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一種大口徑管道自動連續鋪設作業的方法及作業機器人.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510843684.6

申請日:

2015.11.26

公開號:

CN105485424A

公開日:

2016.04.13

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F16L 1/036申請日:20151126|||公開
IPC分類號: F16L1/036 主分類號: F16L1/036
申請人: 天津市安維康家科技發展有限公司
發明人: 王春海; 王子溪; 劉芳; 王逸熙
地址: 300410天津市北辰區普濟河東道萬科新城美樹麗舍紫杉苑2-06號
優先權:
專利代理機構: 天津才智專利商標代理有限公司12108 代理人: 王顕
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510843684.6

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.06.29|||2016.05.11|||2016.04.13

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種大口徑管道自動連續鋪設作業的方法及作業機器人,其中作業方法為先探測抓取管件,再對管件進行坡口加工,對當前管件與前一個管件進行焊接端面的匹配,然后下方管件,對兩個管件進行微調固接,最后對兩個管件進行焊接;其中作業機器人包括平臺、主機架、操作室、導航分系統、管件抓取輸送分系統、管件端面預處理分系統、在線測量分系統、管件支撐分系統、焊接及其質量檢查分系統和控制系統。本發明的作業方法科學合理,效率高且管件焊接效果好;本發明的作業機器人自動化程度高,人員占用少,勞動強度小,工作效率高,鋪設周期短、鋪設成本低。

