CN114965690A - 一种用于球罐焊缝tofd检测的爬壁机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于爬壁机器人的技术领域，公开了一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统。本发明提供的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，包括升降装置、安装在所述升降装置上的过渡平台和安装在所述过渡平台上的翻转装置；所述翻转装置包括安装在所述过渡平台上的底板和可转动安装在底板上的翻转板；还包括安装在所述翻转板上的爬壁机器人，所述爬壁机器人上设有驱动系统、TOFD扫查机构；所述爬壁机器人包括本体支架，所述本体支架为碳纤维材质，解决现有技术中爬壁机器人人工抬升或者吊装困难的技术问题。

Description

一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统

技术领域

本发明涉及爬壁机器人的技术领域，特别涉及一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统。

背景技术

大型承压设备一直以来主要依靠人工方式进行无损检测。以大型球罐为代表的储存类承压设备容积可达20000立方米，内径可达34米，通过人工方式对其进行内外壁面无损检测时，需要搭设脚手架以及手工清理打磨，随后才能携带检测设备对其进行检测，存在成本高、劳动强度大、操作危险且效率低下、检测结果易受作业人员经验和责任心影响、作业周期长等缺点，带来企业生产长时间中断、制约产能提升等潜在损失。

TOFD技术(Time of Flight Diffraction)是一种利用缺陷端点衍射信号探测和测定缺陷尺寸的超声波检测方法，基本特点是采用一发一收探头对工作模式。随着自动化技术的不断发展和实际生产中各种管材、球罐、储罐等检测工况的多样性，及对检测人员劳动强度和安全性的要求不断提高，对自动化检测的需求也随即逐渐增强，磁力爬行自动化TOFD可以降低人员危险性和劳动强度，实现自动化扫描检测，提高检测效率，适应复杂工况，降低人为因素误差等诸多优势。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，通过增加了升降装置，其旨在解决现有技术中爬壁机器人人工抬升或者吊装困难的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，包括升降装置、安装在所述升降装置上的过渡平台和安装在所述过渡平台上的翻转装置；所述翻转装置包括安装在所述过渡平台上的底板和可转动安装在底板上的翻转板；还包括安装在所述翻转板上的爬壁机器人，所述爬壁机器人上设有驱动系统、TOFD扫查机构；所述爬壁机器人包括本体支架，所述本体支架为碳纤维材质。

作为优选，所述翻转装置还包括一动力缸，所述动力缸一端连接在所述底板上，另一端连接在所述翻转板上。

作为优选，所述过渡平台的直径小于球罐人孔的直径，所述过渡平台上升到最大高度时能够高于所述球罐人孔的高度。

作为优选，所述升降装置为轻型剪叉式液压升降平台；所述升降装置的底部设有若干滚轮，所述滚轮为脚刹滚轮。

作为优选，在所述升降装置上设有一辅助刹车装置；所述辅助刹车装置包括安装在所述升降装置的升降杆、刹车杆和齿轮盘；所述升降杆与所述齿轮盘啮合，所述刹车杆和所述齿轮盘啮合。

作为优选，所述刹车杆的底部设有刹车盘；在所述刹车盘的外围设有环形刹车纹路；在所述刹车盘上设有凸起，所述多个凸起组合形成弧形凸起；所述弧形凸起有多个并朝向不同方向。

作为优选，所述驱动系统包括设置在所述本体支架底部第一电机、与所述第一电机相连的减速机、万向轮和由所述减速机驱动的驱动胶轮。

作为优选，所述TOFD扫查机构包括两个安装在所述本体支架上的扫查本体和间距调整机构。

作为优选，所述扫查本体包括螺母滑块、设置在所述螺母滑块底部的导轨、设置在所述导轨上的固定块、弹簧、可转动设置在所述固定块上的楔块、设置在所述楔块上的检测探头和扫查供水喷头，所述弹簧设置在所述固定块和所述螺母滑块之间，在所述楔块上还设置有不锈钢波珠螺丝。

