CN105485425A - 大口径管道自动连续铺设作业机器人及其作业方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大口径管道自动连续铺设作业机器人及其作业方法，其中作业机器人包括平台、主机架、操作室、导航分系统、管件抓取输送分系统、管件端面预处理分系统、在线测量分系统、管件支撑分系统、焊接及其质量检查分系统和控制系统；作业方法为先探测抓取管件，再对管件进行坡口加工，对当前管件与前一个管件进行焊接端面的匹配，然后下方管件，对两个管件进行微调固接，最后对两个管件进行焊接。本发明的大口径管道自动连续铺设作业机器人自动化程度高，人员占用少，劳动强度小，工作效率高，铺设周期短、铺设成本低。

Description

大口径管道自动连续铺设作业机器人及其作业方法
技术领域
本发明涉及一种管道铺设设备，尤其是一种大口径管道自动连续铺设作业机器人及其作业方法。
背景技术
目前，我国经济建设发展迅猛，尤其是东部对油气资源需求旺盛，国内自给率相对较低，而且分布很不均匀，需要大量从西部甚至国外引进资源；而我国的西北部及西北部邻国却蕴含大量油气资源，需要寻找消费市场，随着一路一带建设的渐入佳境，西(油)气东输工程是协调东西部发展的关键环节，已经全面展开并加速进行。而管道运输尤其是大口径管道运输油气，其经济性更具有竞争力，大口径管道运输具有数以千计千米的市场规模。直径1.0米以上的金属管道的铺设基本都是半机械化的，挖掘、铺设、焊接、测量、监察、检测、填埋各系统各自独立，需要人为协调、指挥，自动化程度低，人员占用多，劳动强度大，自然环境、焊接环境恶劣、输送效率低，铺设周期长、铺设成本高。因此在这些长距离大口径管线建设中采用自动化铺设技术已势在必行，一套合适的设计方案对油气管道的铺设具有重大意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种自动化程度高的大口径管道自动连续铺设作业机器人及其作业方法。
为了解决上述技术问题，本发明的大口径管道自动连续铺设作业机器人包括平台、主机架、操作室、导航分系统、管件抓取输送分系统、管件端面预处理分系统、在线测量分系统、管件支撑分系统、焊接及其质量检查分系统和控制系统；
所述平台底部设有用于移动的履带
所述主机架能够相对平台Z向水平移动；
所述操作室设置在平台上；
所述导航分系统用于对施工现场进行初步定位，以保证整个机器人行驶至施工现场；
所述管件抓取输送分系统用于抓取管件并将管件送至沟槽内，该管件抓取输送分系统包括安装在主机架上的两个能够实现X向水平移动的机械臂、分别安装在两个机械臂端部的两个伸缩装置以及用于抓取管件的两个抓手，所述两个抓手分别安装在两个伸缩装置输出端且该两个抓手能够Y向竖直移动；
所述管件端面预处理分系统用于对管件两端进行坡口加工，该管件端面预处理分系统包括能够自主转动并对称安装在平台上且用于固定管件的两个涨紧机构、能够转动地安装在两个涨紧机构上且用于对管件两端进行坡口加工的多个刀具以及可收放的安装在平台上且用于顶起管件的多个支撑轮，所述两个涨紧机构能够相对伸缩，该两个涨紧机构插进管件两端内孔并涨紧固定，且两个涨紧机构的转动能够带动管件一起转动；所述在线测量分系统在端面预处理分系统对管件的两个端面处理的同时进行同步测量，分别测量管件每个端面的几何尺寸及其位置坐标，并将测量数据发送至所述控制系统，控制系统对最终测量数据进行分析，筛选出最大壁厚和最小壁厚尺寸数据，并追踪其位置坐标记录在控制系统中，在管件上分别做出明显标示两端各自最大、最小壁厚位置，控制系统再驱动管件端面预处理系统两端的涨紧机构旋转停止时，当前管件的当前焊接端面与前一件管件的当前焊接端面按照重合面积最大原则进行匹配；
所述管件支撑分系统用于支撑已放入至沟槽内的管件，该管件支撑分系统包括托起在管件中部的中间支撑组件和能够升降且用于锁紧固定在管件前端的吊钩组件，所述中间支撑组件可收放的安装在平台底盘中部，所述吊钩组件上端通过一滑行机构与平台底盘连接，下端设有一能够插入到管件内孔中并锁定管件的卡紧块，在滑行机构和卡紧块之间设有一伸缩杆，所述伸缩杆上还设有用于检查当前管件姿态的第一摄像测量装置，所述第一摄像测量装置的测量数据经所述在线测量分系统发送至控制系统，控制系统控制驱动所述吊钩组件在X向和Z向移动，对当前管件姿态进行微调直至符合管道铺设规范；
所述焊接及其质量检查分系统，其可收放的安装在平台底盘后端且用于焊接当前管件和前一件管件间的连接处，该焊接及其质量检查分系统包括焊接组件A和焊接组件B，所述焊接组件A和焊接组件B均为环体结构，该焊接组件A和焊接组件B内环周向分别设有多个滚动支架，每个滚动支架底部安装有滚轮和用于吸附在管件上的第一电磁吸盘，所述焊接组件A上设有环形导轨装置，所述环形导轨装置上安装有多个焊机行走机构，每个所述焊机行走机构上分别设有一用于焊接当前管件和前一件管件连接处的焊枪和一用于对焊缝进行检查的无损探伤监测装置，所述焊接组件A上还设有多个能够伸缩的拉杆，其中拉杆的外端固定有一个长圆结构，拉杆伸出长圆结构插入到焊接组件B上相应形状的槽孔内，再旋转拉杆90°，拉杆上的长圆结构与焊接组件B上的槽孔孔型呈十字交叉状态后回收锁紧以将焊接组件A和焊接组件B固接在在一起，所述焊接组件B上还设有一用于测定焊接组件B和管件位置的第二摄像测量装置，所述第二摄像测量装置的测量数据经所述在线测量分系统发送至控制系统，控制系统控制焊接组件B锁定管件；
