CN111515653B - 一种高温连接管的拆装机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温连接管的拆装机器人，包括支架机构（12）、底座机构（13），所述支架机构（12）设置在底座机构（13）上部，所述支架机构（12）上设置多个活动工位，多个活动工位上分别再设置机械爪（14）或机械锤（30），多个所述机械爪（14）定位并分别抓取所述高温连接管的各拆装零件，通过机械爪的空间移动来完成高温连接管各拆装零件的组装和拆分；所述机械锥（30）包括弧形导轨（22）和设置在所述弧形导轨（22）上的锥头（26），所述锥头（26）沿着弧形导轨（22）滑动以实现以不同径向敲击所述高温连接管。本申请不仅在拆装连接管前自动对管路上的冷凝冰渣进行敲击清除处理，而且可以实现高温管路拆装的完全机械化作业。

Description

一种高温连接管的拆装机器人

技术领域

本发明涉及管路的自动拆装机器人，特别是一种特种钢生产过程中高温管路（如氩气管）接头的自动拆装机器人。

背景技术

钢铁企业在生产过程中，为了保证作业品质，需要对大型钢包内的高温钢水进行搅拌，而搅拌的介质有氩气或其他气体。因此钢包底部均设有氩气管路，通过氩气管路将氩气定时定压定量地注入钢包内。向钢包内通氩气的操作不可避免的存在三个问题：一是氩气管路经常需要人工拔插作业；二是与钢包连接的氩气管路的温度非常高，操作具有危险性；三是钢包内的高温钢水时常沸腾并溅落到外部，不定量的钢水溅落到氩气管路接头处凝结，在氩气管接头处凝固的钢液会阻碍接头的插拔。这三个问题不仅涉及到配件的使用寿命，更涉及到作业人员的操作便捷性和安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种管路拆装机器人，代替工人，对高温管路例如钢包外的氩气连接管进行拆装。

本发明的技术方案为：一种高温连接管的拆装机器人，包括支架机构、底座机构，所述支架机构设置在底座机构上部，所述支架机构上设置多个活动工位，多个活动工位上分别再设置机械爪或机械锤，多个所述机械爪定位并分别抓取所述高温连接管的各拆装零件，通过机械爪的空间移动来完成高温连接管各拆装零件的组装和拆分；所述机械锥包括弧形导轨和设置在所述弧形导轨上的锥头，所述锥头沿着弧形导轨滑动以实现以不同径向敲击所述高温连接管。

具体地，所述底座机构包括配重底板和设置在该配重底板底部的万向轮，实现机器人在平地上的自由移动。

具体地，各所述活动工位包括一级滑轨、二级滑轨、三级滑轨、一级滑套、共用滑套，所述一级滑轨、二级滑轨、三级滑轨分别按照空间内左右、前后、上下的方向延伸，所述一级滑套与所述一级滑轨滑动配合、与所述二级滑轨固定连接，所述共用滑套同时与所述二级滑轨和三级滑轨滑动配合，所述机械爪或机械锤分别设置在所在活动工位的三级滑轨上，以此实现爪或机械锤的三维移动。

优选地，所述机械爪包括相对开合布置的两机械指，各机械指再分别由多节金属关节依次通过旋转销构成，所述金属关节上缠绕有电磁线圈，电磁线圈在通电的情况下能够使金属关节产生磁性，通过相邻金属关节的磁性吸引或排斥作用来活动所述金属关节，实现所述两机械指的相对开合动作。本申请通过电磁线圈来活动金属关节，可根据调解电磁线圈中通入电流的大小和变化频率来调解金属关节的磁性强弱，以此可试验出最佳的机械爪握紧力。另外，相对的两机械爪是独立的，因此抓取方式可以实现偏心紧固。

