CN116551627B - 狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置及方法，属于超高层建筑通风空调系统高效智能化建造领域。施工装置包括基座，基座通过万向轮灵活调整位置；基座上安装基槽，基槽中安装有丝杆、丝杆上安装移动台，该移动台上安装有螺栓施拧手臂、螺母施拧手臂以及激光定位器，螺母施拧手臂下方安装有智能钻头。施工装置整体基于集控平台进行控制，集控平台包括参数设置模块、操作模块、第二信号传输模块、显示模块、CPU等，用于参数设置、指令发出、数据分析、过程监控等，实现施拧过程的智能化、可视化和自动化，保障了作业安全性，提高了施工效率，而且施拧时也不会对风管造成损坏。

Description

狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置及方法

技术领域

本发明属于超高层建筑通风空调系统高效智能化建造领域，尤其涉及一种狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置及方法。

背景技术

超高层建筑通风管道从设备机房引出后，经由竖井逐步延伸至各功能房间；竖井内风管为主管，截面为方形且面积较大（部分风管长边尺寸达到2m），为保证风管系统的严密性，需要采用角钢法兰进行相邻管道的连接。根据施工工序，一般是先进行竖管管井土建结构施工，然后进行风管安装；但是由于风管距离竖井墙体的距离为10～20cm，导致距离作业人员较远的螺栓难以伸入手臂进行施拧，只能通过强扭风管令其变形方能腾出作业空间，导致风管安装工艺品质差；同时，螺栓施拧为洞口临边作业，光线昏暗，人员安全难以保证；另外，超高层建筑竖井内风管法兰螺栓数量庞大，传统作业方式施工效率低下，严重影响工程项目整体施工进度，这已经成为超高层建筑普遍面临的共性问题，也是制约高端机电行业绿色低碳转型的重要瓶颈。

针对上述问题，亟需针对现场作业环境和条件进行创新，研发适用于超高层建筑狭小空间竖向风管法兰螺栓施拧的结构便携、操作简便、效率优良的装置及配套的施工方法，以提高安装过程的便捷性、工艺质量的可靠性、施工过程的高效性以及人员操作的安全性。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置及方法，采用自动化技术、计算机技术对螺栓施拧装置进行结构和方法创新，解决了传统的狭小空间竖向风管法兰螺栓施工过程中存在的施拧困难、施工效率低、安全性差、易破坏风管等难题。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置，包括可移动基座，可移动基座上安装基槽，基槽内设置有滑轨A、丝杆，丝杆由锥齿轮组以及第一驱动电机驱动旋转，滑轨A以及丝杆上安装有第一移动台；第一移动台内开设安装槽并设置有滑轨B，滑轨B上安装第二移动台，第二移动台外侧面安装有螺栓施拧手臂；安装槽内固定第三液压杆，第三液压杆固定端与固定在第一移动台内壁上的螺母施拧手臂连接，第三液压杆的伸缩端与第二移动台顶部连接，第三液压杆上还安装有激光定位器；

螺母施拧手臂下部安装有智能钻头，智能钻头包括电源单元、控制单元、视频采集单元、距离检测单元、驱动单元、照明单元、螺母存储及施拧单元；第一驱动电机、螺栓施拧手臂、第三液压杆、螺母施拧手臂、智能钻头、激光定位器均由集控平台综合控制。

进一步地，所述驱动单元通过第二驱动电机驱动齿轮组为螺母存储及施拧单元的钻头提供动力，螺母存储及施拧单元与驱动单元齿轮组中的大齿轮B的转轴通过法兰盘连接；

螺母存储及施拧单元的钻头外部为圆筒形结构，内部为正六边形通道，螺母存储及施拧单元的螺母存储部分为螺旋式螺母仓，包括螺纹连接的上下壳体，钻头与螺母存储部分的接口处开有孔道，供螺母进入钻头内部；螺母存储部分还包括由弧形钢片形成的螺母移动轨道，多个螺母依次放置于该轨道内，并将轨道外侧的弹簧A压紧；孔道周围设置有电磁线圈，电磁线圈采用弧形钢片与螺母隔断，通过通断电控制螺母吸附或下落至钻头底部；螺母存储及施拧单元的监测部分包括安装在转轴上的用于监测钻头扭矩值的扭矩传感器。

进一步地，所述螺母施拧手臂为可伸缩式多节结构，通过大节套小节的型式拼装而成，包括首节、末节以及多个中间节，每节底部均开设有供智能钻头移动的豁口；螺母施拧手臂的首节内部设置有第一液压杆，第一液压杆的伸缩端与智能钻头连接，固定端与第一移动台连接；第一液压杆用于带动智能钻头沿着螺母施拧手臂长度方向水平移动，同时间接带动螺母施拧手臂进行伸缩调节。

