CN107339546B - 一种自行式管道内壁检修***以及检修方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自行式管道内壁检修***，包括控制主机和自行式管道内壁检修一体机，自行式管道内壁检修一体机包括机身，机身上设有行走机构、功能器具架和机械臂，行走机构包括主梁和设置在主梁两端的径向固定装置，径向固定装置包括主梁滑块、滑盘和滑靴，行走机构通过滑靴固定在管壁内侧；至少一个径向固定装置中的滑盘可相对主梁前后移动，该滑盘由安装在主梁上的滑盘气缸驱动；主梁分为相互独立的前半段和后半段，主梁的前半段和后半段通过转动组件连接，两者可相互旋转。本发明还公开了上述自行式管道内壁检修***的检修方法，本发明能在管道内壁自由行走，能实现管道探伤、切割及修补。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人检修设备领域，尤其涉及一种自行式管道内壁检修***及检修方法。
背景技术
城市管道***（自来水、石油、天然气、下水管等）必然随着城市的发展而不断延伸，随着时间的推移与外力的作用，管道的破损与老化在所难免。传统的开挖修补工艺不但耗费巨大的人力物力，而且会引起交通、环境与社会等一系列严重问题。即使采用最新的内衬法修补工艺，其最大施工长度与适用口径也非常有限，适用的材料只限于PE与PVC等非金属材料，也必须局部开挖，因此开发非开挖式长距离的金属与非金属都适用的地下管道修补技术迫在眉睫；旧管移除原位置换新管技术也迫切需要一种地下管道切割技术来克服拉拔阻力太大的问题，以避免局部开挖造成巨大资源浪费与环境污染；此外，化学反应釜、舰艇与核反应堆等狭小空间与极端环境中的管件的修补也是亟待解决的难题，传统的拆除修补方法难以满足需要，且费时费力，费用昂贵。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能在管道内壁自由行走，能实现管道探伤、切割及修补的自行式管道内壁检修***。
本发明的另一目的在于提供上述自行式管道内壁检修***的检修方法。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种自行式管道内壁检修***，包括控制主机（20）和自行式管道内壁检修一体机（10），控制主机和自行式管道内壁检修一体机之间通过信号发生/接收器（5）进行信息交互；
一种自行式管道内壁检修一体机，包括机身（1），机身上设有行走机构、功能器具架（3）和机械臂（4），
行走机构包括主梁（22）和设置在主梁两端的径向固定装置（21），径向固定装置包括主梁滑块（211）、滑盘（212）和滑靴（213），每个固定装置设有两个以上滑靴（213）沿滑盘（212）的周向均匀份分布，滑靴（213）可相对滑盘（212）沿其径向伸出或缩进，滑靴伸出后，滑靴（213）的外端压紧在管道内壁，在滑靴的外端设有吸盘或橡胶防滑垫；至少一个径向固定装置中的滑盘（212）可相对主梁（22）前后移动，该滑盘由安装在主梁上的滑盘气缸（222）驱动；主梁分为相互独立的前半段（223）和后半段（224），主梁的前半段和后半段通过转动组件连接，两者可相互旋转且旋转角度在0°-180°之间；
功能器具架（3）上存放有多种功能器具，功能器具自带驱动装置，功能器具上有统一的安装头和受电卡扣；
机械臂（4）由回转座（41）和扩展臂（42）组成，扩展臂末端有模块化的安装座，所述安装座与功能器具的安装头匹配，且在安装做内设有电源卡扣。