较好的设置是，所述金属关节的内侧设置有柔性垫，依次保护高温连接管的零件，并提高抓紧牢度。

优选地，所述机械锤的锥头设置在机械锤滑套的气腔内，所述锤头包括顶部的磁块和底部的锤体，二者相对固定，所述磁块始终受限在所述气腔内，所述锤体向下伸出于所述气腔，所述气腔上部设置有气孔，通过所述气孔外接气源进而间次性的向所述气腔内通入压力气体将所述锤头间次性向下顶出气腔，实现锤头的顶出作用。以此可以从不同方位对高温连接管进行敲击，将滴落在高温连接管上的凝固的钢液振松。

优选地，所述弧形导轨具有齿轮轨，所述机械锤滑套上安装有齿轮，所述齿轮与齿轮轨啮合，所述齿轮受驱动旋转时带动所述机械锤滑套沿着所述弧形导轨移动。

优选地，所述锤体中空形成下落腔，所述下落腔内设置有若干金属球，若干金属球受所述磁块的吸引作用，而吸附在下落腔顶部，在锤头受压被顶出所述气腔时，所述金属球受惯性作用克服磁性吸引作用而冲向所述锥体的头部形成内部撞击。形成二次撞击，进一步振落牢固的钢液。

优选地，所述金属球包括重量或体积不等的多个金属球，产生不同程度的惯性，产生不同程度的撞击。

与现有技术相比，本发明的优点在于：实现两个功能；一是在拆装连接管前自动对管路上的冷凝冰渣进行敲击清除处理；二是可以实现高温管路拆装的完全机械化作业。集成程度高，完全代替了人工，既能提高作业效率，又可减小了人工作业的受伤风险。消除了钢包的作业隐患。

附图说明

图1为钢包及高温管路示意图；

图2为高温管路拆装简图；

图3为拆装及预处理一体机立体图；

图4为自动作业位置示意图；

图5为支架结构图；

图6为驱动结构图；

图7为工位划分图；

图8为B工位及D工位立体示意图；

图9为机械爪示意图；

图10为机械锤示意图；

图11为机械爪结构图；

图12为安培定则解析图；

图13为机械爪动力原理图；

图14为机械爪不同开口范围示意图；

图15为机械爪抓取不同外形物体示意图；

图16为机械爪偏心式抓取示意图；

图17为机械锤结构图；

图18为机械锤不同角度作业示意图；

图19为机械锤剖面结构图；

图20为锤头结构图；

图21为锤头作业过程中内部金属球落击示意图；

图22为自动作业结构示意图；

图23为起始状态图；

图24为固定状态图；

图25为敲击状态图；

图26为过渡状态图；

图27为自动拆装状态图；

1钢包、2钢包管、3外部管路、4连接管、5快速接头滑套、6拆装机器人、7竖支架、8配重底板、9万向轮、10上部一级滑轨、11下部一级滑轨、12支架机构、13底座机构、14机械爪、15、基座销、16、旋转销、17第一节金属关节、18第二节金属关节、19第三节金属关节、20电磁线圈、21柔性垫、22弧形导轨、23机械锤滑套、24动力装置（旋转驱动电机）、25气孔、26锤头、27磁块、28锤体、29金属球、30机械锤、