所述控制系统用于控制整个机器人的作业动作。
所述履带数量为两条且两条履带分置在平台底部两侧。
所述履带数量为四条且四条履带分置在平台底部的四个角落，所述平台能够相对四条履带升降，每个所述履带均可实现转向。
所述平台上还设有能够升降的居住室。
所述导航分系统采用北斗导航系统或GPS导航系统或格洛纳斯导航系统或伽利略导航系统。
每个所述伸缩装置上分别设有一用于探测管件的探测器，以保证两个抓手能够准确的获取管件。
每个所述涨紧机构分别包括胎具架、通过滚动轴承套装在胎具架外部的回转涨胎套、分别通过一弹涨臂周向固接在回转涨胎套端部的多个锥形涨紧块以及与锥形涨紧块配合使用且用于涨起锥形涨紧块的锥塞，所述胎具架通过支撑导柱与一动力气缸输出端连接以实现胎具架的伸缩运动，所述回转涨胎套外部设有一大齿轮，该大齿轮与一电机输出端的齿轮啮合以实现回转涨胎套能够相对胎具架转动并带动管件转动，所述锥塞中部通过推力轴承与一油缸输出杆能够相对转动地连接，该锥塞在油缸输出杆的带动下能够做伸缩运动以实现对锥形涨紧块的涨起和复位。
所述中间支撑组件底部设有一承载块，所述承载块上部形成有与管件贴合的半圆形凹槽，下部设有一行走轮，所述承载块两侧分别竖直固接有一连接杆，两个所述连接杆上端分别与平台底盘铰接，且两个所述连接杆上部还分别通过一气缸与平台底盘连接，以实现中间支撑组件的收放。
所述焊接组件A两侧分别竖直固接有一竖直杆，两个所述竖直杆上端分别与平台底盘铰接，且两个所述竖直杆上部还分别通过一气缸与平台底盘连接，以实现焊接及其质量检查分系统的收放，所述焊接组件A底部还设有一转动轮。
一种通过所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人实现的自动连续铺设管道的作业方法，包括如下步骤：
1)机器人移动至已挖好的土方作业面上，根据导航分系统做精确初始定位,然后放出伸缩支撑臂,收起履带；
2)机器人主机架上的中间支撑组件和焊接及其质量检查分系统首先支起，直至与平台平面垂直；主机架上的管件抓取输送分系统中的探测器探测管件的位置并反馈给控制系统，控制系统驱动管件抓取输送分系统的两个抓手抓起该管件，并在控制系统的控制下自动完成起吊、横向运送到机器人平台上指定的管件端面预处理分系统的位置；
3)管件端面预处理分系统上的两个涨紧机构对管件的两个端面同时进行涨进定位，两个抓手退出收起，平台上的支撑轮顶起，以保持管件水平方向挠度为，然后进行铣车平面、铣车坡口、磨削边角毛刺作业，端面加工完成后平台上的支撑轮收回；
4)在管件端面预处理分系统对管件进行加工的同时，在线测量分系统对管件进行端面尺寸测量，分别检出两端的最大直径和最小直径，并对两端的最大和最小直径的数值及所在位置做出标记，同时在控制系统内记录并存储其准确坐标位置；
5)管件抓取输送分系统的两个抓手重新抓起管件，管件端面预处理分系统上的两个涨紧机构收回，两个抓手垂直运送管件至地下沟槽内的管件焊接水平位置，然后管件做Z向水平运动，管件焊接端面C从焊接及其质量检查分系统的焊接组件B的内孔穿过，吊钩组件从管件焊接端面D插入管件内孔并与焊接端面D锁定，承担管件的支撑作用，管件抓取输送分系统的两个抓手松开退出归起始位，第一摄像测量装置对管件的姿态进行测量并经所述在线测量分系统反馈给控制系统，控制系统按照系统指定的姿态驱动吊钩组件，待吊钩组件将管件调整好其水平姿态并精确定位后，回填设备随后向沟槽内回填土方，并起到支撑作用，机器人平台收起伸缩支撑臂，机器人平台沿管件管壁做Z向机动，焊接及其质量检查分系统随机器人平台继续机动，接近管件的焊接端面D时，吊钩组件松开退出，至管件焊接端面D系统规定的焊接位置时，焊接组件B已移开管件，焊接组件A锁紧在管件上，管件的定位由焊接组件A承担；
6)主机架上的管件抓取输送分系统中的两个抓手抓起预定位置的当前管件，并在控制系统的控制下自动完成起吊、横向运送到机器人平台上指定的管件端面预处理分系统的位置；
7)重复步骤3)和步骤4)；
8)在线测量分系统调出上一个管件焊接端面D的尺寸信息，与当前管件焊接端面C的数据进行比对匹配，按照最大重合面积原则，调整当前管件的角度；
9)管件抓取输送分系统垂直运送当前管件至地下管件焊接水平位置，然后驱动当前管件做Z向水平运动，当前管件的焊接端面C从焊接组件B内孔穿过，与焊接组件A的轴线重合，当焊接组件B与当前管件当前焊接端面的距离符合控制系统规定时，焊接组件B与当前管件锁紧固定，在焊接组件A上可伸缩的拉杆的作用下当前管件做Z向水平运动，与上一个管件的焊接端面D相接触，然后锁紧，将焊接组件A和与当前管件固定在一起的焊接组件B固接在一起；
10)控制系统驱动吊钩组件与当前管件的焊接端面D锁紧固定；
11)控制系统驱动中间支撑组件托起当前管件中部；
12)控制系统对当前管件做姿态调整；
13)焊接及其质量检查分系统对两个管件进行对称的点焊固定，焊接组件A上的个焊枪从个彼此对称的点同时起焊，焊缝整体至少分层累积，每个焊枪在同一焊层负责/圆周的焊接，进行第二层焊接时，个焊枪都提高一个即时焊层高度，对下一个/圆周进行焊接，以此类推，直至达到焊接要求；
