专利名称：管道无线遥控观察机的制作方法
技术领域：
本发明涉及到观察空心体内部的专用装置，具体而言是一种管道无线遥控观察机。
背景技术：
钢管道铺设施工中，每一道对接焊口少则焊三遍，多则焊10余遍，至焊缝成形，最后用X射线或超声波等进行无损探伤。若有缺陷而不合格，必须进行修复。由施工经验得知绝大部分焊缝的缺陷(如过瘤、夹渣、气孔、未熔等)出现在第一遍焊接过程中，并且在管道外人工观察难以发现。按照这种传统的“焊完最后探伤，修复处理缺陷”的质量监控管理模式，每修复一道焊口，不但付出的经济代价是正常焊口的几倍甚至十几倍，而且耗用很长时间，会影响到其它工序正常进行，甚至延误整个工程的投产期限。另外，在管道施工过程中，管内有时会有各种异物，有的体积较大，在通球清管时容易把球卡住，造成很大麻烦。多年来，许多管道工程施工企业为这些问题吃尽苦头，而又无法摆脱这种局面。胜利油田油建一公司在91年研制成功了“钢管道内涂层焊口补口机”(专利号91106511.3)和“钢管道内涂层自动检测补涂机”(专利号91107953.X)。这两种专利产品虽然都能在管道内自动爬行作业，并且也有自动摄像观察功能，但是其图像清晰度都不够高，也不能沿圆周精确定位，因此都不能专用于在管道内自动摄像和观察焊缝表面缺陷。经检索专利文献，至今未发现与本发明更加接近的专利技术产品。

发明内容本发明的目的就在于提供一种与已有技术不同的“管道无线遥控观察机”。它作为管道施工专用设备之一，既能在管道内自动爬行，径向观察对接焊缝内表面有无各种缺陷，并能对缺陷精确定位及录像。一旦发现缺陷就不再继续焊接，而及时进行修复处理，可节省大量人力、财物和时间。同时又能沿管道轴向自动观察管内有无异物及其它施工质量问题，以便于及时处理，防患于未然。
上述目的是由下述技术方案实现的管道无线遥控观察机包括管内摄像观察车、管外监控和水平基准靠模总成三部分。管内摄像观察车是一台机、电、讯、光一体化的自动观察作业小车，由摄像观察机头和机身二大部分相连接而成。摄像观察机头包括旋转部分和固定部分。机身包括变径调节机构、管内机载收发信号系统、机载控制系统、蓄电池组和驱动行走机构等。管外监控部分包括管外遥控信号发收系统主机和遥控操作器。其特征是管内摄像观察车的最前部是摄像观察机头的旋转部分。该部分最前端装有三只轴向照明灯。彩色变焦摄像机置于旋转部分中心部位。摄像机云台座装在旋转部分机壳下部。云台座上装有转向电机、云台主动齿轮和被动齿轮。被动齿轮上装有90°磁性限位开关。被动齿轮轴的上端与摄像机固定支架相连。旋转部分机壳上部安装远红外摄像镜头及其支座，其镜头方向朝着后方的角度刻度盘。旋转部分机壳右侧装有径向照明灯，并有径向观察孔。旋转部分机壳内后部有角度刻度盘总成，刻度盘总成装在固定芯轴上。旋转部分后端的旋转环与其后面的内齿轮相连成为一体。内齿轮通过轴承安装在固定芯轴上。固定芯轴前端一小部分伸进旋转部分机壳内，后部大部分置于机头固定部分机壳内中心部位，并通过支承环固定到机头固定部分机壳内壁上。支承环上装有旋转电机，其动力输出轴上的主动齿轮与内齿轮相啮合，带动机头旋转部分旋转。支承环上部装有360度磁性限位开关。机头固定部分后盖上有燕尾式机头插板，该插板与机身最前端的燕尾式机头插槽相配，其作用是把机头与机身连接成为一体。再向后是变径调节机构、被动轮和被动轮轴承座。再向后机身壳内依次是管内机载收发信号系统、机载控制系统和蓄电池组。机身后部是驱动行走机构、机身最后端下部装有一个牵引环。管外监控部分发收信号主机中包括管外遥控信号发收系统、图像显示器、直流/交流电源逆变器和电池组。天线和遥控操作器与主机之间都由电缆线相连。水平基准靠模总成是个独立部分，由靠模板、重锤线和重锤组成。靠模板中部一侧加工成V形槽，其中心刻有一条基准直线，基准直线的上端系一根重锤线，重锤线的下端系一重锤。
