本發(fā)明涉及一種海底管道連接作業(yè)的自動化機械設(shè)備。

背景技術(shù)：

隨著我國海洋石油事業(yè)的發(fā)展，將有越來越多的石油輸送管道在東海及南海等較深水海域進行鋪設(shè)，而鋪設(shè)較深水石油管道則急需一些特殊的水下作業(yè)機具，如：深水法蘭連接機具、軸向?qū)?zhǔn)機具和接應(yīng)工具等。針對海底管道鋪設(shè)系統(tǒng)，需建立一系列性能可靠、體積小巧、自動化程度高的作業(yè)機具，用于管道回接。目前,海底管道的回接技術(shù)被國外幾個大公司所壟斷，我國在深水海底管道連接的技術(shù)領(lǐng)域尚屬起步階段，大部分設(shè)備都是從國外租賃，國內(nèi)沒有相關(guān)的設(shè)備生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中所提到的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種深水海底管道自動連接安裝機器人，該機器人由ROV和法蘭連接機具兩部分組成，ROV 起到提運法蘭連接機具的作用，法蘭連接機具能夠自動的進行法蘭的連接工作，且能夠一次進行多個管道位置的法蘭連接。該裝置可以快速、精確的實現(xiàn)海底管道的法蘭連接，不僅縮短了工作周期，同時也減輕了管道連接工人的勞動強度，提高了工作效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：該種海底管道連接安裝用水下機器人，包括ROV機器人，所述ROV機器人具有浮箱、4個水平推進器、2個豎直推進器、1個五自由度機械手臂、1個七自由度機械手臂、1個電子艙以及1個油箱，其獨特之處在于：

所述水下機器人還包括法蘭連接機具、浮箱和連接板；

所述法蘭連接機具包括螺栓庫、螺母庫、固定手爪、連接框架以及導(dǎo)向輪五部分；

其中，所述螺栓庫為螺栓存儲空間，能夠推送和存儲螺栓，由螺栓庫支座、開合器、調(diào)孔器、液壓缸、螺栓倉和螺栓庫液壓缸連接后組成；螺栓庫支座主要承載螺栓庫工具和定位管道外壁；開合器共有6個，安裝在螺栓支座上，每個開合器上各安裝有一個開合液壓缸以調(diào)節(jié)螺栓庫的開合，調(diào)孔液壓缸安裝在開合器上以實現(xiàn)螺栓倉與法蘭孔的對齊，調(diào)孔液壓缸與調(diào)孔器上的撥桿連接，以實現(xiàn)將調(diào)孔液壓缸的直線運動轉(zhuǎn)換為調(diào)孔器的繞軸向的轉(zhuǎn)動；液壓缸與螺栓倉連接，二者均各有16個，液壓缸將螺栓倉中儲存的螺栓推向法蘭孔，為法蘭連接做準(zhǔn)備；螺栓庫放在活動法蘭盤一側(cè)；

前述螺栓庫支座、開合器、調(diào)孔器、液壓缸、螺栓倉和螺栓庫液壓缸按照如下過程動作：

將螺栓庫放在管道外壁的過程中，每個開合器上開合液壓缸收縮，開合器打開，開合器帶動螺栓倉和液壓缸同時一起打開，下放螺栓庫，待螺栓庫放置管道外壁后，所有開合液壓缸伸長，所有開合器關(guān)閉，同時帶動螺栓倉和液壓缸同時一起關(guān)閉；螺栓庫對孔階段，螺栓庫液壓缸伸長推動螺栓庫，將螺栓倉推至活動法蘭盤的端面處，每個調(diào)孔器上的調(diào)孔液壓缸一起聯(lián)動，通過調(diào)孔液壓缸的伸縮調(diào)整使得螺栓倉與活動法蘭盤孔對齊；活動法蘭盤和固定法蘭盤對孔階段，在螺栓庫對孔階段完成后，螺栓倉后的液壓缸將螺栓倉中的螺栓部分推入到活動法蘭盤中，通過調(diào)孔液壓缸的伸縮調(diào)整，調(diào)孔器旋轉(zhuǎn)，從而帶動螺栓倉中的螺栓旋轉(zhuǎn)，使得活動法蘭盤也隨之旋轉(zhuǎn)，直到活動法蘭盤和固定法蘭盤孔對齊后，停止調(diào)孔液壓缸的調(diào)整；在法蘭盤與法蘭盤對孔結(jié)束后，螺栓倉后的液壓缸將螺栓倉的螺栓全部推出，插入到活動法蘭盤和固定法蘭盤中；

