自适应型管道内壁激光熔覆机器人的创新设计

自适应型管道内壁激光熔覆机器人的创新设计

 陈玺任

(辽宁科技大学)

摘要：

随着工业技术的不断进步，对管材内壁的强化处理需求日益增加。本文创新性地提出了一种自适应型变径管道内壁激光熔覆机器人的设计方案。该机器人采用胶囊状外形设计，集成了自适应走行系统、机械支撑与平衡系统、激光熔覆系统以及水冷却系统，旨在实现对不同规格管材内壁的高效、精确的激光熔覆作业。通过引入压力过载保护装置和光束聚焦透镜调整电机等关键技术，显著提高了机器人的作业稳定性和精确性。与传统设备相比，该机器人具有结构简单、易拆卸、性能可靠、自动化程度高以及维护容易、低能耗等显著优势，为管材内壁激光熔覆领域提供了一种有效的解决方案，有助于推动激光熔覆技术的广泛应用与发展。

关键词：自适应型机器人；管道内壁；激光熔覆；压力过载保护装置；光束聚焦透镜调整电机；高效强化作业；自动化；低成本设计

一、引言

管材作为工业领域中的核心组成部分，在石油输送、化工生产、电力传输等多个关键领域都发挥着不可替代的作用。然而，这些管材在长时间的使用过程中，不可避免地会受到各种环境因素的侵蚀，如腐蚀、磨损等，从而导致其内壁的性能逐渐下降，甚至出现破损、泄漏等严重问题。这不仅影响了管材的正常使用寿命，更对工业生产和人员安全构成了巨大的威胁。

为了提升管材的耐用性和安全性，对其内壁进行强化处理显得尤为重要。在众多强化处理技术中，激光熔覆技术凭借其独特的优势脱颖而出。激光熔覆技术能够通过高能激光束将熔覆材料迅速熔化，并与管材内壁的基体材料实现冶金结合，从而在管材内壁形成一层具有优异性能（如高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性）的熔覆层。这一技术不仅热影响区小，而且熔覆层与基体的结合强度高，因此被广泛应用于管材内壁的强化处理中。

然而，尽管激光熔覆技术具有诸多优点，但传统的激光熔覆设备却存在着一些明显的不足。这些设备往往结构复杂、体积庞大，难以适应不同规格和形状的管材内壁处理需求；同时，它们的自动化程度较低，需要大量的人工操作和监控，这不仅增加了处理成本，也限制了处理效率的提升。特别是在一些复杂多变的工况下，如管道弯曲、变径、内壁凹凸不平等情况，传统的激光熔覆设备更是难以胜任。

因此，针对上述问题，本文提出了一种自适应型变径管道内壁激光熔覆机器人的设计方案。该机器人旨在通过创新的设计和先进的技术手段，实现对不同规格和形状的管材内壁进行高效、精确的激光熔覆处理。通过自适应走行系统、机械支撑与平衡系统、激光熔覆系统以及水冷却系统的协同作用，该机器人能够自动适应管材内壁的变化，保持稳定的行走和精确的熔覆作业；同时，其结构简单、易拆卸、性能可靠、自动化程度高且维护容易、低能耗等特点，也使其在实际应用中具有显著的优势和广阔的前景。

通过本文的研究和设计，我们期望能够为管材内壁激光熔覆领域提供一种有效的解决方案，推动激光熔覆技术的广泛应用与发展，为工业生产和人员安全提供更有力的保障。

二、机器人系统设计

为实现管道内壁的高效激光熔覆作业，本文设计的自适应型变径管道内壁激光熔覆机器人集成了自适应走行系统、机械支撑与平衡系统、激光熔覆系统以及冷却系统等多个关键模块。这些模块共同协作，确保机器人在复杂多变的管道环境中稳定运行，并完成高质量的熔覆任务。

1. 自适应走行系统

该系统是机器人的核心组成部分之一，负责驱动机器人在管道内壁行走。它采用了独特的轮式驱动机构，通过高精度的传感器和控制算法，能够根据管材内径的实时变化自动调整轮距和轮压。这种设计确保了机器人在不同规格管材内壁上的稳定附着和顺畅行走。此外，通过引入压力传感器和控制系统，自适应走行系统还能够实现对行走速度的精确控制，以适应不同工况下的激光熔覆需求。无论是平直的管道还是弯曲、变径的复杂环境，该系统都能够提供强大的适应性和稳定性。

