CN113560776A - 带陀螺仪的钢管环形缝焊接装置和方法 - Google Patents
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Abstract
带陀螺仪的钢管环形缝焊接装置和方法，包括安装在钢管上环抱式链条，在链条上安装有行走小车和收链机构，行走小车上安装有升降机构和送丝机构，在升降机构升降端上连接有摆动机构，在摆动机构上安装有焊枪，在升降机构升降端上安装有陀螺仪，陀螺仪连接控制器输入端，用于驱动行走小车移动的行走电机、升降机构、送丝机构和摆动机构连接控制器输出端。本发明用于解决现有焊机在管道焊接时易脱落、走速不匀、焊接质量不稳定和效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及带陀螺仪的钢管环形缝焊接装置和方法。
背景技术
在大型化工及石化工程的建设安装工程中，管道的现场焊接安装工作量非常巨大，由于管道直径各异、焊缝位置不同、人工施焊空间受限等原因，管道的现场焊接是影响整个工程质量和工期的重要因素之一。传统的人工施焊和经过简单改装的自动焊机无法满足大型工程建设的需求，需要研发适应性更好的高质高效管道焊接装备。
目前，国内外管道常用焊接方法主要有焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、熔化极气体保护半自动焊，包括活性气体保护半自动焊、半自动熔化极氩弧焊、自保护药芯焊丝氩弧焊、埋弧焊、熔化极活性气体保护半自动焊及闪光焊等。在我国的西气东输工程中，管道的直径大、焊缝多，对现场安装焊接的适应性、焊接质量要求（包括焊缝成形状况、焊缝质量合格率、焊缝表面质量要求、无损检测要求、常规理化性能要求等要求）比较严格。西气东输管道工程中，除了闪光焊外，其他焊接方法均已被使用过，且主要以自保护药芯焊丝半自动焊和熔化极活性气体保护自动焊为主。
从国内外管道焊接施工情况来看，现场施工焊接主要采用不需要背衬垫板的全位置单面焊双面成形技术，可采用不同的焊接方法和焊接方向，也可以采用组合的焊接方法和不同的焊接方向。针对大直径、厚壁管道，为了便于采用双面焊成形技术，进一步提高管道安装焊接的速度，外国还开发了一种可在管道内进行根焊的高效活性气体保护的内焊机，如英国NCREAST全位置气体保护自动焊机、美国CRC公司开发的全位置气体保护自动焊机。
传统的管道焊接采用人工手工电弧焊施焊，焊接质量与操作者的技术水平有直接关系，焊接质量不能很好保证，工作效率低下，工作强度非常大，还存在高空作业跌落伤亡和烫伤的风险。
目前油气管道已向大直径、大壁厚的方向发展、且施工环境复杂、恶劣，采用管道自动焊机已是大趋势。
管道全位置自动焊接采用熔化极全位置焊接技术，最早出现于20世纪60年代末期，美国CRC公司率先将该项技术应用于管道施工。起初，只是焊接小车带动焊枪行走，焊接参数（焊接电流、电压、焊接速度等）均为手动控制。目前，生产全位置自动焊接设备的除了美国CRC公司外，还有德国的VIETZ公司、美国MAGNATECH公司、荷兰VERAWELD公司、法国SERIMER DASA公司、意大利PWT公司等。CRC公司智能化的P500，P600以及SERIMER DASA公司的双枪焊接系统在世界范围内具有很高的水平。其中，CRC公司生产的自动焊机已累计焊接了长达50000km的管道。这些厂家的设备虽然外形各具特点，但在控制方面，不外乎是计算机控制焊接参数和人工调控参数两种方法。
目前，国内市场的自动化管道焊接设备被欧美等发达国家垄断，国产化水平比较低。我国管道建设起始于20世纪70年代，管道焊接施工很长时间内停滞于手工焊、半自动焊的水平上。近些年，虽然我国管道工程庞大，但具有自主知识产权的管道全位置自动焊机还比较少。我国的管道焊接机器人技术研究开始于20世纪80年代，国内很多高校、科研机构及管道施工单位纷纷开展全位置管道焊接机器人相关技术研究。经过近30年的研究，在管道机器人的结构、控制系统等方面取得了大量的研究成果。中国石油天然气管道科学研究院特种施工机具研究所研制成功了PAW 2000管道全位置自动焊机，并于1999年2月在河南义马—郑州426mm输气管道上完成了现场中试。2005年天然气集团工程技术研究院冯标、李春润、唐德渝、张建护、张田利研制出一种由焊接机头(小车行走系统、焊枪摆动系统、焊枪高度调节系统)、焊接轨道、控制系统、焊接电源四部分组成的PW一2型管道全位置自动焊接机器人，并且在实际工程应用中取得了良好的效果。2006年北京石油化工学院重点实验室曹俊芳、蒋力陪、孙亚玲等人设计出了一种由行走机构、二维记忆跟踪机构、焊枪摆动机构、焊枪高低调节机构四部分组成的导轨式全位置管道焊接机器人。
2、相关产业发展现状及科技创新需求分析。
管道焊接工艺直接关系管线的安装质量、施工效率和投入的成本，关系管线运行的安全性、持久性和经济效益。目前，国内外也只是部分采用了自动焊机作业，管道焊接装备的前景十分广阔。
