一种海底管道焊接用水下机器人制造技术

一种海底管道焊接用水下机器人。主要由ROV本体、并联机构、支撑框架和抓管机构几部分组成。ROV本体的主要功能为携带水下焊枪完成损坏管道的维修，本体包括框架、垂直推进器、水平推进器、浮力材料、两个不同自由度的机械臂、水下照明装置、摄像装置以及液压电控装置；并联机构与ROV本体之间用回转支承连接，使两部分机械构件可以相对圆周回转，实现位姿调整，扩大焊接机器人工作范围并完成复杂管道焊接维修；支撑框架采用焊接结构件的框架形式；抓管机构基本组成是平行四边形机构，两侧液压缸通过控制其伸长和回缩进而改变平行四边形形状和连带杆的形态，达到抓紧不同直径的海底管道的要求。本种水下机器人能够在水下焊接损坏的海底管道。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于对海底管道进行焊接的水下作业机械。
技术介绍
随着海洋工程、深海采矿等技术的发展,人类对海洋的探索已逐渐由浅海转向深海。在大深度和危险区域，有缆遥控水下运载器（ROV）发挥了更大的优势。随着中国海洋石油工业高速高效的发展,新开发的海上油气田逐年增多,海洋石油总公司铺设的海底管道总长度目前已超过4000km，最早铺设的海底管道已运行近20年。进入20世纪90年代后,海底管道损坏事故逐年增多。很有必要设计一个能在海底进行焊接管道作业的海底管道焊接机器人，以弥补我国在深海焊接维修技术的缺口。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中所提到的技术问题，本专利技术专利提出了一种海底管道焊接用水下机器人，这是一种由ROV载体携带焊接工具的集成设备。该设备能够在水下进行焊接损坏海底管道的作业，使用了并联机构能实现位姿调整，以扩大焊接机器人工作范围并完成复杂管道焊接维修。本专利技术的技术方案是：该种海底管道焊接用水下机器人，包括机体，以及为机体提供动力和控制命令的液压和电控系统，其特征在于：所述机体由ROV本体、并联机构、支撑框架和抓管机构四部分组成；其中，所述ROV本体为整个系统的载体，主要由载体框架、ROV底板、浮力模块、4个水平推进器、4个垂直推进器、照明摄像系统、一个5自由度机械手和一个7自由度机械手组成；其中，载体框架既是主要承重装置，也是主要搭载装置；ROV底板用螺栓连接在载体框架下方，它用螺栓连接来固定回转支承外圈；浮力模块通过螺栓连接安装在载体框架的上方，为整套装置提供向上的浮力；8个推进器实现整套装置在水下6个自由度的运动；照明摄像系统安装在载体框架的前上方；5自由度机械手主要实现定位功能和一些辅助功能，7自由度机械手负责精细的操作工作；所述并联机构，包括动平台、球铰链、液压缸、虎克铰链和静平台；其中，动平台通过螺栓与回转支承的内圈连接，回转支承的内圈与小齿轮啮合，小齿轮转动带动回转支承内圈转动，从而使动平台转动；球铰链由球铰座、球铰盖、球头、球头杆组成，球铰座一侧与动平台通过螺栓连接，另一侧与球铰盖通过沉头螺钉连接；球头嵌入到球铰座中，通过球铰盖与球铰座的连接使其球心位置固定，球铰只能转动，不能移动；球头杆通过螺纹与液压缸连接，球头杆带有外螺纹，液压缸伸缩杆带有内螺纹；虎克铰链由固定铰座、铰链端盖、十字轴、活动铰、轴套以及连接轴连接后组成；其中活动铰一端为法兰盘，目的是为了将虎克铰链与液压缸一端用螺栓连接，活动铰上开有两个孔，为了通过两个连接轴和轴上的轴套；一个虎克铰链中有两个铰链端盖，通过螺栓连接在活动铰上；每一组虎克副中的四个旋转轴都是相互正交的；十字轴通过阶梯孔把4个连接轴联系在一起，每个连接轴上都带有2个轴套；固定铰座的吊耳上开有两个孔，为