有稳定高效和适应水下环境的特点，采用三角履带式水下无缆移动，搭载以操作臂连接焊接作业舱的结构形式实现管道全位置自动化焊接，圆柱箱体局部干法焊接方式和移动焊枪头相配合的管道焊接机器人，在管道相对固定的情况下，借助于利用注入空气排空整个作业区域的所有水，制造一个模拟空气焊接的环境，然后使焊接设备带动沿着焊缝环绕管壁运动，从而实现自动焊接。

本种机器人在焊接方法上的选取，选择了局部干法焊接，并相应地做出了密闭空间装置，局部干法焊接技术是利用将局部的水通过打入高压气体或者常压气体形成一个局部干的气室进行焊接，也称为干点式焊接。本种机器人能够将焊接部分直接固定打气排水，形成一个大面积的气室，在整个焊接过程中不用因为换焊接位置而重新排水。避免了湿法焊接的一些弊端。本种水下机器人的壳体采用25mm的lc9铝材，壳体有可拆卸的封头，便于装拆壳体内的电子器件和仪器。可拆卸封头采用焊接密封和接触密封，通过三角铝制板密封壳体四周，内部用焊接的方式实现密封。在壳体四周缝隙和夹层内也填充了o型橡胶圈，保护内部元件不受水的侵蚀和腐蚀。行走机构中选取的自主驱动型三角履带式，具有轻便、可更换性；低噪声、低震动、低冲击；高通过性、高稳定性以及低接地比压、高机动性的诸多特点，更适合水下工作，提高了通行过程中遇到不同路况以及在作业途中的稳定性。采用自主驱动控制又更好的减轻设备重量。

附图说明：

图1是本种水下密闭空间局部干法焊接机器人的总装图。

图2是本种水下密闭空间局部干法焊接机器人的水下密闭焊接空间装置结构图。

图3是所述水下密闭焊接空间装置中焊枪的结构图。

图4是所述水下密闭焊接空间装置中滑块结构图。

图5是机械操作臂系统机械臂主体结构图。

图6是机械操作臂系统上下升降装置的结构图。

图7是机械操作臂系统上下升降装置的顶部旋转装置结构图。

图8是本种水下密闭空间局部干法焊接机器人的机器人车身部分结构图。

图9是图8的局部放大图。

图10是车身内部工作台结构图。

图11是车身内部运动机构结构图。

图12是车身内部底板结构图。

图13是本种水下密闭空间局部干法焊接机器人的三角形履带轮结构图。

图中1-水下密闭焊接空间装置，2-机械操作臂机构，3-机器人车身，4-三角形履带轮，5-上壳体，6-下壳体，7-移动焊接装置，7a-移动焊枪，7b-大滑块，8-底座，9-封盖，10-单向阀，11-机械臂主臂，12-电机减速器组合，13-旋转升降装置，14-旋转装置，15-上耐压壳体，16-密封圈，16a-可拆卸封头，16b-密封橡胶圈，17-下耐压壳体，18-操作台，19-运动机构，20-底板，21-履带，22-三角支架，23-驱动轮系，24-张紧轮系，25-皮带，26-防侧翻轮系。

具体实施方式：

概括的说，本种水下密闭空间局部干法焊接机器人，包括行走机构、机械操作臂机构、滑块滑动机构、焊枪移动机构以及液压系统，所述行走机构包括机器人壳体和行走三角履带轮。

其中，所述机器人壳体为长方体箱体状，壳体本身采用分层形式，由上耐压壳体和下耐压壳体组成，下半部分装配运动机构，上半部分装置电子元件以及检测设备和动力设备，上下两部分完全分隔开，两耐压壳体内装有电子部件、检测仪器等，耐压壳体之间安置一个可拆卸的封头，装拆壳体内的电子器件和仪器。耐压壳体之间的密封使用焊接密封和接触密封，用到橡胶密封技术，使用三角铝制板密封壳体四周，内部使用用焊接的方式实现密封。在壳体四周缝隙和夹层内填充了o型橡胶圈。底部四角处开有安装带轮的通孔，安置四个行走带轮，顶部右前方留有安置操作臂机构的长方形空部位置。

