CN107813339A - 石油管道铺设机器人的激光平衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油管道铺设机器人的激光平衡系统，其中激光平衡控制系统包括激光平衡系统、集成平衡控制系统、液压控制调整系统、三坐标水平控制模块和液压调整执行机构；集成平衡控制系统通过接收光电信号转换器输出的高电平信号和三坐标水平控制模块的高电平信号，经逻辑算法程序输出高电平信号通过液压控制调整系统调整对角线四方向的液压调整执行机构，使管道铺设机器人平台时时保持水平平衡状态，保证管道坡口焊接的精度；本发明的管道铺设机器人的激光平衡控制系统有效的解决了管道铺设机器人在地形复杂条件下的水平平衡的问题，提高了铺设的效率、精度和质量，对于管道铺设机器人的升级换代具有重大意义。

Description

石油管道铺设机器人的激光平衡系统

技术领域

本发明涉及一种管道铺设设备，尤其是一种石油管道铺设机器人的激光平衡系统。

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。而管道运输的经济性更具有竞争力，管道运输具有数以千计千米的市场规模。针对申请号为2015108436846的《一种大口径管道自动连续铺设作业机器人》的专利和申请号：2015108436244的《大口径管道自动连续铺设作业机器人及其作业方法》的专利在实际施工中存在水平平衡问题，进行了多次实验，基于角动量守恒的理论设计实验了“激光平衡控制系统”，有效的解决了管道铺设机器人在野外地形复杂条件下的水平平衡调整耗时的问题，同时提高了管道铺设的效率、精度和质量，对于管道铺设机器人的升级换代具有重大意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是管道铺设机器人在铺设过程中的水平平衡问题。

为了解决上述技术问题，本发明的石油管道铺设机器人的激光平衡系统包括激光传导系统、集成平衡控制系统、液压控制调整系统、三坐标水平控制模块和液压调整执行机构；

所述激光传导系统包括激光发生器、等离子体、Y轴相位传感器、偏频传感器、激光光路L1、激光光路L2、半透半反激光接收器、合光棱镜激光接收器和光电信号转换器；激光发生器在等离子体中产生的激光束通过Y轴相位传感器将相位信号通过激光光路L1传导至半透半反激光接收器，同时激光发生器在等离子体中产生激光束通过偏频传感器将偏频信号通过激光光路L2传导至合光棱镜激光接收器，至此两路光信号经光电信号转换器转换为高电平信号；

所述集成平衡控制系统通过接收激光传导系统的光电信号转换器输出的高电平信号和三坐标水平控制模块的高电平信号，经逻辑算法程序输出高电平信号通过液压控制调整系统调整对角线4方向的液压调整执行机构，使管道铺设机器人平台时时保持水平平衡状态，保证管道坡口焊接的精度。

激光平衡传导系统为前后对称的系统；

液压调整执行机构四套分布于管道铺设机器人平台对角线的四个方向。

本发明的有益效果是：本发明的石油管道铺设机器人的激光平衡系统自动化程度更高，同时有效的解决了管道铺设机器人在野外地形复杂条件下的水平平衡调整耗时的问题，提高了管道铺设的效率、精度和质量，对于管道铺设机器人的升级换代具有重大意义。

附图说明

图1为本发明中石油管道铺设机器人的激光平衡系统结构示意图；

图2为本发明中操作软件界面示意图；

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2，本发明的石油管道铺设机器人的激光平衡系统包括包括激光传导系统1、集成平衡控制系统11、液压控制调整系统12、三坐标水平控制模块10和液压调整执行机构13；

所述激光传导系统1包括激光发生器2、等离子体3、Y轴相位传感器4、偏频传感器5、激光光路L1、激光光路L2、半透半反激光接收器8、合光棱镜激光接收器9和光电信号转换器14；激光发生器2在等离子体3中产生的激光束通过Y轴相位传感器4将相位信号通过激光光路L1传导至半透半反激光接收器8，同时激光发生器2在等离子体3中产生激光束通过偏频传感器5将偏频信号通过激光光路L2传导至合光棱镜激光接收器9，至此两路光信号经光电信号转换器14转换为高电平信号；