權利要求書

1.一種大口徑管道自動連續鋪設作業的方法,其特征在于,包括如下步驟:
1)通過導航系統對施工現場進行初步定位,并將管件、挖掘設備、作業機
器人和回填設備運送至施工現場;
2)挖掘設備經導航系統精確定位行駛至工作位并按照規劃路線連續進行土
方作業,即開溝槽作業;
3)將管件擺放至溝槽一側的待定區域,其中多個管件一字排開且管件與溝
槽的長度方向平行設置;
4)作業機器人經導航系統精確定位行駛至已開好溝槽的起始位置,作業機
器人打開伸縮支撐臂使鋪設機器人平臺懸起,此時該作業機器人平臺的位置為
系統的基準坐標0點;
5)探測抓取管件并將管件運送至管件端面預處理位置;
6)對管件的兩個端面進行坡口加工作業,即銑車平面、銑車坡口、磨削邊
角毛刺作業;
7)在對管件進行坡口加工作業的同時,對管件進行端面尺寸測量,分別檢
出管件兩個端面的最大直徑和最小直徑,并對管件兩個端面的最大和最小直徑
的數值及所在位置做出標記,同時在系統內記錄并存儲其準確坐標位置;
8)將管件下放至溝槽內管件焊接水平位置,回填設備回填土方將管件固定,
作業機器人則移動到下一工位;
9)探測抓取當前管件并將當前管件運送至管件端面預處理位置;
10)重復第6)步驟和第7)步驟;
11)調出前一個管件中需要與當前管件相焊接的一個端面的尺寸測量信息,
與當前管件中需要焊接的一個端面的尺寸測量信息進行比對匹配,按照最大重
合面積原則,轉動當前管件以調整當前管件的角度;
12)將當前管件下放至溝槽內管件焊接水平位置,沿X向和Z向調整當前
管件以使得當前管件和前一個管件相鄰的兩個端面重合接觸并對兩個端面進行
焊接,焊接過程中4個焊槍從4個彼此對稱的點同時起焊,焊縫整體至少分3
層累積,每個焊槍在同一焊層負責1/4圓周的焊接,進行第二層焊接時,4個焊
槍都提高一個即時焊層高度,對下一個1/4圓周進行焊接,直至達到焊接要求,
焊接完成后對焊縫進行無損探傷檢查,對檢查出的瑕疵進行現場報警及標記并
反饋給系統儲存打印輸出,其缺陷由系統采取補償措施;
13)回填設備回填土方將當前管件固定,作業機器人則移動到下一工位;
14)循環進行步驟9)至步驟13)。
2.一種作業機器人,其特征在于:包括平臺、主機架(1)、操作室、導航
分系統、管件抓取輸送分系統(3)、管件端面預處理分系統(4)、在線測量分
系統、管件支撐分系統、焊接及其質量檢查分系統(5)和控制系統;
所述平臺底部設有用于移動的履帶(6);
所述主機架(1)能夠相對平臺Z向水平移動;
所述操作室設置在平臺上;
所述導航分系統用于對施工現場進行初步定位,以保證整個機器人行駛至
施工現場;
所述管件抓取輸送分系統(3)用于抓取管件并將管件送至溝槽內,該管件
抓取輸送分系統(3)包括安裝在主機架(1)上的兩個能夠實現X向水平移動
的機械臂(301)、分別安裝在兩個機械臂(301)端部的兩個伸縮裝置(302)
以及用于抓取管件的兩個抓手(303),所述兩個抓手(303)分別安裝在兩個伸
縮裝置(302)輸出端且該兩個抓手(303)能夠Y向豎直移動;
所述管件端面預處理分系統(4)用于對管件兩端進行坡口加工,該管件端
面預處理分系統(4)包括能夠自主轉動并對稱安裝在平臺上且用于固定管件的
兩個漲緊機構、能夠轉動地安裝在兩個漲緊機構上且用于對管件兩端進行坡口
加工的多個刀具以及可收放的安裝在平臺上且用于頂起管件的多個支撐輪
(402),所述兩個漲緊機構能夠相對伸縮,該兩個漲緊機構插進管件兩端內孔
并漲緊固定,且兩個漲緊機構的轉動能夠帶動管件一起轉動;所述在線測量分
系統在端面預處理分系統對管件的兩個端面處理的同時進行同步測量,分別測
量管件每個端面的幾何尺寸及其位置坐標,并將測量數據發送至所述控制系統,
控制系統對最終測量數據進行分析,篩選出最大壁厚和最小壁厚尺寸數據,并
追蹤其位置坐標記錄在控制系統中,在管件上分別做出明顯標示兩端各自最大、
最小壁厚位置,控制系統再驅動管件端面預處理系統兩端的漲緊機構旋轉停止
時,當前管件的當前焊接端面與前一件管件的當前焊接端面按照重合面積最大
原則進行匹配;
所述管件支撐分系統用于支撐已放入至溝槽內的管件,該管件支撐分系統
包括托起在管件中部的中間支撐組件(7)和能夠升降且用于鎖緊固定在管件前
端的吊鉤組件(8),所述中間支撐組件(7)可收放的安裝在平臺底盤中部,所
述吊鉤組件(8)上端通過一滑行機構與平臺底盤連接,下端設有一能夠插入到
管件內孔中并鎖定管件的卡緊塊(801),在滑行機構和卡緊塊(801)之間設有
一伸縮桿,所述伸縮桿上還設有用于檢查當前管件姿態的第一攝像測量裝置,
所述第一攝像測量裝置的測量數據經所述在線測量分系統發送至控制系統,控
制系統控制驅動所述吊鉤組件(8)在X向和Z向移動,對當前管件姿態進行微
調直至符合管道鋪設規范;
所述焊接及其質量檢查分系統(5),其可收放的安裝在平臺底盤后端且用
于焊接當前管件和前一件管件間的連接處,該焊接及其質量檢查分系統(5)包
括焊接組件A(501)和焊接組件B(502),所述焊接組件A(501)和焊接組件
B(502)均為環體結構,該焊接組件A(501)和焊接組件B(502)內環周向分
別設有多個滾動支架(503),每個滾動支架(503)底部安裝有滾輪和用于吸附
在管件上的第一電磁吸盤(504),所述焊接組件A(501)上設有環形導軌裝置
(505),所述環形導軌裝置(505)上安裝有多個焊機行走機構(506),每個所
述焊機行走機構(506)上分別設有一用于焊接當前管件和前一件管件連接處的
焊槍(507)和一用于對焊縫進行檢查的無損探傷監測裝置(508),所述焊接組
件A(501)上還設有多個能夠伸縮的拉桿(509),其中拉桿(509)的外端固定
有一個長圓結構,拉桿(509)伸出長圓結構插入到焊接組件B(502)上相應形
狀的槽孔內,再旋轉拉桿(509)90°,拉桿(509)上的長圓結構與焊接組件B
(502)上的槽孔孔型呈十字交叉狀態后回收鎖緊以將焊接組件A(501)和焊接
組件B(502)固接在在一起,所述焊接組件B(502)上還設有一用于測定焊接
組件B和管件位置的第二攝像測量裝置(510),所述第二攝像測量裝置(510)
的測量數據經所述在線測量分系統發送至控制系統,控制系統控制焊接組件B
(502)鎖定管件;
所述控制系統用于控制整個機器人的作業動作。
3.按照權利要求2所述的作業機器人,其特征在于:所述履帶(6)數量
為兩條且兩條履帶(6)分置在平臺底部兩側。
4.按照權利要求2所述的作業機器人,其特征在于:所述履帶(6)數量
為四條且四條履帶(6)分置在平臺底部的四個角落,所述平臺能夠相對四條履
帶(6)升降,每個所述履帶(6)均可實現轉向。
5.按照權利要求2所述的作業機器人,其特征在于:所述平臺上還設有能
夠升降的居住室(9)。
6.按照權利要求2所述的作業機器人,其特征在于:所述導航分系統采用
北斗導航系統或GPS導航系統或格洛納斯導航系統或伽利略導航系統。
7.按照權利要求2所述的作業機器人,其特征在于:每個所述伸縮裝置(302)
上分別設有一用于探測管件的探測器,以保證兩個抓手(303)能夠準確的獲取
管件。
8.按照權利要求2所述的作業機器人,其特征在于:每個所述漲緊機構分
別包括胎具架(403)、通過滾動軸承(404)套裝在胎具架(403)外部的回轉
漲胎套(405)、分別通過一彈漲臂(406)周向固接在回轉漲胎套(405)端部
的多個錐形漲緊塊(407)以及與錐形漲緊塊(407)配合使用且用于漲起錐形
漲緊塊(407)的錐塞(408),所述胎具架(403)通過支撐導柱(409)與一動
力氣缸輸出端連接以實現胎具架(403)的伸縮運動,所述回轉漲胎套(405)
外部設有一大齒輪(410),該大齒輪(410)與一電機輸出端的齒輪嚙合以實現
回轉漲胎套(405)能夠相對胎具架(403)轉動并帶動管件轉動,所述錐塞(408)
中部通過推力軸承與一油缸輸出桿(411)能夠相對轉動地連接,該錐塞(408)
在油缸輸出桿(411)的帶動下能夠做伸縮運動以實現對錐形漲緊塊(407)的
漲起和復位。
9.按照權利要求2所述的作業機器人,其特征在于:所述中間支撐組件(7)
底部設有一承載塊,所述承載塊上部形成有與管件貼合的半圓形凹槽,下部設
有一行走輪,所述承載塊兩側分別豎直固接有一連接桿,兩個所述連接桿上端
分別與平臺底盤鉸接,且兩個所述連接桿上部還分別通過一氣缸與平臺底盤連
接,以實現中間支撐組件(7)的收放。
10.按照權利要求2至9中任一項所述的作業機器人,其特征在于:所述
焊接組件A(501)兩側分別豎直固接有一豎直桿,兩個所述豎直桿上端分別與
平臺底盤鉸接,且兩個所述豎直桿上部還分別通過一氣缸與平臺底盤連接,以
實現焊接及其質量檢查分系統(5)的收放,所述焊接組件A(501)底部還設有
一轉動輪。

