專利名稱：管內(nèi)機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機電一體化產(chǎn)品，確切講，涉及一種在管道內(nèi)完成生產(chǎn)作業(yè)的管內(nèi)機器人。該管內(nèi)機器人使用在水利電力、石油化工企業(yè)，對輸送液體、原油、天然氣、化工介質(zhì)的管道進行維護保養(yǎng)、自動焊接、自動探傷等生產(chǎn)作業(yè)。在水利電力、石油化工企業(yè)管道系統(tǒng)中有著實質(zhì)性的使用價值。
背景技術(shù)：
目前，水利電力、石油化工企業(yè)的管道系統(tǒng)，正在向著大口徑(大于1000毫米)、厚壁(大于21毫米)方向發(fā)展，輸送的壓力也在逐年增加，現(xiàn)已達10Mpa。為保證安全輸送一方面需要對管道內(nèi)部進行維護保養(yǎng)，清除管壁的附著物。但輸送的石油天然氣、化工介質(zhì)有些對人體是有害的，不能由生產(chǎn)工人直接去清除；另一方面在管道組裝焊接時，必須保證焊接質(zhì)量，由于焊接組裝中的管道不能旋轉(zhuǎn)，對管道環(huán)焊縫的自動焊接、自動探傷，都采用管道固定，焊槍圍繞管道外圓周旋轉(zhuǎn)的方式進行自動焊接和自動探傷。所使用的設(shè)備是自動焊機和自動探傷機，由焊接機頭或探傷機頭+行走導(dǎo)軌+控制系統(tǒng)組成。單純采用從管道外圓周進行焊接的方法對焊接質(zhì)量帶來很大的影響從管道外圓周進行焊接，采用的是單面焊雙面成型全位置焊工藝，在仰焊位置，焊縫的成形比較困難，焊接質(zhì)量缺陷多數(shù)發(fā)生在這個部位；由于厚壁，管子焊接分層增加，焊接的層數(shù)增多，焊口加熱時間長，熱變形增大，焊接內(nèi)應(yīng)力增大，既影響管道的安全使用，又增加焊接工人的焊接工作量和勞動強度，以及管道焊接安裝工期。
對大口徑、厚壁管道的焊接，可以采用從管外和管內(nèi)交錯進行自動焊接的方式。采用管外、管內(nèi)交錯焊接方式，管外的仰焊位置正是管內(nèi)的平焊位置，管內(nèi)的仰焊位置正是管外的平焊位置，而平焊是容易保證焊接質(zhì)量的焊接位置；管外、管內(nèi)同時焊接，焊口加熱時間短，可降低熱變形和焊接內(nèi)應(yīng)力。管外自動焊接可以使用“管道自動焊機”，管道自動焊機一般由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)組成。其中機械系統(tǒng)包括焊接機頭、行走導(dǎo)軌；控制系統(tǒng)的微型計算機分為兩部分，一部分是主控微型計算機，另一部分是從微型計算機或單片微型計算機；驅(qū)動系統(tǒng)一般為電動驅(qū)動。管道自動焊機，其機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)都是單獨自成一體。尤其是基于微型計算機的控制系統(tǒng)，一般都由主機、鍵盤、顯示器、輸入設(shè)備、輸入輸出接口、控制柜組成，而控制柜則由輸出功率驅(qū)動電路和控制焊槍位置的各種模板組成。自動焊接軟件是根據(jù)焊接工藝，預(yù)先編程并存儲在軟盤或硬盤上。焊接時，在微型計算機系統(tǒng)軟件的支持下，從軟盤或硬盤上調(diào)入計算機內(nèi)存執(zhí)行。微型計算機輸出的控制信號通過輸出接口輸送到控制柜，經(jīng)功率放大后驅(qū)動焊接機頭進行自動焊接。這樣的結(jié)構(gòu)方式，導(dǎo)致了管道自動焊機不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格貴，而且整機體積大、重量重。很顯然，采用上述技術(shù)的管道自動焊機，不能在管道內(nèi)自動焊接中使用。
限于上述原因，一方面造成對輸送石油天然氣、化工介質(zhì)的管道，不能采用行之有效的機械設(shè)備和施工方法，對管道內(nèi)部進行正常的維護保養(yǎng)，形成了安全隱患。另一方面，為保證自動焊接質(zhì)量，尤其是仰焊位置的焊接質(zhì)量，只能采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴的國外“自動根焊機”焊接焊縫底層，管道自動焊機或半自動焊槍進行焊縫填充焊和蓋面焊的方式進行焊接。采用這種焊接方式，需要購置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴的國外“自動根焊機”，增加了焊接成本；使用半自動焊槍焊接，不僅焊接生產(chǎn)條件差，工人勞動強度大，且焊接質(zhì)量波動大，易受工人技術(shù)狀況、心理情緒的影響；由于焊接的層數(shù)多，焊口加熱時間長，熱變形大，焊接內(nèi)應(yīng)力大，對特殊焊接部位需作熱處理，延長了管道建設(shè)工期。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對目前缺乏管內(nèi)自動生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備，和采用現(xiàn)有技術(shù)的管道自動焊機，不能在管內(nèi)自動焊接中使用的不足，提供一種“管內(nèi)機器人”，其主要目的是實現(xiàn)管內(nèi)維護保養(yǎng)自動化，管內(nèi)焊接自動化，管內(nèi)探傷自動化，在提高管內(nèi)維護保養(yǎng)質(zhì)量、焊接質(zhì)量、探傷質(zhì)量和生產(chǎn)效率的同時，降低管內(nèi)維護保養(yǎng)成本、焊接成本，縮短管內(nèi)維護保養(yǎng)工期和安裝工期。
