CN114131103B - 一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块及切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块及切割方法，属于管道检测技术领域。本发明的用于城市管网切割修复机器人的切割模块，包括安装座、正向切割组件和反向切割组件，正向切割组件和反向切割组件可旋转共轴安装于安装座的两端，且其旋转方向相反。本发明在切割管道时采用共轴双刀架反向旋转切割模式，切割力矩可以自动平衡，切割力矩范围大大提高，可以切割多种材料。

Description

一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块及切割 方法

技术领域

本发明属于管道检测技术领域，尤其涉及一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块及切割方法。

背景技术

管道在经过一段时间的运行后，会发生诸如腐蚀、裂纹、凹陷或变形等损坏，由于管道内空间狭小，需要管道机器人替代人工对管道进行定期检测，并对损坏的管道进行修复。管道机器人是一种管道运载工具，用于实现管道状态监测、故障维修以及作业工具输送等管道作业的机、电、仪一体化系统。管道机器人运行过程中，可携带多种传感器、操作机械等，以实现管道监测、维护等工作任务。国外对管道机器人的研究开始于20世纪50年代，随着不同环境和作业情况的需要，逐渐发展起来多种驱动方式的管道机器人，最基本的有8种：管道猪、轮式、履带式、支撑式、行走式、蠕动式、螺旋式和蛇形式。

但采用现有管道切割机器人的切割模块结构，切割过程中切割刃产生的反向扭矩传递给机器人机架，并通过车轮或者与管道内壁的接触结构通过摩擦力的方式进行平衡，因此一般需要比较重的机架重量或者附加的支撑结构来承担并抵消扭矩，从而防止机架发生反向转动，因而会使切割力的大小受到限制。

经检索，中国专利申请号为2016107804347的申请案公开了一种智能管道切割机器人，该申请案的切割机器人包括外壳、展开机构、刀片、旋转伸缩刀架、主轴电机和主轴电机固定座，所述的展开机构安装在外壳内，主轴电机固定座安装在外壳上，并位于外壳后侧；所述的主轴电机安装在主轴电机固定座上；所述的旋转伸缩刀架铰接到主轴电机的中心轴线上；所述的刀片分别安装在旋转伸缩刀架的切割电机上。采用该申请案的结构可以提高大口径塑料管的切割质量，并保证切口平滑、规整，但该申请案的刀片稳定性相对较差，从而影响切割质量。

发明内容

1.要解决的问题

本发明的目的在于克服采用现有管道切割装置时，对管道的切割力相对较小，从而导致无法对某些较硬材质的管道进行切割的不足，而提出了一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块及切割方法。本发明通过对切割模块的结构进行优化设计，从而可以有效提高切割力的大小，可以用于切割的管壁硬度大大提高，且能够提高管道的切割效率。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块，包括安装座、正向切割组件和反向切割组件，正向切割组件和反向切割组件可旋转共轴安装于安装座的两端，且其旋转方向相反。本发明采用了共轴反向旋转切割的设计，通过正向切割组件和反向切割组件的共同设置，切割力对切割模块重心的反向力矩在两个切割模块之间平衡，没有反向扭矩传递给管道机器人的机身，从而一方面可以不受行走机构和管壁摩擦力大小的限制，大幅度提高切割力的大小，使得用于切割的管壁硬度大大提高；另一方面还可以提高切割过程中整个模块的稳定性，从而有利于保证切割质量。此外，通过正向切割组件和反向切割组件的设置还可以根据需要对管道两处同时进行切割，进一步提高了切割效率。

更进一步的，所述正向切割组件和反向切割组件均包括相对设置的两个刀架底座，两个刀架底座之间沿其周向对称安装有至少两个刀架，且刀架上可拆卸安装有切割刃。正向切割组件和反向切割组件均对称设有至少两个刀架，从而既有利于进一步提高切割效率，同时还能够提高切割过程中模块的稳定性。切割刃可拆卸安装于刀架上，从而便于对切割刃进行更换，而当切割工作只需要一个切割工作面时，两个切割组件中一个(正向切割组件或反向切割组件)刀架上的切割刃可以替换成橡胶或者弹性材料制作的磨擦条。

更进一步的，所述刀架均可转动偏心安装于刀架底座上，通过偏心旋转刀架的转动，可以控制切割刃与管道中心线的距离，从而可以适应不同直径管道的切割要求，同时还可以有效减小进入管道时切割模块的径向尺寸，提高了切割模块使用的灵活性。

更进一步的，所述刀架的两端均设有连接轴，刀架底座上加工有与连接轴相对应的连接孔，刀架通过其两端的连接轴分别与两个刀架底座转动相连，从而便于对刀架的安装角度进行调整，以对切割刃与管道中心线的距离进行调节。

更进一步的，所述刀架由基座和连接座组成，切割刃安装于基座的一侧端部，连接座对应位于与切割刃相对的另一侧端部，一个连接轴即位于连接座上，另一个连接轴位于基座另一侧且与前述连接轴共轴分布，从而有利于进一步提高整个切割模组的稳定性，同时连接座与基座之间还形成避让台阶，便于切割的正常进行。