所述行走带轮为三角履带轮，其形状为三角形。三角履带轮是由履带（分为橡胶履带和金属履带两种）、三角支架、驱动轮、支撑轮、张紧轮、还有防侧翻、连接盘装置组成。其中在三角支架的三个顶点处安置驱动轮支撑轮和张紧轮，履带穿过他们围在三角支架上，中心部位安置防侧翻装置，中心部位放置连接盘，通过传动轴连接至机器人壳体，并与驱动轮支撑轮和张紧轮之间用皮带链接，外圈部分安装履带，履带选用可更换的橡胶履带。

所述操作臂由单梁手臂和升降装置组成，单梁手臂内部安置链传动，开有有规律的空位，顶端安置连接水下密闭空间焊接装置的连接件，底部连接电机和减速器，在电机、减速器、链传动共同配合下完成升降，高度升降范围为500~1500mm，升降速度为300~1000mm/min。在操作臂端点位置加入了以齿轮传动机构组成的旋转机构。旋转角度为180度。可作为全角度焊接任务，为电动机控制。

所述水下密闭空间焊接装置，包括滑块滑动机构、焊枪移动机构；所述密闭空间是由两个半圆圆柱壁和两侧封盖组成，两圆柱壁上分别安置两个移动部件，装置利用液压使其闭合夹住钢管，再由两液压锁锁住圆柱外壳，使其固定，内部进行焊接作业。其两侧安置四个封盖，封盖是可拆卸的，适应不同管径的钢管，管径范围是300mm~500mm。所述滑块滑动机构，在密闭空间内部，在量圆柱壁上各开有一条燕尾槽，放置滑块，滑块为半圆形，与燕尾槽相连通过电机驱动齿轮齿条带动里面滑块滑动。滑块上安装了半圆环齿条，在滑块槽口中安装移动焊枪，焊枪上滑块由电机驱动齿轮使之在半圆环齿条上运动。所述焊枪移动机构，其中焊枪支架内装有液压装置，可作为焊枪的伸缩和送丝，两侧装有单向阀，头部装有焊针

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，结合图8、图9、图10、图11及图12，本种水下密闭空间局部干法焊接机器人，具有机器人车身部分3，形状为长方体箱体状，壳体本身采用分层形式，由上耐压壳体15和下耐压壳体17组成，下半部分装配运动机构19，所述机器人车身内部结构中的运动机构19，形状似方形盒子，由电机和齿轮传动轮系组合及连接轴组成，其中，连接轴负责连接三角形履带轮并通过电机和轮系带动进行旋转行走。底部为底板20，底板20为形状和机器人车身下耐压壳体17内部尺寸相契合负责安装四个机器人车身内部结构中的运动机构19，高度与机器人车身下耐压壳体17四个角开有的拱门形孔相契合，操作台18形状为长方体薄片，四周开有小孔洞，安装在机器人车身内部结构中的运动机构19上方，与机器人车身上耐压壳体15于内部连接。上下耐压壳体之间安置密封机构16。

水下密闭焊接空间装置1，如图1、图2所示，所述水下密闭焊接空间装置，由上壳体部分5、下壳体部分6、封盖9、内部移动焊接执行机构7；所述上壳体部分5为一半圆柱型，内部为空，上面切有燕尾槽孔，上下分别布有7个连接件固定部位，其中较小两个为密封液压锁锁扣安置位置，密封上下两个壳体5、6，顶部的两个安置液压系统，控制上壳体5打开合拢，下边三个连接上壳体5和机架8，其中单向阀10安置在封盖9上，控制装置内部液压大小。所述下壳体6和上壳体5同样为半圆柱型，内部是空，开有燕尾槽孔，较小的两个连接件位置是密封液压锁的锁柱位置。所述内部焊接执行机构7，为执行滑块7b和焊接枪7a组合而成，其中执行滑块7b形状配合上壳体5和下壳体6开有的两个燕尾槽孔，可以相互滑动，在密闭圆柱空间里沿x轴方向来回运动，并以此形成移动轨道。在滑块7b上还安装了半圆环齿条，并在其槽口中安装移动焊接枪7a。

