大口径管道自动连续铺设作业机器人及其作业方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种管道铺设设备，尤其是一种大口径管道自动连续铺设作业机器人及其作业方法。
【背景技术】
[0002]目前，我国经济建设发展迅猛，尤其是东部对油气资源需求旺盛，国内自给率相对较低，而且分布很不均匀，需要大量从西部甚至国外引进资源;而我国的西北部及西北部邻国却蕴含大量油气资源，需要寻找消费市场，随着一路一带建设的渐入佳境，西(油)气东输工程是协调东西部发展的关键环节，已经全面展开并加速进行。而管道运输尤其是大口径管道运输油气，其经济性更具有竞争力，大口径管道运输具有数以千计千米的市场规模。直径1.0米以上的金属管道的铺设基本都是半机械化的，挖掘、铺设、焊接、测量、监察、检测、填埋各系统各自独立，需要人为协调、指挥，自动化程度低，人员占用多，劳动强度大，自然环境、焊接环境恶劣、输送效率低，铺设周期长、铺设成本高。因此在这些长距离大口径管线建设中采用自动化铺设技术已势在必行，一套合适的设计方案对油气管道的铺设具有重大意义。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种自动化程度高的大口径管道自动连续铺设作业机器人及其作业方法。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明的大口径管道自动连续铺设作业机器人包括平台、主机架、操作室、导航分系统、管件抓取输送分系统、管件端面预处理分系统、在线测量分系统、管件支撑分系统、焊接及其质量检查分系统和控制系统；
[0005]所述平台底部设有用于移动的履带
[0006]所述主机架能够相对平台Z向水平移动；
[0007]所述操作室设置在平台上；
[0008]所述导航分系统用于对施工现场进行初步定位，以保证整个机器人行驶至施工现场；
[0009]所述管件抓取输送分系统用于抓取管件并将管件送至沟槽内，该管件抓取输送分系统包括安装在主机架上的两个能够实现X向水平移动的机械臂、分别安装在两个机械臂端部的两个伸缩装置以及用于抓取管件的两个抓手，所述两个抓手分别安装在两个伸缩装置输出端且该两个抓手能够Y向竖直移动；
[0010]所述管件端面预处理分系统用于对管件两端进行坡口加工，该管件端面预处理分系统包括能够自主转动并对称安装在平台上且用于固定管件的两个涨紧机构、能够转动地安装在两个涨紧机构上且用于对管件两端进行坡口加工的多个刀具以及可收放的安装在平台上且用于顶起管件的多个支撑轮，所述两个涨紧机构能够相对伸缩，该两个涨紧机构插进管件两端内孔并涨紧固定，且两个涨紧机构的转动能够带动管件一起转动;所述在线测量分系统在端面预处理分系统对管件的两个端面处理的同时进行同步测量，分别测量管件每个端面的几何尺寸及其位置坐标，并将测量数据发送至所述控制系统，控制系统对最终测量数据进行分析，筛选出最大壁厚和最小壁厚尺寸数据，并追踪其位置坐标记录在控制系统中，在管件上分别做出明显标示两端各自最大、最小壁厚位置，控制系统再驱动管件端面预处理系统两端的涨紧机构旋转停止时，当前管件的当前焊接端面与前一件管件的当前焊接端面按照重合面积最大原则进行匹配；
[0011]所述管件支撑分系统用于支撑已放入至沟槽内的管件，该管件支撑分系统包括托起在管件中部的中间支撑组件和能够升降且用于锁紧固定在管件前端的吊钩组件，所述中间支撑组件可收放的安装在平台底盘中部，所述吊钩组件上端通过一滑行机构与平台底盘连接，下端设有一能够插入到管件内孔中并锁定管件的卡紧块，在滑行机构和卡紧块之间设有一伸缩杆，所述伸缩杆上还设有用于检查当前管件姿态的第一摄像测量装置，所述第一摄像测量装置的测量数据经所述在线测量分系统发送至控制系统，控制系统控制驱动所述吊钩组件在X向和Z向移动，对当前管件姿态进行微调直至符合管道铺设规范；