作为优选，主梁滑块（211）和滑盘（212）同轴设置在主梁（22）端部，滑盘（212）设置在主梁滑块（211）外周，主梁滑块（211）的外表面以及滑盘（212）的内表面为相互配合的锥面，滑靴（213）的内端直接或间接与主梁滑块（211）的外周面接触，主梁滑块（211）滑动安装在主梁上，主梁滑块由滑块气缸（221）驱动前后移动，使主梁滑块（211）与滑盘（212）配合的锥面的直径出现变化，进而通过锥面配合使滑靴（213）沿滑盘径向伸缩。
作为优选，滑盘上设有安装槽（2131），安装槽的上下两端开口，滑靴的一部分设置在安装槽中且可在安装槽径向上自由滑动，滑靴的外壁上设有一圈限位挡片（2131），滑靴外周套有弹簧（6），弹簧位于安装槽中且被限制在滑盘的外周与滑靴的限位挡片之间，当主梁滑块（211）移动使其对准滑盘的径向尺寸增大时，主梁滑块（211）将滑靴（213）往外顶使滑靴伸出压紧在管道内壁上，同时弹簧（6）被挤压；当主梁滑块（211）反向移动使对准滑盘（212）的径向尺寸减小时，弹簧（6）的回复力带动滑靴（213）向内缩回，滑靴外端脱离管道内壁。
作为优选，滑靴内端铰接有滚轮（7），滚轮与主梁滑块的外周面接触。
作为优选，转动组件包括转台（81）和转动电机（82），主梁前半段的后端固定在转台上，转动电机的机身安装在主梁后半段上，转动电机的转动轴驱动转台转动。
作为优选，每个径向固定装置上设有四个滑靴（213），主梁（22）的转动角度范围在0°-90°之间。
作为优选，自行式管道内壁检修一体机上设有两条机械臂（4），其中一条机械臂用于切割、打磨或焊接操作，另一条机械臂自动安装摄像头对其进行监控。
一种自行式管道内壁检修方法，包括如上任一项所述的一种自行式管道内壁检修***，包括以下步骤：
1）根据待检测的管道组装自行式管道内壁检修一体机（10）；
2）对于已知破损位置的管道，控制主机（20）操作自行式管道内壁检修一体机（10）直接移动至破损点；对于破损位置不明确的管道，控制主机（20）操作检修一体机的探伤装置对管道进行逐步扫描，快速找到破损点；
3）检修一体机（10）移动至破损点后，对破损位置进行详细的扫描与摄像，确定破损的处的具体形状、位置与面积，并将所得信息传输给控制主机（20）；
4）操作人员根据控制主机接收的信息，制定切割与修补工艺，并编写对应的数控程序，控制机械臂换装切割器完成管道破损位置的切割，然后自动换装打磨器完成焊接部位管道表面的打磨，对于可以直接进行堆焊处理的破损就当场处理然后直接执行步骤6），对于破损面大的管道先原路返回执行步骤5）；
5）操作人员完成焊接修补料块的制备，根据焊接路径的需要重新组装与调试机械臂（4），将焊接器安装至其中一个机械臂，另一个机械臂换装机械手，控制检修小车回到管道破损处并进行固定，然后协调机械手与焊接器对破损处进行焊接修补；
6）焊接完以后对于金属管道，机械手对焊缝进行敲击去应力处理，对于非金属管道，机械手对焊缝进行按压提高焊接质量；
7）焊接牢固以后，切割臂换装超声探伤装置对焊缝进行探伤，合格则原路返回，不合格则记录具***置，然后进行补焊。
上述自行式管道内壁检修***，由检修一体机和控制主机两部分组成，检修一体机可在管道内壁行走，能实现管道的探伤、切割、打磨与焊接作业，既适用于金属管道也适用于非金属管道。控制主机不但可通过编程控制检修一体机的行进线路与固定方式等，也可以控制机械臂的动作以及换装各种功能器具，设定探伤、切割与焊接的路径。各部分间相互协调，可高效的实现管道内壁的探伤、切割与焊接工作。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中径向固定装置的剖面结构示意图。