作为优选，所述间距调整机构包括设置在所述扫查本体的第二电机和由所述第二电机带动的双向丝杆。

与现有技术相比，本发明提供的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统的有益效果为：

1、本发明能实现无需人工近距离辅助即可将爬壁机器人轻松进出球罐，能实现TOFD检测机器人沿着球罐曲面进行爬行检测焊接缺陷，实现了耦合剂的自动涂抹，提高工作效率，节约成本，稳定均匀的耦合层介质改善了超声探头的耦合性能，且机器人的越障能力强，检测过程机器人定位稳定可靠，提高检测精度，同时还减少人工检测带来的危险，提高检测机器人的环境适应性，扩大检测范围，实现智能化的高标准的检测工作，提高检测效率，适应复杂工况，避免人为因素的检测误差；同时整个机器人单元模块方便维修与维护。

2、在升降装置上升过程中升降杆上升，升降杆带动齿轮盘转动，齿轮盘带动刹车杆下降，刹车杆上的刹车盘与地面接触进行辅助刹车。

3、环形纹路形成各个角度的防滑，刹车效果更好。

4、多个凸起形成弧形凸起，弧形凸起朝向不同方向，当地面不平的时候环形凸起可以卡住其中一个面防止装置滑动。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统的辅助升降爬壁机器人不带辅助刹车装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统的辅助升降爬壁机器人的结构示意图。

图3是本发明实施例的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统的辅助升降爬壁机器人的刹车盘的底部结构示意图。

图4是本发明实施例的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统的结构示意图。

图5是本发明实施例的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统的俯视结构示意图。

其中：1-升降装置；11-滚轮；12-横向杆；2-过渡平台；3-翻转装置；31-底板；32-翻转板；33-动力缸；4-球罐人孔；5-辅助刹车装置；51-升降杆；52-刹车杆；53-齿轮盘；54-刹车盘；55-第一曲柄；56-第二曲柄；57-倾斜推杆；541-环形刹车纹路；542-凸起；543-弧形凸起；6-球罐机器人；61-本体支架；611-多功能吊装把手；612-外壳；613-控制箱；614-后把手；62-校准和视频检测系统；621-前摄像系统；622-前照明灯；623-激光对准器；63-打标记模块；64-耦合剂自动添加装置；65-传输电缆；651-电缆盘；66-地面站电控箱；67-自动跟踪云台；68-无线接收控制单元；7-驱动系统；71-第一电机；72-减速机；73-万向轮；74-驱动胶轮；8-TOFD扫查机构；9-液箱；91-水泵控制器；92-水泵。

具体实施方式

使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在本发明的描述中，需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1，本发明实施例提供一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，包括一种球罐爬壁机器人辅助进出罐装置，包括升降装置1、安装在升降装置1上的过渡平台2和安装在过渡平台2上的翻转装置3。翻转装置3包括安装在过渡平台2上的底板31和可转动安装在底板31上的翻转板32。翻转板32上吸附有爬壁机器人6，升降装置1上升带动过渡平台2一起上升。在一可选的实施例中，升降装置1的底部设有若干滚轮11，滚轮11为脚刹滚轮在升降装置1的升降过程中，脚刹滚轮要刹住滚轮。

参阅图4，本发明实施例提供一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，还包括安装在翻转板32上的爬壁机器人6，爬壁机器人6上设有驱动系统7、TOFD扫查机构8。爬壁机器人6包括本体支架61，本体支架61为碳纤维材质。爬壁机器人6还包括校准和视频检测系统62、打标记模块63、耦合剂自动添加装置64、传输电缆65、地面站电控箱66和自动跟踪云台67等。本体支架61还包括安装在本体支架61上的多功能吊装把手611、外壳612、控制箱613、后把手614。多功能吊装把手611既能通过吊环螺丝实现吊装功能，又能通过快速插拔销更换位置从而实现不同形态，由吊装支架变为前把手，与后把手614一起搬移爬壁机器人6。还安装有控制驱动系统7与校准和视频检测系统62的控制箱613，机器人本体支架61采用碳纤维材质，密度低于航空铝，但强度高于航空铝材料很多，有效减轻了机器人本体重量。