进一步地，所述螺栓施拧手臂为可伸缩式多节结构，通过大节套小节的型式拼装而成，包括首节、末节以及多个中间节；螺栓施拧手臂内部第二液压杆的伸缩端与螺栓施拧手臂的首节连接，固定端与第二移动台连接；螺栓施拧手臂的首节为螺栓仓，螺栓仓底部为弹性层，螺栓仓一侧安装有弹簧B，另一侧放置有多个螺栓，通过弹簧B进行螺栓的压紧及推送。

进一步地，所述万向轮包括转向单元、连接杆、转轮，转向单元焊接固定在可移动基座底部，其内部设置有滚轮，连接杆一端连接转轮，另一端伸入转向单元内部，并与滚轮接触，通过滚轮限制其在水平方向的自由度，避免连接杆摆动，且连接杆为L型结构。

进一步地，所述视频采集单元对钻头施拧区域进行视频动态采集，并将采集到的信息实时传输至集控平台；照明单元对钻头施拧区域进行照明，控制单元控制照明单元线路通断；距离检测单元采用激光传感器对智能钻头前方、左方、右方与围护结构之间的距离进行检测，并将实时检测信息实时传输至集控平台；控制单元包括第一信号传输模块、控制模块，第一信号传输模块接收从集控平台传输过来的控制指令，并将采集的视频信号、距离信号传输至集控平台，控制模块用于临时存储集控平台传输过来的信号指令，对信号指令进行分析，并控制相关组件动作，同时控制其余各功能单元电源通断。

一种利用上述狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置的狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工方法，包括如下过程：

S1：将螺母和螺栓分别放置于螺母仓和螺栓仓内，然后将施工装置整体放置于待安装的风管法兰旁边，通过目测方式初步调整施工装置位置，令施工装置贴近风管，同时令螺栓施拧手臂与待安装的风管法兰平行；然后将螺栓施拧手臂推入风管与墙壁之间的空间中，并令螺栓施拧手臂位于风管法兰垂直投影面区域之外；

S2：通过集控平台发出指令至控制单元，控制电磁线圈进行充电，将螺母吸附在钻头上部端头位置；通过集控平台发出控制指令至第一液压杆、第二液压杆，控制智能钻头中心孔位置与螺栓仓端部螺栓中心位置对中；

S3：测量第一移动台竖向中心位置与风管法兰之间的垂直距离，据此通过集控平台的参数设置模块设置第一移动台的上升距离，然后集控平台控制第一驱动电机启动，驱动第一移动台初步上升至风管法兰所在位置；

S4：移动施工装置位置，令螺母施拧手臂、螺栓施拧手臂贴近风管；通过集控平台控制激光定位器打开，观察激光定位器打出来的激光水平线与成排风管法兰的法兰孔的中心是否对中，据此对施工装置位置进行微调，最终令激光穿过成排风管法兰的法兰孔的中心；

S5：通过集控平台发出控制指令至智能钻头的第二信号传输模块，智能钻头接收到信号后，开启视频采集单元、照明单元、距离检测单元、控制单元的电源通路，保持智能钻头处于运行状态；

S6：视频采集单元将数据通过第一信号传输模块传递至集控平台，集控平台的显示模块实时显示智能钻头所在位置；通过集控平台的操作模块控制第一液压杆、第二液压杆同步运动，智能钻头和螺栓仓分别在其作用下同时运动，其中，智能钻头在第一液压杆作用下沿着螺母施拧手臂在水平方向进行移动，同时距离检测单元对智能钻头与法兰孔中心位置之间的水平距离进行检测，当智能钻头与法兰孔的中心位置水平距离为0时，集控平台发出提示音，表明智能钻头与法兰孔已对中，此时停止操作；

S7：基于距离检测单元检测的智能钻头与风管法兰之间的垂直距离，控制单元将距离数据传输至集控平台，集控平台根据此距离数据自动控制第一驱动电机工作，将螺母施拧手臂下降，直至智能钻头下表面与风管法兰上表面轻微接触，控制第一驱动电机停止转动；

S8：通过集控平台控制第三液压杆将螺栓施拧手臂上提，令螺栓穿过法兰孔，当螺栓端部伸出法兰孔上表面时，控制第三液压杆停止抬升；

S9：通过集控平台发出电磁线圈关闭指令至控制单元，控制电磁线圈进行断电，螺母在重力作用下下降至钻头底部的螺栓上；同时，螺母仓中的弹簧A将下一个螺母弹出至钻头上部，集控平台继续发出电磁线圈充电指令，电磁线圈产生磁性，将下一个螺母继续吸附在钻头上部端头；

S10：在集控平台的参数设置模块设置扭矩限值，集控平台发出第二驱动电机旋转指令，第二驱动电机带动传动轴旋转，传动轴通过齿轮结构将动力传输至转轴，转轴带动钻头随之旋转，进而带动螺母转动，螺栓在螺母作用下上升，当扭矩传感器监测的扭矩值达到设定值时，集控平台发出指令，切断第二驱动电机电力供应，此时螺栓与螺母旋紧；