所述螺母庫為螺母存儲空間，能夠存儲螺母和上緊螺母，它包括螺母庫支座、液壓馬達、扳手液壓馬達、豎直液壓缸、螺母儲存庫、螺母庫液壓缸、六角扳手、殼體以及水平液壓缸；螺母庫支座是整個螺母庫的載體，來承載螺母庫以及定位于被連接管道外壁；在法蘭孔對齊過程中，螺母庫放在固定法蘭盤的一側(cè)，待螺母庫放置到管道上后，液壓馬達帶動殼體旋轉(zhuǎn)，使得殼體上的六角扳手去對準(zhǔn)固定法蘭盤孔；殼體上對稱分布有兩個六角扳手，每個六角扳手每次只能提供和擰緊一顆螺母，當(dāng)孔對齊后，電子艙內(nèi)的程序設(shè)定此位置為殼體的初始位置，為上緊螺母做準(zhǔn)備；前述螺母庫支座、液壓馬達、扳手液壓馬達、豎直液壓缸、螺母儲存庫、螺母庫液壓缸、六角扳手、殼體以及水平液壓缸按照以下過程順序完成螺母的輸送和螺母的上緊：

在法蘭孔對齊階段結(jié)束后，開始為六角扳手提供螺母，水平液壓缸伸長，將螺母儲存庫中的一顆螺母推送至豎直液壓缸處，待豎直液壓缸接收到螺母后，豎直液壓缸伸長，將螺母推送至六角扳手中，六角扳手接收到螺母后，六角扳手中的扳手液壓缸將螺母推送至六角扳手口，為上緊螺母做準(zhǔn)備，之后螺母庫液壓缸伸長將螺母庫推至插有螺栓處，準(zhǔn)備進行上緊螺母；

在螺母上緊階段，六角扳手口可繞六角扳手本體旋轉(zhuǎn)，六角扳手口中的螺母與法蘭盤中的螺栓對齊接觸后，扳手液壓馬達帶動六角扳手口旋轉(zhuǎn)，六角扳手中的扳手液壓缸處于伸長狀態(tài)，六角扳手口中的螺母開始擰上螺栓，扳手液壓馬達繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時螺母庫液壓缸伸長將擰上的螺母向前推進，直至螺母上緊為止；待螺母上緊后，扳手液壓馬達停止旋轉(zhuǎn)，螺母庫中的所有液壓缸全部收縮，螺母庫回到初始工作位置；

在進行下一次螺母擰緊時，液壓馬達帶動殼體旋轉(zhuǎn)，將六角扳手送至要上緊螺母處，待螺母上緊后，液壓馬達帶動殼體旋轉(zhuǎn)回到殼體的初始位置進行螺母輸送，殼體每旋轉(zhuǎn)一定角度后都必須回到殼體的初始位置處；

所述固定手爪是法蘭連接機具固定在連接管道外壁抓緊部件，它包括手爪擋板、手爪液壓缸、手爪以及手爪連桿；其中，手爪與手爪連桿連接組成抓緊機構(gòu)，該抓緊機構(gòu)放在手爪擋板中，通過手爪液壓缸的伸長和收縮實現(xiàn)抓經(jīng)機構(gòu)的抓緊和松開；

