一种带自对位功能的多关节鹤管系统.pdf

本发明公开了一种带自对位功能的多关节鹤管系统，垂直设置的气相导管、液相导管固定在基座上，分别通过旋转接头、旋转接头与气相管和液相内管实现活动连接；液相外管与液相内管分别固定在旋转接头的两端，液相外管与垂直套管之间螺接固定，垂直套管的顶部安装绕丝机构，绕丝机构通过传感器固定架连接定位传感器，垂直套管末端连接密封系统；动力系统由伺服电机、减速系统和相关机构组成。有益效果是实现了鹤管运行与对位的自动化，与同样能够实现自对位的桁架鹤管比较，在同样减轻人工劳动强度、降低安全风险的情况下，实施成本可控，施工工程量小，项目实施周期短，推广应用的价值更高。

权利要求书
1.  一种带自对位功能的多关节鹤管系统，其特征在于，包括相互连接的主体结构、动力系统、对位系统与控制系统；
所述主体结构包括基座(1)、液相导管(2)、气相导管(8)、气相管(10)、液相内管(11)、液相外管(17)、绕丝机构(20)、垂直套管(26)与密封系统(27)；
垂直设置的气相导管(8)、液相导管(2)固定在基座(1)上，分别通过旋转接头(9)、旋转接头(7)与气相管(10)和液相内管(11)实现活动连接；
液相外管(17)与液相内管(11)分别固定在旋转接头(16)的两端，液相外管(17)与垂直套管(26)之间通过法兰方式螺接固定，垂直套管(26)的顶部安装绕丝机构(20)，绕丝机构(20)通过传感器固定架(24)连接对位系统中的定位传感器(25)，垂直套管(26)末端连接密封系统(27)；
所述动力系统由伺服电机、减速系统组成，包括第一伺服电机(3)、第一行星减速机(4)、第一蜗杆系统(5)、第一涡轮系统(6)、第二伺服电机(12)、第二行星减速机(13)、第二蜗杆系统(14)、第二涡轮系统(15)、第三伺服电机(18)、第三行星减速机(19)、涡轮蜗杆减速机(21)、第四伺服电机(22)与第四行星减速机(23)；
第一伺服电机(3)为液相内管(11)提供动力，第一行星减速机(4)为一级减速系统，第一蜗杆系统(5)与第一涡轮系统(6)组成涡轮蜗杆减速系统提供二级减速；
第二伺服电机(12)为液相外管(17)提供动力，第二行星减速机(13) 为一级减速系统，第二蜗杆系统(14)与第二涡轮系统(15)组成涡轮蜗杆减速系统，提供二级减速，
第三伺服电机(18)与第三行星减速机(19)相连，为涡轮蜗杆减速机(21)提供动力输入，驱动绕丝机构(20)旋转，绕丝机构(20)上的钢丝绳打开或收回，拖动垂直套管(26)和密封系统(27)下降或上升；
第四伺服电机(22)与第四行星减速机(23)固定，输出端与传感器固定架(24)相连，为定位传感器(25)提供动力。

2.  根据权利要求1所述的一种带自对位功能的多关节鹤管系统，其特征在于，所述控制系统包括控制柜本体(28)、电源模块(29)、运动控制模块(30)、伺服驱动模块(31)以及电气元件、伴热系统组成；伺服驱动模块(31)包含四个伺服驱动器，分别控制动力部分的第一伺服电机(1)、第二伺服电机(12)、第三伺服电机(18)、第四伺服电机(22)，运动控制模块(30)与伺服驱动模块(31)之间采用工业现场总线Ethercat进行通讯和控制，同时接收定位传感器(25)的检测信号，引导垂直套管(26)运行。

3.  根据权利要求1所述的一种带自对位功能的多关节鹤管系统，其特征在于，所述对位系统包括定位传感器(25)以及包覆在其周边的机械固定、防爆和伴热部件，定位传感器(25)采用激光红外传感器、或红外、超声、电磁方式。

