CN114200006A - 一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超声波探伤技术领域，具体涉及一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，包括钳形机械臂组件、导向轮组件和超声波探伤盒组件；所述钳形机械臂组件为两个三轴机械臂，两个所述三轴机械臂分别连接在水下机器人的左右，用于固定机器人；所述导向轮组件安装在钳形机械臂组件的末端，用于引导钳形机械臂组件的运动及切换运动方式；所述超声波探伤盒组件与钳形机械臂组件的四叉端连接，用于确认钳形机械臂组件是否展开至合适角度，以及用于完成管道的超声波探伤和数据处理。本发明与水下机器人固定安装，可实现对不同直径水下管道的超声波探伤作业，大大扩展了超声波探伤装置的适用范围；可独立拆装，不影响机器人进行其他工作。

Description

一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置
技术领域
本发明涉及超声波探伤技术领域，具体涉及一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置。
背景技术
目前，面对能源供需格局新变化、国际能源发展新趋势，我国不断推动对海洋资源的开发。大量的海洋油气工程的建设，对水下管道的维护作业的效率和质量提出了新的要求，传统人工维护作业已无法满足需要，水下超声波探伤机器人是实现海洋开放的必然选择。
然而现有超声波探伤机器人只能对相同规格的管道进行超声波探伤作业，其缩小了探伤装置的使用范围，使用不便。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，搭载于水下机器人上，可实现对不同直径水下管道的超声波探伤作业，大大扩展了超声波探伤装置的适用范围。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，包括钳形机械臂组件、导向轮组件和超声波探伤盒组件；
所述钳形机械臂组件为两个三轴机械臂，两个所述三轴机械臂分别连接在水下机器人的左右，用于固定机器人；
所述导向轮组件安装在钳形机械臂组件的末端，用于引导钳形机械臂组件的运动及切换运动方式；
所述超声波探伤盒组件与钳形机械臂组件的四叉端连接，用于确认钳形机械臂组件是否展开至合适角度，以及用于完成管道的超声波探伤和数据处理。
通过采用上述技术方案：利用钳形机械臂组件、导向轮组件和超声波探伤盒组件共同作用，可实现对不同直径水下管道的超声波探伤作业，大大扩展了超声波探伤装置的适用范围。
优选地，每个所述三轴机械臂包括第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂，所述第一机械臂的首端与水下机器人连接，所述第一机械臂的末端通过第一水平旋转轴承与第二机械臂的首端连接，所述第二机械臂的末端通过阻尼器分别与第三机械臂和第四机械臂的首端连接，且阻尼器通过第二水平旋转轴承与第二机械臂的末端连接，所述第三机械臂和第四机械臂的末端分别与导向轮组件连接；所述第三机械臂和第四机械臂均为二分叉结构，所述第三机械臂和第四机械臂与阻尼器连接组成钳形结构。
通过采用上述技术方案：由机器人动作带动水平旋转轴承运动即可控制三轴机械臂在水平面上的运动。
优选地，所述导向轮组件包括电机、旋转法兰和轮子，所述电机的输出轴与旋转法兰连接，所述旋转法兰通过连接支架与轮子连接，所述轮子内部嵌有RFID芯片，用以定位轮子目前的具体位置；所述电机带动旋转法兰运动，可切换轮子的水平朝向状态和竖直朝向状态。
优选地，所述旋转法兰上分别设有第一限位器和第二限位器；所述轮子为橡胶轮子，所述轮子的表面设有波浪形条纹。
通过采用上述技术方案：由电机控制带动旋转法兰运动，可切换轮子的水平朝向状态和竖直朝向状态；通过第一限位器和第二限位器则可防止轮子的朝向切换出现偏差。
优选地，所述超声波探伤盒组件包括外盒、以及内置于外盒内的超声波探头和单片机，所述超声波探头的晶片面通过开在外盒下表面的圆形洞外漏；所述外盒的四角内置有第一拉力传感器、第二拉力传感器、第三拉力传感器和第四拉力传感器；所述外盒的四角外侧通过弹簧组件与对应方位的第三机械臂和第四机械臂的分叉末端连接。
优选地，所述弹簧组件包括分布于外盒四角的第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧。
