CN210945789U - 一种小型便携式激光增材修补石油天然气管道机器人 - Google Patents

Abstract

一种小型便携式激光增材修补石油天然气管道机器人，设置有增材修补机器人支撑箱、激光发生装置、增材修补粉料供应机构及机器人支撑机构四个主要部分组成整体结构。由中央控制计算机或外接信号控制机器人工作，可以由太阳能电池板箱体或外接电源与太阳能蓄电池配合供能，由激光发生装置与增材修补粉料供应机构两部分机构配合进行激光增材修补工作，机器人可在机器人支撑机构支撑下升高降低和前后左右移动，所有机构可集成收纳在增材修补机器人支撑箱内，支撑臂可折叠收纳在增材修补机器人支撑箱凹槽内，方便携带和运输。

Description

一种小型便携式激光增材修补石油天然气管道机器人

技术领域：激光增材制造领域。

背景技术：输油管道和输气管道的管材一般为不锈钢管，管道的腐蚀和如何防腐是管道养护的重要环节之一。目前输油管道和输气管道已经成为石油、天然气的主要输送工具，且在未来依旧具有相当的发展潜力。但随着管道运营时间的延长，管道在内外因作用下不可避免的会出现各种损伤或缺陷，如腐蚀引起的管道强度降低，坑蚀穿孔等。因此，采用合适可行的修复技术来修复管道的安全运行极其重要。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种激光增材修复机器人，用于石油、天然气管道的安全修复。该增材修复机器人小型便携，可将所有机构收起放入机器人收纳箱中，展开后可吸附在石油、天然气管道上，对石油、天然气管道进行安全修复。本增材修复机器人主要包括：增材修补机器人支撑箱、中央控制计算机、光纤激光器、传输光缆、光纤激光输出头、激光输出头支撑架、激光振镜、激光场镜、振镜支撑架、增材粉料流化床、流化床振动电机、多孔隔板、空气压缩机、粉料输送管、增材粉料喷粉管、喷粉管喷头、喷粉控制阀、喷粉管转动电机、支撑臂、支撑臂转动电机、电磁吸盘。在本发明中，设置有由太阳能电池板制作的便携式激光增材修补机器人支撑箱，直接与太阳能蓄电池相连，可以将太阳能转化为电能并储存在蓄电池中，然后由蓄电池为增材修补机器人供能。增材修补机器人支撑箱由六条支撑臂共同支撑，支撑臂可以水平和垂直转动，可以前后左右移动并调节激光的焦距，对石油、天然气管道的破损、坑蚀处进行修复。增材修补机器人支撑箱箱体内设置有中央控制计算机和控制按钮，可以控制增材修补机器人工作以及支撑臂的移动。增材修补机器人支撑箱外壁上，设置有外扩电源接口，可以在蓄电池能源不足时使用外接电源工作；设置有外扩控制信号接口，可以外接控制器，远距离操控增材修补机器人工作。

结构一、增材修补机器人支撑箱

增材修补机器人支撑箱小型便携，主要包括箱体和箱盖两部分，由锁、锁扣、控制按钮、中央控制计算机、连接铰链、外扩电源接口、外扩控制信号接口、伸缩式便携拉手、便携式提手组成。增材修补机器人支撑箱的箱盖和箱体均由太阳能电池板材料制作，可以将太阳能转化为电能，储存在太阳能蓄电池中，为增材修补机器人供能，箱体和箱盖之间依靠连接铰链连接，箱盖上设置有锁扣，可以与箱体上的锁相配合，在闭合箱盖的时候锁上，以避免箱体内物品掉落，外扩电源接口可以连接外接电源，在太阳能蓄电池能源不足时提供外接能源为增材修补机器人供能，支撑箱上设置有伸缩式便携拉手和便携式提手，方便携带，支撑箱外部有凹槽，凹槽处可连接支撑臂，支撑臂收起时可收进凹槽内，方便简洁，便于携带好运输，增材修补机器人支撑箱底部设置有推拉式窗口，窗口拉开时可为激光提供光路通道窗口，支撑箱底部还设置有喷粉管出口，粉料喷粉管可以从该出口透出，喷出粉料与激光束相配合，进行激光增材修补工作。