14)无损探伤监测装置对焊缝进行无损探伤检查，对检查出的瑕疵进行现场报警及标记并反馈给控制系统储存打印输出，其缺陷由控制系统采取补偿措施；
15)焊接组件A和焊接组件B均与上一个管件解锁松开，拉杆回转解锁，焊接组件B挂接在拉杆上；
16)机器人平台收起伸缩支撑臂，支起履带，以保证平台Y坐标基准点不变；机器人平台沿当前管件管壁做Z向机动，回填设备随后回填土方，回填土方起到支撑作用，焊接及其质量检查分系统随机器人平台继续机动，接近当前管件的焊接端面D时，吊钩组件松开退出，当机器人平台机动至当前管件的焊接端面D系统规定的焊接位置时，焊接组件B已移开当前管件，当前管件的定位由焊接组件A承担；
17)机器人平台沿土方挖掘设备挖出的路线前进，至一个管件长度单位暂停,然后放出伸缩支撑臂，收起履带；
18)挖掘设备继续挖掘一个管件单位长度的沟槽；
19)循环进行步骤6)至步骤18)。
本发明的有益效果是：本发明的大口径管道自动连续铺设作业机器人自动化程度高，人员占用少，劳动强度小，工作效率高，铺设周期短、铺设成本低。
附图说明
图1为本发明中大口径管道自动连续铺设作业机器人的主视结构示意图；
图2为本发明中大口径管道自动连续铺设作业机器人去掉居住室后的俯视结构示意图；
图3为本发明中大口径管道自动连续铺设作业机器人焊接前的主视结构示意图；
图4为本发明中大口径管道自动连续铺设作业机器人焊接后移动过程中的主视结构示意图；
图5为本发明中大口径管道自动连续铺设作业机器人焊接后移动到下一工位后的主视结构示意图；
图6为本发明中大口径管道自动连续铺设作业机器人的右视结构示意图；
图7为本发明中大口径管道自动连续铺设作业机器人去掉焊接及其质量检查分系统后的右视结构示意图；
图8为本发明中焊接及其质量检查分系统的结构示意图；
图9为本发明中涨紧机构的立体结构示意图；
图10为本发明中涨紧机构的剖切结构示意图；
图11为本发明自动连续铺设管道的作业流程图；
图12为本发明的控制系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
参见图1至图12，本发明的大口径管道自动连续铺设作业机器人包括平台、主机架1、操作室、导航分系统、管件抓取输送分系统3、管件端面预处理分系统4、在线测量分系统、管件支撑分系统、焊接及其质量检查分系统5和控制系统；
所述平台底部设有用于移动的履带6；
所述主机架1能够相对平台Z向水平移动；
所述操作室设置在平台上；
所述导航分系统用于对施工现场进行初步定位，以保证整个机器人行驶至施工现场；
所述管件抓取输送分系统3用于抓取管件并将管件送至沟槽内，该管件抓取输送分系统3包括安装在主机架1上的两个能够实现X向水平移动的机械臂301、分别安装在两个机械臂301端部的两个伸缩装置302以及用于抓取管件的两个抓手303，所述两个抓手303分别安装在两个伸缩装置302输出端且该两个抓手303能够Y向竖直移动；
所述管件端面预处理分系统4用于对管件两端进行坡口加工，该管件端面预处理分系统4包括能够自主转动并对称安装在平台上且用于固定管件的两个涨紧机构、能够转动地安装在两个涨紧机构上且用于对管件两端进行坡口加工的多个刀具以及可收放的安装在平台上且用于顶起管件的多个支撑轮402，所述两个涨紧机构能够相对伸缩，该两个涨紧机构插进管件两端内孔并涨紧固定，且两个涨紧机构的转动能够带动管件一起转动；其中刀具为铣刀和砂轮，多个铣刀和砂轮周向安装在一个能够相对涨紧机构转动的环体上，环体由一电机带动转动，另外，多个铣刀还可以设计成不同的摆放角度以实现同时对管件端面进行铣削和对管件进行坡口铣削，砂轮则对坡口进行边角毛刺作业；在平台上上还设有第三摄像测量装置，第三摄像测量装置在端面预处理分系统对管件的两个端面处理的同时进行同步测量，分别测量管件每个端面的几何尺寸及其位置坐标，并将测量数据经所述在线测量分系统发送至所述控制系统，控制系统对最终测量数据进行分析，筛选出最大壁厚和最小壁厚尺寸数据，并追踪其位置坐标记录在控制系统中，在管件上分别做出明显标示两端各自最大、最小壁厚位置，控制系统再驱动管件端面预处理系统两端的涨紧机构旋转停止时，当前管件的当前焊接端面与前一件管件的当前焊接端面按照重合面积最大原则进行匹配；
所述管件支撑分系统用于支撑已放入至沟槽内的管件，该管件支撑分系统包括托起在管件中部的中间支撑组件7和能够升降且用于锁紧固定在管件前端的吊钩组件8，所述中间支撑组件7可收放的安装在平台底盘中部，所述吊钩组件8上端通过一滑行机构与平台底盘连接，下端设有一能够插入到管件内孔中并锁定管件的卡紧块801，在滑行机构和卡紧块801之间设有一伸缩杆，所述伸缩杆上还设有用于检查当前管件姿态的第一摄像测量装置，所述第一摄像测量装置的测量数据经所述在线测量分系统发送至控制系统，控制系统控制驱动所述吊钩组件8在X向和Z向移动，对当前管件姿态进行微调直至符合管道铺设规范；