上述管道无线遥控观察机中的角度刻度盘总成，由圆形刻度盘、小支撑板、小轴承、小轴、导环和配重块组成。刻度盘边沿处有0～360度的刻度，其中心孔中装有导环。导环外圆上均布三个小轴承，小轴承装在小轴上。由三块小支撑板和三个小轴把刻度盘与三个小轴承连成一体，能在导环中滚动。配重块装在刻度盘的下半部。刻度盘的上半部有半环形的减轻孔。
上述管道无线遥控观察机中的支承环类似于轮毂形状，其轮缘通过螺钉固定到机头的固定部分机壳内壁上，其中心是轮毂，轮缘与轮毂之间的轮辐上均布安装三个旋转电机，并有减轻孔。
上述管道无线遥控观察机中的变径调节机构，由燕尾滑板、燕尾滑道、调节丝杠和丝母组成。燕尾滑板与机身前端的燕尾式机头插槽焊接成一体，燕尾滑板的后表面下部装有一个丝母。燕尾滑道与机身的机架固定为一体。调节丝杠由上向下装入燕尾滑道的螺纹孔中，并且丝杠下端装入丝母中。
上述管道无线遥控观察机中的驱动行走机构，由驱动电机、谐波减速器、减速箱、电磁刹车、主动轮、减速箱输出轴和被动轮组成。谐波减速器与驱动电机的前输出轴连接，电磁刹车装在驱动电机的后输出轴上。谐波减速器输出端与减速箱连接。主动轮安装在减速箱输出上。减速箱安装在机架后部。被动轮通过其轴承座安装在机架的前端。
上述管道无线遥控观察机中的机载控制系统，由PLC可编程控制器及其输入、输出接口电路和专用控制软件组成。该系统安装在机身中部的控制仓内。
按照上述技术方案制成的管道无线遥控观察机，利用其彩色变焦摄像机、角度刻度盘总成、远红外摄像镜头、径向照明灯和径向观察孔，可以及时径向观察管道对接焊缝焊接第一遍后其内表面有无缺陷，并能直观或记录下缺陷所在的精确角度位置，以便于及时处理修复，大大提高探伤合格率。这样既节省大量人工、材料和设备费用，又节省大量时间，确保不误工期。若把彩色变焦摄像机镜头调到朝正前方向，利用最前面的三只轴向照明灯，可以沿管道轴向观察管道内有无较大异物或其它施工质量问题，以便于及时清除障碍，或处理施工质量问题，避免留下隐患。以上径向和轴向两种观察功能都是通过管外无线监控部分，由遥控操作器发出指令信号，由管内摄像观察小车自动完成的。另外，该机还可作为穿越管道的牵引设备，将钢丝绳等辅助施工索具穿过管道，为其它工序施工创造条件。该机径向观察时，适用管径500～1200毫米；轴向观察时，适用管径325～1200毫米。由于在驱动电机的后输出轴上安装了电磁刹车，该机能在坡度不大于17度管道内正常工作。既可用于新管道施工，又可用于旧管道修复或观察内涂层表面质量。遇到障碍或较深积水，能自动退出管道外。该机工作时无任何噪声或污染。


附图1是该机的管内摄像观察车整体结构示意图。
附图2是图1的A向俯视示意图。
附图3是图1中摄像观察机头旋转部分与固定部分连接处的放大图。
附图4是其角度刻度盘总成示意图。
附图5是图4的B-B剖视图。
附图6是其水平基准靠模总成及应用示意图。
附图7是其管外监控部分组成示意图。
