Research on a small diameter pipeline internal welding robot
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摘要:
针对小口径管道传统的人工焊接方法效率低下、劳动强度高、存在安全风险且对操作工人技能要求高，难以满足现代工程的需求，设计了一款小口径管道内焊接机器人.该机器人能够在管道内部自主移动，利用精密的机械结构实现高质量的自动化焊接.机器人主要由行走机构、涨紧机构、焊枪升降机构、焊枪回转机构、送丝机构和智能控制系统等部分组成，通过智能控制系统来精确控制各个电机驱动单元，实现全电动的焊接作业.与现有外焊设备相比，这款内焊机器人能有效避免外部环境干扰，提升焊接稳定性，尤其适用于空间受限、难以采用传统焊接方法的施工环境.此设计不仅提升了自动化焊接的灵活性，还展现了焊接技术的智能化发展趋势，为油气管道建设提供了技术支持.
Abstract:A small diameter pipeline internal welding robot has been designed to address the low efficiency, high labor intensity, safety risks, and high skill requirements of traditional manual welding methods for small diameter pipelines, which are difficult to meet the needs of modern engineering. The robot can autonomously move inside the pipeline and use precise mechanical structures to achieve high-quality automated welding. The robot mainly consists of a walking mechanism, a tensioning mechanism, a welding gun lifting mechanism, a welding gun rotation mechanism, a wire feeding mechanism, and an intelligent control system. Through the intelligent control system, various motor drive units are accurately controlled to achieve fully electric welding operations. Compared with existing external welding equipment, this internal welding robot can effectively avoid external environmental interference, improve welding stability, and is particularly suitable for space limited welding and difficult to use traditional welding. This design not only enhances the flexibility of automated welding, but also demonstrates the intelligent development trend of welding technology, providing technical support for oil and gas pipeline construction.
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0. 序言
随着国内基础设施的稳步推进，城市化进程的加速使得对油气资源的需求量持续攀升.管道运输作为一种高效、经济、安全且相对环保的油气输送方式，其重要性日益凸显.油气资源的运输过程中，需要铺设大量的石油天然气管道，然而，在石油天然气管道建设中，管道焊接成为建设过程中的一个重要问题[1-3].
国内常用的管道焊接方法有埋弧自动焊、焊条电弧电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等[4-5].在小口径管道焊接时常用钨极氩弧焊和手工电弧焊.手工焊接方法不仅焊接效率低，而且对工人的焊接技能要求较高.工人的焊接方式对焊接质量有很大影响[6].对于小口径管道的焊接，由于手工电弧焊的灵活性以及对焊接设备要求不高等原因，手工电弧焊的工作量仍占到40% ~ 50%，管道焊接设备自动化率相对较低[7].因此，有必要研究一款管道自动焊接机器人，以提高焊接的效率和质量，改善焊工的工作环境.
CRC公司研发了一系列自动焊技术，其中最具特色的是IWM自动内焊机 + P600双焊炬全自动焊机的组合，该套自动焊系统在长输管道弧焊方面效率是最高的[8].缺点是一次投入较大，内焊机仅适用于较大口径管道.西南交通大学郭占英[9]设计了一款小口径管道外自动焊接设备，通过各个机构的配合完成对小口径管道的自动化焊接.但管道外焊接，容易受到外部环境因素(如风、雨、灰尘等)的干扰，会影响焊接质量和稳定性.
1. 焊接机器人工作原理
小口径管道内焊机器人作为一种适用于300 mm直径管道焊接的设备，具有大幅度提高焊接效率和焊接质量、大幅降低焊接作业人员的作业强度、显著改善焊接环境、减少焊接过程中对焊接工作人员的身体伤害、焊接智能化等优点[10].
利用SolidWorks三维绘图软件对焊接机器人进行结构设计和优化.为了实现焊接机器人在管道内部的焊接，分析焊接机器人的运动过程，设计出焊接机器人的三维模型，如图1所示.该焊接机器人主要由行走机构、涨紧机构、焊枪升降机构、焊枪回转机构、送丝机构和控制系统等组成.前行走机构和后行走机构位于中间轴前后两端，后行走机构连接动力部件以驱动焊接机器人从管道一端进入至相应的焊缝位置，焊机焊枪行走到焊缝处触发激光传感器信号，停止移动.前行走机构和后行走机构之间设置有分别对两侧管道进行涨紧的前涨紧机构和后涨紧机构，前、后涨紧机构通过涨靴的伸缩完成对两侧管道的涨紧和松开.两个涨紧机构之间设有焊枪升降机构和焊枪回转机构，焊枪升降机构的焊枪头部正对管道焊缝处，通过焊枪回转机构带动焊枪升降机构转动，使焊枪转动完成管径周向的焊接.通过各个机构的配合完成对管道的全位置自动焊接.