结合图1及图5、图6可知，所述机械操作臂机构2，由机械臂主臂11和机械臂上下升降作业装置组合而成，其中，机械臂主臂11为扁长的立方体，上开有多个椭圆形孔，顶部半圆处开有平键形孔，底部半圆处开有五个圆形孔。两片主臂11平行放置，中间安装链传动机构，主臂11和链传动固定在底座上，形成完整机械臂主臂。所述机械臂上下升降作业装置图6，安装在和机械臂主臂11相同的底座上，由旋转升降装置13和电机减速器组合12组合而成，其中，旋转升降装置13连接主臂11和链传动，形成传动机构，实现上下升降。电机减速器组合12内部连接旋转升降装置13，为上下升降提供动力和控制。所述机械臂顶端控制连接件旋转的旋转装置14，其位置安装在机械臂主臂11的顶部，通过夹持在两机械臂主臂主体11之间的连接件连接机械操作臂系统2和水下密闭空间焊接装置1，控制水下密闭焊接装置1的旋转；其结构为齿轮传动机构，通过底部方块形电动机控制。

由图13所示，所述三角形履带轮4，包括履带21、三角支架22、驱动轮系23、张紧轮系24、连接皮带25、防侧翻轮系26。其中主体框架由两片三角支架22外部包裹履带21组成，所述三角支架22形状为三角形的一块上边开有许多条孔的钢板，为两片，平行安置。所述三角形履带轮内部结构，在三角形顶部安装了驱动轮系23，驱动轮系23由三个齿轮同轴安装合成，其中中间的齿轮直径较两侧要小，负责配合内部的连接皮带25连接中心部位的防侧翻轮系26，外部两侧安装连接盘，通过螺栓螺母连接至三角支架22上。所述防侧翻轮系26，由一个齿轮和一个连接盘（带轴）组成，齿轮连接顶部驱动轮系25的连接皮带24，连接盘连接三角支架22，轴连接内部驱动系统。所述张紧轮系24，由一个大齿轮和两侧两个连接盘组成，大齿轮负责连接外侧履带，连接盘连接两侧的三角支架22，三角形履带底部两侧各一个张紧轮系24。

下面给出利用本装置作业的过程：

一、机器人行走过程

第一阶段：利用机器人车身内部各电机带动四个齿轮传动机构转动，各齿轮之间相互啮合转动，带动连接外部三角形履带轮的传动轴转动，从而带动三角形履带轮内传动轮转动。

第二阶段：三角形履带轮内部中心处传动轮转动，通过皮带连接至顶部传动轮，带动起转动，顶部传动轮通过履带连接另外两角处的张紧轮，张紧环绕成三角形的履带，防止其打滑或脱落，驱使履带平稳运动，推动机器人前进。

第三阶段：以机器人车身上下壳体连接件为水平线，安装四个三角形履带轮，保证四个轮子水平位置一致，行走过程更平稳。

二、水下焊接过程

第一阶段：当机器人移动到相应的需要焊接的地方时，机械臂系统通过电机减速器的控制，链传动的调节，改变机器人焊接装置的上下前后位置，使其对应焊接区域。

第二阶段：机械臂顶端安装的旋转装置，通过电机的控制，带动齿轮转动，因此带动水下密闭焊接装置的位置调节，使其更好地衔接焊接区域。

第三阶段：水下密闭焊接装置到达相应的焊接区域时，上下壳体通过液压站的控制，夹持住该区域，形成密闭空间，再通过控制两侧封盖上的单向阀，排出内部海水，使内部行成相对的干燥的环境。

第四阶段：通过电机控制在槽道上的执行滑块和其上的焊枪，使其移动到需要焊接的区域，焊枪内部安装液压系统，控制焊针伸缩与更换，到达指定位置后进行焊接。

本发明所提出的水下密闭空间局部干法焊接机器人，可应用于水下可见度较差，地面不平的区域进行干法焊接。创新性的将三角形履带轮应用到焊接机器人中去，具有很大的创新意义，为该领域的研究人员提供了新的思路。三角形履带轮是能够全位置自主移动的无导轨方式，是一种集成式机械总成。最大的特点是全地形越野、行走。具有轻便、可更换性；低噪声、低震动、低冲击；高通过性、高稳定性；低接地比压、高机动性等优点，有很好的适应能力以确保水下焊接工作的进行。