图3为本发明中行走机构的结构示意图。
其中：10、自行式管道内壁检修一体机，20、控制主机，1、机身，21、径向固定装置，211、主梁滑块、212、滑盘，2121、安装槽， 213、滑靴，2131、限位挡片，2132、滑杆，2133、安装盘，22、主梁，221、滑块气缸，222、滑盘气缸，223、主梁前半段，224、主梁后半段，3、功能器具架，4、机械臂，5、信号发生/接收器，6、弹簧，7、滚轮，8、螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本专利的优选实施方案作进一步详细的说明。图中箭头方向指向行走机构前进方向的前侧。
如图1所示的一种自行式管道内壁检修***，包括控制主机20和自行式管道内壁检修一体机10，控制主机20和自行式管道内壁检修一体机10之间通过信号发生/接收器5进行信息交互。自行式管道内壁检修一体机包括机身1，机身1上设有行走机构、功能器具架3、机械臂4及信号发生/接收器5。
如图2和图3所示的行走机构包括主梁22和设置在主梁22两端的径向固定装置21，径向固定装置21用于固定机身。径向固定装置21包括主梁滑块211、滑盘212和滑靴213，每个径向固定装置设有两个以上滑靴213沿滑盘212的周向均匀份分布，滑靴213可相对滑盘212沿其径向伸出或缩进，滑靴213伸出后，滑靴213的外端压紧在管道内壁，由于管道内壁比较光滑，为了将机身固定在管道内壁，在滑靴213的外端设有吸盘或橡胶防滑垫。
主梁滑块211和滑盘212同轴设置安装在主梁22端部，滑盘212设置在主梁滑块211外周，主梁滑块211的外表面以及滑盘212的内表面为相互配合的锥面，滑靴213的内端直接或间接与主梁滑块211的外周面接触，主梁滑块211滑动安装在主梁22上，主梁滑块211由滑块气缸221驱动前后移动，使主梁滑块211与滑盘212配合的锥面的直径出现变化，进而通过锥面配合使滑靴213沿滑盘212径向伸缩。滑块气缸221固定在主梁22上，主梁滑块211分别与一个滑块气缸221的伸缩杆连接，由滑块气缸221的伸缩杆带动前后移动。为了实现行走机构的移动，至少一个滑盘212可以相对主梁22进行前后移动，滑盘212的前后移动由滑盘气缸222驱动运动，滑盘气缸222固定在主梁22上，滑盘气缸222的伸缩杆固定在主梁22上，通过伸缩杆的伸缩带动滑盘212相对主梁22的前后移动。通过两个径向固定装置交替固定到管壁，并配合滑盘气缸221的动作即可实现行走机构在管道内的行走。
滑盘212上设有安装槽2121，安装槽2121的上下两端开口，滑靴213的一部分设置在安装槽中且可在安装槽径向上自由滑动，滑靴213的外壁上设有一圈限位挡片2131，滑靴外周套有弹簧6，弹簧6位于安装槽2121中且被限制在滑盘的外周与滑靴的限位挡片2131之间。当主梁滑块211移动使其对准滑盘212的径向尺寸增大时，主梁滑块211将滑靴213往外顶使滑靴213伸出压紧在管道内壁上，同时弹簧6被挤压。当主梁滑块211反向移动使对准滑盘212的径向尺寸减小时，弹簧6的回复力带动滑靴213向内缩回，滑靴213外端脱离管道内壁。为了减小滑靴213内端与主梁滑块211圆锥面之间的摩擦，滑靴213内端铰接有滚轮7以减小与主梁滑块211之间的接触面积。
滑靴213由两部分组成，滑靴包括滑杆2132和固定盘2133两部分，固定盘2133位于在滑盘212外侧，固定盘2133通过螺栓8安装在滑杆2132上，固定盘2133与滑杆2132之间的相对位置可调。