2. 焊接机器人结构设计
2.1 机器人行走机构设计
焊接机器人在管道内的移动依靠前、后行走机构.如图2所示，后行走机构包括用于支撑固定中间轴尾端的后行走支架，固定在后行走支架外侧且对称分布的伺服电机，以及固定在伺服电机输出端且对称布置的后行走轮，中间轴通过螺栓固定在后行走支架上.后行走机构连接伺服电机进行驱动，使焊接机器人从待焊管道的一端完全进入.
前行走机构包括对称设置的两个辅助前行走轮，以及连接两个前行走轮的前支撑架，前行走轮通过套筒和螺栓固定连接在前支撑架的两侧.
2.2 机器人涨紧机构设计
机器人行走到焊缝位置处，需要涨紧机构将两截待焊管道的环口对齐，这里前涨紧机构和后涨紧机构的结构相同[11].如图3所示，涨紧机构包括套设在中间轴上的转子凸轮环，转子凸轮环周向布置多个凸轮，每个凸轮上均设置弧形滑槽用于滑动连接涨靴架的一端，涨靴架另一端连接涨靴.其中两个相邻凸轮之间设置扇形齿轮，扇形齿轮与涨紧齿轮轴上的小齿轮啮合传动以带动转子凸轮环和凸轮做小角度的往复转动，进而使涨靴架沿弧形滑槽滑动，实现涨靴径向的伸缩，将转子凸轮环的小角度转动转化为涨靴在径向的直线往复运动.涨靴沿径向伸长时涨紧管道，涨靴沿径向缩回时松开管道.
2.3 机器人焊枪升降机构设计
在未进行作业时，焊接机器人焊枪处于缩回状态，能够保证焊枪搬运过程中避免出现碰撞[12].进行焊接作业时，焊枪伸出使枪口达到焊缝位置.如图4所示，焊枪升降机构包括径向对称分布在中间轴两侧的两组焊枪，每组焊枪外侧均设置与其滑动连接的升降滑台，焊枪沿升降滑台的高度方向做升降运动使两组焊枪做径向的背离或相对运动.
2.4 机器人焊枪回转机构设计
焊接机器人进行焊接作业时，焊枪需要绕中间轴做圆周回转运动完成环形焊接[13].如图5所示，前涨紧机构的涨紧支撑板上连接焊枪回转机构，焊枪回转机构包括连接在涨紧支撑板上的环形板，环形板套设在中间轴的轴环上，其内圈内径大于中间轴外径且内圈设置周向的用来与小齿轮啮合传动的齿形，小齿轮由连接在步进电机输出端的回转齿轮轴带动旋转.小齿轮与齿形啮合传动，带动环形板沿周向转动.
2.5 机器人送丝机构设计
如图6所示，送丝机构包括位于前行走机构上的送丝机支架，送丝机支架的水平段为整个送丝机构提供支撑基础.送丝机支架竖直段内设置有与直流减速电机连接的减速机体，减速机体内通过齿轮传动驱动两组送丝轮转动.送丝机支架的水平段上连接两个呈背向交错布置的焊丝盘，两个焊丝盘分别与两组送丝轮配合实现两组焊丝的双路径输送.
送丝轮的前、后两侧分别设有送丝管和出丝接头，送丝轮的正下方还设有能使焊丝始终保持稳定张力的压丝轮，由弹簧片提供弹力.焊丝由焊丝盘经送丝管、送丝轮、压丝轮、出丝接头和柔性橡胶管最终输送至焊枪处[14].
3. 涨紧机构运动学仿真
焊接机器人的涨紧机构中转子凸轮环由扇形齿轮和三段相同的凸轮构成，将凸轮的小角度转动转化为涨靴在径向的直线运动.凸轮有四种运动方式，分别为等速、等加速、余弦加速度和正弦加速度运动，正弦加速度运动时没有冲击，噪声和磨损小，能够实现先快后慢[15].所以这里采用正弦加速度运动，推程位移方程为
$$ s = h\left(\frac{{{\delta _1}}}{{{\delta _{\mathrm{t}}}}} - \frac{1}{{2\text{π} }}\sin \frac{{2\text{π} }}{{{\delta _{\mathrm{t}}}}}{\delta _1}\right) $$ (1) 式中：δ1为凸轮转角，δt为推程运动角，h为行程.
设计的涨紧机构涨靴伸出时长度为管道半径150 mm，缩回时涨靴进入涨紧架中，涨紧架半径为130 mm，固凸轮的推程h为20 mm.根据结构确定凸轮基圆半径r0为66 mm，凸轮转角为40°.涨靴伸出时的位移曲线如图7所示.
4. 结论
(1) 针对小口径管道传统的人工焊接方法效率低下、劳动强度高、有安全风险且对工人技能要求高，难以满足现代工程的需求，设计了一款适用于300 mm直径的小口径管道内焊接机器人.
(2) 机器人由全电动驱动，实现了自动化焊接，与传统气压或液压驱动相比更具灵活性和智能化.
(3) 机器人在管道内作业避免了外部环境干扰，特别适用于空间受限的施工环境，提升了焊接的稳定性和可靠性.
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