参阅图5，在一可选的实施例中，驱动系统7包括设置在本体支架61底部第一电机71、与第一电机71相连的减速机72、万向轮73和由减速机72驱动的驱动胶轮74。驱动系统7主要采用两台第一电机71和两台减速机72，差速驱动，灵活控制。校准和视频检测系统62主要用于对焊缝进行宏观检查和对准焊缝行走观察，包括前摄像系统621、前照明灯622、激光对准器623等，安装在爬壁行走机构的前方，发出2道激光束在焊缝两侧以方便对准焊缝，使爬壁机器人7沿着焊缝行走，观察机器人行走前部的情况。

在一可选的实施例中，扫查本体包括螺母滑块、设置在螺母滑块底部的导轨、设置在导轨上的固定块、弹簧、可转动设置在固定块上的楔块、设置在楔块上的检测探头和扫查供水喷头，弹簧设置在固定块和螺母滑块之间，在楔块上还设置有不锈钢波珠螺丝。楔块可实现多自由度的旋转与移动。在垂直于球罐壁面方向，在导轨行程内可自由上下移动，具有自适应功能，保证检测过程中探头和球罐壁面耦合状况良好，移动行程可保证机器人的越障要求，同时可适应不同弧度的罐壁表面，根据预紧力需求，选用合适弹力系数的弹簧。检测探头能够通过弹簧被施加预紧力以贴合待检球罐壁面，保证楔块与罐壁表面的柔性接触，且能实现运动过程中动态压紧。此外在沿前进方向和垂直前进方向均可实现自由旋转，适应壁面的变化。楔块采用特殊材料制作，声阻抗低，能有效降低声衰减，楔块内部有水孔，外接水管供水，楔块底面有匀水槽，使水流均匀分散，更好地在楔块与壁面之间创建耦合水层，保障无气隙耦合的同时可降低摩擦，减小磨损；此外为进一步减小楔块磨损，在楔底面的四角分别安置不锈钢波珠螺丝，调节钢珠深度，以滚动钢珠的摩擦替代楔块摩擦，有效避免磨损，延长楔块使用寿命。

楔块上中间安装有检测探头和两侧各垂直安装有一套扫查供水喷头，用于在使用检测探头检测焊缝时及时喷涂耦合剂，以便于超声波声场进入球罐壁面对焊缝进行检测，两个扫查供水喷头经由三通与所述出水口连通，液箱9的内部水源中安装有水泵91，所述水泵91的出水口通过水管与水泵控制器92相连接，所述水泵控制器92的出水口通过水管与扫查供水喷头817相连接，所述水泵控制器92和水泵91都放在球罐下面，分别通过防爆插头外接市电。

间距调整机构包括设置在扫查本体的第二电机和由第二电机带动的双向丝杆。间距调整机构可根据工件厚度调整发射和接收探头之间的距离，获得发射和接收探头之间的中心距（PCS）。间距调整机构包括第二电机、双向丝杠，两个螺母滑块均与双向丝杠螺纹连接，两个螺母滑块相向运动，第二电机固定连接在横梁的中间位置，第二电机主轴上的主动锥齿轮带动双向丝杠上的被动锥齿轮，从而带动双向丝杠转动，螺母滑块分别与一组TOFD扫查机构固定连接。

爬壁机器人6上方一端设置有无线接收控制单元68。

打标记模块63安装在爬壁机器人6的下部，用于实现当检测到缺陷时，在缺陷附近工件表面做上物理标记。采用喷涂色标的方法实现缺陷打标记，标记缺陷位置。打标记模块63包括染料箱和喷头，染料箱内设有至少1种颜色的染料，喷头设于焊缝线上与焊缝适配的位置，喷头根据系统控制模块的指令，对不同的缺陷根据缺陷样板图选择标记特定的图案。

用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，在实际应用时为提高检测效率，采用二台机器人同时检测的方法。其中一台负责球罐内壁上半部的检测，这台为保证安全，必须带防坠装置。另一台负责球罐内壁下半部的检测，这台在检测底部区域时机器人后退时很容易压坏传输电缆65，因此可将传输电缆65缠绕在放在球罐内部的可自动收缩的电缆盘651上。