S11：螺栓施拧完毕后，集控平台发出控制指令至第三液压杆，令其伸长，在其作用下，第二移动台下降，带动螺栓施拧手臂下降；同时，集控平台发出控制指令控制第一驱动电机启动，间接带动螺母施拧手臂上升；

S12：根据法兰孔的间距，通过集控平台的参数设置模块设置智能钻头的移动距离，集控平台据此将指令传递至第一液压杆、第二液压杆，进而控制智能钻头和螺栓仓分别移动相同距离至下一个法兰孔位置；

S13：继续重复S6～S10，直至完成所有螺栓的施拧工作。

进一步地，所述S3中，集控平台通过控制第一驱动电机旋转圈数来控制第一移动台的移动距离，二者之间的数学关系如下：

式中：为第一移动台需要提升的高度；/>为丝杆螺纹之间的间距；/>为丝杆需要旋转的圈数；/>为第一锥齿轮半径；/>为第二锥齿轮半径；/>为第一驱动电机的旋转圈数。

进一步地，所述S6中，在第一液压杆、第二液压杆移动过程中，其余的距离检测单元对智能钻头的周边环境进行动态监测，并将监测数据实时传输至集控平台，当监测到的距离小于设定值时，集控装置发出报警信息，并断开第一液压杆、第二液压杆电源开关。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明所设计的施拧手臂为多节结构，便于收纳，占地空间小，同时实现了施拧手臂自由伸长，解决了大管径风管狭小空间下螺栓难以施拧的难题，操作灵活方便。

2.本发明的施工装置实现了螺栓及螺母存储，避免了反复将施拧手臂调回来放置螺栓、螺母的过程，大幅提高了工效，能够实现持续稳定工作。

3.本发明通过集控平台远程操控螺栓施拧，自动化程度高，且具有可视化功能，不仅保证了作业人员的安全性，提高了施工效率，而且助力了传统机电安装行业数字化、智能化转型升级，另外，施拧过程也不会对风管造成损坏，保障风管安装工艺品质。

附图说明

图1为狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置整体示意图；

图2为狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置各组件控制关系示意图；

图3为万向轮结构示意图；

图4为连接杆与转向单元连接放大图；

图5为螺母施拧手臂结构示意图；

图6为智能钻头外部结构示意图；

图7为智能钻头内部驱动单元示意图；

图8为螺母存储及施拧单元与大齿轮B连接示意图；

图9为螺母仓结构示意图；

图10为螺栓施拧手臂结构示意图。

图中：1-可移动基座；2-万向轮；200-转向单元；201-连接杆；202-转轮；3-基槽；300-滑轨A；301-支撑杆；302-丝杆；4-第一移动台；400-滑轨B；5-第二移动台；6-第三液压杆；7-激光定位器；8-螺母施拧手臂；800-第一液压杆；9-智能钻头；900-电源单元；901-控制单元；902-视频采集单元；903-距离检测单元；904-驱动单元；9040-第二驱动电机；9041-传动轴；9042-大齿轮A；9043-大齿轮B；9044-转轴；905-照明单元；906-螺母存储及施拧单元；9060-法兰盘；9061-螺母存储部分；9062-钻头；9063-弧形钢片；9064-弹簧A；9065-孔道；9066-电磁线圈；9067-扭矩传感器；10-螺栓施拧手臂；1000-第二液压杆；1001-弹簧B；11-第一驱动电机；12-第一锥齿轮；13-第二锥齿轮；14-螺母；15-螺栓。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置，包括可移动基座1、万向轮2、基槽3、第一驱动电机11、第一移动台4、第二移动台5、第三液压杆6、螺母施拧手臂8、智能钻头9、螺栓施拧手臂10、激光定位器7、集控平台。

如图1所示，可移动基座1为铸钢材质，截面为梯形，提高了整体稳定性，可移动基座1底部安装有万向轮2，便于整体移动。如图3、4所示，万向轮2包括转向单元200、连接杆201、转轮202三部分，转向单元200焊接固定在可移动基座1底部，其内部设置有滚轮，连接杆201一端连接转轮202，另一端伸入转向单元200内部，并与滚轮接触，通过滚轮限制其在水平方向的自由度，避免连接杆201摆动，同时，在转向时，连接杆201端部与滚轮之间会产生摩擦，进而实现转向功能；连接杆201可以围绕转向单元200做360°旋转，进而带动转轮202旋转和移动，同时，连接杆201为L型结构，便于将扭矩传输至转轮202。