所述焊接及其质量检查分系统5，其可收放的安装在平台底盘后端且用于焊接当前管件和前一件管件间的连接处，该焊接及其质量检查分系统5包括焊接组件A501和焊接组件B502，所述焊接组件A501和焊接组件B502均为环体结构，该焊接组件A501和焊接组件B502内环周向分别设有多个滚动支架503，每个滚动支架503底部安装有滚轮和用于吸附在管件上的第一电磁吸盘504，所述焊接组件A501上设有环形导轨装置505，所述环形导轨装置505上安装有多个焊机行走机构506，每个所述焊机行走机构506上分别设有一用于焊接当前管件和前一件管件连接处的焊枪507和一用于对焊缝进行检查的无损探伤监测装置508，所述焊接组件A501上还设有多个能够伸缩的拉杆509，其中拉杆509的外端固定有一个长圆结构，拉杆509伸出长圆结构插入到焊接组件B502上相应形状的槽孔内，再旋转拉杆90°，拉杆509上的长圆结构与焊接组件B502上的槽孔孔型呈十字交叉状态后回收锁紧以将焊接组件A501和焊接组件B502固接在在一起，所述焊接组件B502上还设有一用于测定焊接组件B和管件位置的第二摄像测量装置510，所述第二摄像测量装置510的测量数据经所述在线测量分系统发送至控制系统，控制系统控制焊接组件B502锁定管件；
所述控制系统用于控制整个机器人的作业动作。
所述履带6数量为两条且两条履带6分置在平台底部两侧。
所述履带6数量为四条且四条履带6分置在平台底部的四个角落，所述平台能够相对四条履带6升降，每个所述履带6均可实现转向。
所述平台上还设有能够升降的居住室9。
所述导航分系统采用北斗导航系统或GPS导航系统或格洛纳斯导航系统或伽利略导航系统。
每个所述伸缩装置302上分别设有一用于探测管件的探测器，以保证两个抓手303能够准确的获取管件。
每个所述涨紧机构分别包括胎具架403、通过滚动轴承404套装在胎具架403外部的回转涨胎套405、分别通过一弹涨臂406周向固接在回转涨胎套405端部的多个锥形涨紧块407以及与锥形涨紧块407配合使用且用于涨起锥形涨紧块407的锥塞408，所述胎具架403通过支撑导柱409与一动力气缸输出端连接以实现胎具架403的伸缩运动，所述回转涨胎套405外部设有一大齿轮410，该大齿轮410与一电机输出端的齿轮啮合以实现回转涨胎套405能够相对胎具架403转动并带动管件转动，所述锥塞408中部通过推力轴承与一油缸输出杆411能够相对转动地连接，该锥塞408在油缸输出杆411的带动下能够做伸缩运动以实现对锥形涨紧块407的涨起和复位。
所述中间支撑组件7底部设有一承载块，所述承载块上部形成有与管件贴合的半圆形凹槽，下部设有一行走轮，所述承载块两侧分别竖直固接有一连接杆，两个所述连接杆上端分别与平台底盘铰接，且两个所述连接杆上部还分别通过一气缸与平台底盘连接，以实现中间支撑组件7的收放。
所述焊接组件A501两侧分别竖直固接有一竖直杆，两个所述竖直杆上端分别与平台底盘铰接，且两个所述竖直杆上部还分别通过一气缸与平台底盘连接，以实现焊接及其质量检查分系统5的收放，所述焊接组件A501底部还设有一转动轮。
一种通过所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人实现的自动连续铺设管道的作业方法，包括如下步骤：
1)机器人移动至已挖好的土方作业面上，根据导航分系统做精确初始定位,然后放出伸缩支撑臂,收起履带6；
2)机器人平台上的中间支撑组件7和焊接及其质量检查分系统5首先支起，直至与平台平面垂直；主机架1上的管件抓取输送分系统3中的探测器探测管件的位置并反馈给控制系统，控制系统驱动管件抓取输送分系统3的两个抓手303抓起该管件，并在控制系统的控制下自动完成起吊、横向运送到机器人平台上指定的管件端面预处理分系统4的位置；
3)管件端面预处理分系统4上的两个涨紧机构对管件的两个端面同时进行涨进定位，两个抓手303退出收起，平台上的支撑轮402顶起，以保持管件水平方向挠度为0，然后进行铣车平面、铣车坡口、磨削边角毛刺作业，端面加工完成后平台上的支撑轮402收回；
4)在管件端面预处理分系统4对管件进行加工的同时，在线测量分系统对管件进行端面尺寸测量，分别检出两端的最大直径和最小直径，并对两端的最大和最小直径的数值及所在位置做出标记，同时在控制系统内记录并存储其准确坐标位置；
5)管件抓取输送分系统3的两个抓手303重新抓起管件，管件端面预处理分系统4上的两个涨紧机构收回，两个抓手303垂直运送管件至地下沟槽内的管件焊接水平位置，然后管件做Z向水平运动，管件焊接端面C从焊接及其质量检查分系统5的焊接组件B502的内孔穿过，吊钩组件8从管件焊接端面D插入管件内孔并与焊接端面D锁定，承担管件的支撑作用，管件抓取输送分系统3的两个抓手303松开退出归起始位，第一摄像测量装置802对管件的姿态进行测量并经所述在线测量分系统反馈给控制系统，控制系统按照系统指定的姿态驱动吊钩组件8，待吊钩组件8将管件调整好其水平姿态并精确定位后，回填设备随后向沟槽内回填土方，并起到支撑作用，机器人平台收起伸缩支撑臂，机器人平台沿管件管壁做Z向机动，焊接及其质量检查分系统5随机器人平台继续机动，接近管件的焊接端面D时，吊钩组件8松开退出，至管件焊接端面D系统规定的焊接位置时，焊接组件B502已移开管件，焊接组件A501锁紧在管件上，管件的定位由焊接组件A501承担；
