一种海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人及紧固方法

技术领域

本发明涉及一种海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人及紧固方法。

背景技术

风能是一种清洁无公害的可再生能源，因此风力发电日益受到人们的重视。风力发电对风力、风速的要求较高，而在海上建设风电设施能够充分利用海洋上风速快、风力稳定、不占用土地资源等优势。但建设海上风力发电设备，需要在海上完成大型风电设备的运输和安装。相比陆地上的风电设备建设，海上施工的难度要高很多。

风电塔筒是风力发电的塔架，在风力发电机组中起主要的支撑作用，同时还吸收机组的震动。在设计中考虑到制造、运输和吊装的经济性，通常将塔筒分成几个节段，相邻的节段用塔筒螺栓连接。目前，塔筒螺栓大多采用电动工具快速固定，然后使用液压扳手和液压泵站配合来实现塔筒螺栓的紧固。液压扳手的工作原理是液压泵站通过油管将动力源传输到液压扳手，然后推动液压扳手的活塞杆，由活塞杆带动扳手前部的棘轮，使棘轮能带动驱动轴来完成塔筒螺栓的紧固工作。然而这些过程目前大都由工作人员完成，因此存在劳动强度高，质量难以把控等问题，并且在一些需要较高拧紧力矩的场合，若操作人员出现操作不当还可能会造成一些安全事故。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人及紧固方法，它能够实现塔筒螺栓的紧固以及拧紧力矩的全自动化控制，降低工作人员的劳动强度，提高海上风电的施工质量。

实现本发明的目的的一种技术方案是：一种海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人，包括小车、液压泵站、机械臂、摄像系统、标记模块、拧紧模块和控制器，其中，

所述小车设在下部塔筒节段顶部的工作平台上；所述液压泵站、机械臂和摄像系统均固定在所述小车的顶面；当标记模块设在小车的顶面上时，所述拧紧模块被机械臂移动至上部塔筒节段和下部塔筒节段的连接法兰的顶面上工作；当拧紧模块设在小车的顶面上时，所述标记模块被机械臂移动所述工作平台上工作；所述液压泵站与所述小车的液压驱动机构、机械臂的液压驱动机构和拧紧模块的液压驱动机构通过油管相连接；所述控制器与所述小车、液压泵站和摄像系统通过局域网连接。

上述的海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人，其中，所述液压泵站设在所述小车的顶面后部；所述机械臂设在小车的顶面上并位于所述液压泵站的前方；所述摄像系统均设在所述小车的顶面上并位于所述机械臂的一旁；所述标记模块或拧紧模块设在所述小车的顶面上并位于所述摄像系统的后方。

上述的海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人，其中，所述摄像系统采用蓄电池供电并包括激光雷达扫描仪和固定在激光雷达扫描仪的顶面上的摄像头。

上述的海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人，其中，所述标记模块包括安装盘和标记装置；所述安装盘的中心开设一与所述机械臂的端头连接的螺纹孔；所述标记装置固定在所述安装盘的顶面上并包括马克笔、记号笔或喷漆罐。

上述的海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人，其中，所述拧紧模块包括螺栓固定装置和拧紧力施加装置；其中，

所述螺栓固定装置包括支撑筒、可转动地设在支撑筒的内腔中的内六角套筒和固定在支撑筒的顶面上的液压缸；所述支撑筒的壁面上沿周向开设一个槽孔；所述液压缸包括同轴地固定在支撑筒的顶面上的液压缸体和设在液压缸体的内腔中的活塞，该活塞为中空结构且内孔为与塔筒螺栓适配的螺纹孔，该螺纹孔也能与所述机械臂的端头连接；

所述拧紧力施加装置包括通过连接架与所述螺栓固定装置的液压缸体的外壁连接的液压电动机、与液压电动机的输出轴连接的驱动盘和连接在驱动盘上的驱动连杆，该驱动连杆的另一端穿过所述支撑筒上的槽孔与所述内六角套筒的外壁连接。

实现本发明的目的的另一种技术方案是：一种海上风电塔筒螺栓的自动紧固方法，基于本发明的海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人，并包括以下步骤：

步骤一，先通过吊机将一个上部塔筒节段吊到已固定在风电基础上的下部塔筒节段上，接着施工人员在上部塔筒节段和下部塔筒节段的连接法兰上所有的螺栓孔中各自自下而上穿入一个螺栓，并在每个螺栓的上部依次安装垫片和螺母，再采用电动工具对每个螺栓上的螺母施加风机厂家规定的松钩力矩，然后吊装上塔筒节段的吊机的吊钩松钩；