如图1所示，可移动基座1上安装有基槽3，基槽3为铸钢材质，其底部与可移动基座1焊接连接；基槽3内沿其高度方向安装有滑轨A300、支撑杆301、丝杆302，其中，丝杆302位于基槽3中间位置，丝杆302顶部和底部均通过滑动轴承分别与基槽3上下封堵板连接，滑轨A300设置在基槽3两侧壁上，能够进一步保证施工装置整体稳定性，支撑杆301设置在丝杆302两侧，支撑杆301两端均焊接固定在基槽3上下封堵板上，有助于提高施工装置整体稳定性。第一移动台4安装于丝杆302、支撑杆301、滑轨A300上，第一移动台4竖向开有孔道，内部套丝，并与丝杆结构吻合，当丝杆302转动时，第一移动台4随之产生上下运动。基槽3背面的可移动基座1上通过螺栓安装有第一驱动电机11，一方面作为配重以保证施工装置整体稳定性，另一方面作为丝杆302的驱动机构，具体地，第一驱动电机11输出端伸入基槽内且安装有第二锥齿轮13，在第一驱动电机11的作用下，第二锥齿轮13与丝杆302下部安装的第一锥齿轮12啮合传动，进而带动丝杆302正转或反转，进而使得丝杆302上的第一移动台4能够实现上下运动。

如图1所示，第一移动台4内部开设有安装槽，安装槽侧壁设置有凸出的滑轨B400，第二移动台5通过两侧设置的凹槽嵌入第一移动台4的滑轨B400上，第二移动台5外侧面安装有螺栓施拧手臂10；安装槽内还固定有第三液压杆6，第三液压杆6的固定端与螺母施拧手臂8连接，且螺母施拧手臂8固定在第一移动台4内壁上；第三液压杆6的伸缩端与第二移动台5顶部连接，用于带动第二移动台5以及螺栓施拧手臂10整体沿着滑轨B400上下移动，靠近或远离螺母施拧手臂8。

如图1、5所示，螺母施拧手臂8为多节结构，包括首节、末节以及多个中间节，每节均为C型钢，采用大节套小节的型式拼装而成，每节底部均开设有豁口，为智能钻头9左右移动提供空间。螺母施拧手臂8的末节、第一液压杆800端部均生根于第一移动台4上，第一液压杆800位于首节内部，第一液压杆800伸缩端与智能钻头9连接，用于带动智能钻头9沿着螺母施拧手臂8长度方向水平移动；首节两端、中间节内部、中间节外部均设置有挡块，当首节在智能钻头9间接作用下推至最远端时，首节右端挡块与某一中间节内部左端挡块接触，进而带动该中间节伸长运动，当该中间节伸长至最远端时，该中间节外部挡块与下一中间节内部挡块接触，并带动其做伸长运动，依照此原理即可实现螺母施拧手臂8的伸长调节，便于伸入狭小区域进行施工操作。当智能钻头9向右方运动时（即螺母施拧手臂8实现缩短调节时），首先在第一液压杆800作用下沿首节轨道向右方运动，当运动至首节最右端时，第一液压杆800带动首节向右方运动，当首节端部挡块与某一中间节内部挡块接触时，带动该中间节继续向右方运动，进而实现智能钻头9在水平方向任意移动。

如图6、7所示，智能钻头9为模块化结构，包括电源单元900、控制单元901、视频采集单元902、距离检测单元903、驱动单元904、照明单元905、螺母存储及施拧单元906。电源单元900为电池仓，用于放置电池组，为智能钻头9各单元提供电力。驱动单元904包括第二驱动电机9040、传动轴9041、大齿轮A9042、大齿轮B9043，第二驱动电机9040输出端连接传动轴9041，传动轴9041端部设计为齿轮状结构，传动轴9041端部与大齿轮A9042啮合，通过齿与大齿轮A9042啮合带动旋转，能够降低大齿轮A9042的旋转角速度；大齿轮A9042与大齿轮B9043通过链条传动连接，可以根据施工环境限制条件调整大齿轮B9043的位置，进而灵活调整钻头9062的位置。

如图8、9所示，螺母存储及施拧单元906与大齿轮B9043的转轴9044通过法兰盘9060进行连接，螺母存储与施拧单元906内部结构尺寸基于螺母的大小进行标准化定制，形成模数化系列产品，可以根据所需施拧螺母的型号选择相应的螺母存储及施拧单元906，并与大齿轮B9043的转轴9044进行快速连接。

螺母存储及施拧单元906的钻头9062外部为圆筒形结构，内部为正六边形通道，其与螺母14之间的空隙宜为0.5～1mm，并保证施拧过程中钻头9062与螺母14不发生相对滑移。螺母存储及施拧单元906的螺母存储部分9061采用螺旋式螺母仓结构，包括螺纹连接的上下壳体，便于在螺母14用尽时打开添加螺母14；钻头9062与螺母存储部分9061的接口处开有孔道9065，为螺母14进入钻头9062内部提供通道；螺母存储部分9061还包括由弧形钢片9063形成的螺母移动轨道，若干螺母14依次放置于该轨道内，并将轨道外侧的弹簧A9064压紧，保证弹簧A9064最大伸长量应能将最末端螺母14推入孔道9065；孔道9065周围设置有电磁线圈9066，电磁线圈9066采用弧形钢片9063与螺母14隔断，由电源单元900供电，通过通断电控制电磁线圈9066产生或失去磁性，实现螺母14吸附或下落至钻头9062底部（套在螺栓15上），该过程基于控制单元901进行控制。螺母存储及施拧单元906的监测部分包括安装在大齿轮B9043的转轴9044上的扭矩传感器9067，扭矩传感器9067用于监测钻头9062扭矩值，当监测到的力矩达到设定值时，集控平台发出指令，切断第二驱动电机9040电力供应，此时螺栓15达到终拧状态。