结构二、激光发生装置

激光发生装置由光纤激光器、传输光缆、光纤激光输出头、激光输出头支撑架、激光振镜、激光场镜、振镜支撑架组成。光纤激光器通过传输光缆与光纤激光输出头相连，光纤激光输出头由激光输出头支撑架支撑连接在激光振镜上，激光振镜由激光振镜支撑架支撑在增材修补机器人支撑箱底部的推拉式窗口上，激光场镜接在激光振镜上，激光振镜与激光场镜共同作用使激光可以在石油、天然气管道表面要修补的范围内工作。工作时，由光纤激光器产生激光，经由传输光缆传输到光纤激光输出头，由光纤激光输出头射出，进入激光振镜，在经由激光振镜和激光场镜后射出，发射到由激光振镜和激光场镜确定的工作面内，与增材修补粉料喷粉管相配合，进行激光增材修补工作。

结构三、增材修补粉料供应机构

增材修补粉料供应机构包括增材粉料流化床和电动粉料喷粉管两部分，由增材粉料流化床、流化床振动电机、多孔隔板、保护气体压缩机、粉料输送管、空心电动伸缩管、电动伸缩管电机、喷粉管万向连接球、电动推杆、电动推杆电机、喷粉管喷头、喷粉控制阀、喷粉管转动电机、转动电机轴、电机轴支撑板组成。增材粉料流化床中间由多孔隔板隔开，保护气体在压缩机作用下被压缩后送入流化床下层，多孔隔板以上的流化床上层储存有增材修补所用粉料，粉料在流化床作用下成为流态，然后经由粉料输送管输送到电动粉料喷粉管，由喷粉管喷头将增材修补所用粉料喷送到石油、天然气管道上的需修补位置，与激光束配合进行激光增材修补工作。由电动伸缩管电机控制空心电动伸缩管的伸缩，电动推杆电机控制电动推杆的伸缩，电动伸缩管与电动推杆共同作用控制电动粉料喷粉管的动作，电动粉料喷粉管由电机轴支撑板固定连接在增材修补机器人支撑箱底部，喷粉管通过喷粉管出口穿出支撑箱，指向石油、天然气管道上需修补的位置。

结构四、机器人支撑机构

机器人支撑机构包括六支支撑臂，每支支撑臂由支撑臂关节、支撑臂水平转动电机、支撑臂水平转动轴、支撑臂大臂、支撑臂垂直转动电机、支撑臂垂直转动轴、支撑臂小臂、万向连接铰链、电磁吸盘组成。支撑臂关节通过支撑臂水平转动轴与增材修补机器人支撑箱相连，支撑臂水平转动电机工作，带动支撑臂水平转动轴动作，可以带动支撑臂相对支撑箱做水平方向的转动，支撑臂关节通过支撑臂垂直转动轴I与支撑臂大臂相连，支撑臂垂直转动电机I工作带动支撑臂垂直转动轴I动作，可以带动支撑臂相对支撑箱做垂直方向的转动，支撑臂大臂通过支撑臂垂直转动轴II与支撑臂小臂相连，支撑臂垂直转动电机II工作带动支撑臂垂直转动轴II动作，也可以带动支撑臂相对支撑箱做垂直方向的转动，两次垂直方向的转动可以使机器人获得更好地自由度，工作更加灵活，支撑臂小臂底部通过万向连接铰链连接电磁吸盘，电磁吸盘通电时可以吸附在钢铁材质管道上，六支支撑臂和电磁吸盘可以使机器人吸劳在石油、天然气管道上，方便机器人工作。