說明書

一種大口徑管道自動連續鋪設作業的方法及作業機器人

技術領域

本發明涉及一種管道鋪設領域,尤其是一種大口徑管道自動連續鋪設作業
的方法及作業機器人。

背景技術

目前,我國經濟建設發展迅猛,尤其是東部對油氣資源需求旺盛,國內自
給率相對較低,而且分布很不均勻,需要大量從西部甚至國外引進資源;而我
國的西北部及西北部鄰國卻蘊含大量油氣資源,需要尋找消費市場,隨著一路
一帶建設的漸入佳境,西(油)氣東輸工程是協調東西部發展的關鍵環節,已
經全面展開并加速進行。而管道運輸尤其是大口徑管道運輸油氣,其經濟性更
具有競爭力,大口徑管道運輸具有數以千計千米的市場規模。直徑1.0米以上的
金屬管道的鋪設基本都是半機械化的,挖掘、鋪設、焊接、測量、監察、檢測、
填埋各系統各自獨立,需要人為協調、指揮,自動化程度低,人員占用多,勞
動強度大,自然環境、焊接環境惡劣、輸送效率低,鋪設周期長、鋪設成本高。
因此在這些長距離大口徑管線建設中采用自動化鋪設技術已勢在必行,一套合
適的設計方案對油氣管道的鋪設具有重大意義。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種大口徑管道自動連續鋪設作業的方法
及作業機器人。

為了解決上述技術問題,本發明的一種大口徑管道自動連續鋪設作業的方
法,包括如下步驟:

1)通過導航系統對施工現場進行初步定位,并將管件、挖掘設備、作業機
器人和回填設備運送至施工現場;

2)挖掘設備經導航系統精確定位行駛至工作位并按照規劃路線連續進行土
方作業,即開溝槽作業;

3)將管件擺放至溝槽一側的待定區域,其中多個管件一字排開且管件與溝
槽的長度方向平行設置;

4)作業機器人經導航系統精確定位行駛至已開好溝槽的起始位置,作業機
器人打開伸縮支撐臂使鋪設機器人平臺懸起,此時該作業機器人平臺的位置為
系統的基準坐標0點;

5)探測抓取管件并將管件運送至管件端面預處理位置;

6)對管件的兩個端面進行坡口加工作業,即銑車平面、銑車坡口、磨削邊
角毛刺作業;

7)在對管件進行坡口加工作業的同時,對管件進行端面尺寸測量,分別檢
出管件兩個端面的最大直徑和最小直徑,并對管件兩個端面的最大和最小直徑
的數值及所在位置做出標記,同時在系統內記錄并存儲其準確坐標位置;

8)將管件下放至溝槽內管件焊接水平位置,回填設備回填土方將管件固定,
作業機器人則移動到下一工位;

9)探測抓取當前管件并將當前管件運送至管件端面預處理位置;

10)重復第6)步驟和第7)步驟;

11)調出前一個管件中需要與當前管件相焊接的一個端面的尺寸測量信息,
與當前管件中需要焊接的一個端面的尺寸測量信息進行比對匹配,按照最大重
合面積原則,轉動當前管件以調整當前管件的角度;

12)將當前管件下放至溝槽內管件焊接水平位置,沿X向和Z向調整當前
管件以使得當前管件和前一個管件相鄰的兩個端面重合接觸并對兩個端面進行
焊接,焊接過程中4個焊槍從4個彼此對稱的點同時起焊,焊縫整體至少分3
層累積,每個焊槍在同一焊層負責1/4圓周的焊接,進行第二層焊接時,4個焊
槍都提高一個即時焊層高度,對下一個1/4圓周進行焊接,直至達到焊接要求,
焊接完成后對焊縫進行無損探傷檢查,對檢查出的瑕疵進行現場報警及標記并
反饋給系統儲存打印輸出,其缺陷由系統采取補償措施;

13)回填設備回填土方將當前管件固定,作業機器人則移動到下一工位;

14)循環進行步驟9)至步驟13)。

本發明中的作業機器人包括平臺、主機架、操作室、導航分系統、管件抓
取輸送分系統、管件端面預處理分系統、在線測量分系統、管件支撐分系統、
焊接及其質量檢查分系統和控制系統;

所述平臺底部設有用于移動的履帶

所述主機架能夠相對平臺Z向水平移動;

所述操作室設置在平臺上;

所述導航分系統用于對施工現場進行初步定位,以保證整個機器人行駛至
施工現場;

所述管件抓取輸送分系統用于抓取管件并將管件送至溝槽內,該管件抓取
輸送分系統包括安裝在主機架上的兩個能夠實現X向水平移動的機械臂、分別
安裝在兩個機械臂端部的兩個伸縮裝置以及用于抓取管件的兩個抓手,所述兩
個抓手分別安裝在兩個伸縮裝置輸出端且該兩個抓手能夠Y向豎直移動;

所述管件端面預處理分系統用于對管件兩端進行坡口加工,該管件端面預
處理分系統包括能夠自主轉動并對稱安裝在平臺上且用于固定管件的兩個漲緊
機構、能夠轉動地安裝在兩個漲緊機構上且用于對管件兩端進行坡口加工的多
個刀具以及可收放的安裝在平臺上且用于頂起管件的多個支撐輪,所述兩個漲
緊機構能夠相對伸縮,該兩個漲緊機構插進管件兩端內孔并漲緊固定,且兩個
漲緊機構的轉動能夠帶動管件一起轉動;所述在線測量分系統在端面預處理分
系統對管件的兩個端面處理的同時進行同步測量,分別測量管件每個端面的幾
何尺寸及其位置坐標,并將測量數據發送至所述控制系統,控制系統對最終測
量數據進行分析,篩選出最大壁厚和最小壁厚尺寸數據,并追蹤其位置坐標記
錄在控制系統中,在管件上分別做出明顯標示兩端各自最大、最小壁厚位置,
控制系統再驅動管件端面預處理系統兩端的漲緊機構旋轉停止時,當前管件的
當前焊接端面與前一件管件的當前焊接端面按照重合面積最大原則進行匹配;