如图6所示，视频采集单元902用于对钻头施拧区域进行视频动态采集，并将采集到的信息实时传输至集控平台；照明单元905用于钻头施拧区域进行照明，通过控制单元901控制照明单元905线路的通断。鉴于本发明作业环境多为狭小空间，为防止螺母施拧手臂8与周边维护结构发生碰撞，本发明还设置有距离检测单元903，距离检测单元903采用激光传感器对智能钻头9前方、左方、右方与围护结构之间的距离进行检测，并将实时检测信息实时传输至集控平台。

控制单元901包括第一信号传输模块、控制模块；第一信号传输模块负责接收从集控平台传输过来的控制指令，并将采集的视频信号、距离信号传输至集控平台；控制模块包括主板、内存、硬盘、CPU等，主板上集成了内存、CPU、各功能单元电源通断控制等；内存负责临时存储集控平台传输过来的信号指令；CPU负责对信号指令进行分析，并控制相关组件动作；各功能单元电源通断控制采用MOS管，负责各功能单元电源通断。

如图10所示，螺栓施拧手臂10为多节结构，包括首节、末节以及多个中间节，采用大节套小节的型式拼装而成，拼装原理与螺母施拧手臂8相同，各节之间也是通过挡块实现联动运动。螺栓施拧手臂10的末节、螺栓施拧手臂10内部的第二液压杆1000均生根于第二移动台5上；第二液压杆1000的伸缩端与螺栓施拧手臂10的首节连接，用于调节该首节的水平位置。螺栓施拧手臂10的首节为螺栓仓，采用弹簧夹结构，螺栓仓中放置有多个螺栓15，采用弹簧B1001进行螺栓15的压紧及推送；当最左侧螺栓15施拧完毕后，弹簧B1001自动将相邻的下一个螺栓15推送到最左侧位置，弹簧B1001长度选用能将最右侧螺栓15推送至螺母仓最左侧位置的弹簧B1001。弹性层位于螺栓施拧手臂10首节底部（即螺栓15、弹簧B1001下部）并通长布设，厚度为待施风管法兰厚度的2倍，当螺栓施拧手臂10在第三液压杆6作用下抬升，最左侧螺栓15伸入法兰孔内时，其余螺栓15被风管法兰压缩进而在压力作用下压缩弹性层，保证最左侧螺栓15能够伸入法兰孔中并与智能钻头9携带的螺母14接触。

如图1所示，第三液压杆6的固定部分处安装有激光定位器7，且激光定位器7位于螺栓施拧手臂10、螺母施拧手臂8的水平中心位置，实际施工中，激光定位器7发射激光至法兰孔上，通过分析激光是否位于成排的法兰孔的中心线位置，进而判断施工装置的位置是否满足施拧要求，进而指导施工装置位置调整。

如图2所示，集控平台包括参数设置模块、操作模块、第二信号传输模块、显示模块、主板、CPU、内存、硬盘。参数设置模块负责设置的参数包括：第一移动台4、第二移动台5、第一液压杆800、第二液压杆1000等的移动距离。操作模块用于控制第一驱动电机11、第二驱动电机9040、第一液压杆800、第二液压杆1000、第三液压杆6、视频采集单元902、照明单元905、距离检测单元903、电磁线圈9066等的启闭。第二信号传输模块负责将控制指令发送至第一信号传输模块，并接收由第一信号传输模块传输而来的视频数据、间距数据等。显示模块用于显示智能钻头施拧区域监测视频、参数设置模块相关参数等。主板集成了其他各项功能模块。CPU基于参数设置模块的相关参数及操作模块的指令进行数学运算，将其转化为施工装置可执行的控制指令。内存负责临时存储由第一信号传输模块传输而来的数据以及CPU分析处理的过程和最终数据。硬盘负责存储由第一信号传输模块传输而来的视频信号等数据。

利用上述狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置的狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工方法，包括如下过程：

S1：将螺母14和螺栓15分别放置于螺母施拧手臂8的螺母仓、螺栓施拧手臂10的螺栓仓内，令螺母14与螺栓15的数量保持一致；然后将施工装置整体放置于待安装的风管法兰旁边，通过目测方式初步调整施工装置位置，令施工装置贴近风管，同时令螺栓施拧手臂10与待安装的风管法兰平行；推动施工装置，将螺栓施拧手臂10推入风管与墙壁之间的空间中，并令螺栓施拧手臂10位于风管法兰垂直投影面区域之外，避免螺栓施拧手臂10抬升过程中与风管法兰产生碰撞。