主梁22分为相互独立的前半段223和后半段224，两个径向固定装置分别固定在前半段的前端以及后半段的后端，主梁的前半段223和后半段224通过转动组件连接，两者可在一定角度范围内相对转动，进而实现径向固定装置的旋转，从而使转盘上滑靴在管壁内的固定位置进行调整，以便滑靴避开管壁上的破损部位。
本实施例中，径向固定装置21、主梁前半段223及主梁后半段224的中线重合，固定在主梁前半段的径向固定装置中滑盘212的位置固定，该主梁滑块由前滑块气缸驱动，前滑块气缸固定在主梁前半段上。固定在主梁后半段的径向固定装置中的滑盘的位置可活动，该滑盘由滑盘气缸222驱动，滑盘气杆221固定在主梁后半段224上，固定在主梁后半段224上的径向固定装置中的主梁滑块由后滑块气缸驱动，后滑块气缸安装在主梁后半段上。转动组件包括转台81和转动电机82，主梁前半段223的后端固定在转台81上，转动电机82的机身安装在主梁后半段224上，转动电机的转动轴驱动转台转动，通过主梁前半段和主梁后半段的相对旋转使安装在主梁前半段和主梁后半段上的径向固定装置旋转，进而调整滑靴在管道内壁的固定位置。
主梁22的旋转角度不超过360°以防止与转动电机等部件连接的电线等连接线被扯断。为了固定住机身位置，优选为每个径向固定装置上设有4个滑靴213，主梁22的转动角度范围在0°-90°之间。
主梁22设置在机身中部，主梁22与机身1间可转动连接，两个径向固定装置21设置在机身的前后两端，机身的上端安装有标准化的功能器具架3，功能器具架3上可以根据需要存放切割器、焊接器、探伤器、摄像器、打磨器及机械手这六种常用的功能器具，功能器具的安装接口采用标准化设计，具有互换性，且所有功能器具自带驱动装置，其上有统一的安装头与受电卡扣。进一步，功能器具架内部为中空构造，在其内部置有备用电池等配件。功能器具架的一侧设有一对多自由度机械臂4，机械臂4由回转座41和扩展臂42组成，扩展臂42采用模块化、系列化的设计，可根据需要进行模块化组装，并由伺服电机与微型液压、气压、电动缸或者丝杆联合驱动，实现预定方向上的旋转与伸缩运动。扩展臂42的末端有模块化的安装座，安装座内有圆锥定心面、导向键槽与电源卡扣，可以根据需要自动安装模块化的功能器具并为其供电。
上述自行式管道内壁检修一体机，可以实现在管道内部的定向移动和定点固定，通过信号发生/接收器5向控制主机报告所处位置以及所收集到的信息，并于控制主机进行信息交互。检修一体机上安装有机械臂4，通过控制主机控制机械臂4的动作以及换装各功能器具。
上述自行式管道内壁检修一体机，能够在不同类型和直径的管道内部移动与固定，检修机在管道内的行走方法如下：1）主梁22一端的滑块气缸221动作使同侧主梁滑块211对准滑盘212的径向尺寸增大，进而将滑靴213向外顶使滑靴213外端压紧在管道内壁上；2）主梁22另一端的滑块气缸221动作使同侧主梁滑块211对准滑盘212的径向尺寸减小，进而使滑靴213与管道内壁分离；3）滑靴213缩进的径向固定装置21，与其滑盘212连接的滑盘气缸222动作使滑盘212相对主梁22往一侧滑动，同侧的滑块气缸221同步动作使该径向固定装置中的主梁滑块211和滑盘212的相对位置保持不变；4）滑靴213缩进的径向固定装置，与其主梁滑块212连接的滑块气缸221动作使主梁滑块211对准滑盘212的径向尺寸增大，进而将滑靴213向外顶使滑靴外端压紧在管道内壁上；5）另一端的滑块气缸221动作使该端的径向固定装置中的滑靴213缩进；6）滑靴213压紧在管道内壁的径向固定装置，与其中主梁滑块连接的滑块气缸221反向动作使主梁22及另一端的径向固定装置同步往一侧移动。上述步骤完成后检修机移动一步，重复上述步骤使检修机往一侧持续移动。