4.  根据权利要求1所述的一种带自对位功能的多关节鹤管系统，其特征在于，所述动力系统还可以采用气动、液压与编码器配套的结构。

5.  一种带自对位功能的多关节鹤管系统，其特征在于，包括相互连接的主体结构、动力系统、对位系统与控制系统；
所述主体结构包括基座(1)、液相导管(2)、气相导管(8)、气相管(10)、 液相内管(11)、液相外管(17)、绕丝机构(20)、垂直套管(26)与密封系统(27)；
垂直设置的气相导管(8)、液相导管(2)固定在基座(1)上，分别通过旋转接头(9)、旋转接头(7)与气相管(10)和液相内管(11)实现活动连接；
液相外管(17)与液相内管(11)分别固定在旋转接头(16)的两端，液相外管(17)与垂直套管(26)之间通过法兰方式螺接固定，垂直套管(26)的顶部安装绕丝机构(20)，垂直套管(26)末端连接密封系统(27)；
所述动力系统由伺服电机、减速系统组成，包括第一伺服电机(3)、第一行星减速机(4)、第一蜗杆系统(5)、第一涡轮系统(6)、第二伺服电机(12)、第二行星减速机(13)、第二蜗杆系统(14)、第二涡轮系统(15)、第三伺服电机(18)、第三行星减速机(19)、涡轮蜗杆减速机(21)、第四伺服电机(22)与第四行星减速机(23)；
第一伺服电机(3)为液相内管(11)提供动力，第一行星减速机(4)为一级减速系统，第一蜗杆系统(5)与第一涡轮系统(6)组成涡轮蜗杆减速系统提供二级减速；
第二伺服电机(12)为液相外管(17)提供动力，第二行星减速机(13)为一级减速系统，第二蜗杆系统(14)与第二涡轮系统(15)组成涡轮蜗杆减速系统，提供二级减速，
第三伺服电机(18)与第三行星减速机(19)相连，为涡轮蜗杆减速机(21)提供动力输入，驱动绕丝机构(20)旋转，绕丝机构(20)上的钢丝绳打开或收回，拖动垂直套管(26)和密封系统(27)下降或上升；
第四伺服电机(22)与第四行星减速机(23)固定，输出端与传感器固 定架(24)相连，传感器固定架(24)连接对位系统中的定位传感器(25)，传感器固定架(24)、定位传感器(25)、第四伺服电机(22)、第四行星减速机(23)设置在液相内管(11)的下面。

6.  根据权利要求5所述的一种带自对位功能的多关节鹤管系统，其特征在于，所述控制系统包括控制柜本体(28)、电源模块(29)、运动控制模块(30)、伺服驱动模块(31)以及电气元件、伴热系统组成；伺服驱动模块(31)包含四个伺服驱动器，分别控制动力部分的第一伺服电机(1)、第二伺服电机(12)、第三伺服电机(18)、第四伺服电机(22)，运动控制模块(30)与伺服驱动模块(31)之间采用工业现场总线Ethercat进行通讯和控制，同时接收定位传感器(25)的检测信号，引导垂直套管(26)运行。

7.  根据权利要求5所述的一种带自对位功能的多关节鹤管系统，其特征在于，所述对位系统包括定位传感器(25)以及包覆在其周边的机械固定、防爆和伴热部件，定位传感器(25)采用激光红外传感器、或红外、超声、电磁方式。