所述管件支撐分系統用于支撐已放入至溝槽內的管件,該管件支撐分系統
包括托起在管件中部的中間支撐組件和能夠升降且用于鎖緊固定在管件前端的
吊鉤組件,所述中間支撐組件可收放的安裝在平臺底盤中部,所述吊鉤組件上
端通過一滑行機構與平臺底盤連接,下端設有一能夠插入到管件內孔中并鎖定
管件的卡緊塊,在滑行機構和卡緊塊之間設有一伸縮桿,所述伸縮桿上還設有
用于檢查當前管件姿態的第一攝像測量裝置,所述第一攝像測量裝置的測量數
據經所述在線測量分系統發送至控制系統,控制系統控制驅動所述吊鉤組件在X
向和Z向移動,對當前管件姿態進行微調直至符合管道鋪設規范;

所述焊接及其質量檢查分系統,其可收放的安裝在平臺底盤后端且用于焊
接當前管件和前一件管件間的連接處,該焊接及其質量檢查分系統包括焊接組
件A和焊接組件B,所述焊接組件A和焊接組件B均為環體結構,該焊接組件A
和焊接組件B內環周向分別設有多個滾動支架,每個滾動支架底部安裝有滾輪
和用于吸附在管件上的第一電磁吸盤,所述焊接組件A上設有環形導軌裝置,
所述環形導軌裝置上安裝有多個焊機行走機構,每個所述焊機行走機構上分別
設有一用于焊接當前管件和前一件管件連接處的焊槍和一用于對焊縫進行檢查
的無損探傷監測裝置,所述焊接組件A上還設有多個能夠伸縮的拉桿,其中拉
桿的外端固定有一個長圓結構,拉桿伸出長圓結構插入到焊接組件B上相應形
狀的槽孔內,再旋轉拉桿90°,拉桿上的長圓結構與焊接組件B上的槽孔孔型
呈十字交叉狀態后回收鎖緊以將焊接組件A和焊接組件B固接在在一起,所述
焊接組件B上還設有一用于測定焊接組件B和管件位置的第二攝像測量裝置,
所述第二攝像測量裝置的測量數據經所述在線測量分系統發送至控制系統,控
制系統控制焊接組件B鎖定管件;

所述控制系統用于控制整個機器人的作業動作。

所述履帶數量為兩條且兩條履帶分置在平臺底部兩側。

所述履帶數量為四條且四條履帶分置在平臺底部的四個角落,所述平臺能
夠相對四條履帶升降,每個所述履帶均可實現轉向。

所述平臺上還設有能夠升降的居住室。

所述導航分系統采用北斗導航系統或GPS導航系統或格洛納斯導航系統或
伽利略導航系統。

每個所述伸縮裝置上分別設有一用于探測管件的探測器,以保證兩個抓手
能夠準確的獲取管件。

每個所述漲緊機構分別包括胎具架、通過滾動軸承套裝在胎具架外部的回
轉漲胎套、分別通過一彈漲臂周向固接在回轉漲胎套端部的多個錐形漲緊塊以
及與錐形漲緊塊配合使用且用于漲起錐形漲緊塊的錐塞,所述胎具架通過支撐
導柱與一動力氣缸輸出端連接以實現胎具架的伸縮運動,所述回轉漲胎套外部
設有一大齒輪,該大齒輪與一電機輸出端的齒輪嚙合以實現回轉漲胎套能夠相
對胎具架轉動并帶動管件轉動,所述錐塞中部通過推力軸承與一油缸輸出桿能
夠相對轉動地連接,該錐塞在油缸輸出桿的帶動下能夠做伸縮運動以實現對錐
形漲緊塊的漲起和復位。

所述中間支撐組件底部設有一承載塊,所述承載塊上部形成有與管件貼合
的半圓形凹槽,下部設有一行走輪,所述承載塊兩側分別豎直固接有一連接桿,
兩個所述連接桿上端分別與平臺底盤鉸接,且兩個所述連接桿上部還分別通過
一氣缸與平臺底盤連接,以實現中間支撐組件的收放。

所述焊接組件A兩側分別豎直固接有一豎直桿,兩個所述豎直桿上端分別
與平臺底盤鉸接,且兩個所述豎直桿上部還分別通過一氣缸與平臺底盤連接,
以實現焊接及其質量檢查分系統的收放,所述焊接組件A底部還設有一轉動輪。

本發明的有益效果是:本發明的作業方法科學合理,效率高且管件焊接效
果好;本發明的作業機器人自動化程度高,人員占用少,勞動強度小,工作效
率高,鋪設周期短、鋪設成本低。

附圖說明

圖1為本發明中作業機器人的主視結構示意圖;

圖2為本發明中作業機器人去掉居住室后的俯視結構示意圖;

圖3為本發明中作業機器人焊接前的主視結構示意圖;

圖4為本發明中作業機器人焊接后移動過程中的主視結構示意圖;

圖5為本發明中作業機器人焊接后移動到下一工位后的主視結構示意圖;

圖6為本發明中作業機器人的右視結構示意圖;

圖7為本發明中作業機器人去掉焊接及其質量檢查分系統后的右視結構示
意圖;

圖8為本發明中焊接及其質量檢查分系統的結構示意圖;

圖9為本發明中漲緊機構的立體結構示意圖;

圖10為本發明中漲緊機構的剖切結構示意圖;