上述滑块气缸221选用二级气缸，上述两个固定装置中的滑盘212可以分别连接一个滑盘气缸222，也可以设置其中一个径向固定装置中滑盘的位置固定，另一个径向固定装置中的滑盘的位置可活动，只设置该滑盘与滑盘气缸连接。
上述检修机的行走方法，检修机移动至管道内壁上的破损位置附近时，固定主梁后半段的径向固定装置，松开主梁前半段的径向固定装置，连接主梁前半段和后半段的转动装置工作使主梁前半段先转动一个角度，然后固定主梁前半段的径向固定装置，松开主梁后半段的径向固定装置，转动装置工作使主梁后半段转动同样的角度，使检修机继续移动时能避开管道内壁的缺口。
上述自行式管道内壁检修***的检修方法如下：包括以下步骤：1）根据待检测的管道组装自行式管道内壁检修一体机10；2）对于已知破损位置的管道，控制主机20操作自行式管道内壁检修一体机10直接移动至破损点；对于破损位置不明确的管道，控制主机20操作检修一体机的探伤装置对管道进行逐步扫描，快速找到破损点；3）检修一体机10移动至破损点后，对破损位置进行详细的扫描与摄像，确定破损的处的具体形状、位置与面积，并将所得信息传输给控制主机20；4）操作人员根据控制主机接收的信息，制定切割与修补工艺，并编写对应的数控程序，控制机械臂换装切割器完成管道破损位置的切割，然后自动换装打磨器完成焊接部位管道表面的打磨，对于可以直接进行堆焊处理的破损就当场处理然后直接执行步骤6），对于破损面大的管道先原路返回执行步骤5）；5）操作人员完成焊接修补料块的制备，根据焊接路径的需要重新组装与调试机械臂4，将焊接器安装至其中一个机械臂，另一个机械臂换装机械手，控制检修小车回到管道破损处并进行固定，然后协调机械手与焊接器对破损处进行焊接修补；6）焊接完以后对于金属管道，机械手对焊缝进行敲击去应力处理，对于非金属管道，机械手对焊缝进行按压提高焊接质量；7）焊接牢固以后，切割臂换装超声探伤装置对焊缝进行探伤，合格则原路返回，不合格则记录具***置，然后进行补焊。
Claims (7)
1.一种自行式管道内壁检修***，其特征在于，包括控制主机(20)和自行式管道内壁检修一体机(10)，控制主机和自行式管道内壁检修一体机之间通过信号发生/接收器(5)进行信息交互；
一种自行式管道内壁检修一体机，其特征在于，包括机身(1)，机身上设有行走机构、功能器具架(3)和机械臂(4)，
行走机构包括主梁(22)和设置在主梁两端的径向固定装置(21)，径向固定装置包括主梁滑块(211)、滑盘(212)和滑靴(213)，每个固定装置设有两个以上滑靴(213)沿滑盘(212)的周向均匀分布，滑靴(213)可相对滑盘(212)沿其径向伸出或缩进，滑靴伸出后，滑靴(213)的外端压紧在管道内壁，在滑靴的外端设有吸盘或橡胶防滑垫；至少一个径向固定装置中的滑盘(212)可相对主梁(22)前后移动，该滑盘由安装在主梁上的滑盘气缸(222)驱动；主梁分为相互独立的前半段(223)和后半段(224)，主梁的前半段和后半段通过转动组件连接，两者可相互旋转且旋转角度在0°-180°之间；功能器具架(3)上存放有多种功能器具，功能器具自带驱动装置，功能器具上有统一的安装头和受电卡扣；
机械臂(4)由回转座(41)和扩展臂(42)组成，扩展臂末端有模块化的安装座，所述安装座与功能器具的安装头匹配，且在安装做内设有电源卡扣；