2. 机械支撑与平衡系统

为确保机器人在管道内的稳定性和平衡性，特别是在进行激光熔覆作业时的精确度，本设计专门研发了机械支撑机构和平衡调节装置。支撑机构采用了伸缩杆结构，通过内置的传感器和控制系统，可以根据管道内径的变化自动调整支撑距离，以确保机器人始终与管道内壁保持最佳的接触状态。同时，平衡调节装置则通过实时检测机器人的姿态变化，动态调整支撑力的分布，从而保持机器人在各种姿态下的平衡状态。这种设计不仅提高了机器人的稳定性，也确保了熔覆作业的精度和质量。

3. 激光熔覆系统

该系统是实现激光熔覆功能的关键模块，包括激光器、光束传输装置和熔覆头三个部分。激光器选用了高功率的光纤激光器，具有光束质量好、能量密度高等显著优点，能够满足各种材料的熔覆需求。光束传输装置则采用了先进的柔性光纤传输技术，确保了激光束的远距离、无损耗传输和精确控制。而熔覆头则是根据管材内壁的具体形状和尺寸进行定制设计的，能够确保熔覆层的均匀性、致密性以及与基体的良好结合。整个激光熔覆系统的工作过程高度自动化，大大提高了熔覆作业的效率和质量。

4. 水冷却系统

考虑到激光器和熔覆头在长时间连续工作过程中可能产生的高热量，本文设计了一套高效的水冷却系统。该系统通过循环水泵将冷却液持续输送到激光器和熔覆头，进行有效的散热降温。同时，系统中还设置了多个温度传感器和控制系统，能够实时监测关键部位的温度变化，并自动调整冷却液的流量和温度，以确保机器人在各种工况下都能保持最佳的工作温度。这种设计不仅延长了激光器和熔覆头的使用寿命，也提高了整个机器人系统的可靠性和稳定性。