了通过两个连接轴和轴上的轴套，另外两个铰链端盖通过螺栓连接在固定铰座上；固定铰座的法兰盘一侧用螺栓固定在静平台上；支撑框架与并联机构中的静平台焊接在一起；所述支撑框架采用结构件，支撑框架整体是对称分布，两侧框架中分别通过螺栓固定两个浮力模块，用来给整套装置提供向上的浮力；支撑框架中间空隙用来布置抓管机构；抓管机构由抓管基体和回收装置组成；其中，抓管基体包括爪台、连杆、小底爪和液压缸；抓管基体中的连杆组成了平行四边形机构，两侧结构对称，两平行四边形的底端通过销轴相连的部分称为小底爪；小底爪与平行四边形的短边相连并在运动时跟随平行四边形机构随动；两侧液压缸通过控制其伸长和回缩进而改变平行四边形形状和小底爪的形态以达到抓紧不同直径的海底管道的要求；两侧机构的同步性通过液压回路控制两液压缸的的同步性来实现，抓管的预紧力通过控制液压缸内液压油的压力来调节；连杆通过销轴与爪台底部连接；回收装置的作用主要是为了回收抓管基体，回收装置由回转支座、回转轴和回收液压缸连接后组成；回转支座通过螺栓固定在并联机构中的静平台上，回转轴连接回转支座和爪台，回收液压缸的两侧连接爪台突出的连接件上，回收液压缸的收缩带动回转轴的回转，从而实现抓管基体的回收。本专利技术具有如下有益效果：首先，本种焊接用水下机器人以ROV为载体是非常有利的，因为目前ROV技术已经相对成熟，无论是在结构还是控制上。而且ROV有它独特的优点，机动灵活，水下工作时间长，减少了回收机器人的次数，相当于增加了工作效率。其次，设计了焊接操作时位姿调整机构。为了减少水下抓紧管道的次数，提高水下管道维修的效率，在水下机器人本体与固定管爪间增加了位姿调整机构以扩大焊接机器人工作范围并完成复杂管道焊接维修。另外，考虑到水下焊接机器人在水下工作时处于漂浮状态，而在地面非工作时间时管道焊接机器人应在地面由支撑系统支撑起来，所以设计了支撑框架。最后，为了保护抓取手爪，设计了回收装置，回收装置由回转支座，回转轴和回收液压缸组成。回转支座通过螺栓固定在并联机构中的静平台上，回转轴连接回转支座和爪台，回收液压缸的两侧连接爪台突出的连接件上，回收液压缸的收缩带动回转轴的回转，从而实现抓管基体的回收。在它不工作时可以回收抓管基体。本专利技术中，液压系统采用双联齿轮泵供油，把等量的油分别输入两个尺寸相同的液压缸，确保需要同步作业的两个液压缸动作同步，使作业更加平稳，加强支撑强度。本专利技术提供了一种以ROV本体、并联机构、支撑框架、抓管机构四部分组成的携带焊接工具的集成设备，它能够有效的解决目前水下焊接所面临的问题，比如定位精度差、工作效率低以及操作范围小等，顺利的完成海底管道焊接任务，该专利技术可以到达人类无法到达的极端海洋环境下工作，大大拓展了人类对海洋的研究范围。突破了人类的生理极限和水下干法焊接方式构造压力容器仓耗时长、费用高，也非常不灵活的限制，为深水水下焊接设备的发展做出了贡献。附图说明：图1是本专利技术海底管道焊接水下机器人总装图。图2是本专利技术ROV本体总体结构图。图3是本专利技术ROV本体主视图。图4是本专利技术ROV本体后视图。图5是本专利技术ROV本体下视图。图6是本专利技术回转支承传动连接示意图。图7是本专利技术回转支承结构图。图8是本专利技术并联机构总体结构图。图9是本专利技术并联机构中的动平台示意图。图10是本专利技术并联机构中的球铰链装配图。图11是本专利技术球铰链中的球铰座示意图。图12是本专利技术球铰链中的球铰盖示意图。图13是本专利技术球铰链中的球头和球头杆结构图。图14是本专利技术并联机构中的虎克铰链装配图。图15是本专利技术虎克铰链中的固定铰座示意图。图16是本专利技术虎克铰链中的活动铰示意图。