更进一步的，所述刀架的外周面为弧形面结构，且与切割刃相对侧的第一弧面的半径大于切割刃所在侧的第二弧面的半径，通过该弧形结构的设计有利于提高切割模块与管道内壁贴合切割时的稳定性。

更进一步的，所述刀架底座为圆柱形结构，且第一弧面的半径与刀架底座半径相同。

更进一步的，所述安装座的内部设有切割驱动机构，该切割驱动机构用于驱动正向切割组件和反向切割组件进行同步旋转切割。本发明的切割驱动机构可以采用任意现有驱动装置，只要能够实现正向切割组件和反向切割组件的同步旋转驱动即可。例如，采用电机作为驱动源，通过齿轮传动或者花键轴传动方式，带动正向切割组件和反向切割组件进行同步反向旋转。

本发明的一种城市管网切割方法，采用上述切割模块，具体包括以下步骤：

步骤一、旋转刀架至切割刃位于刀架底座的内侧，以减少切割组件的径向尺寸，然后通过管道机器人将切割模块拖拽或者顶推至管道内待切割位置；

步骤二、旋转刀架至切割刃位于刀架底座的外侧，使切割刃与管壁贴合并锁定；

步骤三、驱动正向切割组件和反向切割组件同步进行旋转，并由管道机器人拖拽或者顶推进行进给，完成对管道内壁的切割工作。

综上所述，采用上述切割方案，既可以提高切割力的大小，满足较硬材质管道的切割，同时还可在适应不同直径的管道同时可以有效减少切割模块的径向尺寸。由于本发明采用了模块化设计，可以方便的与各种型号的管道机器人相匹配，适应性较好。

本发明的机器人切割模块在切割管道时采用共轴双刀架反向旋转切割模式，切割力矩可以自动平衡，切割力矩范围大大提高，可以切割多种材料。同时由于本发明采用了模块化设计，可以方便的与各种型号的管道机器人相匹配，因此有效提高了管道机器人对于不同管道的适应能力，提高了管道内壁修复切割的适应性。

附图说明

图1为本发明的切割模块的拆分结构示意图；

图2为本发明的切割模块的切割状态组装结构示意图；

图3为本发明的切割组件的拆分结构示意图；

图4为本发明中刀架与刀架底座的组装状态一的示意图；

图5为本发明中刀架与刀架底座在组装状态一下的俯视示意图；

图6为本发明中刀架与刀架底座的组装状态二的示意图；

图7为本发明中刀架与刀架底座在组装状态二下的俯视示意图；

图8为本发明的刀架的结构示意图；

图9为本发明的切割驱动机构的结构示意图；

图10为本发明的切割驱动机构的侧视示意图；

图中：1、正向切割组件，2、安装座，3、反向切割组件，4、刀架底座，401、连接孔；5、刀架，501、基座；502、连接座；503、第一弧面；504、第二弧面；505、连接轴；6、切割刃；7、驱动蜗杆；8、第一伞齿轮；9、第二伞齿轮；10、驱动蜗轮；11、刀架旋转驱动电机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例的一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块，包括安装座2、正向切割组件1和反向切割组件3，正向切割组件1和反向切割组件3可旋转共轴安装于安装座2的两端，且其旋转方向相反。具体的，正向切割组件1和反向切割组件3分别安装在安装座2两端的轴承内，且与安装座2内部的切割驱动机构驱动相连。通过切割驱动机构驱动正向切割组件1和反向切割组件3进行同步反向旋转，从而可以相互抵消旋转切割过程中产生的反向扭矩，大幅度提高了切割力的大小。所述切割驱动机构通过齿轮或者花键轴与正向切割组件1及反向切割组件3传动相连。

所述正向切割组件1和反向切割组件3均包括相对设置的两个刀架底座4，两个刀架底座4之间沿其周向对称安装有至少两个刀架5，如图3所示，本实施例中刀架5个数为两个且相对设置，且刀架5上可拆卸安装有切割刃6，从而提高了切割效率和切割组件的稳定性，并便于对切割刃6进行更换。当仅需对一个工作面进行切割时，其中一个切割组件(正向或反向切割组件)的刀架5上的切割刃6可以替换成橡胶或者弹性材料制作的磨擦条。

更进一步的，本实施例中刀架5均可转动偏心安装于刀架底座4上，从而一方面可以通过转动刀架5满足不同直径管道的切割需求，另一方面可以在进入管道时减小切割模块的径向尺寸，提高切割模块使用的灵活性。同时，通过两个偏心刀架的对称分布，还有利于进一步提高切割过程中整个模块的稳定性。具体的，所述刀架5的两端均设有连接轴505，刀架底座4上加工有与连接轴505相对应的连接孔401，其中一个刀架底座4(远离安装座2的刀架底座)上的连接孔401为轴承孔，与安装座2相连的刀架底座4上的连接孔401为旋转驱动孔，连接轴505伸入到旋转驱动孔中并与驱动电机相连，从而对刀架的旋转角度(开合角度)进行调整，以适应不同规格管路的切割需求。

