本發(fā)明涉及一種管道焊縫打磨機器人，基于模塊化思想設計了動力模塊和打磨模塊，機器人可以適應一定范圍（直徑340mm至420mm）的管徑變化，機器人可以進入管道內(nèi)部打磨管道的焊縫。

背景技術：

管道運輸石油、天然氣具有高效、低耗、連續(xù)輸送和自動化程度高等優(yōu)勢。未打磨的管道焊縫會導致管道極易腐蝕、泄露和斷裂。傳統(tǒng)的打磨方式有人工手提普通砂輪機進行打磨，或者利用絎磨機對管道內(nèi)壁進行精確地絎磨，或者利用空氣推動聚氨酯彈性體材料對管道內(nèi)壁進行清理。但是，由于一些管道長度較長或管徑較小，靠人工手提普通砂輪機來進行打磨無法實現(xiàn)；而利用珩磨機進行珩磨，則維護成本過高，且很難找到適合如此長度和管徑的管道的珩磨機器。

針對這樣的應用情況，嵌入式管道焊縫打磨機器人應具如下特性：

1）機器人可以在管道中自由的前進、后退；

2）機器人能夠適應直徑在340mm至420mm之間的管道；

3）機器人前進可以按照要求的方式對焊縫進行打磨，打磨部分可以在管道的360°全方向進行打磨，打磨結(jié)構根據(jù)管徑調(diào)整進給量。

4）機器人的動力模塊和打磨模塊相互獨立，支持后續(xù)開發(fā)檢測、噴漆等模塊。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有管道焊縫打磨技術的不足，設計了一種分模塊、多管徑適應的機器人。

本發(fā)明的技術方案為：

本發(fā)明開發(fā)的機器人分為兩個模塊——動力模塊和打磨模塊，兩個模塊之間有連接部分。

動力模塊作用是帶動整個機器人在管道內(nèi)移動。動力模塊需要適應管徑變化，分為上部、中部和下部。上部和下部分別安裝了4個輪子，其中一半是主動輪，另一半為從動輪，這些輪子可以保證機器人和管道受力均勻，讓機器人前后運動。在運動過程中，上下部分的輪子需要同時接觸到管壁才能保證機器人正常運行，同時為了適應不同的管徑，上下部分被設計為相對中部可以移動。上部和中部通過兩個雙軸氣缸相連接，通過通入一定壓強的高壓氣后，上部伸出，上部的輪子和管壁接觸，由于高壓氣壓強可控，可以保證在不同管徑的管道中，輪子和管壁之間的壓力大致恒定，從而適應了管徑的變化。下部與中部的連接與上部類似。

打磨模塊的作用是在管道的焊縫位置進行打磨，打磨模塊由三部分構成，前、后支撐結(jié)構、主軸及其打磨進給工作機構。前后支撐結(jié)構上各固定了三個定向輪，在管道內(nèi)移動時，打磨模塊依靠動力模塊提供牽引力，定向輪與管道內(nèi)壁接觸滑動以前進、后退，此時氣缸活塞站腳保持收縮。打磨模塊的定滑輪通過加裝標準鋁型材塊以適應不同直徑的管道；打磨模塊支撐結(jié)構上的定向輪、氣缸呈放射狀圓周陣列布置；當機器人達到管道內(nèi)的指定位置時，其前、后支撐結(jié)構中的氣缸活塞伸出，前后三個站腳撐開，從而使得前后支撐結(jié)構位置固定，并且能夠在圓周布置的氣缸的作用下與管道內(nèi)壁嚴格對中，而主軸以及打磨進給工作機構能夠在主軸電機的帶動下圓周轉(zhuǎn)動，實施打磨工作。主軸上固定的進給裝置能夠精確控制打磨進給量，進給裝置的動力、控制電路可以通過主軸一端的中心孔與其他模塊連接、通訊，不需要使用電滑環(huán)，避免了因主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的線路纏繞。

動力模塊和打磨模塊使用萬向節(jié)進行連接，可以保證機器人在前進和后退時兩個模塊的協(xié)調(diào)，在通過有一點彎曲的管道時也能正常移動。

本發(fā)明具有的有益效果是：本發(fā)明應用模塊化設計的思想，采用氣動傳動的方法，設計制作了可以打磨不同管徑管道的焊縫。機器人進入管道后，在電磁閥和氣缸的作用下，動力模塊上下部分伸出，輪子與管壁接觸，帶動機器人在管道內(nèi)運動。經(jīng)過調(diào)整到達特定位置后，打磨模塊的六個支撐氣缸伸出，打磨模塊踮腳支撐在管壁，將打磨模塊固定在管壁內(nèi)部。打磨模塊的打磨機構搭載在絲桿滑塊上，主軸可自鎖，可使砂輪與焊縫接觸并保持一定的壓力，控制調(diào)整打磨機構的位置，即可實現(xiàn)打磨管道全方位的焊縫。由于采用模塊化設計，后續(xù)可以靈活地開發(fā)探測、噴涂等模塊。