8.  根据权利要求5所述的一种带自对位功能的多关节鹤管系统，其特征在于，所述动力系统还可以采用气动、液压与编码器配套的结构。

说明书一种带自对位功能的多关节鹤管系统
技术领域
本发明属于机械自动化技术领域，涉及一种带自对位功能的多关节鹤管系统。
背景技术
鹤管：石化行业流体装卸过程中的专用设备，又称流体装卸臂。它是采用旋转接头与刚性管道及弯头连接起来，以实现火车、汽车槽车与栈桥储运管线之间传输液体介质的活动设备，以取代老式的软管连接，具有很高的安全性，灵活性及寿命长等特点。产品符合GB 50074-2002《石油库设计规范》标准，是收发油料工艺中一种理想的专用设备，可广泛用于化学工业及其他行业收发各类液体原料。
随着国家对安全生产的要求越来越高，以及各行各业提高产品质量和管理水平意识的不断提高，通用型顶装鹤管存在的不足逐渐暴露出来，根据不同的鹤管结构，主要体现在如下方面：
纯机械鹤管：由管道、旋转接头、软管和平衡机构组成，生产流程由人工拖动，拽引鹤管到目标位置，存在的主要问题是人工劳动强度高、安全隐患大，有毒有害介质对操作员工的人身伤害严重。
半自动鹤管：在纯机械鹤管的基础上，在各关节增加动力装置，由液压或气动驱动，通过手动阀实现鹤管的前进或后退。存在的缺陷是：对位需要人工来回观察，极易出现机构碰撞的现象，操作耗时而且非常麻烦。
桁架式鹤管：安装在平行于轨道的桁架上，通过增加动力驱动鹤管沿轨 道来回运行，优点是包络范围大，但采用这种鹤管的施工工程量较大、投资较多，适用面不广，比较适合新上厂家以及大鹤管项目的自动化改造。
发明内容
本发明的目的是提供一种带自对位功能的多关节鹤管系统，在结构上借鉴现有鹤管，增加伺服系统提供动力，并开发一套运动控制系统，结合自定位技术，达到以下目的：1.一键启动，实现鹤管各机械部件按照设定的轨迹展开、运行与复位的自动运行；2.结合自动对位技术，实现鹤管与罐车罐口的自动对位；3.与灌装控制系统通讯互通，实现罐车灌装工位生产自动化。
本发明所采用的技术方案是，一种带自对位功能的多关节鹤管系统，包括相互连接的主体结构、动力系统、对位系统与控制系统；主体结构包括基座、液相导管、气相导管、气相管、液相内管、液相外管、绕丝机构、垂直套管与密封系统；垂直设置的气相导管、液相导管固定在基座上，分别通过旋转接头、旋转接头与气相管和液相内管实现活动连接；液相外管与液相内管分别固定在旋转接头的两端，液相外管与垂直套管之间通过法兰方式螺接固定，垂直套管的顶部安装绕丝机构，绕丝机构通过传感器固定架连接对位系统中的定位传感器，垂直套管末端连接密封系统；动力系统由伺服电机、减速系统组成，包括第一伺服电机、第一行星减速机、第一蜗杆系统、第一涡轮系统、第二伺服电机、第二行星减速机、第二蜗杆系统、第二涡轮系统、第三伺服电机、第三行星减速机、涡轮蜗杆减速机、第四伺服电机与第四行星减速机；第一伺服电机为液相内管提供动力，第一行星减速机为一级减速系统，第一蜗杆系统与第一涡轮系统组成涡轮蜗杆减速系统提供二级减速；第二伺服电机为液相外管提供动力，第二行星减速机为一级减速系统，第二蜗杆系统与第二涡轮系统组成涡轮蜗杆减速系统，提供二级减速，第三伺服 电机与第三行星减速机相连，为涡轮蜗杆减速机提供动力输入，驱动绕丝机构旋转，绕丝机构上的钢丝绳打开或收回，拖动垂直套管和密封系统下降或上升；第四伺服电机与第四行星减速机固定，输出端与传感器固定架相连，为定位传感器提供动力。
本发明的特征还在于，控制系统包括控制柜本体、电源模块、运动控制模块、伺服驱动模块以及电气元件、伴热系统组成；伺服驱动模块包含四个伺服驱动器，分别控制动力部分的第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机，运动控制模块与伺服驱动模块之间采用工业现场总线Ethercat进行通讯和控制，同时接收定位传感器的检测信号，引导垂直套管运行。