通过采用上述技术方案：当机械臂钳形在导向轮的引导下展开时，通过拉力传感器确认机械臂是否展开至合适角度，达到合适角度后机械臂上的阻尼器锁死以固定该角度，此时四条弹簧的拉力合力使超声波探伤盒紧贴在管道上，即可完成对不同直径管道的探伤。
优选地，所述超声波探伤装置的工作流程为：
A、水下机器人定位水下管道后，两个三轴机械臂开始运动，使导向轮组件触碰到管壁但弹簧形变较小，即读取到的拉力传感器数据较小，完成对管道的粗环抱；
B、读取每个轮子内部的RFID芯片信息，完成对每个轮子位置的细定位，根据读取到的轮子位置信息，将每个轮子的位置视为一个点，即可通过多点拟合圆形的方式确定管道圆形截面的圆心；
C、机械臂慢速运动，细调轮子的位置，使左右两个三轴机械臂的轮子在管道上呈镜像对称，两个三轴机械臂施加的压力指向管道圆形截面的圆心并镜像对称；
D、三轴机械臂逐渐增大施加的压力，在导向轮组件的带动下钳形展开角度逐渐增大，弹簧形变增大，直到读取到的拉力传感器数据到达预设值，此时超声波探伤盒已紧贴管道，可以开始探伤作业；
E、锁死阻尼器，使钳形展开角度不再变化，启动超声波探头，水下机器人开始围绕管道做水平圆周运动，水下机器人运动的同时三轴机械臂也根据轮子的定位信息，随时细调位置，时刻满足左右两个三轴机械臂的轮子在管道上呈镜像对称，两个三轴机械臂施加的压力指向管道圆形截面的圆心并镜像对称的要求，以获得最稳固的环抱姿势；
F、水下机器人完成一圈圆周运动回到原位后，启动换向程序将轮子由水平朝向切换为竖直朝向，水下机器人竖直运动，带动机械臂竖直运动，前往管道上下一个需要检测的位置，到达该位置后，再启动换向程序将轮子切换回水平朝向；
G、重复B～F步骤，即可完成对水下竖直管道的超声波探伤检测作业。
优选地，所述步骤F中，换向程序具体步骤为：
a、记录当前拉力传感器数据，机械臂略微减小施加的压力，使拉力传感器数据减小，轮
子不再紧压管道表面；
b、旋转法兰开始做中心旋转，带动轮子一起旋转，直至到达水平朝向或竖直朝向限位器；
c、机械臂重新施加压力，使拉力传感器数据与换向前大致相同，换向程序完成。
本发明有益效果：
1、本发明与水下机器人固定安装，可实现对不同直径水下管道的超声波探伤作业，大大扩展了超声波探伤装置的适用范围；可独立拆装，不影响机器人进行其他工作。
2、本发明适用性强、操作简单，不需要根据不同管道直径进行对应调整。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中钳形机械臂组件的结构示意图；
图3是本发明中导向轮组件的结构示意图；
图4是本发明中超声波探伤盒组件的结构示意图；
图5是本发明的工作流程图；
图6是本发明的换向程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-图6，一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，包括钳形机械臂组件、导向轮组件和超声波探伤盒组件；
所述钳形机械臂组件为两个三轴机械臂，两个所述三轴机械臂分别连接在水下机器人的左右，用于固定机器人；
所述导向轮组件安装在钳形机械臂组件的末端，用于引导钳形机械臂组件的运动及切换运动方式；
所述超声波探伤盒组件与钳形机械臂组件的四叉端连接，用于确认钳形机械臂组件是否展开至合适角度，以及用于完成管道的超声波探伤和数据处理。
本实施例中，利用钳形机械臂组件、导向轮组件和超声波探伤盒组件共同作用，可实现对不同直径水下管道10的超声波探伤作业，大大扩展了超声波探伤装置的适用范围。
具体的，参照图2，每个所述三轴机械臂包括第一机械臂21、第二机械臂22、第三机械臂24和第四机械臂25，其中，第一机械臂21和第二机械臂22呈矩形状，所述第一机械臂21的首端与水下机器人连接，所述第一机械臂21的末端通过第一水平旋转轴承23与第二机械臂22的首端连接，所述第二机械臂22的末端通过阻尼器26分别与第三机械臂24和第四机械臂25的首端连接，且阻尼器26通过第二水平旋转轴承27与第二机械臂22的末端连接，所述第三机械臂24和第四机械臂25的末端分别与导向轮组件连接；所述第三机械臂24和第四机械臂25均为二分叉结构，所述第三机械臂24和第四机械臂25与阻尼器26连接组成钳形结构。本实施例中，导向轮组件作为执行机构安装在第三臂24与第四臂25每个分叉的末端；通过控制相应电机分别带动水平旋转轴承的运动即可控制三轴钳形机械臂在水平面上的运动。
