CN110253368A - 一种电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，包括上磨头和下磨头，因而可实现对螺旋焊缝钢管或直焊缝钢管内外同时进行焊缝修磨，节约焊缝修磨时间。因而改变了以往通过手工作业或使用自动化专机所带来的效率低下等问题。其次能够实现焊缝自主检测，自动磨削，改变了现有技术所带来的修磨质量低下等问题，能够进行精准修磨，提高修磨质量。移动轮采用超弹性材料聚氨酯制成，通过与螺旋焊缝钢管的接触，可增大接触面，为机构提供稳定的驱动力。吸附爬行装置通过胀紧套与固定移动轮的结构连接，通过胀紧套的胀紧连接，可以根据不同管径来调节设备尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及修磨器械领域，尤其涉及一种电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备。
背景技术
西气东输是西部大开发的标志性工程，项目是将塔里木和长庆气田的天然气通过输气管道输送至华东地区的输气工程，该工程所选用的输气管道主要为螺旋焊管，为了保障工程质量，对输气管(螺旋焊接钢管)管端的对接焊缝余高等提出了严格的要求。APISPEC5L标准和GBT9711.1—1997标准中均明确规定：钢管两端距管端至少150mm长度范围内的内外焊缝余高均应清除，清除后内焊道超出钢管表面部分应小于0.5mm，但不能低于管体，磨削时不能明显伤及母材。
然而，在修磨器械领域，目前还存在以下问题：
1、现有的修磨方法通常通过手工作业或使用自动化专机的方法进行修磨，前者生产效率低下、劳动强度较大、工作成本高、对周围环境污染严重、加工精度难以保证,还经常磨伤基体表面，且在实际生产过程中由于钢管焊缝是曲面间连接,焊缝的加工量更大，使其加工质量更难保证。后者通常只能针对某种特定结构的零件，生产柔性化程度不高，成本高昂。
2、对于直焊缝或者螺旋焊缝，通常需要使用不同的设备来完成。
3、许多现有的修磨设备仅能修磨钢管的内壁或外壁，无法同时修磨内外壁。
4、现有爬壁设备的壁面吸附功能不足，在一些特殊情况下并不能稳定牢固的吸附在钢管上。
5、如何控制电机的制动、实现机器的停转也是当前要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，主要解决现有技术修磨设备吸附不牢固、不能管壁内外同修、修磨效率低的问题，同时还能实现一机多用功能。因此，设计一种电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，不仅可使设备稳定牢固的吸附在钢管上，同时还可以大大提高磨削的质量、精度和速度，还可以节约大量劳动力，具有重要的实用价值。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，包括上磨机构、吸附爬行装置和下磨机构，所述上磨机构连接在吸附爬行装置一面，所述下磨机构位于吸附爬行装置另一面；
所述上磨机构包括上磨头，所述上磨头用于对管壁外表面的焊缝进行修磨；
所述下磨机构包括下磨头，所述下磨头用于同时对管壁内表面的焊缝进行修磨；
所述吸附爬行装置包括动力系统和支架框，支架框呈相应弧状，在支架框两侧设置有移动轮，移动轮的中心轴线与钢管的中心轴线平行，移动轮外侧设置有电磁铁，所述动力系统为移动轮提供动力。
优选的，所述上磨机构还包括上部二自由度平台，所述上部二自由度平台连接在吸附爬行装置上，上部二自由度平台上连接有上磨头，所述上磨机构通过上部二自由度平台与支架框连接；所述下磨机构包括下部二自由度平台，下磨机构与上磨机构的结构完全相同并且绕吸附爬行装置对称设置，所述下磨机构通过弯梁支撑结构与吸附爬行装置连接。
更优选的，所述上磨机构可在上部二自由度平台上做直线位移；下磨机构可在下部二自由度平台上做直线位移。
进一步，在所述上部二自由度平台和下部二自由度平台上均设置有位移传感器，所述上磨头和下磨头前方均设置有上视觉检测仪。所述上磨头和下磨头通过电机带动反向运转。
针对吸附爬行装置，优选的，所述支架框与移动轮的连接处设置有胀紧套。
进一步，在所述支架框两侧对称设置有两个安装板，安装板相交与支架框所在平面，在所述安装板上设置移动轮，所述移动轮采用聚氨酯弹性体材料制成。
更优选的，在所述支架框的一侧设置有一个长颈移动轮，在支架框的另一侧并排设置有多个短颈移动轮。