附图8是其控制原理及工作流程方框图。
具体实施方式
结合

一个实施例附图1、2中，1是彩色变焦摄像机，2是远红外摄像镜头支座，3是远红外摄像镜头，4是机头旋转部分机壳，5是刻度盘，6是机头固定部分机壳，7是360度磁性限位开关，8是机头固定部分后盖，9是燕尾式机头插板，10是调节丝杠，11是机载天线，12是机身上盖，13是减速箱，14是谐波减速器，15是驱动电机，16是驱动机构上盖，17是电磁刹车，18是牵引环，19是减速箱基座，20是机架，21是丝母，22是燕尾滑板，23旋转电机，24是支承环，25是内齿轮，26是旋转环，27是转向电机，28是云台主动齿轮，29是90度磁性限位开关，30是云台被动齿轮，31是摄像机云台座，32是摄像机支架，33是轴向照明灯，34是径向照明灯，35是燕尾式机头插槽，36是燕尾滑道，37是被动轮，38是被动轮轴承座，39是管内机载收发信号系统，40是机载控制系统，41是蓄电池组，42是减速箱输出轴，43是主动轮。C是径向观察孔，D是轴向观察孔，E是电机散热窗口。
附图3、4、5中，44是联接螺灯，45是小轴承，46是小轴，47是导环，48是固定芯轴，49是压紧螺母，50是小支撑板，51是配重块，52是主动齿轮，53是轴承，54是垫环，F是刻度盘上的减轻孔。
附图6中，55是靠模板，56是重锤线，57是重锤，58是靠模板上的基准直线，59是待观察管道。
附图7中，60是管外监控部分发收信号系统主机箱，61是管外遥控信号发收系统，62是图像显示器，63是电池组，64是电源逆变器，65是天线，66是遥控操作器。
由图1～7所示，管道无线遥控观察机包括图1、2所示的管内摄像观察车、图7所示的管外监控部分和图6所示的水平基准靠模总成三部分。管内摄像观察车是一台机、电、讯、光一体化的自动观察作业小车，由摄像观察机头和机身两大部分相连而成。摄像观察机头包括旋转部分和固定部分。机身包括变径调节机构、管内机载收发信号系统、机载控制系统、蓄电池组和驱动行走机构等。管外监控部分包括管外遥控发收信号系统主机和遥控操作器。
由图1、2所示，其特征是摄像观察车的最前部是摄像观察机头的旋转部分。该部分最前端装有三个轴向照明灯33。中心有轴向观察孔D。彩色变焦摄像机1置于旋转部分中心部位。摄像机云台座31装在旋转部分机壳4下部。云台座31上装有转向电机27、云台主动齿轮28和被动齿轮30，被动齿轮30上装有90度磁性限位开关29。被动齿轮轴的上端与摄橡机固定支架32相连。旋转部分机壳4上部安装远红外摄橡镜头3及其支座2，其镜头朝向后方的角度刻度盘5。旋转部分机壳4右侧装有径向照明灯34，并有径向观察孔C。由图3所示，旋转部分机壳4内后部有角度刻度盘总成，刻度盘总成装在固定芯轴48上。旋转部分后端的旋转环26与其后面的内齿轮25用螺钉44相连成为一体。内齿轮25通过轴承53安装在固定芯轴48上。固定芯轴48后部大部分置于机头固定部分机壳6内中心部位，并通过支承环24固定到机壳6内壁上。支承环24上装有三台旋转电机23，其动力输出轴上的主动齿轮52与内齿轮25相啮合，带动机头旋转部分旋转。支承环24上部装有360度磁性限位开关7。由图1、2所示，机头固定部分后盖8上装有燕尾式机头插板9，插板9与机身最前端的燕尾式机头插槽35相配，其作用是把机头与机身连接成一体。再向后是变径调节机构，被动轮37和轴承座38。再向后机身壳内依次管内是机载收发信号系统39、机载控制系统40和蓄电池组41。机身后部是驱动行走机构。机身最后端下部装有一个牵引环18。