A1：A工位一级滑套、A2：A工位二级滑轨、A3：A工位二级三级共用滑套、A4：A工位三级滑轨、B1：B工位一级滑套、B2：B工位二级滑轨、B3：B工位二级三级共用滑套、B4：B工位三级滑轨、C1：C工位一级滑套、C2：C工位二级滑轨、C3：C工位二级三级共用滑套、C4：C工位三级滑轨、D1：D工位一级滑套、D2：D工位二级滑轨、D3：D工位二级三级共用滑套、D4：D工位三级滑轨。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本申请机器人在功能上包含管路接头处冷凝钢渣的敲击和高温管路快速接头的拆装。该结构上包含底座机构13、支架机构12、ABCD四个工位和执行机构。其中底座机构13包括配重底板8和万向动力轮9（图5）。支架机构12包括竖支架7、上部一级滑轨10和下部一级滑轨11（图5）。ABCD四个工位按照逆时针方向设置，ABCD四个工位的滑轨及滑套（图6、图7），分别是A工位一级滑套A1、A工位二级滑轨A2、A工位二级三级的共用滑套A3、A工位三级滑轨A4、B工位一级滑套B1、B工位二级滑轨B2、B工位二级三级共用滑套B3、B工位三级滑轨B4、C工位一级滑套C1、C工位二级滑轨C2、C工位二级三级共用滑套C3、C工位三级滑轨C4、D工位一级滑套D1、D工位二级滑轨D2、D工位二级三级共用滑套D3、D工位三级滑轨D4。执行机构包括机械爪14和机械锤30（图9、图10），B工位和C工位上设置虎口朝上的机械爪14，A工位上设置虎口朝下的机械爪14，D工位上设置机械锤。

如图11所示，机械爪14由两个相对设置的机械指构成，各机械指包括基座销15、旋转销16、第一节金属关节17、第二节金属关节18、第三节金属关节19、电磁线圈20、柔性垫21组成，各金属关节之间通过旋转销16铰接，各金属关节上缠绕电磁线圈20，电磁线圈通电，通电后，电流的作用可使金属关节产生磁性，各金属关节内侧设置柔性垫21，基座销15用于将第一节金属关节17的端部铰接固定到所在工位的三级滑轨上。

如图17、19所示，机械锤30由弧形导轨22、机械锤滑套23、动力装置24、气孔25、锤头26、磁块27、锤体28、金属球29组成。机械锤30的锥头26设置在机械锤滑套23的气腔内，磁块27位于锤体28上部，二者固定设置，并始终受限在气腔内，锤体向下伸出气腔，气腔上部设置有气孔，通过该气孔外接气源，外部气源间次性的通过气孔向气腔内通入压力气体，从而反复将锤头间次性向下顶出气腔，这就是锤头的敲击作用。金属球29有多个，设置在锤体28的下落腔里，并在磁块27的吸引作用下顶在下落腔上部，在锤体被推出气腔外的过程中，金属球29受惯性作用，暂时克服磁性吸引作用，朝向锤体端部撞去，在锤体内部形成二次撞击。

本申请高温连接管的拆装机器人4个关键设计如下：

（1）驱动机构上分布ABCD四个工位，每个工位中的滑轨和滑套既可独立运行，又可协调运行，每个工位均可进行空间内左右、前后、上下三个方位的移动。针对图2中管路的拆装时，第一个动作是拨开快速接头滑套5，第二个动作是拉开外部管路3，在第二个动作时要求AB工位的A1、B1滑轨必须同向等速运行，可确保不损坏管路。

（2）机械锤30具备角度调节功能，这样才能高温连接管上表面保证全方位覆盖，保证任何溅落在高温连接管表面的冷凝钢渣都可以被敲、振落。

（3）机械锤中存在特殊的设计，特殊之处在于特殊的锤头26（图19）。锤头26包含锤体28、内置磁块27、内置大小不等的金属球29（图20）。初始状态下，金属球29被磁块吸附到锤体下落腔上部，在敲击作业时，气体从气孔25进入机械锤滑套23的气腔，从而将锤头向外推出，推出的锤头第一次撞击高温连接管。当锤头撞击完成瞬间，锤头遇阻无法继续前进，此时锤头26下落腔内的金属球29在惯性作用下克服磁力，散落并撞击锤头26的端部，在锤体内部形成二次撞击，此时通过力的传递，锤头26对高温连接管产生再次的撞击。尤其地，当金属球29采用一定数量的大小不同的金属球，它们的撞击力不同，这就使得金属球的撞击形成二次振动效应，震动效应有助于冷凝钢渣的清除。此外，这种设计方案，也是在机械锤作业空间有限的前提下，一种非常优选的方案，它可以在空间有限的条件下发挥出更大、更多次的撞击力。