木發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的由便攜式機器人、定位器、行走機構(gòu)、操作盒小車、動力電源組成管內(nèi)機器人。其中，便攜式機器人、定位器、行走機構(gòu)、機器人控制器為模塊結(jié)構(gòu)，可根據(jù)管道的直徑選擇各規(guī)格的模塊部件裝配。進行生產(chǎn)作業(yè)時，將管內(nèi)機器人放置在待管道內(nèi)，操作操作盒面板上的按鈕，啟動管內(nèi)機器人，行走機構(gòu)驅(qū)動管內(nèi)機器人在管內(nèi)運動，待便攜式機器人檢測到生產(chǎn)作業(yè)位置時，行走機構(gòu)停止運動；行走機構(gòu)的電磁制動器動作，以摩擦力將管內(nèi)機器人暫時固定在管道內(nèi)；隨即操作定位器的定位電機旋轉(zhuǎn)，將定位塊推出，定位塊與管壁之間的摩擦力將管內(nèi)機器人固定在管道內(nèi)；安裝在導(dǎo)軌里(導(dǎo)軌固定在定位器上)的便攜式機器人，握持生產(chǎn)工具進行生產(chǎn)作業(yè)。在自動完成生產(chǎn)作業(yè)的過程中，便攜式機器人繞導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動，生產(chǎn)作業(yè)工具沿管道內(nèi)表面移動，實現(xiàn)管道內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)自動化。
采用本發(fā)明的管內(nèi)機器人，分體重量輕、便于移動，裝配后結(jié)構(gòu)緊湊，可根據(jù)管道的直徑改變管內(nèi)機器人的組成，使完成生產(chǎn)作業(yè)柔性化。實現(xiàn)了管道內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)自動化，提高了生產(chǎn)作業(yè)質(zhì)量和效率，降低了生產(chǎn)成本；有利于改善生產(chǎn)勞動條件，把工人從繁重的勞動中解脫出來，降低工人的勞動強度；以固化在機器人控制器內(nèi)的控制軟件，控制管內(nèi)機器人自動進行生產(chǎn)作業(yè)，降低了管內(nèi)機器人的價格，使這一具有較高科技含量的低成本自動化項目能在工廠企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用和推廣。
以下結(jié)合附圖對木發(fā)明的實施例進行具體描述
圖1是采用本發(fā)明的管內(nèi)機器人的主視圖。
圖2是采用本發(fā)明的管內(nèi)機器人的左視圖。
圖3是采用本發(fā)明的管內(nèi)機器人操作盒小車的主視圖。
圖4是采用本發(fā)明的便攜式機器人的放大主視圖。
圖1中1是操作盒連接鉸鏈，2是動力電源，3是行走電機，4是定位電機，5是壓緊輪，6是電磁制動器，7是行走輪，8是連接短套，9是定位盤，10是定位塊，11是齒輪安裝板，12是便攜式機器人，13是管道，14是導(dǎo)向輪。
圖2中10是定位塊，9是定位盤，8是連接短套，5是壓緊輪，2是動力電源，4是定位電機，7是行走輪，13是管道，14是導(dǎo)向輪。
圖3中15是操作盒，16是小車行走輪，17是小車平板，19是生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備。
圖4中20是機器人導(dǎo)軌，21是機器人行走電機，22是機器人腰部，23是機器人大臂，24是機器人小臂，25是生產(chǎn)作業(yè)工具，26是手腕，27是機器人肩部。
具體實施例方式
如圖1所示，操作盒小車與定位電機安裝板鉸鏈鏈接，小車上安裝進行生產(chǎn)作業(yè)的設(shè)備(如空氣壓縮機、電焊機、探傷機)，操作盒安裝在小車上，操作盒控制電纜沿小車分別與行走電機、定位電機、電磁鐵、機器人控制器連接。由圖可見，定位器是管內(nèi)機器人的承載機體，由轉(zhuǎn)盤電機、減速齒輪組、轉(zhuǎn)盤、齒輪安裝板、定位塊、彈簧、定位塊導(dǎo)管、定位盤、凸輪盤、定位螺紋花鍵軸、滾動軸承、連接短套、定位電機組成。行走機構(gòu)由導(dǎo)向輪、壓緊輪、行走輪、行走電機、行走減速器、電磁制動器組成。導(dǎo)向輪安裝在定位器的前端，壓緊輪安裝在定位器的后端，行走輪安裝在行走減速器輸出軸的兩端，固定在定位電機安裝板的下面，電磁制動器安裝在定位電機的上面。動力電源安裝在定位電機安裝板的上面。管內(nèi)機器人完成生產(chǎn)作業(yè)的部件是便攜式機器人，便攜式機器人由關(guān)節(jié)型手臂、腰部、行走機構(gòu)、機器人控制器、控制電源組成，便攜式機器人的行走機構(gòu)安裝在定位器上。
便攜式機器人采用可以折疊的關(guān)節(jié)型手臂，關(guān)節(jié)型手臂由肩部、大臂、小臂、手部組成。肩部和大臂之間由肩關(guān)節(jié)軸鉸鏈，大臂與小臂之間由肘關(guān)節(jié)軸鉸鏈，小臂與手部之間由腕關(guān)節(jié)軸鉸鏈。肩部、大臂、小臂、手部為模塊結(jié)構(gòu)，可根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)的需要，選擇各規(guī)格模塊方便地換裝。