由图7所示，管外监控部分的主机箱60中，包括管外遥控发收信号系统61、图像显示器62、电池组63和直流/交流逆变器64。天线65和遥控操作器66与主机之间都用电缆相连。
由图6所示，水平基准靠模总成是一个独立部分，由靠模板55、重锤线56和重锤57组成。靠模板55中部一侧加工成V形槽，其中心刻有一条基准直线58，基准直线58上端系一根重锤线56，重锤线56下端系一重锤57。
由图4、5所示，角度刻度盘总成由圆形刻度盘5、小支撑板50、小轴承45、小轴46、导环47和配重块51组成。刻度盘边沿处有0～360度的刻度，其中孔内装有导环47。导环47外圆上均布三个小轴承45，小轴承45装在小轴46上。由三块小支撑板50和三个小轴46把刻度盘5与三个小轴承45连接成一体，能在导环47中滚动。配重块51装在刻度盘5的下半部。刻度盘5的上半部有半环形的减轻孔F。刻度盘5在配重块51的作用下，不随机头和机身转动。
由图1、2所示，变径调节机构由燕尾滑板22、燕尾滑道36、调节丝杠10和丝母21组成。燕尾滑板22与机身前端的燕尾式机头插槽35焊接成一体，燕尾滑板22的后表面下部装有一个丝母21。燕尾滑道36与机身的机架20固定为一体。调节丝杠10由上向下装入滑道36上的螺纹孔中，丝杠10下端部装入丝母21中。这样旋动调节丝杠10时，就能带动丝母21、燕尾滑板22和机头上、下移动，使得机头的轴线尽量与管道轴线重合。当管道直径变动较大时，则要改变主动轮43和被动轮37的接出轴的长度。
由图6所示，用水平基准靠模总成测量水平基准点的方法是将靠模板55的V形槽两边同时靠到待观察管道59的外壁上，并上、下移动，使重锤线56与靠模板55上的基准线58重合。此时，过V形槽的顶点垂直于基准线58的水平线与管道59外圆的交点，即为管道59的“水平直径基准零点”。以此零点为基准，可根据角度刻度盘5对应的焊缝缺陷的刻度值，确定焊缝缺陷的精确位置，进行局部修复。
由图8、7、2所示，该观察机的控制原理及工作流程可分为三种情况描述。
观察焊缝表面缺陷首先将该机小车置于待观察管道的端部，用遥控操作器66发出“前进”指令。该指令经管外遥控信号发收系统61和天线65发射出去。管内机载天线11和机载收发信号系统39收到此信号，经处理传至机载控制系统40的PLC工业控制器。PLC再按预先编制好的软件去控制小车沿管道向前行走，同时照明灯33亮。摄像观察机边行走，边将观察到的管内图像信号经管内机载收发信号系统39和天线11发出。管外天线65和发收信号系统61收到此图像信号后，由图像显示器62显示出来。操作人员直观图像即可知道管内情况。小车到达一道焊缝时，按下“停车”键，使小车停住。再按下“转向”键，摄橡机支架32即向右转90度，使摄橡机1由轴向观察变为径向观察。此时径向照明灯34亮，轴向照明灯33熄灭。再点按“前进”或“后退”键，使小车前、后微动进行定位修正，使摄像机1对准焊缝。在此之前已用水平基准靠模总成在管外找出“水平直径基准零点”。此时点按“显示”键，图1中的远红外摄像镜头3即从刻度盘5上读出误差角δ，并记录下此角度值。然后按住“正向旋转”键，摄像机1就匀速旋转观察焊缝。当发现焊缝缺陷时，松开按键，机头即停止旋转。再点按“显示”键，即显示出刻度盘5上的α角，并记录下此α角度值。按如下公式就能计算出自“水平直径基准零点”至焊缝缺陷处的弧长LL＝πd×(α-δ)/360式中d为管径，α为缺陷位置角度，δ为零点误差角度。重复上述操作，旋转至360度，一道焊缝观察完毕。然后，摄像机云台自动反转90度回到轴向观察位置。可再继续向前观察，也可按“后退”键，使小车退出管道返回。