“小爬虫”管道焊接机是目前应用最广的管道焊接装置，我公司曾一次性购买了十套 “小爬虫”管道焊接设备。相对人工焊接，“小爬虫”具有明显的优点，其焊接效率和质量有了基本保障。但工程实际中，依然存在焊机在管道上安装不方便、小爬虫在行走过程中存在脱落的风险、焊接行走速度不匀、焊枪随焊缝位置变化的适应性差的问题。焊接装备上的缺失已严重制约我公司的建安品质和工程进度，对研发新的适应性更好、自动化智能化程度更高的自动焊接的需求日益强烈，而目前市场还没有类似设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供带陀螺仪的钢管环形缝焊接装置和方法，用于解决现有焊机在管道焊接时易脱落、走速不匀、焊接质量不稳定和效率低的问题。
为了解决上述问题，本发明要解决的技术方案为：
带陀螺仪的钢管环形缝焊接装置，包括安装在钢管上环抱式链条，在链条上安装有行走小车和收链机构，行走小车上安装有升降机构和送丝机构，在升降机构升降端上连接有摆动机构，在摆动机构上安装有焊枪，在升降机构升降端上安装有陀螺仪，陀螺仪连接控制器输入端，用于驱动行走小车移动的行走电机、升降机构、送丝机构和摆动机构连接控制器输出端。
在升降机构升降端上安装有支架，在支架上安装有摄像头，摄像头将拍摄到的画面发送给电脑，电脑与控制器通讯连接。
一种带陀螺仪的钢管环形缝焊接装置的方法，陀螺仪检测焊枪的运动状态，并依据运动状态计算焊枪的位置坐标，并将坐标发送的控制器，控制器依据焊缝空间方位的变化，通过控制行走电机、升降机构、送丝机构和摆动机构来对焊枪的角度、焊接电弧的长度进行连续调整焊接。
本发明的有益效果是：本发明能根据焊缝位置，自适应调整焊枪的角度，焊接弧长及其它焊接参数，以保证在平焊、横焊、立焊和仰焊时，均能得到很好的焊接质量，可用于多种破口形式、各种壁厚的焊接。
同时焊接效率高，降低弧光、烟尘对人体的伤害，另外能存储和记忆、远端操作、确定焊接位置角度等智能功能，一次焊接合格率大于99%。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明的主视结构示意图，
图2为本发明的侧视结构示意图，
图3为本发明各电器件间的连接关系示意图。
图中：焊枪1、摄像头2、摆动机构3、陀螺仪4、升降机构5、送丝机构6、行走小车7、管道8、链条9、收链机构10。
具体实施方式
带陀螺仪的钢管环形缝焊接装置，包括安装在钢管上环抱式链条9，在链条9上安装有行走小车7和收链机构10，行走小车7上安装有升降机构5和送丝机构6，在升降机构升降端上连接有摆动机构3，在摆动机构3上安装有焊枪1，在升降机构升降端上安装有陀螺仪4，陀螺仪4连接控制器输入端，用于驱动行走小车7移动的行走电机、升降机构5、送丝机构6和摆动机构3连接控制器输出端，其中升降机构5中的升降电机、行走电机和摆动机构3中的摆动电机均为伺服电机，焊接装置的结构与专利号为“CN107775144A、管道自动绕行焊接小车及其方法”相同，在升降机构升降端上安装有支架，在支架上安装有摄像头2，摄像头2将拍摄到的画面发送给电脑，电脑与控制器通讯连接，控制器为单片机，电脑为笔记本电脑或者平板电脑。
本焊接装置的使用方法为：在将行走小车7和链条9装配到管道上后，工作人员通过摄像头2远程观察拍摄，并通过电脑控制焊枪1启焊，启焊完成后，行走小车7匀速行走焊接，同时陀螺仪4检测焊枪1的运动状态，并依据运动状态计算焊枪1的位置坐标，并将坐标发送的控制器，控制器依据焊缝空间方位的变化，通过控制行走电机、升降机构5、送丝机构6和摆动机构3来对焊枪1的角度、焊接电弧的长度进行连续调整焊接，另外电脑对焊接情况进行记录。
Claims (3)
1.带陀螺仪的钢管环形缝焊接装置，包括安装在钢管上环抱式链条（9），在链条（9）上安装有行走小车（7）和收链机构（10），行走小车（7）上安装有升降机构（5）和送丝机构（6），在升降机构升降端上连接有摆动机构（3），在摆动机构（3）上安装有焊枪（1），其特征在于：在升降机构升降端上安装有陀螺仪（4），陀螺仪（4）连接控制器输入端，用于驱动行走小车（7）移动的行走电机、升降机构（5）、送丝机构（6）和摆动机构（3）连接控制器输出端。
2.根据权利要求1所述的带陀螺仪的钢管环形缝焊接装置，其特征在于：在升降机构升降端上安装有支架，在支架上安装有摄像头（2），摄像头（2）将拍摄到的画面发送给电脑，电脑与控制器通讯连接。
3.一种使用权利要求2所述带陀螺仪的钢管环形缝焊接装置的方法，其特征在于：陀螺仪（4）检测焊枪（1）的运动状态，并依据运动状态计算焊枪（1）的位置坐标，并将坐标发送的控制器，控制器依据焊缝空间方位的变化，通过控制行走电机、升降机构（5）、送丝机构（6）和摆动机构（3）来对焊枪（1）的角度、焊接电弧的长度进行连续调整焊接。
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