便攜式機器人的手部由手腕直流電機、手腕步進電機、減速齒輪、導(dǎo)向環(huán)、動環(huán)、止環(huán)、導(dǎo)環(huán)、滑板、箱體組成。箱體后端安裝的鉸鏈孔與手腕關(guān)節(jié)軸鉸鏈連接，使箱體可以繞手腕關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動；手腕直流電機安裝在箱體的后端，手腕直流電機軸與齒輪連接，手腕步進電機的安裝滑板和齒條連接，齒輪與齒條嚙合，經(jīng)齒條傳動使手腕步進電機由箱體前端導(dǎo)向作微小往復(fù)運動，帶動手腕步進電機也同樣作微小往復(fù)運動；手腕步進電機安裝在滑板上，軸線垂直于手腕關(guān)節(jié)軸，手腕步進電機軸經(jīng)減速齒輪連接動環(huán)操作動環(huán)上安裝的生產(chǎn)工具繞步進電機軸線轉(zhuǎn)動，由導(dǎo)向環(huán)、止環(huán)支承動環(huán)并導(dǎo)向。
便攜式機器人的肩部、大臂、小臂具有相同的機械和電氣結(jié)構(gòu)，都是機、電一體的功能化模塊，由減速器箱體、步進電機、減速齒輪組、連接支承、支承柱、電氣箱裝配成。具體結(jié)構(gòu)是減速器箱體和減速齒輪組裝配成減速器，步進電機安裝在減速器箱體上，步進電機的輸出軸端安裝旋轉(zhuǎn)手輪；光電藕合檢測器的電氣部分和輸出功率驅(qū)動單元電路安裝在電氣箱內(nèi)，電氣箱通過定位孔套裝在步進電機的機體上，通過支承柱、螺釘和減速器箱體聯(lián)為一體，輸出功率驅(qū)動單元電路輸出與步進電機連接。連接支承安裝在步進電機端的臂上，連接支承一端從內(nèi)孔中分面分開，用螺栓連接，內(nèi)孔加工有齒形。步進電機的輸出軸齒輪與減速齒輪組的一級齒輪嚙合，減速齒輪組的末級齒輪輸出軸即是關(guān)節(jié)軸，關(guān)節(jié)軸的中部加工有齒形。減速齒輪組的各齒輪軸安裝向心球軸承支撐，關(guān)節(jié)軸安裝向心球軸承支撐。減速齒輪均采用雙列齒輪、螺釘緊固的消嚙合間隙機構(gòu)。在末級減速齒輪軸的一端插入電氣箱，軸上安裝光電藕合檢測器的機械盤，機械盤上加工小孔，配合光電藕合檢測器的電氣部分檢測關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動角度。
便攜式機器人的腰部是機、電一體的功能化模塊由減速器箱體、步進電機、減速齒輪組、電氣盒組成。減速器箱體和減速齒輪組裝配成減速器，步進電機安裝在減速器箱體上，步進電機的輸出軸端安裝旋轉(zhuǎn)手輪，箱體后端加工安裝行走直流電機的螺紋孔。光電藕合檢測器的電氣部分和輸出功率驅(qū)動單元電路安裝在電氣箱內(nèi)，電氣箱通過支承柱、螺釘和減速器箱體聯(lián)為一體，輸出功率驅(qū)動單元電路輸出與步進電機連接。步進電機的輸出軸齒輪與減速齒輪組的一級齒輪嚙合，減速齒輪組的末級齒輪輸出軸即是關(guān)節(jié)軸。減速齒輪組的各齒輪軸安裝向心球軸承支撐，關(guān)節(jié)軸安裝向心球軸承支撐。減速齒輪均采用雙列齒輪、螺釘緊固的消嚙合間隙機構(gòu)。在末級減速齒輪軸的一端插入電氣箱，軸上安裝光電藕合檢測器的機械盤，機械盤上加工小孔，配合光電藕合檢測器的電氣部分檢測關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動角度。
便攜式機器人的行走機構(gòu)由行走直流電機，導(dǎo)軌組成。導(dǎo)軌由底板、導(dǎo)向條組成。底板為圓筒形，導(dǎo)向條為分段圓弧，兩層結(jié)構(gòu)。底層截面形狀為矩形，導(dǎo)向條一的底層一側(cè)面加工有齒形，另一層截面形狀加工為平V形，導(dǎo)向條一用螺釘安裝在底板上。導(dǎo)向條二的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向條一相同，只是沒有加工齒形，導(dǎo)向條二用螺釘安裝在底板上。行走直流電機安裝在機器人的腰部，電機軸端安裝的齒輪與導(dǎo)向條側(cè)的齒形嚙合。
便攜式機器人的機器人控制器由單片機系統(tǒng)、輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動電路組成。實施例中，單片機系統(tǒng)的單片機芯片選用8031，可編程輸入輸出接口芯片選用8255，地址鎖存器選用74LS373，地址譯碼器選用74LS138，程序存貯器選用2764。輸入接口電路四組，以一組為例，光電藕合隔離選用4N25，輸入端口光電檢測選用TIO20，輸入插口選用單列三腳插座。輸出功率驅(qū)動電路十組，以一組為例，光電藕合隔離選用兩只4N25，集成驅(qū)動選用74LS06和74LS07，功率放大管選用四只TIP126，開關(guān)控制管選用TIP127，輸出插口選用單列五腳插座。設(shè)置啟動、停止按鈕，兩只指示燈，一只接入單片機系統(tǒng)，一只接入輸出功率驅(qū)動系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)，四組光電檢測器的輸入接口電路，兩組雙列二十四腳插座制作在主電路板上，安裝在關(guān)節(jié)型手臂的肩部內(nèi)。四組光電檢測器的輸入接口電路，兩組直流電機，兩組開關(guān)控制、六組步進電機的輸出功率驅(qū)動電路，都分別單獨制作單元電路板。為使單元電路板具有可換性，方便維修。