6)主机架1上的管件抓取输送分系统3中的两个抓手303抓起预定位置的当前管件，并在控制系统的控制下自动完成起吊、横向运送到机器人平台上指定的管件端面预处理分系统4的位置；
7)重复步骤3)和步骤4)；
8)在线测量分系统调出上一个管件焊接端面D的尺寸信息，与当前管件焊接端面C的数据进行比对匹配，按照最大重合面积原则，调整当前管件的角度；
9)管件抓取输送分系统3垂直运送当前管件至地下管件焊接水平位置，然后驱动当前管件做Z向水平运动，当前管件的焊接端面C从焊接组件B502内孔穿过，与焊接组件A501的轴线重合，当焊接组件B502与当前管件当前焊接端面的距离符合控制系统规定时，焊接组件B502与当前管件锁紧固定，在焊接组件A501上可伸缩的拉杆509的作用下当前管件做Z向水平运动，与上一个管件的焊接端面D相接触，然后锁紧，将焊接组件A501和与当前管件固定在一起的焊接组件B502固接在一起；
10)控制系统驱动吊钩组件8与当前管件的焊接端面D锁紧固定；
11)控制系统驱动中间支撑组件7托起当前管件中部；
12)控制系统对当前管件做姿态调整；
13)焊接及其质量检查分系统5对两个管件进行对称的点焊固定，焊接组件A501上的4个焊枪从4个彼此对称的点同时起焊，焊缝整体至少分3层累积，每个焊枪在同一焊层负责1/4圆周的焊接，进行第二层焊接时，4个焊枪都提高一个即时焊层高度，对下一个1/4圆周进行焊接，以此类推，直至达到焊接要求；
14)无损探伤监测装置508对焊缝进行无损探伤检查，对检查出的瑕疵进行现场报警及标记并反馈给控制系统储存打印输出，其缺陷由控制系统采取补偿措施；
15)焊接组件A501和焊接组件B502均与上一个管件解锁松开，拉杆509回转解锁，焊接组件B502挂接在拉杆509上；
16)机器人平台收起伸缩支撑臂，支起履带6，以保证平台Y坐标基准0点不变；机器人平台沿当前管件管壁做Z向机动，回填设备随后回填土方，回填土方起到支撑作用，焊接及其质量检查分系统5随机器人平台继续机动，接近当前管件的焊接端面D时，吊钩组件8松开退出，当机器人平台机动至当前管件的焊接端面D系统规定的焊接位置时，焊接组件B502已移开当前管件，当前管件的定位由焊接组件A501承担；
17)机器人平台沿土方挖掘设备挖出的路线前进，至一个管件长度单位暂停,然后放出伸缩支撑臂，收起履带6；
18)挖掘设备继续挖掘一个管件单位长度的沟槽；
19)循环进行步骤6)至步骤18)。
实施例
在野外连续铺设直径1.6米、管长12米、壁厚14毫米且单根净重在5000千克以上的大口径石油输送管道和本发明的机器人平台及其作业附属机件，经大型运输车辆在GPS或北斗或格洛纳斯或伽利略导航系统指引下，按照作业操作规范卸载在指定地点。
操作人员的野外全天候长期生活保障分系统(居住室)作业时位于主机架1的顶部，转场时为了便于运输，其可以下降至主机架1内部空间；另外，履带6也是安装在可以伸缩的钢梁上，作业时履带6伸出，分别在沟沿两侧运行，运行时4个履带6分别随地形可以自动做上下及转向调整，使机器人平台保持水平不变；运输时，履带6收起，便于整体运输。机器人平台的焊接及其质量检查分系统5作业时位于平台的底部地下的位置，转场运输时折叠在平台内部，缩小了机器人平台运输时的外形尺寸。
挖掘机在上述导航系统的指引下，在精度不低于0.1米的作业地点，开始开挖宽不小于2.5米深不小于2.3米长度不小于24米的沟槽。
机器人平台伸出履带6，使机器人平台移动到沟槽起始一侧。其导航分系统校准平台位置。电控系统指挥气动系统驱动气缸支起焊接及其质量检查分系统5，使其与地面垂直，处于作业位置。机器人平台打开伸缩支撑臂，收起履带6，使平台悬起，起支撑作用，其位置作为系统的基准坐标0点储存于系统。
挖掘系统继续挖掘沟槽，12米的长度需要在0.5小时内完成。
机器人平台上的测量系统测量当前管件的放置位置，并将其当前三维坐标反馈给控制系统，水平驱动主机架1按照Z轴坐标，在机器人平台上移动，调整与管件的位置达到最佳；控制系统驱动机械臂组件(管件抓取输送分系统3)的两个X向(与平台长度方向垂直的水平方向)横梁(机械臂301)、Y向(垂直方向)竖臂(伸缩装置302)达到管件X、Y坐标的相应位置，竖臂下端铰接一个抓取机构(抓手303)，抓取机构在其控制系统的驱动下锁住当前管件，在控制系统的驱动下，水平驱动主机架1做Z向移动，机械臂组件做X、Y向移动，把当前管件送到机器人平台内部的管件端面预处理分系统4的所在位置，当前管件的轴线与管件端面预处理分系统4的两端卡紧机构的中心连线重合，管件端面预处理分系统4的两端卡紧机构顶进当前管件两端内孔涨紧固定，为了减少管件转动引起的振动及其对端面处理、焊接过程的影响，平台上的支撑轮402顶起，使当前管件的挠度为0。机械臂组件松开收起复位，管件端面预处理分系统4的两端卡紧机构同时同步转动，分布在每一个卡紧机构外侧的4个刀具分别同时转动，先有对称分布的两个铣刀对当前管件的每个端面同时进行车铣组合加工，在车铣组合加工的最后一道加工的同时，由砂轮对车铣最后一道加工产生的毛刺进行整理，使车铣磨加工几乎同时完成，两个端面的平面、坡口符合焊接工艺要求；在当前管件端面预处理的同时，在线测量分系统对当前管件的两个端面进行同步测量，分别测量当前管件每个端面的几何尺寸及其位置坐标，当前管件的两个端面预处理完成的同时，测量工作也同时完成，控制系统对测量数据进行分析，筛选出最大壁厚和最小壁厚尺寸数据，并追踪其位置坐标记录在控制系统中，在当前管件上分别做出明显标示两端各自最大、最小壁厚位置。控制系统查阅上一件管件焊接端面D的最大、最小壁厚及其端面X、Y位置坐标，控制系统驱动管件端面预处理分系统4两端的卡紧机构旋转，旋转角度按照当前管件当前管件焊接端面C与上一件管件焊接端面D隔壁重合面积最大原则进行匹配。匹配完成，控制系统驱动机械臂组件与当前管件锁紧，上述支撑轮402和卡紧机构松开退出归位。