观察管内有无异物及施工质量也是先把该机小车置于待观察管道的端部，用图7中的遥控操作器66发出“前进”指令。控制小车在管内边行走边观察，并把图像传输出来，从显示器62上即可看到管内有无异物及施工质量有无问题。如需仔细观察，可按“停车”键停车，再遥控改变焦距，仔细进行观察。必要时用管外录像设备把重点图像录制下来。
牵引钢丝绳穿越管道在图1、2所示的牵引环18上系上钢丝绳，将小车置于管道端部，用图7中的遥控操作器66控制小车从管道的一端走到另一端。钢丝绳即在管道中穿越。管道施工中有时会遇到这种情况。
上述三种情况，摄像观察小车如在管内遇水或蓄电池电压不足，其尾部的状态指示灯都能显示出故障，并能自动返回退出管道，进行自身保护。
权利要求
1.一种管道无线遥控观察机，包括管内摄像观察车、管外监控和水平基准靠模总成三部分，管内摄像观察车是一台机、电、讯、光一体化的自动观察作业小车，由摄像观察机头和机身两大部分相连而成，摄像观察机头包括旋转部分和固定部分，机身包括变径调节机构、管内机载收发信号系统、机载控制系统、蓄电池组和驱动行走机构，管外监控部分包括管外遥控信号发收系统主机和遥控操作器，其特征是管内摄像观察车的最前部是摄像观察机头的旋转部分，该部分最前端是三只轴向照明灯(33)，中心有轴向观察孔(D)，彩色变焦摄像机(1)置于旋转部分中心部位，摄像机云台座(31)装在旋转部分机壳(4)下部，云台座(31)上装有转向电机(27)、云台主动齿轮(28)和被动齿轮(30)，被动齿轮(30)上装有90度磁性限位开关(29)，被动齿轮轴的上端与摄像机固定支架(32)相连，旋转部分机壳(4)上部安装远红外摄像镜头(3)及其支座(2)，其镜头朝向后方的角度刻度盘(5)，旋转部分机壳(4)右侧装有径向照明灯(34)并有径向观察孔(C)，机壳(4)内后部有角度刻度盘总成，刻度盘总成装在固定芯轴(48)上，旋转部分后端的旋转环(26)与其后面的内齿轮(25)用螺钉(44)相连成为一体，内齿轮(25)通过轴承(53)安装在固定芯轴(48)上，固定芯轴(48)后部大部分置于机头固定部分机壳(6)内中心部位，并通过支承环(24)固定到机壳(6)内壁上，支承环(24)上装有旋转电机(23)，其动力输出轴上的主动齿轮(52)与内齿轮(25)相啮合，带动机头旋转部分旋转，支承环(24)上部装有360度磁性限位开关(7)，机头固定部分后盖(8)上装有燕尾式机头插板(9)，插板(9)与机身最前端的燕尾式机关插槽(35)相配，其作用是把机头与机身连接成一体，再向后是变径调节机构、被动轮(37)和轴承座(38)，再向后机身壳内依次是管内机载收发信号系统(39)、机载机控制系统(40)和蓄电池组(41)，机身后部是驱动行走机构，机身最后端下部装有一个牵引环(18)，管外监控部分的主机箱(60)中，包括管外遥控发收信号系统(61)、图像显示器(62)、电池组(63)和直流/交流逆变器(64)，天线(65)和遥控操作器(66)与主机之间都用电缆线相连，水平基准靠模总成是一个独立部分，由靠模板(55)、重锤线(56)和重锤(57)组成，靠模板(55)中部一侧加工成V形槽，其中心刻有一条基准直线(58)，基准直线(58)上端系一根重锤线(56)，重锤线(56)下端系一重锤(57)。
