CN103785923A - 一种基于rov的局部干法水下焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于ROV的局部干法水下焊接机器人。包括ROV、安装在ROV上的焊接机械手；所述ROV包括框架，安装在框架上的垂向辅助推进器、垂向主推进器、水平推进器，框架上部设置有浮力材料，框架的中部设置电子设备密封舱、焊接设备密封舱，框架的前方设置成像声纳、水下照明装置，框架两侧设置摄像系统，框架底部设置管道固定爪、液压桩脚、水下液压泵；ROV通过脐带电缆与母船上的水面控制系统相连；焊接机械手的前部设置局部干法电弧焊枪和焊缝跟踪装置。本发明工作效率高，作业水深大，水下焊接灵活性好，特别适用在有核辐射或有毒有害的水下、大气环境中或人员无法达到的现场进行使用。

Description

一种基于ROV的局部干法水下焊接机器人

技术领域

本发明涉及的是一种水下焊接装置，具体地说是一种基于ROV的水下焊接机器人。

背景技术

近年来，随着海洋结构物建设的增多，其水下有关设施的组装、维修，对水下焊接技术提出了更高的要求。目前，水下焊接的质量、效率、自动化程度还远远满足不了人们的要求，很大一部分的水下焊接还是由潜水员施工完成，不仅效率低，而且危险大。为保证水下焊接质量、降低生产成本、提高生产效率以及突破水下焊接的水深限制等，很有必要研制和开发水下焊接机器人。

水下焊接机器人属于特种机器人，它由水下焊接技术和水下机器人技术结合产生，代表了水下焊接自动化的发展方向。但是由于水下环境的复杂性和不确定性，目前水下遥控焊接还处在研究起步阶段，并没有真正意义上的焊接机器人进行完全无人的水下焊接活动。英国Cranfield大学海洋技术研究中心从焊接规划、操作员培训、离线编程等方面出发，用Workspace软件和ASEAIRBL6/2机器人组建了一套水下焊接的遥控仿真系统，在该系统上进行了水下环境模拟、远端操作以及避障等研究。南昌大学针对水下焊接机器人柔性履带的吸附与张紧问题进行了研究，并开发了适合水下环境的焊缝传感系统，进行了水下焊接焊缝的基础测试。华南理工大学水下焊接课题组则在焊缝跟踪系统和视觉传感器方面做了一些深入的探索和研究，为国内水下焊接机器人的发展奠定了一定的基础。因此，对水下焊接进行更深入的研究并开发水下焊接机器人，对于发展海洋事业、实现人类梦想有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现全位置、高效率、低成本的水下焊接的基于ROV的局部干法水下焊接机器人。

本发明的目的是这样实现的：包括ROV、安装在ROV上的焊接机械手；所述ROV包括框架，安装在框架上的垂向辅助推进器、垂向主推进器、水平推进器，框架上部设置有浮力材料，框架的中部设置电子设备密封舱、焊接设备密封舱，框架的前方设置成像声纳、水下照明装置，框架两侧设置摄像系统，框架底部设置管道固定爪、液压桩脚、水下液压泵；ROV通过脐带电缆与母船上的水面控制系统相连；焊接机械手的前部设置局部干法电弧焊枪和焊缝跟踪装置。

本发明还可以包括：

1、焊接机械手位于框架前方的中间，在焊接机械手的一侧设置辅助机械手。

2、局部干法电弧焊枪的前端的焊枪喷嘴为水帘式焊枪喷嘴。

利用本发明的基于ROV的局部干法水下焊接机器人的焊接方法主要包括如下步骤：

步骤1：母船释放ROV，ROV通过自身微负浮力及推进器到达所要作业位置上方，通过声呐测量桩脚距工件之间精确距离，由操纵杆控制推进器调整机体姿态，释放液压桩脚使机器人平稳着陆，固定抓抓取工件使两者相对静止；

步骤2：利用辅助机械手对工件的待焊部位进行表面清理和打磨等工作，以便进行焊接作业；

步骤3：焊接时，在水帘式焊枪喷嘴的外层喷射出高压水，在喷嘴的四周形成一个水帘，阻挡外面的水入侵，由内层喷嘴喷出保护气体，形成一个气相区，保证电弧在气相区中稳定燃烧；

步骤4：根据待焊工件和工作水深等实际情况，预置焊接工艺参数，利用焊缝跟踪装置18和焊接机械手的移动完成工件的焊接；

步骤5：利用水下焊接摄像机监视和记录焊接操作的整个过程，利用焊接质量分析仪对焊接过程中的焊接电流、电弧电压等工艺数据进行实时采集和统计分析，通过脐带电缆将焊接参数和焊缝图像传回水面控制系统，以便对其焊接质量进行分析并及时调整；

步骤6：焊接结束后，关闭焊接电源，收回焊接机械手，松开抓取装置，ROV自身推进器上浮，回收。

所述释放液压桩脚着陆，固定爪抓取工件。对于板的焊接，桩脚着陆于板的正上方，可使工件与ROV相对静止；对于管道的焊接，由管道支架将管道架空，桩脚着陆于管的两侧，固定爪将管道环抱抓紧使管道与ROV相对静止。