同时，本发明所述的电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备还包括控制器，所述控制器用于在吸附爬行装置到达焊缝位置时向动力系统发出抱死指令，使得移动轮快速停止转动。
进一步，所述控制器同时还具有报警功能，用于在移动轮走偏时发出警报；
所述控制器同时还具有照明功能，用于在光线不佳情况下对管壁及焊缝照明。
与现有技术相比，本发明的效果在于：
(1)采用上下修磨机构，能够同时实现对管壁内外焊缝的同时修磨，工作效率高；并且采用上下磨头反向磨削，不仅可平衡磨削力，减小磨削力对设备的影响。
(2)采用电磁吸附方式，吸附牢靠，同时，电磁铁安放在移动轮外侧，可以规避焊缝，而且能够保障电磁铁提供足够的电磁吸附力，使设备吸附在钢管上进行稳定移动，同时具有控制方便，功率密度大等优点。
同时，吸附爬行装置的移动轮选择硬度较小的聚氨酯弹性体材料制成，其耐磨性十分优越，非常适合做摩擦驱动材料，可以在与钢管接触时提供较大的摩擦力，从而为设备在钢管外壁爬行提供足够的驱动力。同时聚氨酯弹性体弹性高，可增大移动轮与钢管间的接触面，将聚氨酯的移动轮与磁吸结合，能够协同发挥出最大吸附性能。
(3)采用一套控制系统，具有扫描识别焊缝、自主移动等功能，完全自动化，改变了以往通过手工作业或使用自动化专机所带来的效率低下、精度不高等问题。
(4)适用范围广，一机多用。通过胀紧套实现移动轮尺寸以及前后移动轮间距的合理调节，可用于直焊缝、螺旋焊缝的修磨。
(5)到达达焊缝位置时，通过控制器向电机发出抱死指令，电机抱死，可以实现快速制动，使得移动轮快速停止转动，提高效率。
附图说明
图1为电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备的结构示意图；
图2为吸附爬行装置的结构示意图；
图3为上磨机构(或下磨机构)示意图；
图4为不含二自由度平台的上磨机构(或下磨机构)示意图。
图中：1、上视觉检测仪；2、上磨头；3、上部二自由度平台；4、焊缝钢管；5、吸附爬行装置；6、下部二自由度平台；7、下磨头；8、下视觉检测仪；9、弯梁支撑装置；5-1、胀紧套；5-2、移动轮；5-3、磁吸装置；5-4、支架框；5-5、安装板。
具体实施方式
本发明所述二自由度设备为常规机构，即台面有两个角运动的自由度，也称双轴转台，通常包括法向伺服进给系统、丝杠等。用于本申请的装置中时，二自由度平台的法向伺服进给系统带动磨头往靠近焊缝的方向运动，轮子转动配合径向丝杠移动以找到其他焊缝。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-4，本实施例提供了一种电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修打磨设备，包括上下磨机构和吸附爬行装置5，上磨机构包括上视觉检测仪1，其与上磨头2固定连接，上磨头2与上部二自由度平台3固定连接，上部二自由度平台3与吸附爬行装置5固定连接；弯梁支撑结构9与吸附爬行装置5固定连接，弯梁支撑装置9与下部二自由度平台6固定连接，下视觉检测仪8与下磨头7固定连接，下磨头7与下部二自由度台6固定连接，可以实现管壁内外同时磨削，工作效率高。
进一步，本发明的装置在工作时，上磨头2和下磨头6反向磨削，不仅可平衡磨削力，减小磨削力对设备的影响，而且可对钢管内外同时进行焊缝修磨，节约焊缝修磨时间，因而改变了以往通过手工作业或使用自动化专机所带来的效率低下等问题。
同时，在磨头上安装高精度的视觉检测仪1和7，具有自主识别焊缝，重构三维螺旋焊缝功能，能够实现焊缝自主检测，自动磨削。在二自由度平台3和5上安装高精度的位移传感器，实现对焊缝的精准识别、定位以及修磨。应用在闭环伺服系统中，可以实现闭环反馈，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。当从管端磨削长度达标时，位移传感器会将其反馈至控制器，此时不需要再继续进行磨削，从而实现对螺旋焊缝或者直焊缝的精准识别。
本发明的装置，同时还包括控制器，到达焊缝位置时，通过控制器向吸附爬行装置5的电机发出抱死指令，电机抱死，可以实现快速制动，使得移动轮5-2快速停止转动，提高效率。
优选的，吸附爬行装置5的移动轮5-2选择硬度较小的聚氨酯弹性体材料制成，其耐磨性十分优越，非常适合做摩擦驱动材料，可以在与钢管接触时提供较大的摩擦力，从而为设备在钢管外壁爬行提供足够的驱动力。同时聚氨酯弹性体弹性高，可增大移动轮与钢管间的接触面，且聚氨酯弹性体具有减震，耐磨，寿命长，噪音小、传动效率高等优点。