S2：通过集控平台发出电磁线圈9066开启指令至智能钻头9的控制单元901，控制电磁线圈9066进行充电，将螺母14吸附在钻头9062上部端头位置；通过集控平台发出控制指令至第一液压杆800、第二液压杆1000，控制智能钻头9中心孔位置与螺栓仓端部螺栓中心位置对中。

S3：采用直尺测量第一移动台4竖向中心位置与风管法兰之间的垂直距离，据此通过集控平台的参数设置模块设置第一移动台4的上升距离，通过集控平台的操作模块启动第一驱动电机11，驱动第一移动台4初步上升至风管法兰所在位置，并且此时螺母施拧手臂8位于风管法兰上部、螺栓施拧手臂10位于风管法兰下部；其中，通过控制第一驱动电机11旋转圈数来控制第一移动台4的移动距离，二者之间的数学关系如下：

式中：为第一移动台4需要提升的高度；/>为丝杆螺纹之间的间距；/>为丝杆302需要旋转的圈数；/>为第一锥齿轮12半径；/>为第二锥齿轮13半径；基于上式即可求出第一驱动电机11的旋转圈数/>。

S4：移动施工装置位置，令螺母施拧手臂8、螺栓施拧手臂10贴近风管；通过集控平台控制激光定位器7打开，观察激光定位器7打出来的激光水平线与成排风管法兰的法兰孔的中心是否对中，据此对施工装置位置进行微调，最终令激光穿过成排风管法兰的法兰孔的中心，此时螺栓施拧手臂10、螺母施拧手臂8均位于法兰孔的中心位置，然后采用临时固定装置将施工装置位置进行固定；为避免施拧过程中在外力作用下导致施工装置偏移，在施拧过程中，令激光定位器7处于常开状态。

S5：通过集控平台的操作单元发出控制指令至智能钻头9的第二信号传输模块，智能钻头9接收到信号后，通过MOS管开启视频采集单元902、照明单元905、距离检测单元903、控制单元901的电源通路，保持智能钻头9处于运行状态。

S6：视频采集单元902将数据通过第一信号传输模块传递至集控平台，集控平台的显示模块实时显示智能钻头9所在位置；通过集控平台的操作模块控制第一液压杆800、第二液压杆1000同步运动，智能钻头9和螺栓仓分别在其作用下同时运动，其中，智能钻头9在第一液压杆800作用下沿着螺母施拧手臂8在水平方向进行移动，同时距离检测单元903对智能钻头9与法兰孔的中心位置之间的水平距离进行检测，当智能钻头9与法兰孔的中心位置水平距离为0时，集控平台发出提示音，表明智能钻头9与法兰孔已对中，此时停止操作；在第一液压杆800、第二液压杆1000移动过程中，其余的距离检测单元903对智能钻头9的周边环境进行动态监测，并将监测数据实时传输至集控平台，当监测到的距离小于设定值时，集控装置发出报警信息，并断开第一液压杆800、第二液压杆1000电源开关。

S7：基于距离检测单元903检测的智能钻头9与风管法兰之间的垂直距离，控制单元901将距离数据传输至集控平台，集控平台根据此距离数据自动控制第一驱动电机11工作，将螺母施拧手臂8下降，直至智能钻头9下表面与风管法兰上表面轻微接触（相距0.5mm～1mm左右），控制第一驱动电机11停止转动。

S8：通过集控平台控制第三液压杆6将螺栓施拧手臂10上提，令螺栓15穿过法兰孔，当螺栓15端部伸出法兰孔上表面1mm～1.5mm时（便于螺栓15伸入螺母14内），控制第三液压杆6停止抬升。

S9：通过集控平台发出电磁线圈9066关闭指令至智能钻头9控制单元901，控制电磁线圈9066进行断电，螺母14在重力作用下下降至钻头9062底部的螺栓15上；同时，螺母仓中的弹簧A9064将下一个螺母14弹出至钻头9062上部，集控平台继续发出电磁线圈9066充电指令，电磁线圈9066产生磁性，将下一个螺母14继续吸附在钻头9062上部端头。

S10：在集控平台的参数设置模块设置扭矩限值，同时，集控平台发出第二驱动电机9040旋转指令，第二驱动电机9040带动传动轴9041旋转，传动轴9041通过齿轮结构将动力传输至转轴9044，转轴9044带动钻头9062随之旋转，进而带动螺母14转动，螺栓15在螺母14作用下上升，当监测的扭矩值达到设定值时，集控平台发出指令，切断第二驱动电机9040电力供应，此时螺栓15与螺母14旋紧；当螺栓15端头旋出螺栓仓时，其位置空缺，其相邻的右侧螺栓15在弹簧B1001作用下被移动至最左侧位置。

S11：螺栓15施拧完毕后，集控平台发出控制指令至第三液压杆6，令其伸长，在其作用下，第二移动台5下降，带动螺栓施拧手臂10下降；同时，集控平台发出控制指令控制第一驱动电机11启动，间接带动螺母施拧手臂8上升。