兩組直流電機和兩組開關(guān)控制輸出功率驅(qū)動電路板，都按步進電機功率驅(qū)動電路板制作。兩組直流電機、兩組開關(guān)控制、六組步進電機的單元電路板，分別安裝在關(guān)節(jié)型手臂的肩部、大臂、小臂的電氣盒內(nèi)構(gòu)成機電一體模塊結(jié)構(gòu)。在選定單片機芯片、輸入輸出接口芯片、地址鎖存器、地址譯碼器、程序存貯器后，地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線、片選信號連接，本專業(yè)的技術(shù)人員可按規(guī)定連接。僅對可編程輸入輸出接口8255的地址分配，和輸入接口、輸出功率驅(qū)動單元電路作說明。8255的每一路輸入、輸出端口均經(jīng)光電藕合隔離與外圍電路連接。8255的PA0、PA1口接手腕直流電機，PA2、PA3接行走直流電機，PA4、PA5口接手腕步進電機。PB0、PB1口接肩部步進電機，PB2、PB3口接大臂步進電機，PB4、PB5口接小臂步進電機，PB6、PB7口接腰部步進電機。PC0口接入肩部步進電機，和手腕步進電機的驅(qū)動電源回路作開關(guān)控制；PC1口接入大臂步進電機，小臂步進電機、腰部步進電機的驅(qū)動電源回路作開關(guān)控制；PC2口接入腰部光電藕合檢測器，PC4口接入肩部光電藕合檢測器，PC5口接入大臂光電藕合檢測器，PC6口接入小臂光電檢測器分別檢測各關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動角度，PC7口預(yù)留給光電檢測器，PC3口開關(guān)控制預(yù)留，8255的PA6、PA7口預(yù)留。輸出功率驅(qū)動單元電路板，都具有相同的電路結(jié)構(gòu)。以控制肩部步進電機為例8255的PB0口輸出的信號接光電藕合4N25，經(jīng)隔離后的信號接集成驅(qū)動74LS06的一個單元，和74LS07的一個單元。PB1口輸出的信號接另一只光電藕合4N25，經(jīng)隔離后的信號接集成驅(qū)動74LS06的另一個單元，和74LS07的另一個單元。四個單元的輸出信號分別推動四只功率放大管TIP126，放大后的電流直接驅(qū)動肩部步進電機轉(zhuǎn)動。PC0口輸出的信號接光電藕合4N25，經(jīng)隔離后的信號接集成驅(qū)動74LS06的一個單元，其輸出信號推動開關(guān)控制管TIP127，控制肩部步進電機接入高電壓?？刂浦绷麟姍C時，將輸出功率驅(qū)動單元電路板中的74LS06換為74LS07即可。兩組開關(guān)控制可選輸出功率驅(qū)動單元電路板中的兩路即可?？刂品桨甘腔趩纹瑱C的全軟件開環(huán)控制。由固化的自動軟件控制，機器人控制器具有兩種功能作可編程控制器對完成生產(chǎn)作業(yè)的過程依次作順序控制；在各個工序中，對執(zhí)行元件作小信號輸出控制，作步進電機的加、減速、換相、相序分配、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制，直流電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制。機器人控制器還具有另一種功能輸入信號經(jīng)輸入接口電路輸入單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)輸出的控制信號，經(jīng)輸出功率驅(qū)動電路直接驅(qū)動步進電機，或經(jīng)輸出功率驅(qū)動直接驅(qū)動直流電機。
便攜式機器人控制電源采用兩組蓄電池分別供電，安裝在機器人腰部電氣盒內(nèi)，兩只指示燈，安裝在腰部電氣盒壁上，啟動、停止按鈕安裝在腰部電氣盒壁上。一組電壓為6V的蓄電池供單片機系統(tǒng)，一組電壓為12V的蓄電池供輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動電路，將單片機系統(tǒng)和輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動電路從電路上分隔開。
便攜式機器人的裝配如圖3所示機器人肩部和大臂之間由肩關(guān)節(jié)軸鉸鏈，大臂與小臂之間由肘關(guān)節(jié)軸鉸鏈，小臂與手部之間由腕關(guān)節(jié)軸鉸鏈組成關(guān)節(jié)型手臂。單片機系統(tǒng)，四組光電檢測器的輸入接口電路，兩組雙列二十四腳插座制作在主電路板上，安裝在關(guān)節(jié)型手臂的肩部內(nèi)。關(guān)節(jié)型手臂安裝在機器人腰部的關(guān)節(jié)軸上，控制電源安裝在機器人腰部的電氣盒內(nèi)，機器人腰部安裝在機器人行走機構(gòu)的導(dǎo)軌里組裝成便攜式機器人。單片機系統(tǒng)經(jīng)兩組雙列二十四腳插座、插頭與電纜，分別和機器人肩部、大臂、小臂、手腕機電模塊電氣盒內(nèi)的輸入接口電路輸出端，輸出功率驅(qū)動電路的輸入端連接。
定位器由轉(zhuǎn)盤電機、減速齒輪組、轉(zhuǎn)盤、齒輪安裝板、定位塊、彈簧、定位塊導(dǎo)管、定位盤、凸輪盤、滾動軸承、定位螺紋花鍵軸、連接短套、定位電機組成。
轉(zhuǎn)盤電機、定位電機采用直流電機，采用符合國家電氣標準的元件。
減速齒輪組采用鋼質(zhì)材料加工，六組均為平面直齒外圓齒輪。
轉(zhuǎn)盤采用鋼質(zhì)材料加工，形狀為圓板形，為平面直齒內(nèi)圓齒輪。