本发明的装置，使用时，视觉检测仪自主识别螺旋或直焊缝位置后，吸附爬行装置5负载上下磨头到达指定焊缝位置，若是移动轮走偏，报警系统会自行启动直至到达指定位置后警报解除，此时控制器发出抱死指令，吸附爬行装置5立即停止运动，开始进行管壁内外反向修磨，当位移传感器检测到修磨的焊缝长度达到相关标准要求时，停止修磨，磨头返回初始位置，若是记忆功能记录有修磨不合格的焊缝，就会进行二次修磨，在光线不佳情况下，可以开启照明系统。
为了增加修磨设备的适用性能，对吸附爬行装置5采用胀紧套5-1连接，胀紧套5-1连接具有对中精度高；安装、调整、拆卸方便；强度高，联结稳定可靠等优点；通过改变左、右移动轮位置来实现整机尺寸调节的装置，因而可对不同尺寸的钢管进行修磨。该调节装置调节方便，连接可靠，具有较大的刚性，超载时可以保护设备不受损坏。
进一步，安装板5-5相交于支架框5-4所在平面，安装板5-5与支架框呈一定夹角，并且夹角可以调节，以便配合胀紧套适应不同管径。
进一步，磁吸装置5-3可以采用电磁铁，将其安放在移动轮外侧，不仅可以规避焊缝，而且能够保障电磁铁提供足够的电磁吸附力，使移动轮5-2在焊缝钢管4上进行移动，同时具有控制方便，功率密度大等优点。
本发明的装置，不仅可以用于钢管直焊缝内外同时修磨，也可用于一些特殊工况下螺旋焊缝的内外同时修磨。由于螺旋焊缝钢管外壁的特殊工况和轮式移动方式避障能力较差，为配合修磨执行机构设计的吸附爬行装置5，如果用较长的移动轮5-1虽然能保证较大的接触面和提供稳定的驱动力，但是传递动力性能较差，最重要的是在修磨工作中移动轮无法避开焊缝，这将造成整机的倾颤，不仅影响焊缝的修磨精度，严重时会发生安全事故，因此通过对移动轮的极限位置分析，优选的，在所述支架框5-4的一侧设置有一个长颈移动轮，在支架框5-4的另一侧并排设置有多个短颈移动轮，综合考虑到驱动和避开焊缝。同时，也可以通过选择合适的移动轮尺寸及前后移动轮间距以规避焊缝，具体的移动轮尺寸及前后移动轮间距视具体焊缝情况而定。
本发明的工作原理如下：
本发明提供了一种电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，上视觉检测仪1与上磨头2固定连接，上磨头2与上部二自由度平台3固定连接，上部二自由度平台3与吸附爬行装置5固定连接；机械臂抓取与弯梁支撑结构9与吸附爬行装置5固定连接，机械臂抓取和支撑装置9与下部二自由度平台6固定连接，下轮廓仪8与下磨头7固定连接，下磨头7与下部二自由度台6固定连接。
工作时，电机带动设备在焊缝钢管4上运动，此时磨头上的高精度的上下视觉检测仪1和8，能够将信息发送至控制系统，识别到焊缝时，二自由度平台的法向伺服进给系统带动磨头往靠近焊缝的方向运动，对焊缝进行内外磨削，磨削完成后，磨头回到初始位置，此时对焊缝再次进行扫描，对未修磨或修磨精度不达标的记录下来以便进行二次打磨。一处打磨完成后，轮子转动配合径向丝杠移动以找到其他焊缝，再次进行修磨，实现焊缝自主检测，自动磨削。
同时本发明的控制器同时还具有报警功能，用于在移动轮走偏时发出警报，重新确定吸附爬行装置5的行动轨迹。
所述控制器同时还具有照明功能，用于在光线不佳情况下对管壁及焊缝照明，用于提供较佳光线。
针对设备所面向的工程是西气东输所选用的输气管道主要为螺旋焊管，且APISPEC5L标准和GBT9711.1—1997标准中均明确规定：钢管两端距管端至少150mm长度范围内的内外焊缝余高均应清除，因此在二自由度平台上的轴向伺服进给系统上安装高精度的位移传感器，当从管端磨削长度达到150mm，传感器会将其反馈至控制系统，此时不需要再继续进行磨削，从而实现对螺旋焊缝的精准识别、定位以及修磨。具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。
全自动焊缝修磨设备的工作对象为输送燃气的螺旋焊钢管，而在实际工程中对此类钢管有着不同的管径应用要求，为了增加修磨设备的适用性能，对吸附爬行装置采用胀紧套连接，胀紧套连接具有对中精度高；安装、调整、拆卸方便；强度高，联结稳定可靠等优点；利用胀紧套的作用，通过改变左、右移动轮位置来实现整机尺寸调节的装置，因而可对不同尺寸的钢管进行修磨。同时该调节装置调节方便，连接可靠，具有较大的刚性，超载时可以保护设备不受损坏。
由于钢管外壁的特殊工况和轮式移动方式避障能力较差，为配合修磨执行机构设计的吸附爬行装置，如果用较长的移动轮虽然能保证较大的接触面和提供稳定的驱动力，但是传递动力性能较差，最重要的是在修磨工作中移动轮无法避开焊缝，这将造成整机的倾颤，不仅影响焊缝的修磨精度，严重时会发生安全事故，因此通过对移动轮的极限位置分析，可选择合适的移动轮尺寸及前后移动论间距以规避焊缝。
