大口徑管道自動連續鋪設作業機器人及其作業方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種管道鋪設設備，尤其是一種大口徑管道自動連續鋪設作業機器人及其作業方法。
【背景技術】
[0002]目前，我國經濟建設發展迅猛，尤其是東部對油氣資源需求旺盛，國內自給率相對較低，而且分布很不均勻，需要大量從西部甚至國外引進資源;而我國的西北部及西北部鄰國卻蘊含大量油氣資源，需要尋找消費市場，隨著一路一帶建設的漸入佳境，西(油)氣東輸工程是協調東西部發展的關鍵環節，已經全面展開并加速進行。而管道運輸尤其是大口徑管道運輸油氣，其經濟性更具有競爭力，大口徑管道運輸具有數以千計千米的市場規模。直徑1.0米以上的金屬管道的鋪設基本都是半機械化的，挖掘、鋪設、焊接、測量、監察、檢測、填埋各系統各自獨立，需要人為協調、指揮，自動化程度低，人員占用多，勞動強度大，自然環境、焊接環境惡劣、輸送效率低，鋪設周期長、鋪設成本高。因此在這些長距離大口徑管線建設中采用自動化鋪設技術已勢在必行，一套合適的設計方案對油氣管道的鋪設具有重大意義。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是提供一種自動化程度高的大口徑管道自動連續鋪設作業機器人及其作業方法。
[0004]為了解決上述技術問題，本發明的大口徑管道自動連續鋪設作業機器人包括平臺、主機架、操作室、導航分系統、管件抓取輸送分系統、管件端面預處理分系統、在線測量分系統、管件支撐分系統、焊接及其質量檢查分系統和控制系統；
[0005]所述平臺底部設有用于移動的履帶
[0006]所述主機架能夠相對平臺Z向水平移動；
[0007]所述操作室設置在平臺上；
[0008]所述導航分系統用于對施工現場進行初步定位，以保證整個機器人行駛至施工現場；
[0009]所述管件抓取輸送分系統用于抓取管件并將管件送至溝槽內，該管件抓取輸送分系統包括安裝在主機架上的兩個能夠實現X向水平移動的機械臂、分別安裝在兩個機械臂端部的兩個伸縮裝置以及用于抓取管件的兩個抓手，所述兩個抓手分別安裝在兩個伸縮裝置輸出端且該兩個抓手能夠Y向豎直移動；
[0010]所述管件端面預處理分系統用于對管件兩端進行坡口加工，該管件端面預處理分系統包括能夠自主轉動并對稱安裝在平臺上且用于固定管件的兩個漲緊機構、能夠轉動地安裝在兩個漲緊機構上且用于對管件兩端進行坡口加工的多個刀具以及可收放的安裝在平臺上且用于頂起管件的多個支撐輪，所述兩個漲緊機構能夠相對伸縮，該兩個漲緊機構插進管件兩端內孔并漲緊固定，且兩個漲緊機構的轉動能夠帶動管件一起轉動;所述在線測量分系統在端面預處理分系統對管件的兩個端面處理的同時進行同步測量，分別測量管件每個端面的幾何尺寸及其位置坐標，并將測量數據發送至所述控制系統，控制系統對最終測量數據進行分析，篩選出最大壁厚和最小壁厚尺寸數據，并追蹤其位置坐標記錄在控制系統中，在管件上分別做出明顯標示兩端各自最大、最小壁厚位置，控制系統再驅動管件端面預處理系統兩端的漲緊機構旋轉停止時，當前管件的當前焊接端面與前一件管件的當前焊接端面按照重合面積最大原則進行匹配；
[0011]所述管件支撐分系統用于支撐已放入至溝槽內的管件，該管件支撐分系統包括托起在管件中部的中間支撐組件和能夠升降且用于鎖緊固定在管件前端的吊鉤組件，所述中間支撐組件可收放的安裝在平臺底盤中部，所述吊鉤組件上端通過一滑行機構與平臺底盤連接，下端設有一能夠插入到管件內孔中并鎖定管件的卡緊塊，在滑行機構和卡緊塊之間設有一伸縮桿，所述伸縮桿上還設有用于檢查當前管件姿態的第一攝像測量裝置，所述第一攝像測量裝置的測量數據經所述在線測量分系統發送至控制系統，控制系統控制驅動所述吊鉤組件在X向和Z向移動，對當前管件姿態進行微調直至符合管道鋪設規范；