齒輪安裝板采用鋼質(zhì)材料加工，形狀為圓板形，圓板中心加工安裝滾動軸承的孔，同半徑小圓周上加工三個對稱的齒輪軸滾動軸承孔(行星結(jié)構(gòu))，同半徑大圓周上加工三個對稱的齒輪軸滾動軸承孔(行星結(jié)構(gòu))。
定位塊采用鋼質(zhì)材料加工，上部截面形狀為矩形，下部為圓柱形，套裝彈簧后安裝在定位導(dǎo)管內(nèi)。
彈簧采用錳鋼絲繞制。
定位導(dǎo)管采用鋼質(zhì)材料加工，截面形狀為矩形，用螺栓安裝定位盤上。
定位盤采用鋼質(zhì)材料加工，形狀為圓板形，圓板上加工安裝定位導(dǎo)管的螺紋孔，與齒輪安裝板連接的螺紋孔。
凸輪盤采用鋼質(zhì)材料加工，形狀為圓板形，凸輪盤內(nèi)孔加工花鍵，外圓周對稱加工成具有20個凸輪的弧面。
滾動軸承為推力軸承，采用國家標準元件。
定位螺紋花鍵軸采用鋼質(zhì)材料加工，前端加工安裝推力軸承的凸肩，內(nèi)孔加工鍵槽，緊接加工一段螺紋，一段外花鍵，一段安裝軸承的軸和一段鎖緊軸承的外螺紋。
連接短套采用鋼質(zhì)材料加工，套內(nèi)加工安裝推力軸承的孔，和定位螺母外花鍵滑動連接的內(nèi)花鍵。
定位器的裝配齒輪安裝板是一個安裝基體，在齒輪安裝板中心軸承安裝孔內(nèi)裝入滾動軸承，三個對稱的齒輪軸裝配到滾動軸承里，滾動軸承安裝到同半徑小圓周上加工的軸承孔里，在齒輪軸的兩端經(jīng)鍵連接安裝上齒輪。三個對稱的齒輪軸裝配到滾動軸承里，滾動軸承安裝到同半徑大圓周上加工的軸承孔里，在齒輪軸的兩端經(jīng)鍵連接安裝上齒輪。齒輪安裝板中心安裝轉(zhuǎn)盤電機，轉(zhuǎn)盤電機軸上安裝的齒輪和同半徑小圓周上安裝的齒輪嚙合，同半徑大圓周上安裝的齒輪和齒輪盤內(nèi)齒嚙合。定位盤是另一個安裝基體，定位導(dǎo)管用螺栓安裝在定位盤上，定位塊套裝彈簧后安裝在定位導(dǎo)管內(nèi)。連接短套用螺栓安裝到定位盤上，推力軸承安裝到連接短套的安裝孔里，定位螺紋花鍵軸安裝到推力軸承內(nèi)，定位螺紋花鍵軸上安裝凸輪盤，20個凸輪弧面與定位塊接觸，定位電機經(jīng)鍵連接插入定位螺紋花鍵軸端的內(nèi)孔鍵槽內(nèi)，定位電機外圓周盤用螺栓與連接短套連接。定位盤與齒輪安裝板采用止扣對中螺栓連接，連接時，定位螺紋花鍵軸另一端插入齒輪安裝板上安裝的滾動軸承內(nèi)，用螺母鎖住。
定位器行走機構(gòu)由導(dǎo)向輪、壓緊輪、行走輪、行走電機、行走減速器、電磁制動器組成，行走電機、電磁鐵采用國家標準元件。
導(dǎo)向輪由輪子、輪子支架支架組成，輪子外圓為圓弧形，外包橡膠。導(dǎo)向輪支架分別安裝在定位盤上。
行走輪由輪子、輪子支架、滾動軸承、行走電機、行走減速器組成。行走減速器為蝸輪、蝸桿結(jié)構(gòu)，蝸輪為雙輸出軸。輪子支架安裝在定位電機安裝板上，中心孔處內(nèi)嵌滾動軸承，蝸輪的雙輸出軸插入滾動軸承后經(jīng)鍵連接安裝輪子。輪子外圓為圓弧形，外包橡膠。行走電機安裝定位電機安裝板上，電機軸與蝸桿經(jīng)花鍵連接。
壓緊輪由輪子、輪子支架、光桿、彈簧、螺母組成。輪子外圓為圓弧形，外包橡膠。螺桿一端焊接在輪子支架上，光桿的另一端加工螺紋，彈簧套裝在光桿上，用螺母鎖住。四個壓緊輪支架分別安裝在定位電機上。
電磁制動器由電磁鐵、剎瓦、電磁鐵支架組成。電磁鐵裝入電磁鐵支架內(nèi)，電磁鐵支架用螺栓安裝在定位電機上，剎瓦外表面粘貼剎車帶用螺釘安裝在電磁鐵的活動衡鐵上。
動力電源由兩組12V蓄電池組成，安裝在定位電機安裝板的下面。蓄電池的正、負極經(jīng)電纜接入操作盒。
操作盒小車由小車行走機構(gòu)、小車平板、操作盒組成。小車行走機構(gòu)與定位器的行走機構(gòu)相同安裝在小車平板下，小車平板為框形結(jié)構(gòu)，一端與定位電機安裝板鉸鏈連接。操作盒為矩形立體體，面板與盒體鉸鏈連接。面板上部安裝電源、行走電機正轉(zhuǎn)、行走電機反轉(zhuǎn)、電磁鐵、定位電機正轉(zhuǎn)、定位電機反轉(zhuǎn)、機器人工作指示燈，面板下部對應(yīng)安裝電源、行走電機正轉(zhuǎn)、行走電機反轉(zhuǎn)、電磁鐵、定位電機正轉(zhuǎn)、定位電機反轉(zhuǎn)、機器人按鈕，其中電源、機器人按鈕帶自鎖。盒體內(nèi)安裝兩只旋入式保險器，行走電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)接觸器各一只，定位電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)接觸器各一只。操作盒主電路接線是動力蓄電池的正、負極經(jīng)電纜進入操作盒，正、負極分別接旋入式保險器的一端，旋入式保險器的另一端依次分別接行走電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)接觸器、定位電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)接觸器的主觸頭的一端，主觸頭的一端依次分別接行走電機、定位電機，其中反轉(zhuǎn)接觸器接線需正、負極交叉接。電磁鐵線圈經(jīng)行走電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)接觸器的輔助觸頭串聯(lián)接入動力蓄電池的正、負極。操作盒控制電路接線是電源按鈕的一端接動力蓄電池的正極，另一端作為控制正極。