所述連接框架為法蘭連接機具的支撐件，主要起承載螺栓庫、螺母庫以及固定手爪的作用，連接框架上焊有滑行軌道，能讓螺母庫與螺栓庫在上滑行；

所述浮箱采用浮力材料制成，以保證法蘭連接機具在浮箱的作用下處于懸浮狀態(tài)；浮箱與法蘭連接機具的連接框架連接；

所述連接板分為兩塊，一塊與ROV機器人連接，另一塊與法蘭連接機具連接，兩塊連接板對接后，實現(xiàn)ROV機器人與法蘭連接機具的連接，使得ROV機器人能夠?qū)⒎ㄌm連接機具提運到工作位置；

所述導(dǎo)向輪分別安裝于螺栓庫和螺母庫上，能夠讓螺栓庫和螺母庫在滑行軌道上滑行，以改善法蘭連接機具、連接框架的受力狀況。

本發(fā)明具有如下有益效果：

首先，本發(fā)明采用螺母庫借鑒了鉆井上用的液壓動力大鉗的結(jié)構(gòu)和工作原理，減少了傳統(tǒng)螺母庫繁瑣的結(jié)構(gòu)形式，所以結(jié)構(gòu)更加簡單，僅用兩個對稱分布的扳手就能快速準(zhǔn)確的完成法蘭連接任務(wù)。其次，該法蘭連接機具在其連接框架上焊接有滑行軌道，通過導(dǎo)向輪將螺栓庫與螺母庫的重量分?jǐn)偟交熊壍?，使得法蘭連接機具的整體受力狀態(tài)比較合理。另外，螺栓庫與螺母庫的存儲量大，能夠一次性完成多個位置的法蘭盤連接，提高了工作效率，減少了管道連接工人的工作強度，并且該機器人的自動程度高，當(dāng)該機器人到達工作位置后，大部分的工作過程都靠設(shè)計好的程序自行完成，無需太多的人為操作，方便快捷。最后，該機器人采用的是模塊化設(shè)計，方便維修，某塊模塊損壞后只需將該模塊整體更換后便可重新恢復(fù)，在不同的工作條件下也可更換相應(yīng)的模塊，便能滿足工作條件的需要，方便快捷。

本發(fā)明將ROV機器人與自動法蘭連接機器人合理的結(jié)合使用，通過自動法蘭連接機器人的螺栓庫和螺母庫的配合能夠有效完成海底管道連接安裝任務(wù)，其中螺栓庫進行了螺栓與法蘭孔的對齊，法蘭孔與法蘭孔的對齊，在連接過程中起到固定了螺栓的位置的作用；螺母庫則完成了螺母的上緊工作，用一對對稱布置的六角扳手循環(huán)的連接螺母，提高了連接的效率，簡化了設(shè)備的結(jié)構(gòu)，從而有效減小了工人的勞動強度，提高了工作效率。該自動法蘭連接裝置自動化程度高，大部分采用程序控制，而螺栓庫與螺母庫的模塊化設(shè)計同時也使管道連接機具的維修和維護更加的方便快捷。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明海底管道連接安裝機器人總裝圖