2.根据权利要求1所述的管道无线遥控观察机，其特征是角度刻度盘总成由圆形刻度盘(5)、小支撑板(50)、小轴承(45)、小轴(46)、导环(47)和配重块(51)组成，刻度盘(5)边沿有0～360度的刻度，其中心孔中装有导环(47)，导环(47)外圆上均布三个小轴承(45)，小轴承(45)装在小轴(46)上，由三个小支撑板(50)和三个小轴(46)把刻度盘(5)与三个小轴承(45)连成一体，能在导环(47)中滚动，配重块(51)装在刻度盘(5)的下半部，刻度盘(5)上半部有减轻孔(F)。
3.根据权利要求1所述的无线遥控观察机，其特征是支承环(24)类似于轮毂形状，其轮缘通过螺钉固定到机头的固定部分机壳(6)内壁上，其中心是轮毂，轮缘与轮毂之间的轮辐上均布安装三个旋转电机，并有减轻孔。
4.根据权利要求1所述的管道无线遥控观察机，其特征是变径调节机构由燕尾滑板(22)、燕尾滑道(36)、调节丝杠(10)和丝母(21)组成，燕尾滑板(22)与机身前端的燕尾式机头插槽(35)焊接成一体，燕尾滑板(22)的后表面下部装有一个丝母(21)，燕尾滑道(36)与机身的机架(20)固定为一体，调节丝杠(10)由上向下装入滑道(36)上的螺纹孔中，丝杠(10)下端装入丝母(21)中，旋动丝杠(10)就能带动丝母(21)、燕尾滑板(22)和机头上、下移动。
5.根据权利要求1所述的管道无线遥控观察机，其特征是驱动行走机构由驱动电机(15)、谐波减速器(14)、减速箱(13)、电磁刹车(17)、主动轮(43)、减速箱输出轴(42)和被动轮(37)组成，谐波减速器(14)与驱动电机(15)的前输出轴连接，电磁刹车(17)装在驱动电机(15)的后输出轴上，谐波减速器(14)输出端与减速箱(13)连接，主动轮(43)安装在减速箱输出轴(42)上，减速箱(13)安装在机架(20)的后部，被动轮(37)安装在机架(20)的前端。
6.根据权利要求1所述的管道无线遥控观察机，其特征是机载控制系统(40)由PLC可编程控制器及其输入、输出接口电路和专用控制软件组成，该系统安装在机身中部的控制仓内。
全文摘要
本发明是一种管道无线遥控观察机，其管内摄像观察车是一台机、电、讯、光一体化的自动观察作业小车，包括摄像观察机头和机身两大部分。机头分为旋转和固定两部分。机身包括变径调节机构、机载收发信号系统、机载控制系统、蓄电池组和驱动行走机构。机头旋转部分内装摄像机和云台，由电机带动可向右摆动90度。机头固定部分内装电机及传动机构，能带动机头旋转部分转动360度。机身前端通过燕尾式插槽、插板与机头连接成一体。变径调节机构采用燕尾滑板、滑道结构，用丝杠、丝母调节机头上、下移动处于管道中心。驱动行走机构在机身后部，其余在机身前部和中部。主要用来观察管道焊缝内表面缺陷和管内有无异物及施工质量有无问题，以便及时处理。
文档编号G01N21/88GK1441243SQ0311210
公开日2003年9月10日 申请日期2003年4月2日 优先权日2003年4月2日
发明者叶明 , 王开怀, 孙法远 申请人:东营市科威智能技术有限公司