圖11為本發明自動連續鋪設管道的作業流程圖;

圖12為本發明的控制系統流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明:

本發明的一種大口徑管道自動連續鋪設作業的方法,包括如下步驟:

1)通過導航系統對施工現場進行初步定位,并將管件、挖掘設備、作業機
器人和回填設備運送至施工現場;

2)挖掘設備經導航系統精確定位行駛至工作位并按照規劃路線連續進行土
方作業,即開溝槽作業;

3)將管件擺放至溝槽一側的待定區域,其中多個管件一字排開且管件與溝
槽的長度方向平行設置;

4)作業機器人經導航系統精確定位行駛至已開好溝槽的起始位置,作業機
器人打開伸縮支撐臂使鋪設機器人平臺懸起,此時該作業機器人平臺的位置為
系統的基準坐標0點;

5)探測抓取管件并將管件運送至管件端面預處理位置;

6)對管件的兩個端面進行坡口加工作業,即銑車平面、銑車坡口、磨削邊
角毛刺作業;

7)在對管件進行坡口加工作業的同時,對管件進行端面尺寸測量,分別檢
出管件兩個端面的最大直徑和最小直徑,并對管件兩個端面的最大和最小直徑
的數值及所在位置做出標記,同時在系統內記錄并存儲其準確坐標位置;

8)將管件下放至溝槽內管件焊接水平位置,回填設備回填土方將管件固定,
作業機器人則移動到下一工位;

9)探測抓取當前管件并將當前管件運送至管件端面預處理位置;

10)重復第6)步驟和第7)步驟;

11)調出前一個管件中需要與當前管件相焊接的一個端面的尺寸測量信息,
與當前管件中需要焊接的一個端面的尺寸測量信息進行比對匹配,按照最大重
合面積原則,轉動當前管件以調整當前管件的角度;

12)將當前管件下放至溝槽內管件焊接水平位置,沿X向和Z向調整當前
管件以使得當前管件和前一個管件相鄰的兩個端面重合接觸并對兩個端面進行
焊接,焊接過程中4個焊槍從4個彼此對稱的點同時起焊,焊縫整體至少分3
層累積,每個焊槍在同一焊層負責1/4圓周的焊接,進行第二層焊接時,4個焊
槍都提高一個即時焊層高度,對下一個1/4圓周進行焊接,直至達到焊接要求,
焊接完成后對焊縫進行無損探傷檢查,對檢查出的瑕疵進行現場報警及標記并
反饋給系統儲存打印輸出,其缺陷由系統采取補償措施;

13)回填設備回填土方將當前管件固定,作業機器人則移動到下一工位;

14)循環進行步驟9)至步驟13)。

下面結合附圖對本發明中的作業機器人作進一步詳細的說明:

參見圖1至圖12,本發明的作業機器人包括平臺、主機架1、操作室、導
航分系統、管件抓取輸送分系統3、管件端面預處理分系統4、在線測量分系統、
管件支撐分系統、焊接及其質量檢查分系統5和控制系統;

所述平臺底部設有用于移動的履帶6;

所述主機架1能夠相對平臺Z向水平移動;

所述操作室設置在平臺上;

所述導航分系統用于對施工現場進行初步定位,以保證整個機器人行駛至
施工現場;

所述管件抓取輸送分系統3用于抓取管件并將管件送至溝槽內,該管件抓
取輸送分系統3包括安裝在主機架1上的兩個能夠實現X向水平移動的機械臂
301、分別安裝在兩個機械臂301端部的兩個伸縮裝置302以及用于抓取管件的
兩個抓手303,所述兩個抓手303分別安裝在兩個伸縮裝置302輸出端且該兩個
抓手303能夠Y向豎直移動;

所述管件端面預處理分系統4用于對管件兩端進行坡口加工,該管件端面
預處理分系統4包括能夠自主轉動并對稱安裝在平臺上且用于固定管件的兩個
漲緊機構、能夠轉動地安裝在兩個漲緊機構上且用于對管件兩端進行坡口加工
的多個刀具以及可收放的安裝在平臺上且用于頂起管件的多個支撐輪402,所述
兩個漲緊機構能夠相對伸縮,該兩個漲緊機構插進管件兩端內孔并漲緊固定,
且兩個漲緊機構的轉動能夠帶動管件一起轉動;其中刀具為銑刀和砂輪,多個
銑刀和砂輪周向安裝在一個能夠相對漲緊機構轉動的環體上,環體由一電機帶
動轉動,另外,多個銑刀還可以設計成不同的擺放角度以實現同時對管件端面
進行銑削和對管件進行坡口銑削,砂輪則對坡口進行邊角毛刺作業;在平臺上
上還設有第三攝像測量裝置,第三攝像測量裝置在端面預處理分系統對管件的
兩個端面處理的同時進行同步測量,分別測量管件每個端面的幾何尺寸及其位
置坐標,并將測量數據經所述在線測量分系統發送至所述控制系統,控制系統
對最終測量數據進行分析,篩選出最大壁厚和最小壁厚尺寸數據,并追蹤其位
置坐標記錄在控制系統中,在管件上分別做出明顯標示兩端各自最大、最小壁
厚位置,控制系統再驅動管件端面預處理系統兩端的漲緊機構旋轉停止時,當
前管件的當前焊接端面與前一件管件的當前焊接端面按照重合面積最大原則進
行匹配;