（4）机械爪的抓紧动力采用电磁力（图11、图13）。机械爪的关节上缠绕电磁线圈，根据安培定则，通过控制不同的电流方向，即可控制电磁线圈的磁极方向，根据“同极相斥、异极相吸”的原理，即可控制机械爪的开合。这种设计的最大好处在于：一方面它是一种变向的万能爪，能适应不同截面形状的物体（图15），另一方面它可以实现偏心抓紧（图16，因为本发明涉及的工作要求上机械爪是执行机构主要功能是“抓紧”，而这种可以偏心抓紧的特性，极大的降低了驱动机构的精度要求。这与其他方式相比，是最显著的一个特点。

本发明的工作原理为：远程操控设备，使其到达预定工位，同时利用驱动机构中滑轨和滑套的配合协作，使各个工位的机械手和机械锤到达指定位置。首先控制B工位和C工位的机械爪抓紧目标管路的两端（图2中钢包管2和连接管4）。然后D工位的机械锤30开始敲击冷凝钢渣（图19），由于机械锤设置有弧形导轨22，因此可以实现多角度敲击；由于锤头中特殊的磁块和吸附金属球的设置，配合惯性原理，可以在敲击过程中形成第一次撞击和多次震动效应，这既在优先的空间内发挥了最大的敲击力，又能利用震动效应更加有效的清除钢渣。之后，AD工位的滑轨滑套协作运行，D工位机械锤让位，A工位机械手抓紧快速接头的滑套5，将其滑开，打开自锁。最后，A工位和B工位同速同向运行，将外部管路分离开。当进行安装作业时，工序相反。B工位机械爪首先抓取连接管4，然后A工位机械爪抓紧快速接头滑套5，之后A工位相对于B工位左右横向滑动，从而打开快速接头的自锁装置，之后C工位的机械爪抓紧钢包管2，紧接着，A工位与B工位同向等速运行将外部管路3安装到位，最后A 工位带动机械爪关闭缩进装置，安装工序完成。

本发明的实施例如图11至图27所示。远程控制设备运行至作业位置，操控工位的滑轨和滑套，使其到达目标位置（图22），各工位的机械爪和机械锤处于待运行状态（图23）。

第一步：B工位三级滑轨调整到连接管4的正下方位置，同时B工位的机械爪将连接管4抓紧。同理，C工位的机械爪将钢包管2抓紧。此时完成管路固定的动作。（图24）

第二步：D工位三级滑轨调整到管路接头的上方，机械锤30开始循环作业（图25）。这里有两个动作保证钢渣的清除效果：一是弧形导轨22的结构保证了机械锤可以变角度大范围覆盖（图18）；二是锤头中特殊的磁块和吸附金属球的设置，配合惯性原理，可以在敲击过程中形成第一次撞击和多次震动效应，这既在优先的空间内发挥了最大的敲击力，又能利用震动效应更加有效的清除钢渣（图20、21）。

第三步：D工位的机械锤移开让位，A工位三级滑轨A4驱动机械爪运行到管路3的快速接头滑套5的上方。（图26）

第四步：A工位三级滑轨A4驱动机械爪伸出并抓紧快速接头滑套5，在一级滑套A1的驱动下，滑套移开，打开自锁（图27）。机械爪抓紧的原理为机械爪的关节上缠绕电磁线圈，根据安培定则，通过控制不同的电流方向，即可控制电磁线圈的磁极方向，根据“同极相斥、异极相吸”的原理，即可控制机械爪的开合。这种设计的最大好处在于：一方面它是一种变向的万能爪，能适应不同截面形状的物体（图15），另一方面它可以实现偏心抓紧（图16），因为本发明涉及的工作要求上机械爪是执行机构主要功能是“抓紧”，而这种可以偏心抓紧的特性，极大的降低了驱动机构的精度要求。这与其他方式相比，是最显著的一个特点。