行走電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)接觸器，定位電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)接觸器的線圈，分別串聯(lián)常開按鈕連接于控制正極和動力蓄電池負極之間；機器人控制器串聯(lián)常開按鈕連接于控制正極和動力蓄電池負極之間。電源指示燈連接控制正極和動力蓄電池的負極；行走電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)指示燈，定位電機正轉(zhuǎn)、定位電機反轉(zhuǎn)指示燈，分別并聯(lián)在行走電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，定位電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)接觸器線圈的兩端；電磁鐵指示燈并聯(lián)在電磁鐵線圈兩端；機器人控制器指示燈并聯(lián)在機器人控制器的兩端。因行走電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，定位電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)都是單步操作，控制電路上不設(shè)置互鎖電路。
根據(jù)管內(nèi)機器人完成的生產(chǎn)作業(yè)的需要，在PC微型計算機上，以離線編程方式開發(fā)便攜式機器人控制軟件，固化在機器人控制器內(nèi)。按照便攜式機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)和生產(chǎn)作業(yè)工藝要求，編寫程序仿真便攜式機器人的運動，計算便攜式機器人各個關(guān)節(jié)軸的角度運動數(shù)據(jù)。依照仿真和計算的數(shù)據(jù)，編寫自動控制程序，交叉匯編自動控制程序，匯編后的自動控制程序，通過PC微型計算機的通訊接口輸入到機器人控制器內(nèi)進行實際調(diào)試，調(diào)試正確的自動控制程序，固化在機器人控制器內(nèi)，完成便攜式機器人自動控制軟件的開發(fā)。便攜式機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)改變和生產(chǎn)作業(yè)工藝作改進后，可修改自動控制程序，經(jīng)匯編、調(diào)試正確后，重新固化在機器人控制器內(nèi)，完成便攜式機器人控制軟件的再次開發(fā)，使便攜式機器人的完成生產(chǎn)作業(yè)柔性化。
進行生產(chǎn)作業(yè)時，將管內(nèi)機器人放置在管道內(nèi)，生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備(電焊機、探傷機)放置在操作盒小車上。按電源按鈕，電磁制動器得電動作，使管內(nèi)機器人制動；按行走電機正轉(zhuǎn)按鈕，電磁制動器失電不制動，管內(nèi)機器人移動到生產(chǎn)作業(yè)處，電磁制動器重新得電動作，使管內(nèi)機器人制動；按定位電機正轉(zhuǎn)按鈕，定位器上的定位塊伸出，定位塊與管壁之間的摩擦力將管內(nèi)機器人固定在管內(nèi)；按機器人控制器按鈕，便攜式機器人在固化的軟件控制下進行生產(chǎn)作業(yè)。生產(chǎn)作業(yè)完成后，便攜式機器人自動停止，按定位電機反轉(zhuǎn)按鈕，定位器上的定位塊收回，按行走電機反轉(zhuǎn)按鈕，電磁制動器失電不制動，管內(nèi)機器人從管內(nèi)退出。
在另一個實施例，不使用凸輪盤，使用錐形定位盤、定位螺母。卸下凸輪盤，在定位螺紋花鍵軸上安裝上凸輪盤。
錐形定位盤采用鋼質(zhì)材料加工，內(nèi)孔加工花鍵。
定位螺母采用銅質(zhì)材料加工，外圓面加工花鍵。
在另一個實施例，便攜式機器人安裝在定位器驅(qū)動盤上，由驅(qū)動盤電機驅(qū)動，便攜式機器人手腕處安裝生產(chǎn)作業(yè)工具沿管道內(nèi)表面移動，實現(xiàn)管道內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)自動化。
以上所述的僅是采用本發(fā)明原理，實現(xiàn)管道內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)自動化的優(yōu)化實施例。應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說， 在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干變型和改進，以至開發(fā)出其它的機電一體化產(chǎn)品，也應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種便攜式機器人，所述的便攜式機器人包括關(guān)節(jié)型手臂、腰部，其特征是還具有行走機構(gòu)、固化了控制軟件的機器人控制器、控制電源；機器人肩部和大臂之間由肩關(guān)節(jié)軸鉸鏈，大臂與小臂之間由肘關(guān)節(jié)軸鉸鏈，小臂與手部之間由腕關(guān)節(jié)軸鉸鏈組成關(guān)節(jié)型手臂，關(guān)節(jié)型手臂安裝在機器人腰部的關(guān)節(jié)軸上，控制電源安裝在機器人腰部的電氣盒內(nèi)，機器人腰部安裝在機器人行走機構(gòu)的導(dǎo)軌里，單片機系統(tǒng)經(jīng)兩組雙列二十四腳插座、插頭與電纜，分別和機器人肩部、大臂、小臂、手腕機電模塊電氣盒內(nèi)的輸入接口電路輸出端，輸出功率驅(qū)動電路的輸入端連接。