所述管件支撐分系統用于支撐已放入至溝槽內的管件,該管件支撐分系統
包括托起在管件中部的中間支撐組件7和能夠升降且用于鎖緊固定在管件前端
的吊鉤組件8,所述中間支撐組件7可收放的安裝在平臺底盤中部,所述吊鉤組
件8上端通過一滑行機構與平臺底盤連接,下端設有一能夠插入到管件內孔中
并鎖定管件的卡緊塊801,在滑行機構和卡緊塊801之間設有一伸縮桿,所述伸
縮桿上還設有用于檢查當前管件姿態的第一攝像測量裝置,所述第一攝像測量
裝置的測量數據經所述在線測量分系統發送至控制系統,控制系統控制驅動所
述吊鉤組件8在X向和Z向移動,對當前管件姿態進行微調直至符合管道鋪設
規范;

所述焊接及其質量檢查分系統5,其可收放的安裝在平臺底盤后端且用于焊
接當前管件和前一件管件間的連接處,該焊接及其質量檢查分系統5包括焊接
組件A501和焊接組件B502,所述焊接組件A501和焊接組件B502均為環體結構,
該焊接組件A501和焊接組件B502內環周向分別設有多個滾動支架503,每個滾
動支架503底部安裝有滾輪和用于吸附在管件上的第一電磁吸盤504,所述焊接
組件A501上設有環形導軌裝置505,所述環形導軌裝置505上安裝有多個焊機
行走機構506,每個所述焊機行走機構506上分別設有一用于焊接當前管件和前
一件管件連接處的焊槍507和一用于對焊縫進行檢查的無損探傷監測裝置508,
所述焊接組件A501上還設有多個能夠伸縮的拉桿509,其中拉桿509的外端固
定有一個長圓結構,拉桿509伸出長圓結構插入到焊接組件B502上相應形狀的
槽孔內,再旋轉拉桿90°,拉桿509上的長圓結構與焊接組件B502上的槽孔孔
型呈十字交叉狀態后回收鎖緊以將焊接組件A501和焊接組件B502固接在在一
起,所述焊接組件B502上還設有一用于測定焊接組件B和管件位置的第二攝像
測量裝置510,所述第二攝像測量裝置510的測量數據經所述在線測量分系統發
送至控制系統,控制系統控制焊接組件B502鎖定管件;

所述控制系統用于控制整個機器人的作業動作。

所述履帶6數量為兩條且兩條履帶6分置在平臺底部兩側。

所述履帶6數量為四條且四條履帶6分置在平臺底部的四個角落,所述平
臺能夠相對四條履帶6升降,每個所述履帶6均可實現轉向。

所述平臺上還設有能夠升降的居住室9。

所述導航分系統采用北斗導航系統或GPS導航系統或格洛納斯導航系統或
伽利略導航系統。

每個所述伸縮裝置302上分別設有一用于探測管件的探測器,以保證兩個
抓手303能夠準確的獲取管件。

每個所述漲緊機構分別包括胎具架403、通過滾動軸承404套裝在胎具架
403外部的回轉漲胎套405、分別通過一彈漲臂406周向固接在回轉漲胎套405
端部的多個錐形漲緊塊407以及與錐形漲緊塊407配合使用且用于漲起錐形漲
緊塊407的錐塞408,所述胎具架403通過支撐導柱409與一動力氣缸輸出端連
接以實現胎具架403的伸縮運動,所述回轉漲胎套405外部設有一大齒輪410,
該大齒輪410與一電機輸出端的齒輪嚙合以實現回轉漲胎套405能夠相對胎具
架403轉動并帶動管件轉動,所述錐塞408中部通過推力軸承與一油缸輸出桿
411能夠相對轉動地連接,該錐塞408在油缸輸出桿411的帶動下能夠做伸縮運
動以實現對錐形漲緊塊407的漲起和復位。

所述中間支撐組件7底部設有一承載塊,所述承載塊上部形成有與管件貼
合的半圓形凹槽,下部設有一行走輪,所述承載塊兩側分別豎直固接有一連接
桿,兩個所述連接桿上端分別與平臺底盤鉸接,且兩個所述連接桿上部還分別
通過一氣缸與平臺底盤連接,以實現中間支撐組件7的收放。

所述焊接組件A501兩側分別豎直固接有一豎直桿,兩個所述豎直桿上端分
別與平臺底盤鉸接,且兩個所述豎直桿上部還分別通過一氣缸與平臺底盤連接,
以實現焊接及其質量檢查分系統5的收放,所述焊接組件A501底部還設有一轉
動輪。

一種通過所述的作業機器人實現的自動連續鋪設管道的作業方法,包括如
下步驟:

1)機器人移動至已挖好的土方作業面上,根據導航分系統做精確初始定位,
然后放出伸縮支撐臂,收起履帶6;

2)機器人平臺上的中間支撐組件7和焊接及其質量檢查分系統5首先支起,
直至與平臺平面垂直;主機架1上的管件抓取輸送分系統3中的探測器探測管
件的位置并反饋給控制系統,控制系統驅動管件抓取輸送分系統3的兩個抓手
303抓起該管件,并在控制系統的控制下自動完成起吊、橫向運送到機器人平臺
上指定的管件端面預處理分系統4的位置;

3)管件端面預處理分系統4上的兩個漲緊機構對管件的兩個端面同時進行
漲進定位,兩個抓手303退出收起,平臺上的支撐輪402頂起,以保持管件水
平方向撓度為0,然后進行銑車平面、銑車坡口、磨削邊角毛刺作業,端面加工
完成后平臺上的支撐輪402收回;

4)在管件端面預處理分系統4對管件進行加工的同時,在線測量分系統對
管件進行端面尺寸測量,分別檢出兩端的最大直徑和最小直徑,并對兩端的最
大和最小直徑的數值及所在位置做出標記,同時在控制系統內記錄并存儲其準
確坐標位置;