S12：根据法兰孔的间距，通过集控平台的参数设置模块设置智能钻头9的移动距离，集控平台据此将指令传递至第一液压杆800、第二液压杆1000，进而控制智能钻头9和螺栓仓分别移动相同距离至下一个法兰孔位置。

S13：继续重复S6～S10，直至完成所有螺栓15的施拧工作。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用狭小空间竖向风管法兰螺栓智能化施工装置的施工方法，其特征在于，包括可移动基座（1），可移动基座（1）的底部安装有万向轮（2），上表面安装有基槽（3），基槽（3）内设置滑轨A（300）、丝杆（302），丝杆（302）由锥齿轮组以及第一驱动电机（11）驱动旋转，滑轨A（300）以及丝杆（302）上安装第一移动台（4）；第一移动台（4）内开设安装槽并设置滑轨B（400），滑轨B（400）上安装第二移动台（5），第二移动台（5）外侧面安装螺栓施拧手臂（10）；安装槽内固定第三液压杆（6），第三液压杆（6）的固定端与固定在第一移动台（4）内壁的螺母施拧手臂（8）连接，伸缩端与第二移动台（5）顶部连接；第三液压杆（6）上还安装有激光定位器（7）；螺母施拧手臂（8）下部安装智能钻头（9），智能钻头（9）包括电源单元（900）、控制单元（901）、视频采集单元（902）、距离检测单元（903）、驱动单元（904）、照明单元（905）、螺母存储及施拧单元（906）；第一驱动电机（11）、螺栓施拧手臂（10）、第三液压杆（6）、螺母施拧手臂（8）、智能钻头（9）、激光定位器（7）均由集控平台综合控制；

所述驱动单元（904）包括第二驱动电机（9040），第二驱动电机（9040）输出端连接传动轴（9041），传动轴（9041）端部为齿轮状结构且与大齿轮A（9042）啮合，大齿轮A（9042）与大齿轮B（9043）通过链条传动连接，大齿轮B（9043）安装在转轴（9044）上；

所述螺母存储及施拧单元（906）与转轴（9044）通过法兰盘（9060）连接；螺母存储及施拧单元（906）的钻头（9062）外部为圆筒形结构，内部为正六边形通道，螺母存储及施拧单元（906）的螺母存储部分（9061）为螺母仓，包括螺纹连接的上下壳体，钻头（9062）与螺母存储部分（9061）的接口处开有供螺母（14）进入钻头（9062）内部的孔道（9065）；螺母存储部分（9061）还包括由弧形钢片（9063）形成的螺母移动轨道，多个螺母（14）依次放置于该轨道内，并将轨道外侧的弹簧A（9064）压紧；孔道（9065）周围设置有电磁线圈（9066），电磁线圈（9066）采用弧形钢片（9063）与螺母（14）隔断，通过通断电控制螺母（14）吸附或下落至钻头（9062）底部；螺母存储及施拧单元（906）的监测部分包括安装在转轴（9044）上的用于监测钻头（9062）扭矩值的扭矩传感器（9067）；

所述螺母施拧手臂（8）、螺栓施拧手臂（10）均为可伸缩式多节结构，均通过大节套小节的型式拼装而成，均包括首节、末节以及多个中间节；螺母施拧手臂（8）每节底部均开设有供智能钻头（9）移动的豁口，螺母施拧手臂（8）的首节内部设置有第一液压杆（800），第一液压杆（800）的伸缩端与智能钻头（9）连接，固定端与第一移动台（4）连接；第一液压杆（800）用于带动智能钻头（9）沿着螺母施拧手臂（8）长度方向水平移动，同时间接带动螺母施拧手臂（8）进行伸缩调节；

螺栓施拧手臂（10）内部第二液压杆（1000）的伸缩端与螺栓施拧手臂（10）的首节连接，固定端与第二移动台（5）连接；螺栓施拧手臂（10）的首节为螺栓仓，螺栓仓底部为弹性层，螺栓仓一侧安装有弹簧B（1001），另一侧放置有多个螺栓（15），通过弹簧B（1001）进行螺栓（15）的压紧及推送；

施工方法包括如下过程：

S1：将螺母（14）和螺栓（15）分别放置于螺母仓和螺栓仓内，然后将施工装置整体放置于待安装的风管法兰旁边，通过目测方式初步调整施工装置位置，令施工装置贴近风管，同时令螺栓施拧手臂（10）与待安装的风管法兰平行；然后将螺栓施拧手臂（10）推入风管与墙壁之间的空间中，并令螺栓施拧手臂（10）位于风管法兰垂直投影面区域之外；

S2：通过集控平台发出指令至控制单元（901），控制电磁线圈（9066）进行充电，将螺母（14）吸附在钻头（9062）上部端头位置；通过集控平台发出控制指令至第一液压杆（800）、第二液压杆（1000），控制智能钻头（9）中心孔位置与螺栓仓端部螺栓（15）中心位置对中；