爬壁机器人地面站控制箱66与机器人配套使用，可实现机器人运动控制，检测信号，高清摄像图像回传的功能。遥控器上的所有操作尽可通过地面站控制箱完成。地面站电控箱由显示器、控制面板、电源开关、急停开关、电缆线、线架（内置编码器）、电源等部件组成。

自动跟踪云台67能自动识别图像信息，图像移动时它跟着移动捕捉图像，可以识别监控范围内物体运动，并自动控制云台对移动物体进行追踪，物体所有动作都被清晰地传往监视器。

机器人具有手动跟踪焊缝和自动跟踪焊缝模式，在自动模式下，机器人开启焊缝自动跟踪系统，在使用该系统时能够实现机器人自动跟踪焊缝进行检测作业。

为了提升安全系数，在升降装置1上设有一辅助刹车装置5，如图2。在一可选的实施例中，辅助刹车装置5包括安装在升降装置1的升降杆51、刹车杆52和齿轮盘53。升降杆51与齿轮盘53齿轮啮合，刹车杆52和齿轮盘53齿轮啮合。刹车杆52的底部设有刹车盘54。升降装置1为轻型剪叉式液压升降平台。升降装置1上设有横向杆12，在每个交叉处的上下方均设有横向杆12。升降杆51的上端固定在一个横向杆12上，升降杆51的下端通过滑块连接在下方的横向杆12上。滑块与横向杆12固定，与升降杆51可滑动连接。在升降装置1上升过程中，升降杆51上升，下端的滑块沿着升降杆51往下滑动。在升降杆51上升过程中，齿轮盘53转动带动刹车杆52向下，直至刹车盘54与地面卡合起到刹车的作用。刹车杆52的的两侧均通过滑块与横向杆12连接。通过横向杆12可以提高剪叉式液压升降平台的牢固程度，同时通过横向杆12和升降杆51、刹车杆52均通过滑块固定，可以减轻加强横向杆12的厚度，还能分担部分重力。同时刹车盘54将力输送到地面，整体来说加强了剪叉式液压升降平台的承压能力。

横向杆12可以环绕升降装置1，辅助刹车装置5也可以有多个，保持各部分受力平衡。

升降装置1有多个剪叉结构，分别由不同的液压缸来控制。最下方的剪叉结构设有辅助刹车装置5，先启动最下方的剪叉结构来达到展开位置，此时辅助刹车装置5已到位。其他剪叉结构可以同时启动（可由电控按钮或者电控程序控制），由于辅助刹车装置5可以承受更大的力，提高稳定性，其他同时启动不容易给万向轮脚刹滚轮的压力过大导致其损坏。

参阅图3，在一可选的实施例中，在刹车盘54的外围设有环形刹车纹路541。在刹车盘54上设有凸起542，多个凸起542组合形成弧形凸起543。弧形凸起543有多个并朝向不同方向。弧形凸起543的最底面和环形刹车纹路541的最低面相持平，增大接触面积，提高防滑效果。弧形凸起543形成了围栏结构，在底面不平整的情况下，还能借助地面凸起来防止滑动，弧形凸起543也能提供更大的防滑力。

参阅图1，在一可选的实施例中，翻转装置3还包括一动力缸33，动力缸33一端连接在底板31上，另一端连接在翻转板32上。

参阅图1，在一可选的实施例中，过渡平台2直径小于球罐人孔4的直径，过渡平台2上升到最大高度时能够高于球罐人孔4的高度。

参与图2，辅助刹车装置5还可包括另一辅助刹车装置。另一辅助刹车装置包括第一曲柄55、第二曲柄56和倾斜推杆57。第一曲柄55的顶端可转动固定在横向杆12上。第一曲柄55的其他部分均可在横向杆12上移动，可以通过滑块来固定在一起。第二曲柄56顶部可转动固定在第一曲柄55上，其他部分均可在横向杆12上移动，可以通过滑块与横向杆12固定在一起。第二曲柄56的底部还设有曲面，可以增大摩擦力。倾斜推杆57与第二曲柄56垂直设置，在升到最高的时候可以作为警示杆使用，收起来的时候能作为推杆。第一曲柄55和第二曲柄56均通过滑块和横向杆12固定，还能为横向杆12分担压力，提高升降装置的承压能力。