图17是本专利技术虎克铰链中的十字轴示意图。图18是本专利技术虎克铰链中的连接轴示意图。图19是本专利技术虎克铰链中的轴套示意图。图20是本专利技术并联机构中的静平台示意图。图21是本专利技术支撑框架示意图。图22是本专利技术支撑框架主视图。图23是本专利技术支撑框架左视图。图24是本专利技术支撑框架俯视图。图25是本专利技术抓管机构装配图。图26是本专利技术抓管机构中的回收装置示意图。图27是本专利技术抓管机构中的抓管基体示意图。图28是本专利技术抓管基体中的爪台示意图。图29是本专利技术抓管基体中的连杆示意图。图30是本专利技术抓管基体中的小底爪示意图。图31是本专利技术回收装置中的回转支座示意图。图32是本专利技术回收装置中的回转轴示意图。图中1-ROV本体，2-并联机构，3-支撑框架，4-抓管机构，5-载体框架，6-水平推进器，7-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海底管道焊接用水下机器人，包括机体，以及为机体提供动力和控制命令的液压和电控系统，其特征在于：所述机体由ROV本体（1）、并联机构（2）、支撑框架（3）和抓管机构（4）四部分组成；其中，所述ROV本体（1）为整个系统的载体，主要由载体框架（5）、ROV底板（12）、浮力模块（7）、4个水平推进器（6）、4个垂直推进器（8）、照明摄像系统（9）、一个5自由度机械手（11）和一个7自由度机械手（10）组成；其中，载体框架（5）既是主要承重装置，也是主要搭载装置；ROV底板（12）用螺栓连接在载体框架（5）下方，它用螺栓连接来固定回转支承（30）外圈；浮力模块（7）通过螺栓连接安装在载体框架（5）的上方，为整套装置提供向上的浮力；8个推进器实现整套装置在水下6个自由度的运动；照明摄像系统（9）安装在载体框架（5）的前上方；5自由度机械手（11）主要实现定位功能和一些辅助功能，7自由度机械手（10）负责精细的操作工作；所述并联机构（2），包括动平台（13）、球铰链（14）、液压缸（15）、虎克铰链（16）和静平台（17）；其中，动平台（13）通过螺栓与回转支承（31）的内圈连接，回转支承（31）的内圈与小齿轮（32）啮合，小齿轮（32）转动带动回转支承（31）内圈转动，从而使动平台（13）转动；球铰链（14）由球铰座（18）、球铰盖（19）、球头（20）、球头杆（21）组成，球铰座（18）一侧与动平台（13）通过螺栓连接，另一侧与球铰盖（19）通过沉头螺钉连接；球头（20）嵌入到球铰座（18）中，通过球铰盖（19）与球铰座（18）的连接使其球心位置固定，球铰只能转动，不能移动；球头杆（21）通过螺纹与液压缸（15）连接，球头杆（21）带有外螺纹，液压缸（15）伸缩杆带有内螺纹；虎克铰链（16）由固定铰座（22）、铰链端盖（23）、十字轴（24）、活动铰（25）、轴套（26）以及连接轴（27）连接后组成；其中活动铰（25）一端为法兰盘（28），目的是为了将虎克铰链（16）与液压缸（15）一端用螺栓连接，活动铰（25）上开有两个孔，为了通过两个连接轴（27）和轴上的轴套（26）；一个虎克铰链（16）中有两个铰链端盖（23），通过螺栓连接在活动铰（25）上；每一组虎克副中的四个旋转轴都是相互正交的；十字轴（24）通过阶梯孔把4个连接轴（27）联系在一起，每个连接轴（27）上都带有2个轴套（26）；固定铰座（22）的吊耳（29）上开有两个孔，为了通过两个连接轴（27）和轴上的轴套（26），另外两个铰链端盖（23）通过螺栓连接在固定铰座（22）上；固定铰座（22）的法兰盘（30）一侧用螺栓固定在静平台（17）上；支撑框架（3）与并联机