三、设计结构

本文提出的自适应型变径管道内壁激光熔覆机器人设计结构主要由以下几部分组成：

1. 自适应走行系统：

此系统主要由伺服电机、齿轮箱、主动锥齿轮、从动锥齿轮和走行脚支组成。

伺服电机提供动力，通过齿轮箱将动力传递给主轴。

主轴前部与后部分别固定连接有两个主动锥齿轮，每个主动锥齿轮上通过从动锥齿轮连接有3组走行脚支。

这些走行脚支支撑在被熔覆钢管内壁上，使机器人能够在变径或不变径的钢管内壁上行走并进行激光熔覆作业。

2. 机械支撑与平衡系统：

该系统负责保持机器人在管道内的稳定性和平衡性。

通过伸缩杆等结构实现支撑机构与管道内壁的接触，确保机器人在不同内径的管道中都能获得稳定的支撑。

平衡调节装置则实时监测机器人的姿态，通过调整支撑力分布来保持其平衡。

3. 激光熔覆系统：

包括激光器、光束传输装置和定制设计的熔覆头。

激光器产生高能激光束，通过光束传输装置引导至熔覆头。

熔覆头根据管材内壁的形状和尺寸定制，确保激光束能够均匀、准确地覆盖在需要熔覆的区域。

4. 水冷却系统：

为确保激光器和熔覆头在连续工作时的稳定性，设计了水冷却系统。

通过循环泵将冷却液输送到需要冷却的部件，带走产生的热量。

同时设置温度传感器和控制系统，实时监测温度变化并调整冷却液的循环速度和流量，以确保冷却效果。

5. 外壳与保护结构：

机器人整体呈胶囊状，这种设计有助于减少在管道内部作业时的阻力。

外壳采用高强度材料制成，以保护内部机械和电子部件免受外部冲击和损坏。

关键部位如电机、齿轮箱等还设有额外的保护罩或密封结构，以提高其防尘防水性能。

综上所述，该自适应型变径管道内壁激光熔覆机器人的设计结构紧凑、功能齐全，能够适应不同规格和形状的管材内壁进行高效、精确的激光熔覆作业。

四、关键技术创新

本文设计的自适应型变径管道内壁激光熔覆机器人在技术上实现了多项创新，进一步提升了机器人在复杂管道环境中的适应性和作业效率。以下是其中的两项关键技术创新：

1. 压力过载保护装置

为确保机器人在行走过程中的安全性，防止因遇到障碍物、管道变形或其他异常情况导致的压力过载，本文特别设计了压力过载保护装置。该装置通过高精度传感器实时监测行走机构的压力变化，一旦检测到异常压力，装置会立即启动保护机制。具体来说，它会实时调整驱动电机的输出扭矩，以降低行走机构的压力，从而避免设备损坏或作业质量受影响。同时，该装置还配备了报警提示功能，一旦触发保护机制，它会立即发出警报，通知操作人员及时处理异常情况。这一创新设计大大提高了机器人在复杂管道环境中的适应性和安全性。

2. 光束聚焦透镜调整电机

激光熔覆作业对激光束的聚焦位置和焦斑大小有着极高的要求。为满足不同工况下的熔覆需求，本文创新设计了光束聚焦透镜调整电机。该电机通过精确驱动聚焦透镜的位移，能够实时改变激光束的聚焦位置和焦斑大小。同时，为确保调节的精确性，电机还采用了高精度编码器进行位置反馈和控制。这种设计不仅实现了激光束的精确聚焦和调节功能，还大大提高了熔覆作业的质量和效率。无论是在平直的管道还是弯曲、变径的复杂环境中，该创新设计都能确保机器人提供稳定、高质量的激光熔覆作业。

五、结论

本文成功提出了一种自适应型变径管道内壁激光熔覆机器人的设计方案，并深入阐述了其系统组成及多项关键技术创新。该机器人凭借独特的自适应走行系统、机械支撑与平衡系统、激光熔覆系统以及水冷却系统，展现出了结构简单、易拆卸、性能可靠、自动化程度高等诸多显著优势。特别是通过引入压力过载保护装置和光束聚焦透镜调整电机等关键技术，机器人在作业稳定性和精确性方面取得了显著的提升，为管材内壁激光熔覆领域提供了一种高效且切实可行的解决方案。

展望未来，随着工业领域的不断发展和对管材内壁性能要求的日益提高，该自适应型变径管道内壁激光熔覆机器人有望发挥更加重要的作用。为了进一步拓展其应用范围和提升作业效率，未来的研究将聚焦于机器人结构和控制系统的持续优化。通过引入更先进的传感技术、智能算法和机器学习等手段，不断提升机器人的自适应能力、智能化水平和作业精度，以满足更广泛、更复杂的管材内壁激光熔覆需求。同时，我们也将积极探索机器人在其他相关领域的潜在应用，为推动工业自动化和智能化做出更大的贡献。

参考文献：

[1] Dynamic characteristics and motion control of pipeline robot under deformation excitation in subsea pipeline[J]. Miao Xingyuan;Zhao Hong;Song Fulin;Ma Yinghan.Ocean Engineering,2022

[2] Application of Intelligent Inspection Robot in Coal Mine Industrial Heritage Landscape: Taking Wangshiwa Coal Mine as an Example [J]. Shen Yan;Li Yu;Li Zengping.Frontiers in Neurorobotics,2022

[3] Research on Passing Ability and Climbing Performance of Pipeline Plugging Robots in Curved Pipelines[J]. Yan Hongwei;Wang Lu;Li Pengcheng;Wang Zhijian;Yang Xiong;Hou Xiangrong.IEEE ACCESS,2020

[4] Design and Analysis of Independently Adjustable Large In-Pipe Robot for Long-Distance Pipeline[J]. Wentao Zhao;;Liang Zhang;;Jongwon Kim.Applied Sciences,2020

[5] Coal Mine Rescue Robots Based on Binocular Vision: A Review of the State of the Art[J]. Guodong Zhai;Wentao Zhang;Wenyuan Hu;Zhendong Ji.IEEE Access,2020

[6] A Search-and-Rescue Robot System for Remotely Sensing the Underground Coal Mine Environment[J]. Jingchao Zhao;;Junyao Gao;;Fangzhou Zhao;;Yi Liu.Sensors,2017

[7] Development of Search‐and‐rescue Robots for Underground Coal Mine Applications[J]. Weidong Wang;;Wei Dong;;Yanyu Su;;Dongmei Wu;;Zhijiang Du.Journal of Field Robotics,2014