当球罐机器人即爬壁机器人6需要通过球罐人孔4进入球罐工作时，先通过升降装置1上升到其顶部将要碰到球罐人孔4，翻转板32进入球罐，再通过动力缸33 翻转一定角度，使翻转板32落在球罐的表面上，球罐机器人移动出翻转板32进行检测。

当球罐机器人完成检测任务需要通过球罐人孔4出球罐时，先通过升降装置1上升到其顶部将要碰到球罐人孔4，翻转板32进入球罐，再通过动力缸33 翻转一定角度，使翻转板32落在球罐的表面上，球罐机器人移动到翻转板32上，翻转一定角度回到初始位置，然后升降装置1下降即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，其特征在于：包括升降装置（1）、安装在所述升降装置（1）上的过渡平台（2）和安装在所述过渡平台（2）上的翻转装置（3）；所述翻转装置（3）包括安装在所述过渡平台（2）上的底板（31）和可转动安装在底板（31）上的翻转板（32）；还包括安装在所述翻转板（32）上的爬壁机器人（6），所述爬壁机器人（6）上设有驱动系统（7）、TOFD扫查机构（8）；所述爬壁机器人（6）包括本体支架（61），所述本体支架（61）为碳纤维材质。

2.如权利要求1所述的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，其特征在于：所述翻转装置（3）还包括一动力缸（33），所述动力缸（33）一端连接在所述底板（31）上，另一端连接在所述翻转板（32）上。

3.如权利要求1所述的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，其特征在于：所述过渡平台（2）的直径小于球罐人孔（4）的直径，所述过渡平台（2）上升到最大高度时能够高于所述球罐人孔（4）的高度。

4.如权利要求1所述的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，其特征在于：所述升降装置（1）为轻型剪叉式液压升降平台；所述升降装置（1）的底部设有若干滚轮（11），所述滚轮（11）为脚刹滚轮。

5.如权利要求1所述的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，其特征在于：在所述升降装置（1）上设有一辅助刹车装置（5）；所述辅助刹车装置（5）包括安装在所述升降装置（1）的升降杆（51）、刹车杆（52）和齿轮盘（53）；所述升降杆（51）与所述齿轮盘（53）啮合，所述刹车杆（52）和所述齿轮盘（53）啮合。

6.如权利要求5所述的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，其特征在于：所述刹车杆（52）的底部设有刹车盘（54）；在所述刹车盘（54）的外围设有环形刹车纹路（541）；在所述刹车盘（54）上设有凸起（542），所述多个凸起（542）组合形成弧形凸起（543）；所述弧形凸起（543）有多个并朝向不同方向。

7.如权利要求1所述的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，其特征在于：所述驱动系统（7）包括设置在所述本体支架（61）底部第一电机（71）、与所述第一电机（71）相连的减速机（72）、万向轮（73）和由所述减速机（72）驱动的驱动胶轮（74）。

8.如权利要求1所述的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，其特征在于：所述TOFD扫查机构（8）包括两个安装在所述本体支架（61）上的扫查本体和间距调整机构。

9.如权利要求8所述的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，其特征在于：所述扫查本体包括螺母滑块、设置在所述螺母滑块底部的导轨、设置在所述导轨上的固定块、弹簧、可转动设置在所述固定块上的楔块、设置在所述楔块上的检测探头和扫查供水喷头，所述弹簧设置在所述固定块和所述螺母滑块之间，在所述楔块上还设置有不锈钢波珠螺丝。

10.如权利要求8所述的一种用于球罐焊缝TOFD检测的爬壁机器人系统，其特征在于：所述间距调整机构包括设置在所述扫查本体的第二电机和由所述第二电机带动的双向丝杆。

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