自行式管道内壁检修一体机上设有两条机械臂(4)，其中一条机械臂用于切割、打磨或焊接操作，另一条机械臂自动安装摄像头对其进行监控。
2.根据权利要求1所述的一种自行式管道内壁检修***，其特征在于，主梁滑块(211)和滑盘(212)同轴设置在主梁(22)端部，滑盘(212)设置在主梁滑块(211)外周，主梁滑块(211)的外表面以及滑盘(212)的内表面为相互配合的锥面，滑靴(213)的内端直接或间接与主梁滑块(211)的外周面接触，主梁滑块(211)滑动安装在主梁上，主梁滑块由滑块气缸(221)驱动前后移动，使主梁滑块(211)与滑盘(212)配合的锥面的直径出现变化，进而通过锥面配合使滑靴(213)沿滑盘径向伸缩。
3.根据权利要求2所述的一种自行式管道内壁检修***，其特征在于，滑盘上设有安装槽(2121)，安装槽的上下两端开口，滑靴的一部分设置在安装槽中且可在安装槽径向上自由滑动，滑靴的外壁上设有一圈限位挡片(2131)，滑靴外周套有弹簧(6)，弹簧位于安装槽中且被限制在滑盘的外周与滑靴的限位挡片之间，当主梁滑块(211)移动使其对准滑盘的径向尺寸增大时，主梁滑块(211)将滑靴(213)往外顶使滑靴伸出压紧在管道内壁上，同时弹簧(6)被挤压；当主梁滑块(211)反向移动使对准滑盘(212)的径向尺寸减小时，弹簧(6)的回复力带动滑靴(213)向内缩回，滑靴外端脱离管道内壁。
4.根据权利要求2所述的一种自行式管道内壁检修***，其特征在于，滑靴内端铰接有滚轮(7)，滚轮与主梁滑块的外周面接触。
5.根据权利要求1所述的一种自行式管道内壁检修***，其特征在于，转动组件包括转台(81)和转动电机(82)，主梁前半段的后端固定在转台上，转动电机的机身安装在主梁后半段上，转动电机的转动轴驱动转台转动。
6.根据权利要求1所述的一种自行式管道内壁检修***，其特征在于，每个径向固定装置上设有四个滑靴(213)，主梁(22)的转动角度范围在0°-90°之间。
7.一种自行式管道内壁检修方法，包括如权利要求1-6任一项所述的一种自行式管道内壁检修***，包括以下步骤：
1)根据待检测的管道组装自行式管道内壁检修一体机(10)；
2)对于已知破损位置的管道，控制主机(20)操作自行式管道内壁检修一体机(10)直接移动至破损点；对于破损位置不明确的管道，控制主机(20)操作检修一体机的探伤装置对管道进行逐步扫描，快速找到破损点；
3)检修一体机(10)移动至破损点后，对破损位置进行详细的扫描与摄像，确定破损的处的具体形状、位置与面积，并将所得信息传输给控制主机(20)；
4)操作人员根据控制主机接收的信息，制定切割与修补工艺，并编写对应的数控程序，控制机械臂换装切割器完成管道破损位置的切割，然后自动换装打磨器完成焊接部位管道表面的打磨，对于可以直接进行堆焊处理的破损就当场处理然后直接执行步骤6)，对于破损面大的管道先原路返回执行步骤5)；
5)操作人员完成焊接修补料块的制备，根据焊接路径的需要重新组装与调试机械臂(4)，将焊接器安装至其中一个机械臂，另一个机械臂换装机械手，控制检修小车回到管道破损处并进行固定，然后协调机械手与焊接器对破损处进行焊接修补；
6)焊接完以后对于金属管道，机械手对焊缝进行敲击去应力处理，对于非金属管道，机械手对焊缝进行按压提高焊接质量；
7)焊接牢固以后，切割臂换装超声探伤装置对焊缝进行探伤，合格则原路返回，不合格则记录具***置，然后进行补焊。
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