步骤二，先将两台自动紧固机器人和控制器运输至设在下部塔筒节段顶部的工作平台上，并将两台自动紧固机器人中心对称地布置在工作平台的边缘，将控制器放置于工作平台的中央；接着建立局域网，将两台自动紧固机器人与控制器信号连接；再控制两台自动紧固机器人的小车在工作平台的边缘行驶一圈，在此过程中两台自动紧固机器人的摄像头拍摄图像和视频，激光雷达扫描仪对施工场景进行扫描并建模；然后通过局域网传输至控制器，控制器对拍摄的图像和视频进行图像识别，并对应所建立的模型确定塔筒螺栓所处的空间位置，同时规划两台自动紧固机器人的行驶路径；

步骤三，控制器通过控制两台自动紧固机器人的小车行驶至的工作位置，启动两台自动紧固机器人的机械臂将各自的拧紧模块一一对应地移动至连接法兰的顶面上的两个待紧固的塔筒螺栓的所处位置，再通过两个拧紧模块一一对应地对两个塔筒螺栓进行第一次紧固，使得两个塔筒螺栓的拧紧力矩达到额定拧紧力矩的50％，同时两台自动紧固机器人的摄像头同步记录施工过程，并将两个塔筒螺栓的拧紧力矩传输至控制器；

步骤四，启动两台自动紧固机器人的机械臂将各自的标记模块一一对应地移动至两个已完成第一次紧固的塔筒螺栓的所处位置，并一一对应地在两个塔筒螺栓上标记第一次紧固标记线；

步骤五，控制器通过控制两台自动紧固机器人的小车行驶至对应位置，启动两台自动紧固机器人的机械臂将对应的拧紧模块一一对应地移动至两个待第二次紧固的塔筒螺栓的所处位置，再通过两个拧紧模块一一对应地对两个塔筒螺栓进行第二次紧固，使得两个塔筒螺栓的拧紧力矩达到额定拧紧力矩的100％，同时两台自动紧固机器人的摄像头同步记录施工过程，并将两个塔筒螺栓的拧紧力矩传输至控制器；

步骤六，启动两台自动紧固机器人的机械臂将各自的标记模块一一对应地移动至两个已完成第二次紧固的塔筒螺栓的所处位置，并一一对应地在两个塔筒螺栓上标记第二次紧固标记线；

步骤七，重复步骤三至步骤六，两台自动紧固机器人一一对应地进行下两个塔筒螺栓的紧固，直到完成此连接法兰上所有的塔筒螺栓的紧固；

步骤八，两台自动紧固机器人在工作平台上绕连接法兰的内侧行驶一圈，并通过摄像头拍照和录像，将视频和图像通过局域网传输至控制器，由控制器进行图像识别，并自动判断此连接法兰上的每个螺栓孔中是否都有螺栓、螺母、垫片、第一次紧固标记线和第二次紧固标记线，当满足上述所有的条件时认为此连接法兰上的所有塔筒螺栓已紧固完毕；

步骤九，控制器自动将施工过程的录像、图片以及塔筒螺栓的拧紧力矩数据保存为一个压缩包，然后撤走控制器与两台自动紧固机器人。

上述的海上风电塔筒螺栓的自动紧固方法，其中，进行步骤三和步骤五时，通过拧紧模块的螺栓固定装置固定螺栓，通过拧紧模块的拧紧力施加装置拧紧安装在螺栓上的螺母，使得塔筒螺栓的拧紧力矩达到设定要求。

上述的海上风电塔筒螺栓的自动紧固方法，其中，进行步骤四时，所述第一次紧固标记线为标注在垫片的顶面上的横线；进行步骤六时，所述第二次紧固标记线与第一次紧固标记线垂直相交并标注在螺母、垫片和连接法兰的顶面上。

