一種基于rov的局部干法水下焊接機器人的制作方法
【專利摘要】本發明提供的是一種基于ROV的局部干法水下焊接機器人。包括ROV、安裝在ROV上的焊接機械手；所述ROV包括框架，安裝在框架上的垂向輔助推進器、垂向主推進器、水平推進器，框架上部設置有浮力材料，框架的中部設置電子設備密封艙、焊接設備密封艙，框架的前方設置成像聲納、水下照明裝置，框架兩側設置攝像系統，框架底部設置管道固定爪、液壓樁腳、水下液壓泵；ROV通過臍帶電纜與母船上的水面控制系統相連；焊接機械手的前部設置局部干法電弧焊槍和焊縫跟蹤裝置。本發明工作效率高，作業水深大，水下焊接靈活性好，特別適用在有核輻射或有毒有害的水下、大氣環境中或人員無法達到的現場進行使用。
【專利說明】—種基于ROV的局部干法水下焊接機器人
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種水下焊接裝置，具體地說是一種基于ROV的水下焊接機器人。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著海洋結構物建設的增多，其水下有關設施的組裝、維修，對水下焊接技術提出了更高的要求。目前，水下焊接的質量、效率、自動化程度還遠遠滿足不了人們的要求，很大一部分的水下焊接還是由潛水員施工完成，不僅效率低，而且危險大。為保證水下焊接質量、降低生產成本、提高生產效率以及突破水下焊接的水深限制等，很有必要研制和開發水下焊接機器人。
[0003]水下焊接機器人屬于特種機器人，它由水下焊接技術和水下機器人技術結合產生，代表了水下焊接自動化的發展方向。但是由于水下環境的復雜性和不確定性，目前水下遙控焊接還處在研究起步階段，并沒有真正意義上的焊接機器人進行完全無人的水下焊接活動。英國Cranfield大學海洋技術研究中心從焊接規劃、操作員培訓、離線編程等方面出發，用Workspace軟件和ASEAIRBL6/2機器人組建了一套水下焊接的遙控仿真系統，在該系統上進行了水下環境模擬、遠端操作以及避障等研究。南昌大學針對水下焊接機器人柔性履帶的吸附與張緊問題進行了研究，并開發了適合水下環境的焊縫傳感系統，進行了水下焊接焊縫的基礎測試。華南理工大學水下焊接課題組則在焊縫跟蹤系統和視覺傳感器方面做了一些深入的探索和研究，為國內水下焊接機器人的發展奠定了一定的基礎。因此，對水下焊接進行更深入的研究并開發水下焊接機器人，對于發展海洋事業、實現人類夢想有著十分重要的意義。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種能夠實現全位置、高效率、低成本的水下焊接的基于ROV的局部干法水下焊接機器人。
[0005]本發明的目的是這樣實現的:包括R0V、安裝在ROV上的焊接機械手；所述ROV包括框架，安裝在框架上的垂向輔助推進器、垂向主推進器、水平推進器，框架上部設置有浮力材料，框架的中部設置電子設備密封艙、焊接設備密封艙，框架的前方設置成像聲納、水下照明裝置，框架兩側設置攝像系統，框架底部設置管道固定爪、液壓樁腳、水下液壓泵；ROV通過臍帶電纜與母船上的水面控制系統相連；焊接機械手的前部設置局部干法電弧焊槍和焊縫跟蹤裝置。
[0006]本發明還可以包括:
[0007]1、焊接機械手位于框架前方的中間，在焊接機械手的一側設置輔助機械手。
[0008]2、局部干法電弧焊槍的前端的焊槍噴嘴為水簾式焊槍噴嘴。