具体的，参照图3，所述导向轮组件包括电机35、旋转法兰32和轮子31，所述电机35的输出轴与旋转法兰32连接，所述旋转法兰32通过连接支架与轮子31连接，所述轮子31内部嵌有RFID芯片，用以定位轮子目前的具体位置；这里旋转法兰32可在电机35的带动下做中心旋转，其中，旋转法兰32安装在三轴机械臂的末端，通过控制相应电机35带动旋转法兰32运动，可切换轮子31的水平朝向状态和竖直朝向状态。
具体的，所述旋转法兰32上分别设有第一限位器33和第二限位器34；所述轮子31为橡胶轮子，所述轮子31的表面设有波浪形条纹。本实施例中，采用第一限位器33和第二限位器34可防止轮子的朝向切换出现偏差；采用表面具有波浪形条纹的轮子31以增加摩擦力。
具体的，参照图4，所述超声波探伤盒组件包括外盒41、以及内置于外盒41内的超声波探头42和单片机43，这里外盒41防水防爆盒，形状为长方体，其中，超声波探头42和单片机43，用于完成超声波探伤和相关数据处理；所述超声波探头42的晶片面通过开在外盒下表面的圆形洞外漏，该圆形洞略微向内凹陷，以保护超声波探头的晶片不受磨损；所述外盒41的四角内置有第一拉力传感器48、第二拉力传感器49、第三拉力传感器410和第四拉力传感器411；所述外盒41的四角外侧通过弹簧组件与对应方位的第三机械臂24和第四机械臂25的分叉末端连接。其中，所述弹簧组件包括分布于外盒1四角的第一弹簧44、第二弹簧45、第三弹簧46和第四弹簧47，第一弹簧44、第二弹簧45、第三弹簧46和第四弹簧47的一端分别与外盒1的四角连接，第一弹簧44、第二弹簧45、第三弹簧46和第四弹簧47的另一端与对应方位的第三机械臂24和第四机械臂25的分叉末端连接。本实施例中，当机械臂钳形在导向轮的引导下展开时，通过上述四个拉力传感器确认机械臂是否展开至合适角度，达到合适角度后机械臂上的阻尼器锁死以固定该角度，此时四条弹簧的拉力合力使超声波探伤盒紧贴在管道10上，即可完成对不同直径管道10的探伤。
具体的，参照图5，所述超声波探伤装置的工作流程为：
A、水下机器人定位水下管道后，两个三轴机械臂开始运动，使导向轮组件触碰到管壁但弹簧形变较小，即读取到的拉力传感器数据较小，完成对管道的粗环抱；
B、读取每个轮子内部的RFID芯片信息，完成对每个轮子位置的细定位，根据读取到的轮子位置信息，将每个轮子的位置视为一个点，即可通过多点拟合圆形的方式确定管道圆形截面的圆心；
C、机械臂慢速运动，细调轮子的位置，使左右两个三轴机械臂的轮子在管道上呈镜像对称，两个三轴机械臂施加的压力指向管道圆形截面的圆心并镜像对称；
D、三轴机械臂逐渐增大施加的压力，在导向轮组件的带动下钳形展开角度逐渐增大，弹簧形变增大，直到读取到的拉力传感器数据到达预设值，此时超声波探伤盒已紧贴管道，可以开始探伤作业；
E、锁死阻尼器，使钳形展开角度不再变化，启动超声波探头，水下机器人开始围绕管道做水平圆周运动，水下机器人运动的同时三轴机械臂也根据轮子的定位信息，随时细调位置，时刻满足左右两个三轴机械臂的轮子在管道上呈镜像对称，两个三轴机械臂施加的压力指向管道圆形截面的圆心并镜像对称的要求，以获得最稳固的环抱姿势；
F、水下机器人完成一圈圆周运动回到原位后，启动换向程序将轮子由水平朝向切换为竖直朝向，水下机器人竖直运动，带动机械臂竖直运动，前往管道上下一个需要检测的位置，到达该位置后，再启动换向程序将轮子切换回水平朝向；
G、重复B～F步骤，即可完成对水下竖直管道的超声波探伤检测作业。
具体的，参照图6，所述步骤F中，换向程序具体步骤为：
a、记录当前拉力传感器数据，机械臂略微减小施加的压力，使拉力传感器数据减小，轮
子不再紧压管道表面；
b、旋转法兰开始做中心旋转，带动轮子一起旋转，直至到达水平朝向或竖直朝向限位器；
c、机械臂重新施加压力，使拉力传感器数据与换向前大致相同，换向程序完成。
综上所述，该适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，与水下机器人固定安装，可实现对不同直径水下管道的超声波探伤作业，大大扩展了超声波探伤装置的适用范围；可独立拆装，不影响机器人进行其他工作；适用性强、操作简单，不需要根据不同管道直径进行对应调整。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，其特征在于：包括钳形机械臂组件、导向轮组件和超声波探伤盒组件；
所述钳形机械臂组件为两个三轴机械臂，两个所述三轴机械臂分别连接在水下机器人的左右，用于固定机器人；
所述导向轮组件安装在钳形机械臂组件的末端，用于引导钳形机械臂组件的运动及切换运动方式；