圖2是本發(fā)明海底管道連接安裝機器人不加浮箱主視圖

圖3是本發(fā)明ROV主視圖

圖4是本發(fā)明螺栓庫結(jié)構(gòu)圖

圖5是本發(fā)明螺栓庫支座示意圖

圖6是本發(fā)明開合器示意圖

圖7是本發(fā)明調(diào)孔器

圖8是本發(fā)明螺栓倉

圖9是本發(fā)明螺母庫示意圖

圖10是本發(fā)明螺母庫支座結(jié)構(gòu)圖

圖11是本發(fā)明殼體示意圖

圖12是本發(fā)明六角扳手示意圖

圖13是本發(fā)明螺母庫內(nèi)部剖視圖

圖14是本發(fā)明導(dǎo)向輪工作示意圖

圖15是本發(fā)明下連接板示意圖

圖16是本發(fā)明上連接板示意圖

圖17是本發(fā)明六角扳手和六角扳手液壓馬達工作示意圖

圖18是本發(fā)明手爪總裝示意圖

圖19是本發(fā)明不加手爪擋板示意圖

圖20是本發(fā)明手爪擋板示意圖

圖21是本發(fā)明手爪示意圖

圖22是本發(fā)明手爪連桿1示意圖

圖23是本發(fā)明手爪連桿2示意圖

圖24是本發(fā)明殼體齒輪示意圖

圖25是本發(fā)明連接框架示意圖

圖中1-ROV機器人，2-連接板，3-浮箱，4-管道，5-法蘭連接機具，6-螺母庫液壓缸，7-螺母庫，8-固定法蘭盤，9-活動法蘭盤，10-螺栓庫，11-導(dǎo)向輪，12-螺栓庫液壓缸，13-固定手爪，14-連接框架，15-ROV機器人浮箱，16-豎直推進器，17-水平推進器，18-油箱，19-電子艙，20-五自由度機械手臂，21-七自由度機械手臂，22- 螺栓庫支座，23-開合器液壓缸，24-開合器，25-調(diào)孔器液壓缸，26-調(diào)孔器，27-液壓缸，28-螺栓倉，29-螺母庫支座，30-殼體，31-扳手液壓馬達齒輪，32-六角扳手，33-扳手液壓馬達齒輪，34-扳手液壓缸 ，35-螺母儲存庫，36-豎直液壓缸，37-水平液壓缸，38-液壓馬達，39-手爪擋板，40-手爪，41-手爪液壓缸，42-手爪連桿。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

如圖1至圖3所示，該種海底管道連接安裝機器人，包括ROV機器人1、法蘭連接機具5、浮箱3、連接板2。

所述的ROV機器人由浮箱15、4個水平推進器17、2個豎直推進器16、1個五自由度機械手臂20、1個七自由度機械手臂21、1個電子艙19、1個油箱18七部分組成。

所述法蘭連接機具由螺栓庫10、螺母庫7、固定手爪13、連接框架14、導(dǎo)向輪11五部分組成。

其中，所述螺栓庫10為螺栓存儲空間，能夠推送和存儲螺栓，如圖4所示，它由螺栓庫支座22、開合器24、調(diào)孔器26、液壓缸27螺栓倉28和螺栓庫液壓缸12組成。螺栓庫支座22主要承載螺栓庫工具和定位管道外壁；開合器共有6個安裝在螺栓支座22上，每個開合器上各安裝有一個開合液壓缸23，調(diào)節(jié)螺栓庫的開合，調(diào)孔液壓缸20安裝在開合器14上以實現(xiàn)螺栓倉17與法蘭孔的對齊，它與調(diào)孔器26上的撥桿連接，調(diào)孔液壓缸25的直線運動轉(zhuǎn)換為調(diào)孔器26的繞軸向的轉(zhuǎn)動；液壓缸27與螺栓倉28連接，各有16個，液壓缸27將螺栓倉28中儲存的螺栓推向法蘭孔，為法蘭連接做準(zhǔn)備。螺栓庫10放在活動法蘭盤一側(cè)，將螺栓庫10放在管道4外壁的過程中，每個開合器24上開合液壓缸23收縮，開合器24打開，開合器24帶動螺栓倉28和液壓缸27同時一起打開，下放螺栓庫10，待螺栓庫10放置管道4外壁后，所有開合液壓缸23伸長，所有開合器24關(guān)閉，同時帶動螺栓倉28和液壓缸27同時一起關(guān)閉。螺栓庫10對孔階段，螺栓庫液壓缸12伸長推動螺栓庫10，將螺栓倉28推至活動法蘭盤9的端面處，每個調(diào)孔器26上的調(diào)孔液壓缸20一起聯(lián)動，通過調(diào)孔液壓缸20的伸縮調(diào)整使得螺栓倉28與活動法蘭盤9孔對齊。活動法蘭盤9和固定法蘭盤8對孔階段，在螺栓庫10對孔階段完成后，螺栓倉28后的液壓缸27將螺栓倉28中的螺栓部分推入到活動法蘭盤9中，通過調(diào)孔液壓缸20的伸縮調(diào)整，調(diào)孔器26旋轉(zhuǎn)，從而帶動螺栓倉28中的螺栓旋轉(zhuǎn)，使得活動法蘭盤9也隨之旋轉(zhuǎn)，直到活動法蘭盤9和固定法蘭盤8孔對齊后停止調(diào)孔液壓缸20的調(diào)整。最后，在法蘭盤與法蘭盤對孔結(jié)束后，螺栓倉28后的液壓缸27將螺栓倉28的螺栓全部推出，插入到兩法蘭盤中。