[0012]所述焊接及其质量检查分系统，其可收放的安装在平台底盘后端且用于焊接当前管件和前一件管件间的连接处，该焊接及其质量检查分系统包括焊接组件A和焊接组件B，所述焊接组件A和焊接组件B均为环体结构，该焊接组件A和焊接组件B内环周向分别设有多个滚动支架，每个滚动支架底部安装有滚轮和用于吸附在管件上的第一电磁吸盘，所述焊接组件A上设有环形导轨装置，所述环形导轨装置上安装有多个焊机行走机构，每个所述焊机行走机构上分别设有一用于焊接当前管件和前一件管件连接处的焊枪和一用于对焊缝进行检查的无损探伤监测装置，所述焊接组件A上还设有多个能够伸缩的拉杆，其中拉杆的外端固定有一个长圆结构，拉杆伸出长圆结构插入到焊接组件B上相应形状的槽孔内，再旋转拉杆90°，拉杆上的长圆结构与焊接组件B上的槽孔孔型呈十字交叉状态后回收锁紧以将焊接组件A和焊接组件B固接在在一起，所述焊接组件B上还设有一用于测定焊接组件B和管件位置的第二摄像测量装置，所述第二摄像测量装置的测量数据经所述在线测量分系统发送至控制系统，控制系统控制焊接组件B锁定管件；
[0013]所述控制系统用于控制整个机器人的作业动作。
[0014]所述履带数量为两条且两条履带分置在平台底部两侧。
[0015]所述履带数量为四条且四条履带分置在平台底部的四个角落，所述平台能够相对四条履带升降，每个所述履带均可实现转向。
[0016]所述平台上还设有能够升降的居住室。
[0017]所述导航分系统采用北斗导航系统或GPS导航系统或格洛纳斯导航系统或伽利略导航系统。
[0018]每个所述伸缩装置上分别设有一用于探测管件的探测器，以保证两个抓手能够准确的获取管件。
[0019]每个所述涨紧机构分别包括胎具架、通过滚动轴承套装在胎具架外部的回转涨胎套、分别通过一弹涨臂周向固接在回转涨胎套端部的多个锥形涨紧块以及与锥形涨紧块配合使用且用于涨起锥形涨紧块的锥塞，所述胎具架通过支撑导柱与一动力气缸输出端连接以实现胎具架的伸缩运动，所述回转涨胎套外部设有一大齿轮，该大齿轮与一电机输出端的齿轮啮合以实现回转涨胎套能够相对胎具架转动并带动管件转动，所述锥塞中部通过推力轴承与一油缸输出杆能够相对转动地连接，该锥塞在油缸输出杆的带动下能够做伸缩运动以实现对锥形涨紧块的涨起和复位。
[0020]所述中间支撑组件底部设有一承载块，所述承载块上部形成有与管件贴合的半圆形凹槽，下部设有一行走轮，所述承载块两侧分别竖直固接有一连接杆，两个所述连接杆上端分别与平台底盘铰接，且两个所述连接杆上部还分别通过一气缸与平台底盘连接，以实现中间支撑组件的收放。
[0021]所述焊接组件A两侧分别竖直固接有一竖直杆，两个所述竖直杆上端分别与平台底盘铰接，且两个所述竖直杆上部还分别通过一气缸与平台底盘连接，以实现焊接及其质量检查分系统的收放，所述焊接组件A底部还设有一转动轮。
[0022]—种通过所述的大口径管道自动连续铺设作业机器人实现的自动连续铺设管道的作业方法，包括如下步骤:
[0023]I)机器人移动至已挖好的土方作业面上，根据导航分系统做精确初始定位，然后放出伸缩支撑臂，收起履带；
[0024]2)机器人主机架上的中间支撑组件和焊接及其质量检查分系统首先支起，直至与平台平面垂直;主机架上的管件抓取输送分系统中的探测器探测管件的位置并反馈给控制系统，控制系统驱动管件抓取输送分系统的两个抓手抓起该管件，并在控制系统的控制下自动完成起吊、横向运送到机器人平台上指定的管件端面预处理分系统的位置；
[0025]3)管件端面预处理分系统上的两个涨紧机构对管件的两个端面同时进行涨进定位，两个抓手退出收起，平台上的支撑轮顶起，以保持管件水平方向挠度为，然后进行铣车平面、铣车坡口、磨削边角毛刺作业，端面加工完成后平台上的支撑轮收回；
[0026]4)在管件端面预处理分系统对管件进行加工的同时，在线测量分系统对管件进行端面尺寸测量，分别检出两端的最大直径和最小直径，并对两端的最大和最小直径的数值及所在位置做出标记，同时在控制系统内记录并存储其准确坐标位置；
[0027]5)管件抓取输送分系统的两个抓手重新抓起管件，管件端面预处理分系统上的两个涨紧机构收回，两个抓手垂直运送管件至地下沟槽内的管件焊接水平位置，然后管件做Z向水平运动，管件焊接端面C从焊接及其质量检查分系统的焊接组件B的内孔穿过，吊钩组件从管件焊接端面D插入管件内孔并与焊接端面D锁定，承担管件的支撑作用，管件抓取输送分系统的两个抓手松开退出归起始位，第一摄像测量装置对管件的姿态进行测量并经所述在线测量分系统反馈给控制系统，控制系统按照系统指定的姿态驱动吊钩组件，待吊钩组件将管件调整好其水平姿态并精确定位后，回填设备随后向沟槽内回填土方，并起到支撑作用，机器人平台收起伸缩支撑臂，机器人平台沿管件管