5)管件抓取輸送分系統3的兩個抓手303重新抓起管件,管件端面預處理
分系統4上的兩個漲緊機構收回,兩個抓手303垂直運送管件至地下溝槽內的
管件焊接水平位置,然后管件做Z向水平運動,管件焊接端面C從焊接及其質
量檢查分系統5的焊接組件B502的內孔穿過,吊鉤組件8從管件焊接端面D插
入管件內孔并與焊接端面D鎖定,承擔管件的支撐作用,管件抓取輸送分系統3
的兩個抓手303松開退出歸起始位,第一攝像測量裝置802對管件的姿態進行
測量并經所述在線測量分系統反饋給控制系統,控制系統按照系統指定的姿態
驅動吊鉤組件8,待吊鉤組件8將管件調整好其水平姿態并精確定位后,回填設
備隨后向溝槽內回填土方,并起到支撐作用,機器人平臺收起伸縮支撐臂,機
器人平臺沿管件管壁做Z向機動,焊接及其質量檢查分系統5隨機器人平臺繼
續機動,接近管件的焊接端面D時,吊鉤組件8松開退出,至管件焊接端面D
系統規定的焊接位置時,焊接組件B502已移開管件,焊接組件A501鎖緊在管
件上,管件的定位由焊接組件A501承擔;

6)主機架1上的管件抓取輸送分系統3中的兩個抓手303抓起預定位置的
當前管件,并在控制系統的控制下自動完成起吊、橫向運送到機器人平臺上指
定的管件端面預處理分系統4的位置;

7)重復步驟3)和步驟4);

8)在線測量分系統調出上一個管件焊接端面D的尺寸信息,與當前管件焊
接端面C的數據進行比對匹配,按照最大重合面積原則,調整當前管件的角度;

9)管件抓取輸送分系統3垂直運送當前管件至地下管件焊接水平位置,然
后驅動當前管件做Z向水平運動,當前管件的焊接端面C從焊接組件B502內孔
穿過,與焊接組件A501的軸線重合,當焊接組件B502與當前管件當前焊接端
面的距離符合控制系統規定時,焊接組件B502與當前管件鎖緊固定,在焊接組
件A501上可伸縮的拉桿509的作用下當前管件做Z向水平運動,與上一個管件
的焊接端面D相接觸,然后鎖緊,將焊接組件A501和與當前管件固定在一起的
焊接組件B502固接在一起;

10)控制系統驅動吊鉤組件8與當前管件的焊接端面D鎖緊固定;

11)控制系統驅動中間支撐組件7托起當前管件中部;

12)控制系統對當前管件做姿態調整;

13)焊接及其質量檢查分系統5對兩個管件進行對稱的點焊固定,焊接組
件A501上的4個焊槍從4個彼此對稱的點同時起焊,焊縫整體至少分3層累積,
每個焊槍在同一焊層負責1/4圓周的焊接,進行第二層焊接時,4個焊槍都提高
一個即時焊層高度,對下一個1/4圓周進行焊接,以此類推,直至達到焊接要
求;

14)無損探傷監測裝置508對焊縫進行無損探傷檢查,對檢查出的瑕疵進
行現場報警及標記并反饋給控制系統儲存打印輸出,其缺陷由控制系統采取補
償措施;

15)焊接組件A501和焊接組件B502均與上一個管件解鎖松開,拉桿509
回轉解鎖,焊接組件B502掛接在拉桿509上;

16)機器人平臺收起伸縮支撐臂,支起履帶6,以保證平臺Y坐標基準0點
不變;機器人平臺沿當前管件管壁做Z向機動,回填設備隨后回填土方,回填
土方起到支撐作用,焊接及其質量檢查分系統5隨機器人平臺繼續機動,接近
當前管件的焊接端面D時,吊鉤組件8松開退出,當機器人平臺機動至當前管
件的焊接端面D系統規定的焊接位置時,焊接組件B502已移開當前管件,當前
管件的定位由焊接組件A501承擔;

17)機器人平臺沿土方挖掘設備挖出的路線前進,至一個管件長度單位暫
停,然后放出伸縮支撐臂,收起履帶6;

18)挖掘設備繼續挖掘一個管件單位長度的溝槽;

19)循環進行步驟6)至步驟18)。

實施例

在野外連續鋪設直徑1.6米、管長12米、壁厚14毫米且單根凈重在5000
千克以上的大口徑石油輸送管道和本發明的機器人平臺及其作業附屬機件,經
大型運輸車輛在GPS或北斗或格洛納斯或伽利略導航系統指引下,按照作業操
作規范卸載在指定地點。

操作人員的野外全天候長期生活保障分系統(居住室)作業時位于主機架1
的頂部,轉場時為了便于運輸,其可以下降至主機架1內部空間;另外,履帶6
也是安裝在可以伸縮的鋼梁上,作業時履帶6伸出,分別在溝沿兩側運行,運
行時4個履帶6分別隨地形可以自動做上下及轉向調整,使機器人平臺保持水
平不變;運輸時,履帶6收起,便于整體運輸。機器人平臺的焊接及其質量檢
查分系統5作業時位于平臺的底部地下的位置,轉場運輸時折疊在平臺內部,
縮小了機器人平臺運輸時的外形尺寸。

挖掘機在上述導航系統的指引下,在精度不低于0.1米的作業地點,開始
開挖寬不小于2.5米深不小于2.3米長度不小于24米的溝槽。

機器人平臺伸出履帶6,使機器人平臺移動到溝槽起始一側。其導航分系統
校準平臺位置。電控系統指揮氣動系統驅動氣缸支起焊接及其質量檢查分系統
5,使其與地面垂直,處于作業位置。機器人平臺打開伸縮支撐臂,收起履帶6,
使平臺懸起,起支撐作用,其位置作為系統的基準坐標0點儲存于系統。