构（2）中的静平台（17）焊接在一起；所述支撑框架（3）采用结构件，支撑框架（3）整体是对称分布，两侧框架（33）中分别通过螺栓固定两个浮力模块，用来给整套装置提供向上的浮力；支撑框架中间空隙用来布置抓管机构（4）；抓管机构（4）由抓管基体（34）和回收装置（35）组成；其中，抓管基体（34）包括爪台（36）、连杆（37）、小底爪（38）和液压缸（39）；抓管基体中（34）的连杆组成了平行四边形机构，两侧结构对称，两平行四边形的底端通过销轴相连的部分称为小底爪；小底爪与平行四边形的短边相连并在运动时跟随平行四边形机构随动；两侧液压缸通过控制其伸长和回缩进而改变平行四边形形状和小底爪的形态以达到抓紧不同直径的海底管道的要求；两侧机构的同步性通过液压回路控制两液压缸的的同步性来实现，抓管的预紧力通过控制液压缸内液压油的压力来调节；连杆通过销轴（40）与爪台（36）底部连接；回收装置（35）的作用主要是为了回收抓管基体（34），回收装置（35）由回转支座（41）、回转轴（42）和回收液压缸（43）连接后组成；回转支座（41）通过螺栓固定在并联机构中的静平台（17）上，回转轴（42）连接回转支座（41）和爪台（36），回收液压缸（43）的两侧连接爪台突出的连接件（44）上，回收液压缸（43）的收缩带动回转轴（42）的回转，从而实现抓管基体（34）的回收。...

【技术特征摘要】
1.一种海底管道焊接用水下机器人，包括机体，以及为机体提供动力和控制命令的液压和电控系统，其特征在于：所述机体由ROV本体（1）、并联机构（2）、支撑框架（3）和抓管机构（4）四部分组成；其中，所述ROV本体（1）为整个系统的载体，主要由载体框架（5）、ROV底板（12）、浮力模块（7）、4个水平推进器（6）、4个垂直推进器（8）、照明摄像系统（9）、一个5自由度机械手（11）和一个7自由度机械手（10）组成；其中，载体框架（5）既是主要承重装置，也是主要搭载装置；ROV底板（12）用螺栓连接在载体框架（5）下方，它用螺栓连接来固定回转支承（30）外圈；浮力模块（7）通过螺栓连接安装在载体框架（5）的上方，为整套装置提供向上的浮力；8个推进器实现整套装置在水下6个自由度的运动；照明摄像系统（9）安装在载体框架（5）的前上方；5自由度机械手（11）主要实现定位功能和一些辅助功能，7自由度机械手（10）负责精细的操作工作；所述并联机构（2），包括动平台（13）、球铰链（14）、液压缸（15）、虎克铰链（16）和静平台（17）；其中，动平台（13）通过螺栓与回转支承（31）的内圈连接，回转支承（31）的内圈与小齿轮（32）啮合，小齿轮（32）转动带动回转支承（31）内圈转动，从而使动平台（13）转动；球铰链（14）由球铰座（18）、球铰盖（19）、球头（20）、球头杆（21）组成，球铰座（18）一侧与动平台（13）通过螺栓连接，另一侧与球铰盖（19）通过沉头螺钉连接；球头（20）嵌入到球铰座（18）中，通过球铰盖（19）与球铰座（18）的连接使其球心位置固定，球铰只能转动，不能移动；球头杆（21）通过螺纹与液压缸（15）连接，球头杆（21）带有外螺纹，液压缸（15）伸缩杆带有内螺纹；虎克铰链（16）由固定铰座（22）、铰链端盖（23）、十字轴（24）、活动铰（25）、轴套（26）以及连接轴（27）连接后组成；其中活动铰（25）一端为法兰盘（28），目的是为了将虎克铰链（16）与液压缸（15）...

【专利技术属性】
技术研发人员：高胜，赵璇，李美杰，杨明岩，任福深，王妍，范立华，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23