本发明的海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人及紧固方法具有以下特点：

(1)本发明通过拧紧模块实现了塔筒螺栓的自动紧固，还能有效降低工作人员的劳动强度，有效提高塔筒螺栓的安装效率；

(2)本发明通过拧紧模块实现拧紧力的自动控制，并能获得塔筒螺栓的拧紧力矩数据，显著提高塔筒的安装质量；

(3)本发明通过标记模块记录塔筒螺栓和螺母的相对位置，为以后的海上风电运维提供原始数据；

(4)本发明通过摄像系统能记录施工的全过程，形成施工全过程的影像资料，作为验收凭证，从而有效提高海上风电的施工质量；

(5)本发明的自动紧固机器人，既可以用于海上风电塔筒安装时螺栓的紧固，也可以用于海上风电运维时塔筒螺栓的检查和维护。

附图说明

图1是本发明的海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人的轴测图(拧紧模块工作状态)；

图2是本发明的海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人的轴测图(标记模块工作状态)；

图3是本发明的自动紧固机器人中的拧紧模块的轴测图(俯视)；

图4是本发明的自动紧固机器人中的拧紧模块的轴测图(仰视)；

图5是本发明的自动紧固机器人中的标记模块的轴测图；

图6是进行本发明的海上风电塔筒螺栓的自动紧固方法的步骤二时的轴测图；

图6a是图6中的P部位的放大图；

图7是进行本发明的海上风电塔筒螺栓的自动紧固方法的步骤三或步骤五时的轴测图；

图8是进行本发明的海上风电塔筒螺栓的自动紧固方法的步骤四或步骤六时的轴测图；

图8a是图8中的Q部位的放大图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1至图5，本发明的海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人，包括小车1、液压泵站2、机械臂3、摄像系统4、标记模块5、拧紧模块6和控制器20。

小车1设在下部塔筒节段顶部的工作平台10A上。

液压泵站2设在小车1的顶面后部。

机械臂3设在小车1的顶面上并位于液压泵站2的前方。

摄像系统4均设在小车1的顶面上并位于机械臂3的一旁，该摄像系统4采用蓄电池供电并包括激光雷达扫描仪41和固定在激光雷达扫描仪41的顶面上的摄像头42；

标记模块5和拧紧模块6通过机械臂3轮流设在小车1的顶面上并位于摄像系统4的后方；当标记模块5设在小车1的顶面上时，拧紧模块6被机械臂3移动至上部塔筒节段和下部塔筒节段的连接法兰10B的顶面上工作；当拧紧模块6设在小车1的顶面上时，标记模块5被机械臂3移动至工作平台10A上工作。

标记模块5包括安装盘51和标记装置52；其中，安装盘51的中心开设一与机械臂3的端头连接的螺纹孔；标记装置52固定在安装盘51的顶面上并包括马克笔、记号笔或喷漆罐。

拧紧模块6包括螺栓固定装置6A和拧紧力施加装置6B；其中，

螺栓固定装置6A包括支撑筒61、内六角套筒62和液压缸；支撑筒61为圆筒体，该支撑筒61的壁面上沿周向开设一个槽孔；内六角套筒62可转动地设在支撑筒61的内腔中；液压缸包括同轴地固定在支撑筒61的顶面上的液压缸体63和设在液压缸体63的内腔中的活塞64，该活塞64为中空结构且内孔为与塔筒螺栓适配的螺纹孔，该螺纹孔也能与机械臂3的端头连接；

拧紧力施加装置6B包括液压电动机65、驱动盘66和驱动连杆67；液压电动机65安装在底座上，该底座通过连接架与螺栓固定装置6A中的液压缸体63的外壁连接；驱动盘66连接在液压电动机65的输出轴上；驱动连杆67通过桩头连接在驱动盘66上，该驱动连杆67的另一端穿过螺栓固定装置6A的支撑筒61上的槽孔与内六角套筒625的外壁连接。

液压泵站2与小车1的液压驱动机构、机械臂3的液压驱动机构和拧紧模块6的液压驱动机构通过油管相连接。

控制器20与小车1、液压泵站2和摄像系统4通过局域网连接。

再请参阅图6至图8a，本发明的海上风电塔筒螺栓的自动紧固方法，基于本发明的海上风电塔筒螺栓的自动紧固机器人，并包括以下步骤：

步骤一，先通过吊机将一个上部塔筒节段吊到已固定在风电基础上的下部塔筒节段上，接着施工人员在上部塔筒节段和下部塔筒节段的连接法兰10B上所有的螺栓孔中各自自下而上穿入一个螺栓7，并在每个螺栓7的上部依次安装垫片8和螺母9(见图6和图6a)，再采用电动工具对每个螺栓7上的螺母8施加风机厂家规定的松钩力矩，然后吊装上部塔筒节段的吊机的吊钩松钩；