控制系统驱动机械臂组件Y向下沉，水平驱动主机架Z向和机械臂组件X向驱动机构进行微调，把当前管件放置在上一件管件轴线的延长线上，然后控制机构驱动水平驱动主机架1水平Z向移动，使当前管件穿过焊接组件B内孔，使当前管件焊接端面C与焊接组件B端的距离符合操作规程规定，然后焊接组件B与当前管件锁紧固定，系统驱动水平驱动吊钩组件8与当前管件焊接端面D锁紧固定，中间支撑组件7在当前管件中部将当前管件托起，机械臂组件松开退出归位。控制系统驱动焊接组件A端伸出拉杆，拉杆插进焊接组件B端相应槽孔，控制系统驱动拉杆旋转90°与焊接组件B端固定，控制系统驱动拉杆回收，使当前管件焊接端面C与上一件管件焊接端面D接触固定。在线测量分系统检查当前管件姿态是否符合管道铺设规范，驱动当前管件焊接端面D的吊钩组件8在X、Z方向移动，对当前管件姿态进行微调直至达到要求。控制系统驱动分布于4个对称位置的焊枪对两个端面进行点焊固定。控制系统驱动焊接组件A与B两端解锁，焊接组件A的拉杆回转90°回收复位。控制系统驱动焊接组件A端上的均匀对称分布的4个焊枪，同时从4个象限点分别起焊，每个焊枪每个焊层沿圆周轨道焊接1/4圆周，之后控制系统驱动焊枪管件径向提升一个焊层高度，在前一个焊枪焊就的焊层上继续焊接1/4圆周，顺序焊接完成。焊缝整体至少由3层焊层累积组成，焊层之间不得有缺陷。焊接完成，控制系统驱动焊接组件A上的无损探伤系统(光学超声监测装置508)对焊缝进行检查，对检查出的焊缝缺陷进行报警并进行现场标识、系统存储记录、打印输出。焊接程序完成，控制系统驱动焊接组件A和B两端分别与当前管件解锁松开。
机器人平台收起伸缩支撑臂，支起履带6，以保证平台Y坐标基准0点不变。机器人平台沿挖掘系统已经挖好的沟槽移动约12米，同时焊接组件也随机器人平台移动相应位置，到达系统指定的下一个焊接位置，控制系统驱动可升降吊钩组件与当前管件解锁移开。
在机器人平台Z向前行移动时，土方回填系统逐步把土方回填至沟槽并夯实，对当前管件起支撑作用。
机器人平台到达系统新的指定后，伸出伸缩支撑臂，收起履带6，焊接组件A端与当前管件焊接端面D锁紧固定。
上述过程必须在0.5小时内完成，循环连续进行，直至工程结束。
在管道施工期间，施工人员可以在机器人平台顶部的操作人员的野外全天候长期生活保障分系统的房屋内生活、起居、休息、用餐、娱乐。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种大口径管道自动连续铺设作业机器人，其特征在于：包括平台、主机架(1)、操作室、导航分系统、管件抓取输送分系统(3)、管件端面预处理分系统(4)、在线测量分系统、管件支撑分系统、焊接及其质量检查分系统(5)和控制系统；
所述平台底部设有用于移动的履带(6)；
所述主机架(1)能够相对平台Z向水平移动；
所述操作室设置在平台上；
所述导航分系统用于对施工现场进行初步定位，以保证整个机器人行驶至施工现场；
所述管件抓取输送分系统(3)用于抓取管件并将管件送至沟槽内，该管件抓取输送分系统(3)包括安装在主机架(1)上的两个能够实现X向水平移动的机械臂(301)、分别安装在两个机械臂(301)端部的两个伸缩装置(302)以及用于抓取管件的两个抓手(303)，所述两个抓手(303)分别安装在两个伸缩装置(302)输出端且该两个抓手(303)能够Y向竖直移动；
所述管件端面预处理分系统(4)用于对管件两端进行坡口加工，该管件端面预处理分系统(4)包括能够自主转动并对称安装在平台上且用于固定管件的两个涨紧机构、能够转动地安装在两个涨紧机构上且用于对管件两端进行坡口加工的多个刀具以及可收放的安装在平台上且用于顶起管件的多个支撑轮(402)，所述两个涨紧机构能够相对伸缩，该两个涨紧机构插进管件两端内孔并涨紧固定，且两个涨紧机构的转动能够带动管件一起转动；所述在线测量分系统在端面预处理分系统对管件的两个端面处理的同时进行同步测量，分别测量管件每个端面的几何尺寸及其位置坐标，并将测量数据发送至所述控制系统，控制系统对最终测量数据进行分析，筛选出最大壁厚和最小壁厚尺寸数据，并追踪其位置坐标记录在控制系统中，在管件上分别做出明显标示两端各自最大、最小壁厚位置，控制系统再驱动管件端面预处理系统两端的涨紧机构旋转停止时，当前管件的当前焊接端面与前一件管件的当前焊接端面按照重合面积最大原则进行匹配；