附圖說明

圖1為動力模塊裝配示意圖；

圖2為動力模塊裝配剖面圖；

圖3為動力模塊底板示意圖；

圖4為打磨模塊裝配示意圖；

圖5為打磨模塊剖面裝配圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如附圖1、附圖2所示，動力模塊零件包括：直流電機301、電機支架302、聯(lián)軸器303、軸承304、主動輪305、角鐵306、中間部分側(cè)面擋板307、底板308、從動輪309、電機支架墊塊310、軸承墊塊311、動力輪輪軸312、動力輪與輪軸連接部分313、T型螺母314、螺釘315、螺釘316、螺母317、螺釘318、螺母319、螺釘320、螺母321、動力輪固定螺釘322、彈簧323、氣缸固定螺釘324、雙軸氣缸325、動力模塊連接萬向節(jié)的滑桿326、滑桿擋片327、滑桿擋片固定螺母328、氣缸固定螺母329、雙軸氣缸330、氣缸固定螺母331、動力輪固定螺母332、氣缸間固定板333、中間部分前方擋板334。

動力模塊由三部分組成，包括上部的底板總成、下部的底板總成和中間部分。中間部分有前方擋板334、側(cè)面擋板307及與這兩個擋板相對的擋板組成，內(nèi)部有空間可以放置機器人控制板等元器件。下部底板總成通過雙軸氣缸325及背后的另一個雙軸氣缸與中間部分相連接。類似地，上部底板總成通過雙軸氣缸330及相對的另一個氣缸與中間體相連接。

當機器人進入管道內(nèi)部時，雙軸氣缸325、330及相對應的另外兩個氣缸通入一定壓強的高壓氣體，氣缸帶動上下兩個底板總成伸出。四個氣缸通入相同壓強的氣體，可以保證上下底板總成平穩(wěn)的伸出。上下底板伸出后，各自的四個輪子接觸到管壁，當?shù)装蹇偝墒艿焦鼙诘膲毫Α飧讐毫偷装逯亓ζ胶鈺r，上下地板不在伸出，動力模塊緊緊地撐住管道。上下底板的電機啟動，帶動主動輪運動，機器人就可以在一定管徑范圍的管道中自由前進、后退了。

附圖3為該動力模塊底板總成的示意圖，底板主要零件包括：T型螺母101、軸承墊塊102、螺桿103、動力輪輪軸104、軸承105、動力輪106、底板107、從動輪108、直流電機109、直流電機支架110、聯(lián)軸器111、軸承112、動力輪輪軸113、軸承114、動力輪115、軸承墊塊116、從動輪117、電機支架118、直流電機119。

上下底板被撐出時與管壁接觸，主動輪轉(zhuǎn)動，帶動整個機器人在管道內(nèi)運動。底板上有四個輪子106、108、115和117。其中106和115為主動輪，主動輪106與傳動軸104相連，傳動軸104通過聯(lián)軸器101與電機119相連；主動輪115與傳動軸113相連，傳動軸113通過聯(lián)軸器11與電機109相連。當?shù)装灞粨纬鰰r，四個輪子可以同時接觸管壁，使用四個輪子的方案可以使管壁受力均勻。電機帶動主動輪106和115轉(zhuǎn)動，同時輪子108和117跟隨著轉(zhuǎn)動，機器人就可以在管道內(nèi)部自由的前進、后退了。四個輪子構成一個矩形，兩個主動輪位于矩形的對角線上，同時上下底板的主動輪位置不相同。這樣可以保證機器人動力模塊各個地方受力比較均勻，同時動力模塊整體的轉(zhuǎn)矩平衡。

上下底板兩段開有孔，上下底板的空中穿過一根軸，該軸與萬向節(jié)相連，萬向節(jié)再與打磨模塊相連。

附圖4為打磨模塊裝配示意圖，打磨模塊由三部分構成，前、后支撐結(jié)構、主軸及其打磨進給工作機構。前后支撐結(jié)構上各固定了三個定向輪，在管道內(nèi)移動時，打磨模塊依靠動力模塊提供牽引力，定向輪與管道內(nèi)壁接觸滑動以前進、后退，此時氣缸活塞站腳保持收縮。當機器人達到管道內(nèi)的指定位置時，其前、后支撐結(jié)構中的氣缸活塞伸出，前后三個站腳撐開，從而使得前后支撐結(jié)構位置固定，并且能夠在圓周布置的氣缸的作用下與管道內(nèi)壁嚴格對中，而主軸以及打磨進給工作機構能夠在主軸電機的帶動下圓周轉(zhuǎn)動，實施打磨工作。主軸上固定的進給裝置能夠精確控制打磨進給量。