本专利核心内容：

设置增材修补机器人支撑箱I、激光发生装置II、增材修补粉料供应机构III及机器人支撑机构IV四个主要部分组成整体结构。增材修补机器人支撑箱包括箱盖和箱体两个部分，二者之间由铰链连接，二者均由太阳能电池板材料制作，与太阳能蓄电池直接连接，箱盖内嵌中央控制计算机和控制按钮，可以控制激光增材修补机器人的运转和移动，箱体可支撑太阳能蓄电池、光纤激光器和增材粉料流化床正常工作运转，箱底有推拉式窗口和喷粉管出口，可为激光束和电动粉料喷粉管提供通路，箱盖可以和箱体配合，封闭锁死后可避免箱内物品掉落和灰尘杂物进入，箱体外壁设有外扩电源和控制信号接口，可以外接电源和控制信号，能源不足时可提供外接电源，同时可以远距离控制机器人工作，箱体外壁设有便携式提手和伸缩式便携拉手，方便携带运输。激光发生装置中，光纤激光器产生的激光由传输光缆传输到光纤激光输出头，激光输出头将激光束摄入激光振镜，激光振镜控制激光束在工作区域内扫描动作，然后激光束穿过激光场镜，照射在工作部分，形成需要的工作平面，配合增材修补粉料进行激光增材修补。增材修补粉料供应机构中，增材修补粉料经增材粉料流化床作用成为流态粉料，然后经由粉料输送管输送到电动粉料喷粉管，由喷粉控制阀控制进入由喷粉管转动电机、转动电机轴、电机轴支撑板、空心电动伸缩管、电动伸缩管电机、喷粉管万向连接球、电动推杆、电动推杆电机、喷粉管喷头构成的摆动伸缩式喷粉结构，并由喷头将其喷送到石油、天然气管道上的指定位置，配合激光束进行增材制造，喷粉管转动电机、电动伸缩管电机和电动推杆电机配合喷粉管万向连接球控制喷头在工作平面内的移动。机器人支撑机构由六条支撑臂配合组成，可以由中央控制计算机控制支撑臂转动电机的动作，进而控制支撑臂的弯曲伸直以及前后左右的移动，可以与外接控制信号配合，支撑增材修补机器人自行移动到一些操作人员不方便操作的位置进行工作，六条支撑臂底部设有电磁吸盘，可以吸劳在石油、天然气管道上，为增材修补机器人提供稳定的工作环境。

工作过程：由中央控制计算机和控制按钮或远程控制信号控制机器人运转，由太阳能电池板制作的支撑箱和太阳能蓄电池或外接电源为机器人供能。机器人设置有增材修补机器人支撑箱、激光发生装置、增材修补粉料供应机构及机器人支撑机构四个主要部分组成整体结构。增材修补机器人支撑箱可手动开合，打开时可以设定机器人的工作程序，设定完成后可以闭合箱体方便机器人正常运转工作，避免物品掉落，由太阳能电池板制作的支撑箱和太阳能蓄电池或外接电源为机器人供能。光纤激光器产生的激光由传输光缆传输到光纤激光输出头，激光输出头将激光束摄入激光振镜，激光振镜控制激光束在工作区域内扫描动作，然后激光束穿过激光场镜，照射在工作部分，形成需要的工作平面，配合增材修补粉料进行激光增材修补。增材修补粉料供应机构中，增材修补粉料经增材粉料流化床作用成为流态粉料，然后经由粉料输送管输送到电动粉料喷粉管，由喷粉控制阀控制进入由喷粉管转动电机、转动电机轴、电机轴支撑板、空心电动伸缩管、电动伸缩管电机、喷粉管万向连接球、电动推杆、电动推杆电机、喷粉管喷头构成的摆动伸缩式喷粉结构，空心伸缩管可供粉料通过，然后由喷头将其喷送到石油、天然气管道上的指定位置，配合激光束进行增材制造，喷粉管转动电机、电动伸缩管电机和电动推杆电机配合喷粉管万向连接球控制喷头在工作平面内的移动。机器人支撑机构由六条支撑臂配合组成，可以由中央控制计算机控制支撑臂转动电机的动作，进而控制支撑臂的弯曲伸直以及前后左右的移动，六条支撑臂分成正对角三足与反对角三足两组，机器人移动时正对角三足先移动，反对角三足不动，而为机器人提供稳定支撑，待正对角三足移动稳定后，改由正对角三足为机器人提供稳定支撑，反对角三足移动，两组支撑臂来回交替运动，支撑机器人移动，六条支撑臂底部设有电磁吸盘，可以吸劳在石油、天然气管道上形成稳定的支撑，可以与外接控制信号配合，支撑增材修补机器人自行移动到一些操作人员不方便操作的位置进行工作，为增材修补机器人提供稳定的工作环境。