本发明的装置主要由推进系统、动态动力定位系统、浮力模块、水下照明及摄像系统、焊接设备密封舱、局部干法电弧焊枪、焊缝跟踪系统、焊接机械手（七功能机械手）及辅助机械手（三功能机械手）等组成。焊接作业时，先由母船释放ROV，ROV通过自身微负浮力及推进器到达所要作业位置，调整姿态释放桩腿抓取装置固定机身。焊接时，在水帘式焊枪喷嘴的外层喷射出高压水，在喷嘴的四周形成一个水帘，阻挡外面的水入侵，由内层喷嘴喷出保护气体，形成一个气相区，电弧在气相区中燃烧，通过水下照明灯和水下高清摄像机检测电弧，并利用焊接机械手的移动完成工件的焊接。通过脐带电缆17将焊接参数和焊缝图像传回水面控制系统，以便对其焊接质量进行分析并及时调整作业。

本发明提供了一套搭载于水下有缆机器人（Remote Operated Vehicle，以下简称ROV）上的局部干法气体保护电弧焊接装置。该装置由自行设计的ROV机器人系统、焊接机械手及其辅助机械手、局部干法电弧焊枪、焊接设备及密封舱、焊缝跟踪系统、水下照明及摄像系统、动态动力定位系统等组成等。其中，ROV机器人采用框架式结构，主要由整体框架、耐压壳体、浮力模块、推进系统、作业工具以及辅助配件等几部分组成。该设备原理简单，通过自身动力定位装置可准确到达作业位置，六自由度焊接手臂控制可以实施全位置焊接，ROV采用高强钢框架结构保障深水作业安全，焊嘴装配有水帘通过吹高压气体来保护电弧的稳定性和避免钢板反射作用力影响。该装置工作效率高，作业水深大，水下焊接灵活性好，特别适用在有核辐射或有毒有害的水下、大气环境中或人员无法达到的现场进行使用。

本发明的有益效果主要体现在：

1、本发明装置实现了远程控制全自动局部干法水下焊接作业，可替代潜水焊工手工焊接作业，具有焊接效率高、焊缝质量好、劳动强度小等明显优势；

2、该ROV焊接机器人系统自身具备动力装置，可灵活作业，实现全位置水下板材或管材等结构的焊接、修补、打磨、甚至开坡口等工作；

3、该水下焊接机器人采用水下局部干法焊接方式，焊接质量优于湿法水下焊接，焊接用的局部排水罩由焊接机械手携带，具有极大的自由度，且焊接时不需要压力舱，焊接过程灵活性好、焊接成本低；

4、由于ROV系统通过脐带电缆对水下潜航体提供持续动力并实时遥控，易于控制航行且灵活性强，能满足长时间、稳定可靠的焊接作业流程；

5、该ROV系统采用框架式结构，总体布置方便灵活、可为加挂或更换各种设备提供空间余地，且浮力体相对靠上，具有良好的稳定性，整体框架可以起到保护机器人及其搭载的设备的作用；

6、该装置工作效率高，作业水深大，水下焊接灵活性好，特别适用在有核辐射或有毒有害的水下、大气环境中或人员无法达到的现场进行使用。

7、根据实际焊接需求，熔化极气体电弧焊的保护气体既可为Ar，也可为CO2或混合气体等，能够广泛应用于不同金属结构的水下焊接过程中；经过适当的改进，该设备还可方便地应用于水下切割、水下打孔等作业。

附图说明

图1是本发明的基于ROV的局部干法水下焊接机器人的轴测图。

图2是本发明的基于ROV的局部干法水下焊接机器人的主视图。

图3是本发明的基于ROV的局部干法水下焊接机器人的俯视图。

图4为焊接机械臂结构图。

图5为水帘式局部干法水下焊枪示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

结合图1-图3，本发明装置主要包括ROV、安装在ROV上的焊接机械手13；所述ROV包括铝合金框架8，安装在框架上的垂向辅助推进器1、垂向主推进器3、水平推进器4，框架上部设置有浮力材料2，框架的中部设置电子设备密封舱10、焊接设备密封舱11，框架的前方设置成像声纳9、水下照明装置15，框架两侧设置摄像系统14，框架底部设置管道固定爪7、液压桩脚5、水下液压泵12；ROV通过脐带电缆17与母船上的水面控制系统相连；焊接机械手的前部设置局部干法电弧焊枪19和焊缝跟踪装置18。焊接机械手位于框架前方的中间，在焊接机械手的一侧设置辅助机械手6。局部干法电弧焊枪的前端的焊枪喷嘴为水帘式焊枪喷嘴16。焊接机械手13为七功能机械手，辅助机械手6为三至四功能机械手。