挖掘系統繼續挖掘溝槽,12米的長度需要在0.5小時內完成。

機器人平臺上的測量系統測量當前管件的放置位置,并將其當前三維坐標
反饋給控制系統,水平驅動主機架1按照Z軸坐標,在機器人平臺上移動,調
整與管件的位置達到最佳;控制系統驅動機械臂組件(管件抓取輸送分系統3)
的兩個X向(與平臺長度方向垂直的水平方向)橫梁(機械臂301)、Y向(垂
直方向)豎臂(伸縮裝置302)達到管件X、Y坐標的相應位置,豎臂下端鉸接
一個抓取機構(抓手303),抓取機構在其控制系統的驅動下鎖住當前管件,在
控制系統的驅動下,水平驅動主機架1做Z向移動,機械臂組件做X、Y向移動,
把當前管件送到機器人平臺內部的管件端面預處理分系統4的所在位置,當前
管件的軸線與管件端面預處理分系統4的兩端卡緊機構的中心連線重合,管件
端面預處理分系統4的兩端卡緊機構頂進當前管件兩端內孔漲緊固定,為了減
少管件轉動引起的振動及其對端面處理、焊接過程的影響,平臺上的支撐輪402
頂起,使當前管件的撓度為0。機械臂組件松開收起復位,管件端面預處理分系
統4的兩端卡緊機構同時同步轉動,分布在每一個卡緊機構外側的4個刀具分
別同時轉動,先有對稱分布的兩個銑刀對當前管件的每個端面同時進行車銑組
合加工,在車銑組合加工的最后一道加工的同時,由砂輪對車銑最后一道加工
產生的毛刺進行整理,使車銑磨加工幾乎同時完成,兩個端面的平面、坡口符
合焊接工藝要求;在當前管件端面預處理的同時,在線測量分系統對當前管件
的兩個端面進行同步測量,分別測量當前管件每個端面的幾何尺寸及其位置坐
標,當前管件的兩個端面預處理完成的同時,測量工作也同時完成,控制系統
對測量數據進行分析,篩選出最大壁厚和最小壁厚尺寸數據,并追蹤其位置坐
標記錄在控制系統中,在當前管件上分別做出明顯標示兩端各自最大、最小壁
厚位置。控制系統查閱上一件管件焊接端面D的最大、最小壁厚及其端面X、Y
位置坐標,控制系統驅動管件端面預處理分系統4兩端的卡緊機構旋轉,旋轉
角度按照當前管件當前管件焊接端面C與上一件管件焊接端面D隔壁重合面積
最大原則進行匹配。匹配完成,控制系統驅動機械臂組件與當前管件鎖緊,上
述支撐輪402和卡緊機構松開退出歸位。

控制系統驅動機械臂組件Y向下沉,水平驅動主機架Z向和機械臂組件X
向驅動機構進行微調,把當前管件放置在上一件管件軸線的延長線上,然后控
制機構驅動水平驅動主機架1水平Z向移動,使當前管件穿過焊接組件B內孔,
使當前管件焊接端面C與焊接組件B端的距離符合操作規程規定,然后焊接組
件B與當前管件鎖緊固定,系統驅動水平驅動吊鉤組件8與當前管件焊接端面D
鎖緊固定,中間支撐組件7在當前管件中部將當前管件托起,機械臂組件松開
退出歸位。控制系統驅動焊接組件A端伸出拉桿,拉桿插進焊接組件B端相應
槽孔,控制系統驅動拉桿旋轉90°與焊接組件B端固定,控制系統驅動拉桿回
收,使當前管件焊接端面C與上一件管件焊接端面D接觸固定。在線測量分系
統檢查當前管件姿態是否符合管道鋪設規范,驅動當前管件焊接端面D的吊鉤
組件8在X、Z方向移動,對當前管件姿態進行微調直至達到要求。控制系統驅
動分布于4個對稱位置的焊槍對兩個端面進行點焊固定。控制系統驅動焊接組
件A與B兩端解鎖,焊接組件A的拉桿回轉90°回收復位。控制系統驅動焊接
組件A端上的均勻對稱分布的4個焊槍,同時從4個象限點分別起焊,每個焊
槍每個焊層沿圓周軌道焊接1/4圓周,之后控制系統驅動焊槍管件徑向提升一
個焊層高度,在前一個焊槍焊就的焊層上繼續焊接1/4圓周,順序焊接完成。
焊縫整體至少由3層焊層累積組成,焊層之間不得有缺陷。焊接完成,控制系
統驅動焊接組件A上的無損探傷系統(光學超聲監測裝置508)對焊縫進行檢查,
對檢查出的焊縫缺陷進行報警并進行現場標識、系統存儲記錄、打印輸出。焊
接程序完成,控制系統驅動焊接組件A和B兩端分別與當前管件解鎖松開。

機器人平臺收起伸縮支撐臂,支起履帶6,以保證平臺Y坐標基準0點不變。
機器人平臺沿挖掘系統已經挖好的溝槽移動約12米,同時焊接組件也隨機器人
平臺移動相應位置,到達系統指定的下一個焊接位置,控制系統驅動可升降吊
鉤組件與當前管件解鎖移開。

在機器人平臺Z向前行移動時,土方回填系統逐步把土方回填至溝槽并夯
實,對當前管件起支撐作用。

機器人平臺到達系統新的指定后,伸出伸縮支撐臂,收起履帶6,焊接組件
A端與當前管件焊接端面D鎖緊固定。

上述過程必須在0.5小時內完成,循環連續進行,直至工程結束。

在管道施工期間,施工人員可以在機器人平臺頂部的操作人員的野外全天
候長期生活保障分系統的房屋內生活、起居、休息、用餐、娛樂。

綜上所述,本發明的內容并不局限在上述的實施例中,本領域的技術人員
可以在本發明的技術指導思想之內提出其他的實施例,但這些實施例都包括在
本發明的范圍之內。

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一種 口徑 管道 自動 連續 鋪設 作業 方法 機器人
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