[0012]所述焊接及其質量檢查分系統，其可收放的安裝在平臺底盤后端且用于焊接當前管件和前一件管件間的連接處，該焊接及其質量檢查分系統包括焊接組件A和焊接組件B，所述焊接組件A和焊接組件B均為環體結構，該焊接組件A和焊接組件B內環周向分別設有多個滾動支架，每個滾動支架底部安裝有滾輪和用于吸附在管件上的第一電磁吸盤，所述焊接組件A上設有環形導軌裝置，所述環形導軌裝置上安裝有多個焊機行走機構，每個所述焊機行走機構上分別設有一用于焊接當前管件和前一件管件連接處的焊槍和一用于對焊縫進行檢查的無損探傷監測裝置，所述焊接組件A上還設有多個能夠伸縮的拉桿，其中拉桿的外端固定有一個長圓結構，拉桿伸出長圓結構插入到焊接組件B上相應形狀的槽孔內，再旋轉拉桿90°，拉桿上的長圓結構與焊接組件B上的槽孔孔型呈十字交叉狀態后回收鎖緊以將焊接組件A和焊接組件B固接在在一起，所述焊接組件B上還設有一用于測定焊接組件B和管件位置的第二攝像測量裝置，所述第二攝像測量裝置的測量數據經所述在線測量分系統發送至控制系統，控制系統控制焊接組件B鎖定管件；
[0013]所述控制系統用于控制整個機器人的作業動作。
[0014]所述履帶數量為兩條且兩條履帶分置在平臺底部兩側。
[0015]所述履帶數量為四條且四條履帶分置在平臺底部的四個角落，所述平臺能夠相對四條履帶升降，每個所述履帶均可實現轉向。
[0016]所述平臺上還設有能夠升降的居住室。
[0017]所述導航分系統采用北斗導航系統或GPS導航系統或格洛納斯導航系統或伽利略導航系統。
[0018]每個所述伸縮裝置上分別設有一用于探測管件的探測器，以保證兩個抓手能夠準確的獲取管件。
[0019]每個所述漲緊機構分別包括胎具架、通過滾動軸承套裝在胎具架外部的回轉漲胎套、分別通過一彈漲臂周向固接在回轉漲胎套端部的多個錐形漲緊塊以及與錐形漲緊塊配合使用且用于漲起錐形漲緊塊的錐塞，所述胎具架通過支撐導柱與一動力氣缸輸出端連接以實現胎具架的伸縮運動，所述回轉漲胎套外部設有一大齒輪，該大齒輪與一電機輸出端的齒輪嚙合以實現回轉漲胎套能夠相對胎具架轉動并帶動管件轉動，所述錐塞中部通過推力軸承與一油缸輸出桿能夠相對轉動地連接，該錐塞在油缸輸出桿的帶動下能夠做伸縮運動以實現對錐形漲緊塊的漲起和復位。
[0020]所述中間支撐組件底部設有一承載塊，所述承載塊上部形成有與管件貼合的半圓形凹槽，下部設有一行走輪，所述承載塊兩側分別豎直固接有一連接桿，兩個所述連接桿上端分別與平臺底盤鉸接，且兩個所述連接桿上部還分別通過一氣缸與平臺底盤連接，以實現中間支撐組件的收放。
[0021]所述焊接組件A兩側分別豎直固接有一豎直桿，兩個所述豎直桿上端分別與平臺底盤鉸接，且兩個所述豎直桿上部還分別通過一氣缸與平臺底盤連接，以實現焊接及其質量檢查分系統的收放，所述焊接組件A底部還設有一轉動輪。
[0022]—種通過所述的大口徑管道自動連續鋪設作業機器人實現的自動連續鋪設管道的作業方法，包括如下步驟:
[0023]I)機器人移動至已挖好的土方作業面上，根據導航分系統做精確初始定位，然后放出伸縮支撐臂，收起履帶；
[0024]2)機器人主機架上的中間支撐組件和焊接及其質量檢查分系統首先支起，直至與平臺平面垂直;主機架上的管件抓取輸送分系統中的探測器探測管件的位置并反饋給控制系統，控制系統驅動管件抓取輸送分系統的兩個抓手抓起該管件，并在控制系統的控制下自動完成起吊、橫向運送到機器人平臺上指定的管件端面預處理分系統的位置；
[0025]3)管件端面預處理分系統上的兩個漲緊機構對管件的兩個端面同時進行漲進定位，兩個抓手退出收起，平臺上的支撐輪頂起，以保持管件水平方向撓度為，然后進行銑車平面、銑車坡口、磨削邊角毛刺作業，端面加工完成后平臺上的支撐輪收回；
[0026]4)在管件端面預處理分系統對管件進行加工的同時，在線測量分系統對管件進行端面尺寸測量，分別檢出兩端的最大直徑和最小直徑，并對兩端的最大和最小直徑的數值及所在位置做出標記，同時在控制系統內記錄并存儲其準確坐標位置；
[0027]5)管件抓取輸送分系統的兩個抓手重新抓起管件，管件端面預處理分系統上的兩個漲緊機構收回，兩個抓手垂直運送管件至地下溝槽內的管件焊接水平位置，然后管件做Z向水平運動，管件焊接端面C從焊接及其質量檢查分系統的焊接組件B的內孔穿過，吊鉤組件從管件焊接端面D插入管件內孔并與焊接端面D鎖定，承擔管件的支撐作用，管件抓取輸送分系統的兩個抓手松開退出歸起始位，第一攝像測量裝置對管件的姿態進行測量并經所述在線測量分系統反饋給控制系統，控制系統按照系統指定的姿態驅動吊鉤組件，待吊鉤組件將管件調整好其水平姿態并精確定位后，回填設備隨后向溝槽內回填土方，并起到支撐作用，機器人平臺收起伸縮支撐臂，機器人平臺沿管件管