本发明从结构上划分为水面控制系统和水下潜航体两大部分。其中，水面控制系统搭载在母船上，包括主控计算机、跟踪定位系统、控制系统、显示系统与通信接口以及脐带(电缆或光缆)等；水面控制系统通过脐带电缆对水下潜航体提供充足的动力并实时遥控机械手运动进行焊接操作。本发明装置中ROV机器人水下潜航体采用开架式设计，由整体框架、推进系统、耐压壳体、浮力模块、动态动力定位系统、水下照明及摄像系统、焊接设备密封舱、局部干法电弧焊枪、焊缝跟踪系统、焊接机械手及辅助机械手等组成。其中，载体框架起支持和保护搭载设备的作用；浮力模块位置靠上，提高了机器人整体的浮心，保证了航行和作业时的姿态稳定性；密封舱、耐压壳体位于机器人中心区域，使用O型密封圈密封，用来放置电子元器件及焊接设备，以保证它们不会因海水压力和侵蚀而损坏；推进系统由分布在机器人四周的水平推进器和中部的垂直推进器组成，实现了前进、后退、上浮、下潜、原地差动转向与纵倾调整，推进器为螺旋桨，其动力由母船通过脐带缆提供；焊接机械手中一部为七功能机械手，作为焊接用，另一部为四功能机械手，作为辅助；机械手与ROV水密连接，母船搭载有电弧焊机、高压气泵，通过内集束式脐带缆将转换后的焊接电流、加压后的保护气体和ROV所用的能源等输送到水下ROV焊接密封舱内，并操控机械手进行水下焊接；焊接采用吹高压气体局部干法水下焊接方式。

焊接作业时，先由母船释放ROV，ROV通过自身微负浮力及推进器3、4到达所要作业位置，调整姿态释放桩腿5抓取装置7固定机身。焊接时，在水帘式焊枪喷嘴16的外层喷射出高压水，在喷嘴的四周形成一个水帘，阻挡外面的水入侵，由内层喷嘴喷出保护气体，形成一个气相区，电弧在气相区中燃烧，通过水下照明灯15和水下高清摄像机14检测电弧，并利用焊接机械手13的移动完成工件的焊接。通过脐带电缆17将焊接参数和焊缝图像传回水面控制系统，以便对其焊接质量进行分析并及时调整作业。

利用上述装置实施的焊接方法的具体步骤如下：

步骤1：母船释放ROV，ROV通过自身微负浮力及推进器3、4到达所要作业位置上方，通过声呐9测量桩脚5距工件之间精确距离，由操纵杆控制推进器3、4调整机体姿态，释放液压桩脚5使机器人平稳着陆，固定抓7抓取工件使两者相对静止；

步骤2：利用辅助机械手6对工件的待焊部位进行表面清理和打磨等工作，以便进行焊接作业；

步骤3：焊接时，在水帘式焊枪喷嘴16的外层喷射出高压水，在喷嘴的四周形成一个水帘，阻挡外面的水入侵，由内层喷嘴喷出保护气体，形成一个气相区，保证电弧在气相区中稳定燃烧；

步骤4：根据待焊工件和工作水深等实际情况，预置焊接工艺参数，利用焊缝跟踪装置18和焊接机械手13的移动完成工件的焊接；

步骤5：利用水下焊接摄像机14监视和记录焊接操作的整个过程，利用焊接质量分析仪10对焊接过程中的焊接电流、电弧电压等工艺数据进行实时采集和统计分析，通过脐带电缆17将焊接参数和焊缝图像传回水面控制系统，以便对其焊接质量进行分析并及时调整；

步骤6：焊接结束后，关闭焊接电源，收回焊接机械手，松开抓取装置，ROV自身推进器上浮，回收。

上文所述的释放液压桩脚5着陆，固定爪抓取工件，分为两种情况：对于板的焊接，液压桩脚着陆于板的正上方，可使工件与ROV相对静止；对于管道的焊接，实现由管道支架将管道架空，液压桩脚着陆于管的两侧，固定爪将管道环抱抓紧使管道与ROV相对静止。

Claims (3)

1.一种基于ROV的局部干法水下焊接机器人，包括ROV、安装在ROV上的焊接机械手；其特征是：所述ROV包括框架，安装在框架上的垂向辅助推进器、垂向主推进器、水平推进器，框架上部设置有浮力材料，框架的中部设置电子设备密封舱、焊接设备密封舱，框架的前方设置成像声纳、水下照明装置，框架两侧设置摄像系统，框架底部设置管道固定爪、液压桩脚、水下液压泵；ROV通过脐带电缆与母船上的水面控制系统相连；焊接机械手的前部设置局部干法电弧焊枪和焊缝跟踪装置。

2.根据权利要求1所述的基于ROV的局部干法水下焊接机器人，其特征是：焊接机械手位于框架前方的中间，在焊接机械手的一侧设置辅助机械手。

3.根据权利要求1或2所述的基于ROV的局部干法水下焊接机器人，其特征是：局部干法电弧焊枪的前端的焊枪喷嘴为水帘式焊枪喷嘴。

Images