所述管件支撑分系统用于支撑已放入至沟槽内的管件，该管件支撑分系统包括托起在管件中部的中间支撑组件(7)和能够升降且用于锁紧固定在管件前端的吊钩组件(8)，所述中间支撑组件(7)可收放的安装在平台底盘中部，所述吊钩组件(8)上端通过一滑行机构与平台底盘连接，下端设有一能够插入到管件内孔中并锁定管件的卡紧块(801)，在滑行机构和卡紧块(801)之间设有一伸缩杆，所述伸缩杆上还设有用于检查当前管件姿态的第一摄像测量装置，所述第一摄像测量装置的测量数据经所述在线测量分系统发送至控制系统，控制系统控制驱动所述吊钩组件(8)在X向和Z向移动，对当前管件姿态进行微调直至符合管道铺设规范；
所述焊接及其质量检查分系统(5)，其可收放的安装在平台底盘后端且用于焊接当前管件和前一件管件间的连接处，该焊接及其质量检查分系统(5)包括焊接组件A(501)和焊接组件B(502)，所述焊接组件A(501)和焊接组件B(502)均为环体结构，该焊接组件A(501)和焊接组件B(502)内环周向分别设有多个滚动支架(503)，每个滚动支架(503)底部安装有滚轮和用于吸附在管件上的第一电磁吸盘(504)，所述焊接组件A(501)上设有环形导轨装置(505)，所述环形导轨装置(505)上安装有多个焊机行走机构(506)，每个所述焊机行走机构(506)上分别设有一用于焊接当前管件和前一件管件连接处的焊枪(507)和一用于对焊缝进行检查的无损探伤监测装置(508)，所述焊接组件A(501)上还设有多个能够伸缩的拉杆(509)，其中拉杆(509)的外端固定有一个长圆结构，拉杆(509)伸出长圆结构插入到焊接组件B(502)上相应形状的槽孔内，再旋转拉杆(509)90°，拉杆(509)上的长圆结构与焊接组件B(502)上的槽孔孔型呈十字交叉状态后回收锁紧以将焊接组件A(501)和焊接组件B(502)固接在在一起，所述焊接组件B(502)上还设有一用于测定焊接组件B和管件位置的第二摄像测量装置(510)，所述第二摄像测量装置(510)的测量数据经所述在线测量分系统发送至控制系统，控制系统控制焊接组件B(502)锁定管件；
所述控制系统用于控制整个机器人的作业动作。
2.按照权利要求1所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人，其特征在于：所述履带(6)数量为两条且两条履带(6)分置在平台底部两侧。
3.按照权利要求1所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人，其特征在于：所述履带(6)数量为四条且四条履带(6)分置在平台底部的四个角落，所述平台能够相对四条履带(6)升降，每个所述履带(6)均可实现转向。
4.按照权利要求1所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人，其特征在于：所述平台上还设有能够升降的居住室(9)。
5.按照权利要求1所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人，其特征在于：所述导航分系统采用北斗导航系统或GPS导航系统或格洛纳斯导航系统或伽利略导航系统。
6.按照权利要求1所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人，其特征在于：每个所述伸缩装置(302)上分别设有一用于探测管件的探测器，以保证两个抓手(303)能够准确的获取管件。
7.按照权利要求1所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人，其特征在于：每个所述涨紧机构分别包括胎具架(403)、通过滚动轴承(404)套装在胎具架(403)外部的回转涨胎套(405)、分别通过一弹涨臂(406)周向固接在回转涨胎套(405)端部的多个锥形涨紧块(407)以及与锥形涨紧块(407)配合使用且用于涨起锥形涨紧块(407)的锥塞(408)，所述胎具架(403)通过支撑导柱(409)与一动力气缸输出端连接以实现胎具架(403)的伸缩运动，所述回转涨胎套(405)外部设有一大齿轮(410)，该大齿轮(410)与一电机输出端的齿轮啮合以实现回转涨胎套(405)能够相对胎具架(403)转动并带动管件转动，所述锥塞(408)中部通过推力轴承与一油缸输出杆(411)能够相对转动地连接，该锥塞(408)在油缸输出杆(411)的带动下能够做伸缩运动以实现对锥形涨紧块(407)的涨起和复位。
8.按照权利要求1所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人，其特征在于：所述中间支撑组件(7)底部设有一承载块，所述承载块上部形成有与管件贴合的半圆形凹槽，下部设有一行走轮，所述承载块两侧分别竖直固接有一连接杆，两个所述连接杆上端分别与平台底盘铰接，且两个所述连接杆上部还分别通过一气缸与平台底盘连接，以实现中间支撑组件(7)的收放。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人，其特征在于：所述焊接组件A(501)两侧分别竖直固接有一竖直杆，两个所述竖直杆上端分别与平台底盘铰接，且两个所述竖直杆上部还分别通过一气缸与平台底盘连接，以实现焊接及其质量检查分系统(5)的收放，所述焊接组件A(501)底部还设有一转动轮。