实施例2

本实施例的一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块，其结构基本同实施例1，其区别主要在于：本实施例中两个刀架底座4之间沿其周向均匀对称安装有三个刀架5(图省略)。

更进一步的，如图8所示，所述刀架5由基座501和连接座502组成，切割刃6安装于基座501的一侧端部，连接座502对应位于与切割刃6相对的另一侧端部，且与基座501之间形成避让台阶，从而便于切割的进行。同时，其中一连接轴505安装于连接座502上，另一连接轴505位于基座501的另一侧且两连接轴505对应共轴设置。

本实施例中刀架底座4为圆柱形结构，刀架5的外周面为弧形面结构，且与切割刃6相对侧的第一弧面503的半径大于切割刃6所在侧的第二弧面504的半径，第一弧面503的半径与刀架底座4半径相同。通过上述结构设计，一方面有助于减小切割模块的整体尺寸，便于灵活切割；另一方面有利于进一步提高整体结构的稳定性。

采用上述切割模块对城市管网进行切割，具体包括以下步骤：

步骤一、旋转刀架5至切割刃6位于刀架底座4的内侧(如图4、图5所示)，以减少切割组件的径向尺寸，然后通过管道机器人将切割模块拖拽或者顶推至管道内待切割位置；

步骤二、当本模块进入管道并定位于需要切割管道内壁的位置时，旋转刀架5至切割刃6位于刀架底座4的外侧(如图6、图7所示)，使切割刃6与管壁贴合并锁定，为后续的切割工作做好准备；

步骤三、当切割工作开始时，切割驱动机构通过内部的齿轮或者花键轴驱动两侧的正向切割组件1和反向切割组件3同步进行旋转，其中正向切割组件做逆时针转动，反向切割组件做顺时针转动，并由管道机器人拖拽或者顶推进行进给，完成对管道内壁的切割工作。如图9、图10所示，本实施例中由内部的刀架旋转驱动电机11经行星齿轮机构放大力矩后直接带动正向和反向切割组件旋转做切割运动。

具体的，所述正向切割机构1与反向切割机构3的一端连接轴505分别穿过刀架底座4上的连接孔与驱动蜗轮10的转轴刚性连接，驱动蜗轮10由驱动蜗杆7驱动，由于此蜗轮蜗杆机构有自锁特性，只有驱动蜗杆7可以带动驱动蜗轮10转动，而驱动蜗轮10不能带动驱动蜗杆7转动，从而能够实现正向切割模块1与反向切割模块3旋转到特定位置时即锁定的效果。此外驱动蜗杆7由与其共轴的第一伞齿轮8在第二伞齿轮9的带动下转动，第二伞齿轮9由刀架旋转驱动电机11驱动。

Claims (7)

1.一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块，其特征在于：包括安装座（2）、正向切割组件（1）和反向切割组件（3），正向切割组件（1）和反向切割组件（3）可旋转共轴安装于安装座（2）的两端，且其旋转方向相反；

所述正向切割组件（1）和反向切割组件（3）均包括相对设置的两个刀架底座（4），两个刀架底座（4）之间沿其周向对称安装有至少两个刀架（5），且刀架（5）上可拆卸安装有切割刃（6）；

所述刀架（5）由基座（501）和连接座（502）组成，切割刃（6）安装于基座（501）的一侧端部，连接座（502）对应位于与切割刃（6）相对的另一侧端部，且与基座（501）之间形成避让台阶；所述刀架（5）的外周面为弧形面结构，且与切割刃（6）相对侧的第一弧面（503）的半径大于切割刃（6）所在侧的第二弧面（504）的半径。

2.根据权利要求1所述的一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块，其特征在于：所述刀架（5）均可转动偏心安装于刀架底座（4）上。

3.根据权利要求2所述的一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块，其特征在于：所述刀架（5）的两端均设有连接轴（505），刀架底座（4）上加工有与连接轴（505）相对应的连接孔（401）。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块，其特征在于：所述刀架底座（4）为圆柱形结构，且第一弧面（503）的半径与刀架底座（4）半径相同。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块，其特征在于：所述安装座（2）的内部设有切割驱动机构，该切割驱动机构用于驱动正向切割组件（1）和反向切割组件（3）进行同步旋转切割。

6.根据权利要求5所述的一种用于城市管网智能切割修复机器人的切割模块，其特征在于：所述切割驱动机构通过齿轮或者花键轴与正向切割组件（1）及反向切割组件（3）传动相连。

7.一种城市管网切割方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的切割模块，具体包括以下步骤：

步骤一、旋转刀架（5）至切割刃（6）位于刀架底座（4）的内侧，以减少切割组件的径向尺寸，然后通过管道机器人将切割模块拖拽或者顶推至管道内待切割位置；

步骤二、旋转刀架（5）至切割刃（6）位于刀架底座（4）的外侧，使切割刃（6）与管壁贴合并锁定；

步骤三、驱动正向切割组件（1）和反向切割组件（3）同步进行旋转，并由管道机器人拖拽或者顶推进行进给，完成对管道内壁的切割工作。