2.如權(quán)利要求1所述的便攜式機器人，其特征是便攜式機器人手部由手腕直流電機、手腕步進電機、減速齒輪、導(dǎo)向環(huán)、動環(huán)、止環(huán)、導(dǎo)環(huán)、滑板、箱體組成。箱體后端安裝的鉸鏈孔與手腕關(guān)節(jié)軸鉸鏈連接，使箱體可以繞手腕關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動；手腕直流電機安裝在箱體的后端，手腕直流電機軸與齒輪連接，手腕步進電機的安裝滑板和齒條連接，齒輪與齒條嚙合，經(jīng)齒條傳動使手腕步進電機由箱體前端導(dǎo)向作微小往復(fù)運動，帶動手腕步進電機作微小往復(fù)運動；手腕步進電機安裝在滑板上，軸線垂直于手腕關(guān)節(jié)軸，手腕步進電機軸經(jīng)減速齒輪連接動環(huán)操作動環(huán)上安裝的生產(chǎn)工具繞步進電機軸線轉(zhuǎn)動，由導(dǎo)向環(huán)、止環(huán)支承動環(huán)并導(dǎo)向。
3.如權(quán)利要求1所述的便攜式機器人，其特征是便攜式機器人肩部、大臂、小臂具有相同的機械和電氣結(jié)構(gòu)，都是機、電一體的功能化模塊，由減速器箱體、步進電機、減速齒輪組、連接支承、支承柱、電氣箱裝配成。具體結(jié)構(gòu)是減速器箱體和減速齒輪組裝配成減速器，步進電機安裝在減速器箱體上，步進電機的輸出軸端安裝旋轉(zhuǎn)手輪光電藕合檢測器的電氣部分和輸出功率驅(qū)動單元電路安裝在電氣箱內(nèi)，電氣箱通過定位孔套裝在步進電機的機體上，通過支承柱、螺釘和減速器箱體聯(lián)為一體，輸出功率驅(qū)動單元電路輸出與步進電機連接。連接支承安裝在步進電機端的臂上，連接支承一端從內(nèi)孔中分面分開，用螺栓連接，內(nèi)孔加工有齒形。步進電機的輸出軸齒輪與減速齒輪組的一級齒輪嚙合，減速齒輪組的末級齒輪輸出軸即是關(guān)節(jié)軸，關(guān)節(jié)軸的中部加工有齒形。減速齒輪組的各齒輪軸安裝向心球軸承支撐，關(guān)節(jié)軸安裝向心球軸承支撐。減速齒輪均采用雙列齒輪、螺釘緊固的消嚙合間隙機構(gòu)。在末級減速齒輪軸的一端插入電氣箱，軸上安裝光電藕合檢測器的機械盤，機械盤上加工小孔，配合光電藕合檢測器的電氣部分檢測關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動角度。
4.如權(quán)利要求1所述的便攜式機器人，其特征是便攜式機器人腰部是機、電一體的功能化模塊由減速器箱體、步進電機、減速齒輪組、電氣盒組成。減速器箱體和減速齒輪組裝配成減速器，步進電機安裝在減速器箱體上，步進電機的輸出軸端安裝旋轉(zhuǎn)手輪，箱體后端加工安裝行走直流電機的螺紋孔。光電藕合檢測器的電氣部分和輸出功率驅(qū)動單元電路安裝在電氣箱內(nèi)，電氣箱通過支承柱、螺釘和減速器箱體聯(lián)為一體，輸出功率驅(qū)動單元電路輸出與步進電機連接。步進電機的輸出軸齒輪與減速齒輪組的一級齒輪嚙合，減速齒輪組的末級齒輪輸出軸即是關(guān)節(jié)軸。減速齒輪組的各齒輪軸安裝向心球軸承支撐，關(guān)節(jié)軸安裝向心球軸承支撐。減速齒輪均采用雙列齒輪、螺釘緊固的消嚙合間隙機構(gòu)。在末級減速齒輪軸的一端插入電氣箱，軸上安裝光電藕合檢測器的機械盤，機械盤上加工小孔，配合光電藕合檢測器的電氣部分檢測關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動角度。
5.如權(quán)利要求1所述的便攜式機器人，其特征是便攜式機器人行走機構(gòu)由行走直流電機，導(dǎo)軌組成；導(dǎo)軌由底板、導(dǎo)向條組成，底板為圓筒形，導(dǎo)向條為分段圓弧，兩層結(jié)構(gòu)，底層截面形狀為矩形，導(dǎo)向條一的底層一側(cè)面加工有齒形，另一層截面形狀加工為平V形，導(dǎo)向條一用螺釘安裝在底板上，導(dǎo)向條二的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向條一相同，只是沒有加工齒形，導(dǎo)向條二用螺釘安裝在底板上，行走直流電機安裝在機器人的腰部，電機軸端安裝的齒輪與導(dǎo)向條一側(cè)面的齒形嚙合。
6.如權(quán)利要求1所述的便攜式機器人，其特征是便攜式機器人控制器由單片機系統(tǒng)、輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動電路組成，固化了控制軟件；輸入信號經(jīng)輸入接口電路輸入單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)輸出的控制信號，經(jīng)輸出功率驅(qū)動電路直接驅(qū)動各執(zhí)行元件；單片機系統(tǒng)和四組光電藕合檢測器的輸入接口電路，兩組雙列二十四腳插座制作在主電路板上，安裝在關(guān)節(jié)型手臂的肩部內(nèi)；兩組直流電機，和兩組開關(guān)控制，以及六組步進電機的輸出功率驅(qū)動電路，分別單獨制作單元模塊電路板，分別安裝在關(guān)節(jié)型手臂的肩部、大臂、小臂、腰部的電氣盒內(nèi)構(gòu)成機電一體模塊結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的便攜式機器人，其特征是便攜式機器人控制電源采用兩組蓄電池分別供電，安裝在機器人腰部電氣盒內(nèi)，兩只指示燈，安裝在腰部電氣盒壁上，啟動、停止按鈕安裝在腰部電氣盒壁上；一組電壓為6V的蓄電池供單片機系統(tǒng)，一組電壓為12V的蓄電池供輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動電路，將單片機系統(tǒng)和輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動電路從電路上分隔開。