S3：测量第一移动台（4）竖向中心位置与风管法兰之间的垂直距离，据此通过集控平台的参数设置模块设置第一移动台（4）的上升距离，然后集控平台控制第一驱动电机（11）启动，驱动第一移动台（4）初步上升至风管法兰所在位置；

S4：移动施工装置位置，令螺母施拧手臂（8）、螺栓施拧手臂（10）贴近风管；通过集控平台控制激光定位器（7）打开，观察激光定位器（7）打出来的激光水平线与成排风管法兰的法兰孔的中心是否对中，据此对施工装置位置进行微调，最终令激光穿过成排风管法兰的法兰孔的中心；

S5：通过集控平台发出控制指令至智能钻头（9）的第二信号传输模块，智能钻头（9）接收到信号后，开启视频采集单元（902）、照明单元（905）、距离检测单元（903）、控制单元（901）的电源通路，保持智能钻头（9）处于运行状态；

S6：视频采集单元（902）将数据通过第一信号传输模块传递至集控平台，集控平台的显示模块实时显示智能钻头（9）所在位置；通过集控平台的操作模块控制第一液压杆（800）、第二液压杆（1000）同步运动，智能钻头（9）和螺栓仓分别在其作用下同时运动，其中，智能钻头（9）在第一液压杆（800）作用下沿着螺母施拧手臂（8）在水平方向进行移动，同时距离检测单元（903）对智能钻头（9）与法兰孔的中心位置之间的水平距离进行检测，当智能钻头（9）与法兰孔的中心位置水平距离为0时，集控平台发出提示音，表明智能钻头（9）与法兰孔已对中，此时停止操作；

S7：基于距离检测单元（903）检测的智能钻头（9）与风管法兰之间的垂直距离，控制单元（901）将距离数据传输至集控平台，集控平台根据此距离数据自动控制第一驱动电机（11）工作，将螺母施拧手臂（8）下降，直至智能钻头（9）下表面与风管法兰上表面轻微接触，控制第一驱动电机（11）停止转动；

S8：通过集控平台控制第三液压杆（6）将螺栓施拧手臂（10）上提，令螺栓（15）穿过法兰孔，当螺栓（15）端部伸出法兰孔上表面时，控制第三液压杆（6）停止抬升；

S9：通过集控平台发出电磁线圈（9066）关闭指令至控制单元（901），控制电磁线圈（9066）进行断电，螺母（14）在重力作用下下降至钻头（9062）底部的螺栓（15）上；同时，螺母仓中的弹簧A（9064）将下一个螺母（14）弹出至钻头（9062）上部，集控平台继续发出电磁线圈（9066）充电指令，电磁线圈（9066）产生磁性，将下一个螺母（14）继续吸附在钻头（9062）上部端头；

S10：在集控平台的参数设置模块设置扭矩限值，集控平台发出第二驱动电机（9040）旋转指令，第二驱动电机（9040）带动传动轴（9041）旋转，传动轴（9041）通过齿轮结构将动力传输至转轴（9044），转轴（9044）带动钻头（9062）随之旋转，进而带动螺母（14）转动，螺栓（15）在螺母（14）作用下上升，当扭矩传感器（9067）监测的扭矩值达到设定值时，集控平台发出指令，切断第二驱动电机（9040）电力供应，此时螺栓（15）与螺母（14）旋紧；

S11：螺栓（15）施拧完毕后，集控平台发出控制指令至第三液压杆（6），令其伸长，在其作用下，第二移动台（5）下降，带动螺栓施拧手臂（10）下降；同时，集控平台发出控制指令控制第一驱动电机（11）启动，间接带动螺母施拧手臂（8）上升；

S12：根据法兰孔的间距，通过集控平台的参数设置模块设置智能钻头（9）的移动距离，集控平台据此将指令传递至第一液压杆（800）、第二液压杆（1000），进而控制智能钻头（9）和螺栓仓分别移动相同距离至下一个法兰孔位置；

S13：继续重复S6～S10，直至完成所有螺栓（15）的施拧工作。

2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述S3中，集控平台通过控制第一驱动电机（11）旋转圈数来控制第一移动台（4）的移动距离，二者之间的数学关系如下：

式中：为第一移动台（4）需要提升的高度；/>为丝杆螺纹之间的间距；/>为丝杆（302）需要旋转的圈数；/>为第一锥齿轮（12）半径；/>为第二锥齿轮（13）半径；/>为第一驱动电机（11）的旋转圈数。

3.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述S6中，在第一液压杆（800）、第二液压杆（1000）移动过程中，距离检测单元（903）还对智能钻头（9）的周边环境进行动态监测，并将监测数据实时传输至集控平台，当监测到的距离小于设定值时，集控装置发出报警信息，并断开第一液压杆（800）、第二液压杆（1000）电源开关。