步骤二，先将两台自动紧固机器人10和控制器20运输至设在下部塔筒节段顶部的工作平台10A上，并将两台自动紧固机器人10中心对称地布置在工作平台10A的边缘，将控制器20放置于工作平台10A的中央；接着建立局域网，将两台自动紧固机器人10与控制器20信号连接；再控制两台自动紧固机器人10的小车1在工作平台10A的边缘行驶一圈，在此过程中两台自动紧固机器人10上的摄像头42拍摄图像和视频，激光雷达扫描仪41对施工场景进行扫描并建模；然后通过局域网传输至控制器20，控制器20对拍摄的图像和视频进行图像识别，并对应所建立的模型确定塔筒螺栓所处的空间位置，同时规划两台自动紧固机器人10的行驶路径；

步骤三，控制器20通过控制两台自动紧固机器人10的小车1行驶至的工作位置，启动两台自动紧固机器人10的机械臂3将各自的拧紧模块6一一对应地移动至连接法兰10B的顶面上的两个待紧固的塔筒螺栓的所处位置，再通过两个拧紧模块6一一对应地对两个塔筒螺栓80进行第一次紧固，即将拧紧模块6的螺栓固定装置6A中的支撑筒61套在塔筒螺栓上，使内六角套筒62套在螺母9上，并使活塞64的内孔套在螺栓7的头部，再启动液压缸和拧紧力施加装置6B中的液压电动机65，通过驱动盘66和驱动连杆67转动内六角套筒62，同时液压缸的活塞64固定螺栓7，进而拧紧安装在螺栓7上的螺母9(见图7)，使得两个塔筒螺栓的拧紧力矩达到额定拧紧力矩的50％，同时两台自动紧固机器人10的摄像头42同步记录施工过程，并将两个塔筒螺栓的拧紧力矩传输至控制器7；

步骤四，启动两台自动紧固机器人10的机械臂3将各自的标记模块5一一对应地移动至两个已完成第一次紧固的塔筒螺栓的所处位置，并一一对应地在两个塔筒螺栓上标记第一次紧固标记线11(见图8)，第一次紧固标记线11为标注在垫片8的顶面上的横线(见图8a)；

步骤五，控制器20通过控制两台自动紧固机器人10的小车1行驶至对应位置，启动两台自动紧固机器人10的机械臂3将对应的拧紧模块6一一对应地移动至两个待第二次紧固的塔筒螺栓80的所处位置，再通过两个拧紧模块6一一对应地对两个塔筒螺栓进行第二次紧固，即将拧紧模块6的螺栓固定装置6A中的支撑筒61套在塔筒螺栓上，使内六角套筒62套在螺母9上，并使活塞64的内孔套在螺栓7的头部，再启动液压缸和拧紧力施加装置6B中的液压电动机65，通过驱动盘66和驱动连杆67转动内六角套筒62，同时液压缸的活塞64固定螺栓7，进而拧紧安装在螺栓7上的螺母9(见图7)，使得两个塔筒螺栓的拧紧力矩达到额定拧紧力矩的100％，同时两台自动紧固机器人10的摄像头42同步记录施工过程，并将两个塔筒螺栓80的拧紧力矩传输至控制器20；

步骤六，启动两台自动紧固机器人10的机械臂3将各自的标记模块5一一对应地移动至两个已完成第二次紧固的塔筒螺栓的所处位置，并一一对应地在两个塔筒螺栓上标记第二次紧固标记线12(见图8)，第二次紧固标记线12与第一次紧固标记线11垂直相交并标注在螺母9、垫片8和连接法兰10B的顶面上(见图8a)；

步骤七，重复步骤三至步骤六，两台自动紧固机器人10一一对应地进行下两个塔筒螺栓的紧固，直到完成此连接法兰10B上所有的塔筒螺栓的紧固；

步骤八，两台自动紧固机器人10在工作平台10A上绕连接法兰10B的内侧行驶一圈，并通过摄像头42拍照和录像，将视频和图像通过局域网传输至控制器20，由控制器20进行图像识别，并自动判断此连接法兰10B上的每个螺栓孔中是否都有螺栓7、垫片8、螺母9、第一次紧固标记线和第二次紧固标记线，当满足上述所有的条件时认为此连接法兰10B上的所有塔筒螺栓已紧固完毕；

步骤九，控制器20自动将施工过程的录像、图片以及塔筒螺栓的拧紧力矩数据保存为一个压缩包，然后撤走控制器20与两台自动紧固机器人10。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。