附图说明：

附图是本专利的结构图，图1为一种小型便携式激光增材修补石油天然气管道机器人结构图，图2为增材修补机器人支撑箱构造图，图3为增材修补机器人支撑箱俯视图，图4为激光发生装置结构图，图5为增材修补粉料供应机构结构图，图6为支撑臂结构图，图7为支撑臂转动机构图，图8为待修补的石油、天然气管道示意图。图中分别为：1.锁扣I，2.机器人支撑箱箱盖，3.控制按钮，4.锁扣II，5.中央控制计算机，6.连接铰链I，7.计算机电源线，8.传输光缆，9.连接铰链II，10.光纤激光器和激光振镜电源线，11.激光振镜信号线，12.振镜支撑架，13.外扩电源接口，14.外扩控制信号接口，15.伸缩式便携拉手，16.石油、天然气管道，17.激光振镜，18.光纤激光器，19.锁II，20.太阳能蓄电池，21.修补粉料流化床，22.便携式提手，23.锁I，24.机器人支撑箱箱体，25.电动粉料喷粉管，26.激光束，27.支撑臂水平转动电机，28.管道破损，29.支撑臂大臂，30.电磁吸盘，31.推拉式窗口，32.喷粉管出口，33.激光输出头支撑架，34.光纤激光输出头，35.激光场镜，36.粉料输送管，37.电动伸缩管电机I，38.喷粉管万向连接球，39.电动推杆电机，40.电动伸缩管电机II，41.电动推杆，42.喷粉控制阀，43.喷粉管转动电机，44.转动电机轴，45.电机轴支撑板，46.喷粉管喷头，47.流化床振动电机，48.多孔隔板，49.保护气体压缩机，50.支撑臂垂直转动电机I，51.支撑臂关节，52.支撑臂垂直转动电机II，53.支撑臂小臂，54.支撑臂水平转动轴，55支撑臂垂直转动轴I，56支撑臂垂直转动轴II，57.万向连接铰链