所述螺母庫7為螺母存儲空間，能夠存儲螺母和上緊螺母，它由螺母庫支座29、液壓馬達38 、扳手液壓馬達31、豎直液壓缸36、螺母儲存庫35、螺母庫液壓缸6、六角扳手32、殼體30、水平液壓缸37九部分組成。螺母庫支座29是整個螺母庫7的載體，來承載螺母庫7以及定位于被連接管道4外壁。在法蘭孔對齊過程中，螺母庫7放在固定法蘭盤8的一側(cè)，待螺母庫7放置到管道上后，液壓馬達38帶動殼體30旋轉(zhuǎn)，使得殼體30上的六角扳手32去對準(zhǔn)固定法蘭盤8孔，殼體30上對稱分布有兩個六角扳手32，每個六角扳手32每次只能提供和擰緊一顆螺母，當(dāng)孔對齊后，程序設(shè)定此位置為殼體30的初始位置，為上緊螺母做準(zhǔn)備。螺母的輸送階段，在法蘭孔對齊階段結(jié)束后，開始為六角扳手32提供螺母，水平液壓缸伸長37，將螺母儲存庫35中的一顆螺母推送至豎直液壓缸處36，待豎直液壓缸36接收到螺母后，豎直液壓缸36伸長，將螺母推送至六角扳手32中，六角扳手32接收到螺母后，扳手液壓缸34將螺母推送至六角扳手32口，為上緊螺母做準(zhǔn)備，之后螺母庫液壓缸6伸長將螺母庫7推至插有螺栓處，準(zhǔn)備進行上緊螺母。螺母上緊階段，六角扳手的口可繞六角扳手本體旋轉(zhuǎn)，六角扳手口中的螺母與法蘭盤中的螺栓對齊接觸后，扳手液壓馬達31帶動六角扳手32的口旋轉(zhuǎn)，六角扳手中的扳手液壓缸34處于伸長狀態(tài)，六角扳手口中的螺母開始擰上螺栓，扳手液壓馬達31繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時螺母庫液壓缸6伸長將擰上的螺母向前推進，直至螺母上緊為止。待螺母上緊后，扳手液壓馬達31停止旋轉(zhuǎn)，螺母庫7中的所有液壓缸全部收縮，螺母庫7回到初始工作位置。在進行下一次螺母擰緊時，液壓馬達38帶動殼體30旋轉(zhuǎn)一定的角度，將六角扳手32送至要上緊螺母處，待螺母上緊后，液壓馬達38帶動殼體30旋轉(zhuǎn)回到殼體的初始位置進行螺母輸送，殼體每旋轉(zhuǎn)一定角度后都必須回到初始位置處，螺母的輸送階段是在該位置才能進行的。

所述固定手爪13是法蘭連接機具5固定在連接管道4外壁抓緊部件，它由手爪擋板39、手爪液壓缸41、手爪40以及手爪連桿42組成，手爪40與手爪連桿42連接組成抓緊機構(gòu)，該抓緊機構(gòu)放在手爪擋板39中，手爪液壓缸41的伸長和收縮實現(xiàn)抓經(jīng)機構(gòu)的抓緊和松開。