參見附圖4、附圖5，打磨模塊主要有：主軸201、主軸軸承座202、軸承座圓盤203、U型輪架204、U型架聯(lián)接螺釘205、U型架聯(lián)接螺母206、U型架聯(lián)接墊圈207、定向輪208、定位腳橡膠帽209、定位腳連接件210、氣缸211、氣缸聯(lián)接螺釘212、氣缸聯(lián)接螺母213、氣缸聯(lián)接墊圈214、電機圓盤215、主軸電機216、步進電機217、梅花聯(lián)軸器218、軸承座219、絲桿220、萬向節(jié)圓盤221、梅花聯(lián)軸器222、打磨模塊萬向節(jié)連接件223、定位腳橡膠帽聯(lián)接螺釘224、定位腳-氣缸聯(lián)接螺釘225、定向輪聯(lián)接螺釘226、定向輪聯(lián)接螺母227、定向輪聯(lián)接墊圈228、軸承座聯(lián)接螺釘229、軸承座聯(lián)接螺母230、軸承座聯(lián)接墊圈231、打磨滑臺232、滑臺-電機板聯(lián)接螺釘233、電機架234、打磨電機235、導軌236、砂輪237、主軸-導軌聯(lián)接螺釘238、主軸定位圈239。

萬向節(jié)圓盤221上固定著萬向節(jié)連接件223，萬向節(jié)連接件上連接與動力模塊相連接的軸，兩個模塊由此連接。萬向節(jié)圓盤221同時通過氣缸聯(lián)接螺釘212、氣缸聯(lián)接螺母213、氣缸聯(lián)接墊圈214固定著氣缸211，另外通過U型架聯(lián)接螺釘205、U型架聯(lián)接螺母206、U型架聯(lián)接墊圈207、連接固定U型輪架204。U型輪架204通過定向輪聯(lián)接螺母227、定向輪聯(lián)接墊圈228、軸承座聯(lián)接螺釘229固定定向輪208。值得注意的是，在此U型輪架也可以通過螺釘螺母固定標準鋁型材墊塊，再將定向輪與鋁型材墊塊連接，這樣便可以調(diào)節(jié)定向輪的圓周分布直徑，以適應不同內(nèi)徑的管道。

U型輪架204的另一邊對稱地通過螺釘螺母墊圈與軸承座圓盤203連接，軸承座圓盤203上通過軸承座聯(lián)接螺釘229、軸承座聯(lián)接螺母230、軸承座聯(lián)接墊圈231固定主軸軸承座202，主軸軸承座的軸承內(nèi)圈與主軸201固定，使得主軸201可以相對支撐結(jié)構轉(zhuǎn)動，主軸201也與主軸定位圈239連接固定，以防止軸向滑動。對稱地，主軸201的另一端也同樣與主軸軸承座固定也對稱地與主軸定位圈239固定以防止軸向滑動，主軸軸承座也同樣通過螺釘螺母墊圈固定在軸承座圓盤上，軸承座圓盤也同樣連接U型輪架。U型輪架上固定定向輪，并與電機圓盤215固定。電機圓盤215上也固定著三個氣缸211，與萬向節(jié)圓盤221不同的是，電機圓盤215上還固定著主軸電機216。主軸電機通過梅花聯(lián)軸器222連接著主軸201，以此提供主軸的轉(zhuǎn)動動力。

至于主軸上的打磨進給工作機構，實施如下：主軸201中間設計有平臺，可以通過主軸-導軌聯(lián)接螺釘238與導軌236固定，導軌236上固定著步進電機217、軸承座219，步進電機217的軸與絲桿220通過梅花聯(lián)軸器218連接，絲杠220兩端穿過兩個軸承座219，步進電機的轉(zhuǎn)動可以帶動絲桿，以控制打磨滑臺232的前后進給，打磨滑臺232通過滑臺-電機板聯(lián)接螺釘233固定著電機架234，打磨電機235固定在電機架234上。打磨電機235的轉(zhuǎn)軸上固定有砂輪237，打磨電機運行時帶動砂輪以實施打磨工作。這樣一來，可以通過步進電機217精確控制電機架234的管道徑向進給量，適應不同的管道內(nèi)徑、控制打磨的進給。

主軸201的一端為空心，步進電機217以及打磨電機235的電線可以穿過主軸201與其他模塊連接。在軸承座圓盤203、電機圓盤215以及萬向節(jié)圓盤221都采用了鏤空設計，氣缸211以及主軸電機216的氣路電路均通過其鏤空孔，經(jīng)過主軸時，預留一定長度并固定在主軸平臺背面，再經(jīng)過另一端的支撐結(jié)構的鏤空孔以與其他模塊相連接。在打磨模塊工作時，主軸采取來回轉(zhuǎn)動的運動方式，單向轉(zhuǎn)動盡量不超過400度，以避免氣路電路受影響。