具体实施方式：

本专利的具体实施方式为：设置增材修补机器人支撑箱I、激光发生装置II、增材修补粉料供应机构III及机器人支撑机构IV四个主要部分组成整体结构。增材修补机器人支撑箱I为太阳能电池板材质，包括机器人支撑箱箱盖2和机器人支撑箱箱体24两部分，这两者通过连接铰链I6和连接铰链II9两个连接铰链相连，箱盖得以开合，机器人支撑箱箱盖2内部镶嵌中央控制计算机5和控制按钮3两部分，箱盖另一侧边设置有锁扣I1和锁扣II4两个锁扣，可以与锁I23和锁II19配合锁紧，使增材修补机器人支撑箱I得以闭合，机器人支撑箱箱体24内部设置有推拉式窗口31，为激光束26提供光路通道，设置有喷粉管出口32，为电动粉料喷粉管提供通道，机器人支撑箱箱体24外部设置有锁I23和锁II19两把锁，可以和锁扣I1和锁扣II4两个锁扣相配合锁紧支撑箱，箱体外部还设置有便携式提手22和伸缩式便携拉手15，方便机器人的携带和运输，箱体外壁还设置有外扩电源接口13和外扩控制信号接口14，可以外接电源和控制信号，箱体外侧底部设置有凹槽，凹槽内安装六条支撑臂，并为折叠后的支撑臂提供收纳空间。六条支撑臂每条支撑臂上的支撑臂关节51通过支撑臂水平转动轴54与增材修补机器人支撑箱I的机器人支撑箱箱体24底部的凹槽相连，六条支撑臂均匀分布在箱体两侧的凹槽内，支撑臂关节51通过支撑臂垂直转动轴I55与支撑臂大臂29相连，支撑臂大臂29通过支撑臂垂直转动轴II56与支撑臂小臂53相连，支撑臂小臂53底部通过万向连接铰链57连接电磁吸盘30。太阳能蓄电池20固定在机器人支撑箱箱体24内部，并通过电源线与太阳能电池板组成的增材修补机器人支撑箱I和外扩电源接口13相接，可由二者为其充电，太阳能蓄电池20由计算机电源线7为中央控制计算机5供能，由光纤激光器和激光振镜电源线10为激光发生装置II供能。激光发生装置固定在机器人支撑箱箱体24内部，光纤激光器18通过传输光缆8与光纤激光输出头34相连，光纤激光输出头34通过激光输出头支撑架33固接在激光振镜17上，激光场镜35旋接在激光振镜17的镜头处，激光振镜17通过激光振镜信号线11连接到中央控制计算机5，接收控制信号，激光振镜17由振镜支撑架12固定支撑架起，振镜支撑架12固接在推拉式窗口31上，激光束26透过推拉式窗口31照射在管道破损28处，进行修补工作。增材修补粉料供应机构III中，设置有增材粉料流化床21，固定在机器人支撑箱箱体24内部，增材粉料流化床21上设置有流化床振动电机47和保护气体压缩机49，内部设置多孔隔板48，使增材粉料流态化，增材粉料流化床21通过粉料输送管36连接到喷粉控制阀42，喷粉控制阀42连接在空心电动伸缩管25，空心电动伸缩管25中间部分接入喷粉管万向连接球38，使电动粉料喷粉管动作更加灵活，电动推杆41两端分别连在空心电动伸缩管25被粉管万向连接球38隔开的两部分上，电动粉料喷粉管通过喷粉管转动电机43、转动电机轴44与电机轴支撑板45相连，电机轴支撑板45固接在机器人支撑箱箱体24底部，电动粉料喷粉管穿过喷粉管出口32指向管道破损28处，配合激光束26进行激光增材修补工作。这样就构成了由增材修补机器人支撑箱I、激光发生装置II、增材修补粉料供应机构III及机器人支撑机构IV四个主要部分组成的小型便携式激光增材修补石油天然气管道机器人。

在该激光增材修补机器人中，由中央控制计算机5和控制按钮3或远程控制信号控制机器人运转，由太阳能电池板制作的支撑箱I和太阳能蓄电池20或外接电源为机器人供能。粉料由增材粉料流化床21流态化之后，通过粉料输送管36输送到电动粉料喷粉管，由喷粉控制阀42控制粉料的输送开始、停止及流量，粉料经过空心电动伸缩管25和喷粉管喷头46喷到管道破损28处，配合激光束26进行增材修补，激光由光纤激光器18生成，通过传输光缆8传输到光纤激光输出头34，光纤激光输出头34将激光束26射入激光振镜17，在射入激光场镜35，形成可在工作面管道破损28处稳定工作的激光束26，配合喷粉管喷头46喷出的修补粉料进行增材修补。整台增材修补机器人可收纳到增材修补机器人支撑箱I中，然后用锁扣I1和锁扣II4两个锁扣与锁I23和锁II19配合锁紧，方便携带运输。整体增材修补机器人可由太阳能电池板制作的增材修补机器人支撑箱I或外接电源和太阳能蓄电池20配合供能，由中央控制计算机5和控制按钮3或外接控制信号控制工作。机器人支撑机构IV由六条支撑臂组成，支撑臂关节51可通过支撑臂水平转动轴54相对增材修补机器人支撑箱I做水平方向的转动，支撑臂大臂29可通过支撑臂垂直转动轴I55相对增材修补机器人支撑箱I做垂直方向的转动，支撑臂小臂53可通过支撑臂垂直转动轴II56相对支撑臂大臂29做垂直方向的转动，支撑臂底部的电磁吸盘30可使增材修补机器人吸劳在石油、天然气管道16上，并可在控制信号控制下支撑增材修补机器人自行移动到操作人员不易到达的位置进行稳定地修补工作，支撑臂的运动受中央控制计算机5和控制按钮3或远程控制信号控制，使机器人可在操作人员操控下进行增材修补工作。