[0009]利用本發明的基于ROV的局部干法水下焊接機器人的焊接方法主要包括如下步驟:[0010]步驟1:母船釋放ROV，ROV通過自身微負浮力及推進器到達所要作業位置上方，通過聲吶測量樁腳距工件之間精確距離，由操縱桿控制推進器調整機體姿態，釋放液壓樁腳使機器人平穩著陸，固定抓抓取工件使兩者相對靜止；
[0011]步驟2:利用輔助機械手對工件的待焊部位進行表面清理和打磨等工作，以便進行焊接作業；
[0012]步驟3:焊接時，在水簾式焊槍噴嘴的外層噴射出高壓水，在噴嘴的四周形成一個水簾，阻擋外面的水入侵，由內層噴嘴噴出保護氣體，形成一個氣相區，保證電弧在氣相區中穩定燃燒；
[0013]步驟4:根據待焊工件和工作水深等實際情況，預置焊接工藝參數，利用焊縫跟蹤裝置18和焊接機械手的移動完成工件的焊接；
[0014]步驟5:利用水下焊接攝像機監視和記錄焊接操作的整個過程，利用焊接質量分析儀對焊接過程中的焊接電流、電弧電壓等工藝數據進行實時采集和統計分析，通過臍帶電纜將焊接參數和焊縫圖像傳回水面控制系統，以便對其焊接質量進行分析并及時調整；
[0015]步驟6:焊接結束后，關閉焊接電源，收回焊接機械手，松開抓取裝置，ROV自身推進器上浮，回收。
[0016]所述釋放液壓樁腳著陸，固定爪抓取工件。對于板的焊接，樁腳著陸于板的正上方，可使工件與ROV相對靜止；對于管道的焊接，由管道支架將管道架空，樁腳著陸于管的兩側，固定爪將管道環抱抓緊使管道與ROV相對靜止。
[0017]本發明的裝置主要由推進系統、動態動力定位系統、浮力模塊、水下照明及攝像系統、焊接設備密封艙、局部干法電弧焊槍、焊縫跟蹤系統、焊接機械手(七功能機械手)及輔助機械手(三功能機械手)等組成。焊接作業時，先由母船釋放ROV，ROV通過自身微負浮力及推進器到達所要作業位置，調整姿態釋放樁腿抓取裝置固定機身。焊接時，在水簾式焊槍噴嘴的外層噴射出高壓水，在噴嘴的四周形成一個水簾，阻擋外面的水入侵，由內層噴嘴噴出保護氣體，形成一個氣相區，電弧在氣相區中燃燒，通過水下照明燈和水下高清攝像機檢測電弧，并利用焊接機械手的移動完成工件的焊接。通過臍帶電纜17將焊接參數和焊縫圖像傳回水面控制系統，以便對其焊接質量進行分析并及時調整作業。
[0018]本發明提供了一套搭載于水下有纜機器人(Remote Operated Vehicle，以下簡稱ROV)上的局部干法氣體保護電弧焊接裝置。該裝置由自行設計的ROV機器人系統、焊接機械手及其輔助機械手、局部干法電弧焊槍、焊接設備及密封艙、焊縫跟蹤系統、水下照明及攝像系統、動態動力定位系統等組成等。其中，ROV機器人采用框架式結構，主要由整體框架、耐壓殼體、浮力模塊、推進系統、作業工具以及輔助配件等幾部分組成。該設備原理簡單，通過自身動力定位裝置可準確到達作業位置，六自由度焊接手臂控制可以實施全位置焊接，ROV采用高強鋼框架結構保障深水作業安全，焊嘴裝配有水簾通過吹高壓氣體來保護電弧的穩定性和避免鋼板反射作用力影響。該裝置工作效率高，作業水深大，水下焊接靈活性好，特別適用在有核輻射或有毒有害的水下、大氣環境中或人員無法達到的現場進行使用。
[0019]本發明的有益效果主要體現在:
[0020]1、本發明裝置實現了遠程控制全自動局部干法水下焊接作業，可替代潛水焊工手工焊接作業，具有焊接效率高、焊縫質量好、勞動強度小等明顯優勢；[0021]2、該ROV焊接機器人系統自身具備動力裝置，可靈活作業，實現全位置水下板材或管材等結構的焊接、修補、打磨、甚至開坡口等工作；