所述集成平衡控制系统11通过接收激光传导系统1的光电信号转换器14输出的高电平信号和三坐标水平控制模块10的高电平信号，经逻辑算法程序输出高电平信号通过液压控制调整系统12调整对角线4方向的液压调整执行机构13，使管道铺设机器人平台时时保持水平平衡状态，保证管道坡口焊接的精度。激光传导系统1为前后对称的系统；

液压调整执行机构13四套分布于管道铺设机器人平台对角线的四个方向所述平台底部设有用于移动的履带；

实施例

在野外连续铺设直径1016mm、管长12米、壁厚10毫米且单根净重在3500千克以上的石油输送管道和本发明具有激光平衡控制系统的管道铺设机器人平台及其作业附属机件，经大型运输车辆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)作业时位于主机架的顶部，转场时为了便于运输，其可以下降至主机架内部空间；另外，履带也是安装在可以伸缩的钢梁上，作业时伸出，分别在沟沿两侧运行，运行时4个履带由激光平衡控制系统控制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。

链条式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1.5米深不小于2米长度不小于24米的沟槽。

机器人平台伸出履带，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，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，使平台悬起，起支撑作用，激光平衡控制系统通过激光传导系统1、集成平衡控制系统11、液压控制调整系统12、三坐标水平控制模块10和液压调整执行机构13获得作为系统的基准坐标0点储存于系统。

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)的两个X向(与平台长度方向垂直的水平方向)横梁(机械臂)、Y向(垂直方向)竖臂(伸缩装置)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)，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的所在位置，当前管件的轴线与管件端面预处理分系统的两端卡紧机构的中心连线重合，管件端面预处理分系统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与上一件管件焊接端面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内孔，使当前管件焊接端面与焊接组件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与当前管件焊接端面锁紧固定，中间支撑组件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端伸出拉杆，拉杆插进焊接组件端相应槽孔，控制系统驱动拉杆旋转90°与焊接组件端固定，控制系统驱动拉杆回收，使当前管件焊接端面与上一件管件焊接端面接触固定。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的吊钩组件在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两端解锁，焊接组件的拉杆回转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上的无损探伤系统(光学超声监测装置)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，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，激光平衡控制系统重新获得作为系统的基准坐标0点储存于系统，同时调整平台水平状态，伸出伸缩支撑臂，收起履带，焊接组件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 (3)

1.石油管道铺设机器人的激光平衡系统，其特征在于：包括激光传导系统(1)、集成平衡控制系统(11)、液压控制调整系统(12)、三坐标水平控制模块(10)和液压调整执行机构(13)；

所述激光传导系统(1)包括激光发生器(2)、等离子体(3)、Y轴相位传感器(4)、偏频传感器(5)、激光光路L1(6)、激光光路L2(7)、半透半反激光接收器(8)、合光棱镜激光接收器(9)和光电信号转换器(14)；激光发生器(2)在等离子体(3)中产生的激光束通过Y轴相位传感器(4)将相位信号通过激光光路L1(6)传导至半透半反激光接收器(8)，同时激光发生器(2)在等离子体(3)中产生激光束通过偏频传感器(5)将偏频信号通过激光光路L2(7)传导至合光棱镜激光接收器(9)，至此两路光信号经光电信号转换器(14)转换为高电平信号；

所述集成平衡控制系统(11)通过接收光电信号转换器(14)输出的高电平信号和三坐标水平控制模块(10)的高电平信号，经逻辑算法程序输出高电平信号通过液压控制调整系统(12)调整对角线4方向的液压调整执行机构(13)，使管道铺设机器人平台时时保持水平平衡状态，保证管道坡口焊接的精度。

2.石油管道铺设机器人的激光平衡系统，其特征在于：激光传导系统(1)为前后对称的系统；

3.石油管道铺设机器人的激光平衡系统，其特征在于：液压调整执行机构(13)四套分布于管道铺设机器人平台对角线的四个方向。