10.一种通过如权利要求9所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人实现的作业方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)机器人移动至已挖好的土方作业面上，根据导航分系统做精确初始定位,然后放出伸缩支撑臂,收起履带(6)；
2)机器人平台上的中间支撑组件(7)和焊接及其质量检查分系统(5)首先支起，直至与平台平面垂直；主机架(1)上的管件抓取输送分系统(3)中的探测器探测管件的位置并反馈给控制系统，控制系统驱动管件抓取输送分系统(3)的两个抓手(303)抓起该管件，并在控制系统的控制下自动完成起吊、横向运送到机器人平台上指定的管件端面预处理分系统(4)的位置；
3)管件端面预处理分系统(4)上的两个涨紧机构对管件的两个端面同时进行涨进定位，两个抓手(303)退出收起，平台上的支撑轮(402)顶起，以保持管件水平方向挠度为0，然后进行铣车平面、铣车坡口、磨削边角毛刺作业，端面加工完成后平台上的支撑轮(402)收回；
4)在管件端面预处理分系统(4)对管件进行加工的同时，在线测量分系统对管件进行端面尺寸测量，分别检出两端的最大直径和最小直径，并对两端的最大和最小直径的数值及所在位置做出标记，同时在控制系统内记录并存储其准确坐标位置；
5)管件抓取输送分系统(3)的两个抓手(303)重新抓起管件，管件端面预处理分系统(4)上的两个涨紧机构收回，两个抓手(303)垂直运送管件至地下沟槽内的管件焊接水平位置，然后管件做Z向水平运动，管件焊接端面C从焊接及其质量检查分系统(5)的焊接组件B(502)的内孔穿过，吊钩组件(8)从管件焊接端面D插入管件内孔并与焊接端面D锁定，承担管件的支撑作用，管件抓取输送分系统(3)的两个抓手(303)松开退出归起始位，第一摄像测量装置(802)对管件的姿态进行测量并经所述在线测量分系统反馈给控制系统，控制系统按照系统指定的姿态驱动吊钩组件(8)，待吊钩组件(8)将管件调整好其水平姿态并精确定位后，回填设备随后向沟槽内回填土方，并起到支撑作用，机器人平台收起伸缩支撑臂，机器人平台沿管件管壁做Z向机动，焊接及其质量检查分系统(5)随机器人平台继续机动，接近管件的焊接端面D时，吊钩组件(8)松开退出，至管件焊接端面D系统规定的焊接位置时，焊接组件B(502)已移开管件，焊接组件A(501)锁紧在管件上，管件的定位由焊接组件A(501)承担；
6)主机架(1)上的管件抓取输送分系统(3)中的两个抓手(303)抓起预定位置的当前管件，并在控制系统的控制下自动完成起吊、横向运送到机器人平台上指定的管件端面预处理分系统(4)的位置；
7)重复步骤3)和步骤4)；
8)在线测量分系统调出上一个管件焊接端面D的尺寸信息，与当前管件焊接端面C的数据进行比对匹配，按照最大重合面积原则，调整当前管件的角度；
9)管件抓取输送分系统(3)垂直运送当前管件至地下管件焊接水平位置，然后驱动当前管件做Z向水平运动，当前管件的焊接端面C从焊接组件B(502)内孔穿过，与焊接组件A(501)的轴线重合，当焊接组件B(502)与当前管件当前焊接端面的距离符合控制系统规定时，焊接组件B(502)与当前管件锁紧固定，在焊接组件A(501)上可伸缩的拉杆(509)的作用下当前管件做Z向水平运动，与上一个管件的焊接端面D相接触，然后锁紧，将焊接组件A(501)和与当前管件固定在一起的焊接组件B(502)固接在一起；
10)控制系统驱动吊钩组件(8)与当前管件的焊接端面D锁紧固定；
11)控制系统驱动中间支撑组件(7)托起当前管件中部；
12)控制系统对当前管件做姿态调整；
13)焊接及其质量检查分系统(5)对两个管件进行对称的点焊固定，焊接组件A(501)上的4个焊枪从4个彼此对称的点同时起焊，焊缝整体至少分3层累积，每个焊枪在同一焊层负责1/4圆周的焊接，进行第二层焊接时，4个焊枪都提高一个即时焊层高度，对下一个1/4圆周进行焊接，以此类推，直至达到焊接要求；
14)无损探伤监测装置(508)对焊缝进行无损探伤检查，对检查出的瑕疵进行现场报警及标记并反馈给控制系统储存打印输出，其缺陷由控制系统采取补偿措施；
15)焊接组件A(501)和焊接组件B(502)均与上一个管件解锁松开，拉杆(509)回转解锁，焊接组件B(502)挂接在拉杆(509)上；
16)机器人平台收起伸缩支撑臂，支起履带(6)，以保证平台Y坐标基准0点不变；机器人平台沿当前管件管壁做Z向机动，回填设备随后回填土方，回填土方起到支撑作用，焊接及其质量检查分系统(5)随机器人平台继续机动，接近当前管件的焊接端面D时，吊钩组件(8)松开退出，当机器人平台机动至当前管件的焊接端面D系统规定的焊接位置时，焊接组件B(502)已移开当前管件，当前管件的定位由焊接组件A(501)承担；
17)机器人平台沿土方挖掘设备挖出的路线前进，至一个管件长度单位暂停,然后放出伸缩支撑臂，收起履带(6)；
18)挖掘设备继续挖掘一个管件单位长度的沟槽；
19)循环进行步骤6)至步骤18)。
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