Claims (10)
1.一种电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，其特征在于，包括上磨机构、吸附爬行装置(5)和下磨机构，所述上磨机构连接在吸附爬行装置(5)一面，所述下磨机构位于吸附爬行装置(5)另一面；
所述上磨机构包括上磨头(2)，所述上磨头(2)用于对钢管管壁外表面的焊缝进行修磨；
所述下磨机构包括下磨头(7)，所述下磨头(7)用于同时对钢管管壁内表面的焊缝进行修磨；
所述吸附爬行装置包括动力系统和支架框(5-4)，所述支架框(5-4)呈与钢管管壁配合的弧状，在支架框(5-4)两侧设置有移动轮(5-2)，移动轮(5-2)的中心轴线与钢管的中心轴线平行，移动轮(5-2)外侧设置有磁吸装置(5-3)，所述动力系统为移动轮(5-2)提供动力。
2.如权利要求1所述电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，其特征在于，所述上磨机构还包括上部二自由度平台(3)，所述上部二自由度平台(3)连接在吸附爬行装置(5)上，上部二自由度平台(3)上连接有上磨头(2)，所述上磨机构通过上部二自由度平台(3)与支架框(5-4)连接；
所述下磨机构包括下部二自由度平台(6)，下磨机构与上磨机构的结构完全相同并且绕吸附爬行装置(5)对称设置，所述下磨机构通过弯梁支撑结构(9)与吸附爬行装置(5)连接。
3.如权利要求2所述电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，其特征在于，所述上磨机构可在上部二自由度平台(3)上做位移；下磨机构可在下部二自由度平台(6)上做位移。
4.如权利要求2所述电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，其特征在于，在所述上部二自由度平台(3)和下部二自由度平台(6)上均设置有位移传感器，位移传感器用于检测并传输磨削长度达标信号；
所述上磨头(2)前方设置有上视觉检测仪(1)、下磨头(7)前方设置有下视觉检测仪(8)，均用于扫描寻找需要修磨的焊缝位置。
5.如权利要求1或2所述电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，其特征在于，所述上磨头(2)和下磨头(7)通过电机带动反向运转。
6.如权利要求1或2所述电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，其特征在于，所述支架框(5-4)与移动轮(5-2)的连接处设置有胀紧套(5-1)。
7.如权利要求6所述电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，其特征在于，在所述支架框(5-4)两侧对称设置有两个可调节的安装板(5-5)，安装板(5-5)相交于支架框(5-4)所在平面，在所述安装板(5-5)上设置移动轮(5-2)，所述移动轮(5-2)采用聚氨酯弹性体材料制成。
8.如权利要求1所述电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，其特征在于，在所述支架框(5-4)的一侧设置有一个长颈移动轮，在支架框(5-4)的另一侧并排设置有多个短颈移动轮，所述长颈移动轮的高度高于短颈移动轮。
9.如权利要求1或4所述电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，其特征在于，所述电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备还包括控制器，所述控制器用于识别焊缝并在吸附爬行装置到达焊缝位置时向动力系统发出抱死指令，使得移动轮快速停止转动。
10.如权利要求9所述电磁铁吸附自走式钢管焊缝内外同修设备，其特征在于，所述控制器同时还具有焊缝记忆功能，对未修磨或修磨精度不达标的焊缝进行记录指导二次修磨；
所述控制器同时还具有报警功能，用于在移动轮走偏时发出警报；
所述控制器同时还具有照明功能，用于在光线不佳情况下对管壁及焊缝照明。
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