[0022]3、該水下焊接機器人采用水下局部干法焊接方式，焊接質量優于濕法水下焊接，焊接用的局部排水罩由焊接機械手攜帶，具有極大的自由度，且焊接時不需要壓力艙，焊接過程靈活性好、焊接成本低；
[0023]4、由于ROV系統通過臍帶電纜對水下潛航體提供持續動力并實時遙控，易于控制航行且靈活性強，能滿足長時間、穩定可靠的焊接作業流程；
[0024]5、該ROV系統采用框架式結構，總體布置方便靈活、可為加掛或更換各種設備提供空間余地，且浮力體相對靠上，具有良好的穩定性，整體框架可以起到保護機器人及其搭載的設備的作用；
[0025]6、該裝置工作效率高，作業水深大，水下焊接靈活性好，特別適用在有核輻射或有毒有害的水下、大氣環境中或人員無法達到的現場進行使用。
[0026]7、根據實際焊接需求，熔化極氣體電弧焊的保護氣體既可為Ar，也可為C02或混合氣體等，能夠廣泛應用于不同金屬結構的水下焊接過程中；經過適當的改進，該設備還可方便地應用于水下切割、水下打孔等作業。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發明的基于ROV的局部干法水下焊接機器人的軸測圖。
[0028]圖2是本發明的基于ROV的局部干法水下焊接機器人的主視圖。
[0029]圖3是本發明的基于ROV的局部干法水下焊接機器人的俯視圖。
[0030]圖4為焊接機械臂結構圖。
[0031]圖5為水簾式局部干法水下焊槍示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖舉例對本發明做更詳細的描述。
[0033]結合圖1-圖3，本發明裝置主要包括R0V、安裝在ROV上的焊接機械手13 ;所述ROV包括鋁合金框架8，安裝在框架上的垂向輔助推進器1、垂向主推進器3、水平推進器4，框架上部設置有浮力材料2，框架的中部設置電子設備密封艙10、焊接設備密封艙11，框架的前方設置成像聲納9、水下照明裝置15，框架兩側設置攝像系統14，框架底部設置管道固定爪7、液壓樁腳5、水下液壓泵12 ;R0V通過臍帶電纜17與母船上的水面控制系統相連；焊接機械手的前部設置局部干法電弧焊槍19和焊縫跟蹤裝置18。焊接機械手位于框架前方的中間，在焊接機械手的一側設置輔助機械手6。局部干法電弧焊槍的前端的焊槍噴嘴為水簾式焊槍噴嘴16。焊接機械手13為七功能機械手，輔助機械手6為三至四功能機械手。
[0034]本發明從結構上劃分為水面控制系統和水下潛航體兩大部分。其中，水面控制系統搭載在母船上，包括主控計算機、跟蹤定位系統、控制系統、顯示系統與通信接口以及臍帶(電纜或光纜)等；水面控制系統通過臍帶電纜對水下潛航體提供充足的動力并實時遙控機械手運動進行焊接操作。本發明裝置中ROV機器人水下潛航體采用開架式設計，由整體框架、推進系統、耐壓殼體、浮力模塊、動態動力定位系統、水下照明及攝像系統、焊接設備密封艙、局部干法電弧焊槍、焊縫跟蹤系統、焊接機械手及輔助機械手等組成。其中，載體框架起支持和保護搭載設備的作用；浮力模塊位置靠上，提高了機器人整體的浮心，保證了航行和作業時的姿態穩定性；密封艙、耐壓殼體位于機器人中心區域，使用O型密封圈密封，用來放置電子元器件及焊接設備，以保證它們不會因海水壓力和侵蝕而損壞；推進系統由分布在機器人四周的水平推進器和中部的垂直推進器組成，實現了前進、后退、上浮、下潛、原地差動轉向與縱傾調整，推進器為螺旋槳，其動力由母船通過臍帶纜提供；焊接機械手中一部為七功能機械手，作為焊接用，另一部為四功能機械手，作為輔助；機械手與ROV水密連接，母船搭載有電弧焊機、高壓氣泵，通過內集束式臍帶纜將轉換后的焊接電流、力口壓后的保護氣體和ROV所用的能源等輸送到水下ROV焊接密封艙內，并操控機械手進行水下焊接；焊接采用吹高壓氣體局部干法水下焊接方式。