所述超声波探伤盒组件与钳形机械臂组件的四叉端连接，用于确认钳形机械臂组件是否展开至合适角度，以及用于完成管道的超声波探伤和数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，其特征在于：每个所述三轴机械臂包括第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂，所述第一机械臂的首端与水下机器人连接，所述第一机械臂的末端通过第一水平旋转轴承与第二机械臂的首端连接，所述第二机械臂的末端通过阻尼器分别与第三机械臂和第四机械臂的首端连接，且阻尼器通过第二水平旋转轴承与第二机械臂的末端连接，所述第三机械臂和第四机械臂的末端分别与导向轮组件连接；所述第三机械臂和第四机械臂均为二分叉结构，所述第三机械臂和第四机械臂与阻尼器连接组成钳形结构。
3.根据权利要求2所述的一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，其特征在于：所述导向轮组件包括电机、旋转法兰和轮子，所述电机的输出轴与旋转法兰连接，所述旋转法兰通过连接支架与轮子连接，所述轮子内部嵌有RFID芯片，用以定位轮子目前的具体位置；所述电机带动旋转法兰运动，可切换轮子的水平朝向状态和竖直朝向状态。
4.根据权利要求3所述的一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，其特征在于：所述旋转法兰上分别设有第一限位器和第二限位器；所述轮子为橡胶轮子，所述轮子的表面设有波浪形条纹。
5.根据权利要求4所述的一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，其特征在于：所述超声波探伤盒组件包括外盒、以及内置于外盒内的超声波探头和单片机，所述超声波探头的晶片面通过开在外盒下表面的圆形洞外漏；所述外盒的四角内置有第一拉力传感器、第二拉力传感器、第三拉力传感器和第四拉力传感器；所述外盒的四角外侧通过弹簧组件与对应方位的第三机械臂和第四机械臂的分叉末端连接。
6.根据权利要求5所述的一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，其特征在于：所述弹簧组件包括分布于外盒四角的第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧。
7.根据权利要求6所述的一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，其特征在于：所述超声波探伤装置的工作流程为：
A、水下机器人定位水下管道后，两个三轴机械臂开始运动，使导向轮组件触碰到管壁但弹簧形变较小，即读取到的拉力传感器数据较小，完成对管道的粗环抱；
B、读取每个轮子内部的RFID芯片信息，完成对每个轮子位置的细定位，根据读取到的轮子位置信息，将每个轮子的位置视为一个点，即可通过多点拟合圆形的方式确定管道圆形截面的圆心；
C、机械臂慢速运动，细调轮子的位置，使左右两个三轴机械臂的轮子在管道上呈镜像对称，两个三轴机械臂施加的压力指向管道圆形截面的圆心并镜像对称；
D、三轴机械臂逐渐增大施加的压力，在导向轮组件的带动下钳形展开角度逐渐增大，弹簧形变增大，直到读取到的拉力传感器数据到达预设值，此时超声波探伤盒已紧贴管道，可以开始探伤作业；
E、锁死阻尼器，使钳形展开角度不再变化，启动超声波探头，水下机器人开始围绕管道做水平圆周运动，水下机器人运动的同时三轴机械臂也根据轮子的定位信息，随时细调位置，时刻满足左右两个三轴机械臂的轮子在管道上呈镜像对称，两个三轴机械臂施加的压力指向管道圆形截面的圆心并镜像对称的要求，以获得最稳固的环抱姿势；
F、水下机器人完成一圈圆周运动回到原位后，启动换向程序将轮子由水平朝向切换为竖直朝向，水下机器人竖直运动，带动机械臂竖直运动，前往管道上下一个需要检测的位置，到达该位置后，再启动换向程序将轮子切换回水平朝向；
G、重复B～F步骤，即可完成对水下竖直管道的超声波探伤检测作业。
8.根据权利要求7所述的一种适用于不同直径水下竖直管道的超声波探伤装置，其特征在于：所述步骤F中，换向程序具体步骤为：
a、记录当前拉力传感器数据，机械臂略微减小施加的压力，使拉力传感器数据减小，轮子不再紧压管道表面；
b、旋转法兰开始做中心旋转，带动轮子一起旋转，直至到达水平朝向或竖直朝向限位器；
c、机械臂重新施加压力，使拉力传感器数据与换向前大致相同，换向程序完成。
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