Claims (1)

1.一种小型便携式激光增材修补石油天然气管道机器人，其特征是：设置增材修补机器人支撑箱I、激光发生装置II、增材修补粉料供应机构III及机器人支撑机构IV四个主要部分组成整体结构，增材修补机器人支撑箱I为太阳能电池板材质，包括机器人支撑箱箱盖和机器人支撑箱箱体两部分，这两者通过连接铰链I和连接铰链II两个连接铰链相连，箱盖得以开合，机器人支撑箱箱盖内部镶嵌中央控制计算机和控制按钮两部分，箱盖另一侧边设置有锁扣I和锁扣II两个锁扣，可以与锁I和锁II配合锁紧，使增材修补机器人支撑箱I得以闭合，机器人支撑箱箱体内部设置有推拉式窗口，为激光束提供光路通道，设置有喷粉管出口，为电动粉料喷粉管提供通道，机器人支撑箱箱体外部设置有锁I和锁II两把锁，可以和锁扣I和锁扣II两个锁扣相配合锁紧支撑箱，箱体外部还设置有便携式提手和伸缩式便携拉手，方便机器人的携带和运输，箱体外壁还设置有外扩电源接口和外扩控制信号接口，可以外接电源和控制信号，箱体外侧底部设置有凹槽，凹槽内安装六条支撑臂，并为折叠后的支撑臂提供收纳空间，六条支撑臂每条支撑臂上的支撑臂关节通过支撑臂水平转动轴与增材修补机器人支撑箱I的机器人支撑箱箱体底部的凹槽相连，六条支撑臂均匀分布在箱体两侧的凹槽内，支撑臂关节通过支撑臂垂直转动轴I与支撑臂大臂相连，支撑臂大臂通过支撑臂垂直转动轴II与支撑臂小臂相连，支撑臂小臂底部通过万向连接铰链连接电磁吸盘，太阳能蓄电池固定在机器人支撑箱箱体内部，并通过电源线与太阳能电池板组成的增材修补机器人支撑箱I和外扩电源接口相接，可由二者为其充电，太阳能蓄电池由计算机电源线为中央控制计算机供能，由光纤激光器和激光振镜电源线为激光发生装置II供能，激光发生装置固定在机器人支撑箱箱体内部，光纤激光器通过传输光缆与光纤激光输出头相连，光纤激光输出头通过激光输出头支撑架固接在激光振镜上，激光场镜旋接在激光振镜的镜头处，激光振镜通过激光振镜信号线连接到中央控制计算机，接收控制信号，激光振镜由振镜支撑架固定支撑架起，振镜支撑架固接在推拉式窗口上，激光束透过推拉式窗口照射在管道破损处，进行修补工作，增材修补粉料供应机构III中，设置有增材粉料流化床，固定在机器人支撑箱箱体内部，增材粉料流化床上设置有流化床振动电机和保护气体压缩机，内部设置多孔隔板，使增材粉料流态化，增材粉料流化床通过粉料输送管连接到喷粉控制阀，喷粉控制阀连接在空心电动伸缩管，空心电动伸缩管中间部分接入喷粉管万向连接球，使电动粉料喷粉管动作更加灵活，电动推杆两端分别连在空心电动伸缩管被粉管万向连接球隔开的两部分上，电动粉料喷粉管通过喷粉管转动电机、转动电机轴与电机轴支撑板相连，电机轴支撑板固接在机器人支撑箱箱体底部，电动粉料喷粉管穿过喷粉管出口指向管道破损处，配合激光束进行激光增材修补工作，这样就构成了由增材修补机器人支撑箱I、激光发生装置II、增材修补粉料供应机构III及机器人支撑机构IV四个主要部分组成的小型便携式激光增材修补石油天然气管道机器人。

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