[0035]焊接作業時，先由母船釋放ROV，ROV通過自身微負浮力及推進器3、4到達所要作業位置，調整姿態釋放樁腿5抓取裝置7固定機身。焊接時，在水簾式焊槍噴嘴16的外層噴射出高壓水，在噴嘴的四周形成一個水簾，阻擋外面的水入侵，由內層噴嘴噴出保護氣體，形成一個氣相區，電弧在氣相區中燃燒，通過水下照明燈15和水下高清攝像機14檢測電弧，并利用焊接機械手13的移動完成工件的焊接。通過臍帶電纜17將焊接參數和焊縫圖像傳回水面控制系統，以便對其焊接質量進行分析并及時調整作業。
[0036]利用上述裝置實施的焊接方法的具體步驟如下:
[0037]步驟1:母船釋放ROV，ROV通過自身微負浮力及推進器3、4到達所要作業位置上方，通過聲吶9測量樁腳5距工件之間精確距離，由操縱桿控制推進器3、4調整機體姿態，釋放液壓樁腳5使機器人平穩著陸，固定抓7抓取工件使兩者相對靜止；
[0038]步驟2:利用輔助機械手6對工件的待焊部位進行表面清理和打磨等工作，以便進行焊接作業；
[0039]步驟3:焊接時，在水簾式焊槍噴嘴16的外層噴射出高壓水，在噴嘴的四周形成一個水簾，阻擋外面的水入侵，由內層噴嘴噴出保護氣體，形成一個氣相區，保證電弧在氣相區中穩定燃燒；
[0040]步驟4:根據待焊工件和工作水深等實際情況，預置焊接工藝參數，利用焊縫跟蹤裝置18和焊接機械手13的移動完成工件的焊接；
[0041]步驟5:利用水下焊接攝像機14監視和記錄焊接操作的整個過程，利用焊接質量分析儀10對焊接過程中的焊接電流、電弧電壓等工藝數據進行實時采集和統計分析，通過臍帶電纜17將焊接參數和焊縫圖像傳回水面控制系統，以便對其焊接質量進行分析并及時調整；
[0042]步驟6:焊接結束后，關閉焊接電源，收回焊接機械手，松開抓取裝置，ROV自身推進器上浮，回收。
[0043]上文所述的釋放液壓樁腳5著陸，固定爪抓取工件，分為兩種情況:對于板的焊接，液壓樁腳著陸于板的正上方，可使工件與ROV相對靜止；對于管道的焊接，實現由管道支架將管道架空，液壓樁腳著陸于管的兩側，固定爪將管道環抱抓緊使管道與ROV相對靜止。
【權利要求】
1.一種基于ROV的局部干法水下焊接機器人，包括R0V、安裝在ROV上的焊接機械手；其特征是:所述ROV包括框架，安裝在框架上的垂向輔助推進器、垂向主推進器、水平推進器，框架上部設置有浮力材料，框架的中部設置電子設備密封艙、焊接設備密封艙，框架的前方設置成像聲納、水下照明裝置，框架兩側設置攝像系統，框架底部設置管道固定爪、液壓樁腳、水下液壓泵；R0V通過臍帶電纜與母船上的水面控制系統相連；焊接機械手的前部設置局部干法電弧焊槍和焊縫跟蹤裝置。
2.根據權利要求1所述的基于ROV的局部干法水下焊接機器人，其特征是:焊接機械手位于框架前方的中間，在焊接機械手的一側設置輔助機械手。
3.根據權利要求1或2所述的基于ROV的局部干法水下焊接機器人，其特征是:局部干法電弧焊槍的前端的焊槍噴嘴為水簾式焊槍噴嘴。
【文檔編號】B23K9/173GK103785923SQ201410061756
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月24日 優先權日:2014年2月24日
【發明者】苗玉剛, 李小旭, 韓端鋒, 徐向方 申請人:哈爾濱工程大學