所述連接框架14為法蘭連接機具5的支撐件，主要起承載螺栓庫10、螺母庫7以及固定手爪8的作用，連接框架14上焊有滑行軌道，能讓螺母庫7與螺栓庫10在上滑行。

所述浮箱3采用浮力材料，它與法蘭連接機具5的連接框架14連接，材料的選擇可通過對法蘭連接機具5的重量計算進行選擇，最后要使得整個法蘭連接機具5在浮箱的作用下處于懸浮狀態(tài)。

所述連接板2分為兩塊，一塊與ROV機器人1連接，另一塊與法蘭連接機具5連接，兩塊連接板對接后，實現(xiàn)ROV機器人1與法蘭連接機具5的連接，使得ROV機器人1能夠?qū)⒎ㄌm連接機具5提運到工作位置。

所述導(dǎo)向輪11分別安裝于螺栓庫10和螺母庫7上，能夠讓螺栓庫10和螺母庫7在滑行軌道上滑行，改善了法蘭連接機具5連接框架14的受力狀況。

下面給出利用本裝置作業(yè)過程：

ROV機器人與法蘭連接機具進行連接后，ROV機器人將法蘭連接機具提運到管道連接處，開合器打開，準(zhǔn)備將法蘭連接機具放置到連接管道壁上；

ROV機器人將法蘭連接機具的螺母庫放置在固定法蘭一端，螺栓庫放置在活動法蘭一端后，開合器關(guān)閉，并調(diào)整法蘭連接機具的位置，使得螺母庫上的六角扳手與固定法蘭盤孔對齊，并設(shè)置此位置為螺母庫的初始位置，對齊后固定手爪抓緊管壁，將法蘭連接機具固定到管道外壁；

之后，螺栓庫液壓缸將螺栓庫推至活動法蘭盤端面，調(diào)孔液壓缸開始伸縮調(diào)整螺栓倉的位置，使得螺栓倉與活動法蘭盤孔對齊；

然后螺栓倉后連接的液壓缸伸長將螺栓倉中的螺栓部分推入到活動法蘭盤中，調(diào)孔液壓缸開始伸縮調(diào)整，帶動螺栓旋轉(zhuǎn)，從而使得活動法蘭盤也隨之旋轉(zhuǎn)，直到活動法蘭盤和固定法蘭盤孔對齊后，停止調(diào)整；

調(diào)整完后，螺栓倉后的液壓缸將螺栓倉中的螺栓全部推進需連接法蘭盤內(nèi)，液壓缸保持伸長狀態(tài)，準(zhǔn)備進行擰緊螺母；

螺母庫液壓缸伸長，將螺母庫推至固定法蘭盤處，螺母庫開始準(zhǔn)備螺母進行上緊工作；

螺母庫中的水平液壓缸伸長，將螺母儲存庫中的螺母推至豎直液壓缸處，豎直液壓缸接到螺母后將其推至六角扳手處，六角扳手中的液壓缸又將螺母推至六角扳手口處，準(zhǔn)備進行上緊螺母；

六角扳手液壓馬達開始旋轉(zhuǎn)，帶動六角扳手口旋轉(zhuǎn)，六角扳手中的液壓缸保持伸長狀態(tài)，螺母開始擰上螺栓，六角扳手液壓馬達繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時螺母庫液壓缸伸長，將螺母向前推進，直至螺母上緊為止；

螺母上緊后，螺母庫中的液壓缸全部收縮，液壓馬達帶動螺母庫的殼體旋轉(zhuǎn)一定角度，準(zhǔn)備進行下一處的螺母擰緊，操作過程與上述描述相同；

在進行下一處的螺母擰緊時，殼體需回到之前所設(shè)置的初始位置處進行螺母輸送，殼體每旋轉(zhuǎn)一定角度后都必須回到初始位置處，螺母的輸送階段是在該位置才能進行的；

全部螺母上緊后，螺栓庫液壓缸收縮，螺母庫液壓缸收縮，螺栓庫與螺母庫離開連接法蘭端面，固定手爪打開，ROV機器人將法蘭連接機具提運出工作處。