第五步：一级滑套A1和一级滑套B1同向等速运行，将外部管路3脱离。

第六步：各动作有序复位，拆管工序完成。

第七步：B工位机械爪首先分别抓紧连接管4，然后A工位机械爪抓紧快速接头滑套5。

第八步：A工位的一级滑套A1相对于B工位一级滑套B1滑动，从而打开快速接头的自锁装置。

第九步：C工位的机械爪抓紧钢包管2，紧接着，A工位一级滑套A1与B工位一级滑套B1同向等速运行将外部管路3安装到位。

第十步：A 工位一级滑套A1带动机械爪关闭缩进装置，安装工序完成。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高温连接管的拆装机器人，其特征在于：包括支架机构（12）、底座机构（13），所述支架机构（12）设置在底座机构（13）上部，所述支架机构（12）上设置多个活动工位和执行机构，所述执行机构包括机械爪（14）和机械锤（30），多个所述机械爪（14）定位并分别抓取所述高温连接管的各拆装零件，通过机械爪的空间移动来完成高温连接管各拆装零件的组装和拆分；所述机械锤 （30）包括弧形导轨（22）和设置在所述弧形导轨（22）上的锤头（26），所述锤头（26）沿着弧形导轨（22）滑动以实现以不同径向敲击所述高温连接管；

所述机械锤（30）的锤头（26）设置在机械锤滑套（23）的气腔内，所述锤头包括顶部的磁块和底部的锤体，二者相对固定，所述磁块始终受限在所述气腔内，所述锤体向下伸出于所述气腔，所述气腔上部设置有气孔，通过所述气孔外接气源进而间次性的向所述气腔内通入压力气体将所述锤头间次性向下顶出气腔，实现锤头（26）的顶出作用；所述锤体中空形成下落腔，所述下落腔内设置有若干金属球（29），若干金属球受所述磁块的吸引作用，而吸附在下落腔顶部，在锤头（26）受压被顶出所述气腔时，所述金属球（29）受惯性作用克服磁性吸引作用而冲向所述锤 体的头部形成内部撞击。

2.根据权利要求1所述的高温连接管的拆装机器人，其特征在于：所述底座机构（13）包括配重底板（8）和设置在该配重底板（8）底部的万向轮（9）。

3.根据权利要求1所述的高温连接管的拆装机器人，其特征在于：各所述活动工位包括一级滑轨、二级滑轨、三级滑轨、一级滑套、共用滑套，所述一级滑轨、二级滑轨、三级滑轨分别按照空间内左右、前后、上下的方向延伸，所述一级滑套与所述一级滑轨滑动配合，所述一级滑套与所述二级滑轨固定连接，所述共用滑套同时与所述二级滑轨和三级滑轨滑动配合，所述机械爪（14）或机械锤（30）分别设置在所在活动工位的三级滑轨上，以此实现爪（14）或机械锤（30）的三维移动。

4.根据权利要求1所述的高温连接管的拆装机器人，其特征在于：所述机械爪（14）包括相对开合布置的两机械指，各机械指再分别由多节金属关节依次通过旋转销（16）构成，所述金属关节上缠绕有电磁线圈（20），电磁线圈（20）在通电的情况下能够使金属关节产生磁性，通过相邻金属关节的磁性吸引或排斥作用来活动所述金属关节，实现所述两机械指的相对开合动作。

5.根据权利要求4所述的高温连接管的拆装机器人，其特征在于：所述金属关节的内侧设置有柔性垫（21）。

6.根据权利要求1所述的高温连接管的拆装机器人，其特征在于：所述弧形导轨（22）具有齿轮轨，所述机械锤滑套（23）上安装有齿轮，所述齿轮与齿轮轨啮合，所述齿轮受驱动旋转时带动所述机械锤滑套（23）沿着所述弧形导轨移动。

7.根据权利要求1所述的高温连接管的拆装机器人，其特征在于：所述金属球（29）包括重量或体积不等的多个金属球。

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