8.一種管內(nèi)機器人，所述的管內(nèi)機器人包括定位器、行走機構(gòu)、操作盒小車、動力電源，其特征是安裝有如權(quán)利要求1所述的便攜式機器人；定位器、行走機構(gòu)、便攜式機器人為模塊結(jié)構(gòu)，可根據(jù)管道的直徑選擇各規(guī)格的模塊部件裝配；定位器由轉(zhuǎn)盤電機、減速齒輪組、轉(zhuǎn)盤、齒輪安裝板、定位塊、定位塊導(dǎo)管、定位盤、凸輪盤、定位螺紋花鍵軸、滾動軸承、連接短套、定位電機組成，定位器的齒輪安裝板是一個安裝基體，在齒輪安裝板中心軸承安裝孔內(nèi)裝入滾動軸承，三個對稱的齒輪軸裝配到滾動軸承里，滾動軸承安裝到同半徑小圓周上加工的軸承孔里，在齒輪軸的兩端經(jīng)鍵連接安裝上齒輪，三個對稱的齒輪軸裝配到滾動軸承里，滾動軸承安裝到同半徑大圓周上加工的軸承孔里，在齒輪軸的兩端經(jīng)鍵連接安裝上齒輪，齒輪安裝板中心安裝轉(zhuǎn)盤電機，轉(zhuǎn)盤電機軸上安裝的齒輪和同半徑小圓周上安裝的齒輪嚙合，同半徑大圓周上安裝的齒輪和齒輪盤內(nèi)齒嚙合，定位器的定位盤是另一個安裝基體，定位導(dǎo)管用螺栓安裝在定位盤上，定位塊套裝彈簧后安裝在定位導(dǎo)管內(nèi)，連接短套用螺栓安裝到定位盤上，推力軸承安裝到連接短套的安裝孔里，定位螺紋花鍵軸安裝到推力軸承內(nèi)，定位螺紋花鍵軸上安裝凸輪盤，20個凸輪弧面與定位塊接觸，定位電機經(jīng)鍵連接插入定位螺紋花鍵軸端的內(nèi)孔鍵槽內(nèi)，定位電機外圓周盤用螺栓與連接短套連接，定位盤與齒輪安裝板采用止扣對中螺栓連接，連接時，定位螺紋花鍵軸另一端插入齒輪安裝板上安裝的滾動軸承內(nèi)，用螺母鎖??；行走機構(gòu)由導(dǎo)向輪、壓緊輪、行走輪、行走電機、行走減速器、電磁制動器組成，導(dǎo)向輪安裝在定位器的前端，壓緊輪安裝在定位器的后端，行走輪安裝在行走減速器的輸出軸兩端，固定在定位電機安裝板的下面，電磁制動器安裝定位電機的上面；動力電源安裝在定位電機安裝板的上面。
9.如權(quán)利要求8所述的管內(nèi)機器人，其特征是管內(nèi)機器人定位器齒輪安裝板采用鋼質(zhì)材料加工，圓板中心加工安裝滾動軸承的孔，同半徑小圓周上加工三個對稱的齒輪軸滾動軸承孔(行星結(jié)構(gòu))，同半徑大圓周上加工三個對稱的齒輪軸滾動軸承孔(行星結(jié)構(gòu)；定位器定位螺紋花鍵軸采用鋼質(zhì)材料加工，前端加工安裝推力軸承的凸肩，內(nèi)孔加工鍵槽，緊接加工一段螺紋，一段外花鍵，一段安裝軸承的軸和一段鎖緊軸承的外螺紋；定位器凸輪盤采用鋼質(zhì)材料加工，形狀為圓板形，外圓周對稱加工成具有20個凸輪的弧面，安裝在定位器定位螺紋花鍵軸上。
10.如權(quán)利要求8所述的管內(nèi)機器人，其特征是管內(nèi)機器人定位器行走機構(gòu)由導(dǎo)向輪、壓緊輪、行走輪、行走電機、行走減速器、電磁制動器組成；導(dǎo)向輪由輪子、輪子支架支架組成，輪子外圓為圓弧形，外包橡膠，導(dǎo)向輪支架分別安裝在定位盤上；行走輪由輪子、輪子支架、滾動軸承、行走電機、行走減速器組成；行走減速器為蝸輪、蝸桿結(jié)構(gòu)，蝸輪為雙輸出軸，輪子支架安裝在定位電機安裝板上，中心孔處內(nèi)嵌滾動軸承，蝸輪的雙輸出軸插入滾動軸承后經(jīng)鍵連接安裝輪子，輪子外圓為圓弧形，外包橡膠，行走電機安裝定位電機安裝板上，電機軸與蝸桿經(jīng)花鍵連接；壓緊輪由輪子、輪子支架、光桿、彈簧、螺母組成；輪子外圓為圓弧形，外包橡膠；螺桿一端焊接在輪子支架上，光桿的另一端加工螺紋，彈簧套裝在光桿上，用螺母鎖住，四個壓緊輪支架分別安裝在定位電機上；電磁制動器由電磁鐵、剎瓦、電磁鐵支架組成，電磁鐵裝入電磁鐵支架內(nèi)，電磁鐵支架用螺栓安裝在定位電機上，剎瓦外表面粘貼剎車帶用螺釘安裝在電磁鐵的活動衡鐵上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機電一體化產(chǎn)品，確切講，涉及一種在管道內(nèi)完成生產(chǎn)作業(yè)的管內(nèi)機器人，由便攜式機器人、定位器、行走機構(gòu)、操作盒小車、動力電源組成。該管內(nèi)機器人使用在水利電力、石油化工企業(yè)，對輸送液體、原油、天然氣、化工介質(zhì)的管道進行維護保養(yǎng)、自動焊接、自動探傷等生產(chǎn)作業(yè)。在水利電力、石油化工企業(yè)管道系統(tǒng)中有著實質(zhì)性的使用價值。
文檔編號B25J5/02GK1680078SQ20041002996
公開日2005年10月12日 申請日期2004年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月7日
發(fā)明者陳炯 申請人:陳炯