对位系统包括定位传感器以及包覆在其周边的机械固定、防爆和伴热部件，定位传感器采用激光红外传感器、或红外、超声、电磁方式。
动力系统还可以采用气动、液压与编码器配套的结构。
本发明的采用的另一种技术方案是，一种带自对位功能的多关节鹤管系统，包括相互连接的主体结构、动力系统、对位系统与控制系统；主体结构包括基座、液相导管、气相导管、气相管、液相内管、液相外管、绕丝机构、垂直套管与密封系统；垂直设置的气相导管、液相导管固定在基座上，分别通过旋转接头、旋转接头与气相管和液相内管实现活动连接；液相外管与液相内管分别固定在旋转接头的两端，液相外管与垂直套管之间通过法兰方式螺接固定，垂直套管的顶部安装绕丝机构，垂直套管末端连接密封系统；动力系统由伺服电机、减速系统组成，包括第一伺服电机、第一行星减速机、第一蜗杆系统、第一涡轮系统、第二伺服电机、第二行星减速机、第二蜗杆系统、第二涡轮系统、第三伺服电机、第三行星减速机、涡轮蜗杆减速机、 第四伺服电机与第四行星减速机；第一伺服电机为液相内管提供动力，第一行星减速机为一级减速系统，第一蜗杆系统与第一涡轮系统组成涡轮蜗杆减速系统提供二级减速；第二伺服电机为液相外管提供动力，第二行星减速机为一级减速系统，第二蜗杆系统与第二涡轮系统组成涡轮蜗杆减速系统，提供二级减速，第三伺服电机与第三行星减速机相连，为涡轮蜗杆减速机提供动力输入，驱动绕丝机构旋转，绕丝机构上的钢丝绳打开或收回，拖动垂直套管和密封系统下降或上升；第四伺服电机与第四行星减速机固定，输出端与传感器固定架相连，传感器固定架连接对位系统中的定位传感器，传感器固定架、定位传感器、第四伺服电机、第四行星减速机设置在液相内管的下面。
本发明的有益效果是借鉴了传统鹤管的结构方式，同时增加了必要的动力和控制系统，结合自动对位功能，实现了鹤管运行与对位的自动化，与同样能够实现自对位的桁架鹤管比较，在同样减轻人工劳动强度、降低安全风险的情况下，实施成本可控，施工工程量小，项目实施周期短，推广应用的价值更高。
附图说明
图1是本发明多关节鹤管系统结构示意图。
图2是本发明中控制系统结构的结构示意图。
图3是本发明多关节鹤管系统另一种结构示意图。
图1中，1.基座，2.液相导管，3.第一伺服电机，4.第一行星减速机，5.第一蜗杆系统，6.第一涡轮系统，7.旋转接头，8.气相导管，9.旋转接头，10.气相管，11.液相内管，12.第二伺服电机，13.第二行星减速机，14.第二蜗杆系统，15.第二涡轮系统，16.旋转接头，17.液相外管，18.第三伺服电 机，19.第三行星减速机，20.绕丝机构，21.涡轮蜗杆减速机，22.第四伺服电机，23.第四行星减速机，24.传感器固定架，25.定位传感器，26.垂直套管，27.密封系统，28.控制柜本体，29.电源模块，30.运动控制模块，31.伺服驱动模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种带自对位功能的多关节鹤管系统，结构如图1所示，包括相互连接的主体结构、动力系统、对位系统与控制系统；
主体结构包括基座1，液相导管2，气相导管8，气相管10，液相内管11，液相外管17，绕丝机构20，垂直套管26，密封系统27。
基座1通过底部螺钉与外围设备连接，是整套系统的安装基础，垂直设置的气相导管8、液相导管2固定在基座1上，分别通过旋转接头9、旋转接头7与气相管10和液相内管11实现活动连接。
液相外管17与液相内管11分别固定在旋转接头16的两端，液相外管17与垂直套管26之间，通过法兰方式，螺接固定。垂直套管26的顶部安装绕丝机构20，绕丝机构20通过传感器固定架24连接定位传感器25，垂直套管26末端连接密封系统27，实现生产过程中与目标物体之间的密封。
动力系统由伺服电机、减速系统和相关机构组成，包括第一伺服电机3，第一行星减速机4，第一蜗杆系统5，第一涡轮系统6，第二伺服电机12，第二行星减速机13，第二蜗杆系统14，第二涡轮系统15，第三伺服电机18，第三行星减速机19，涡轮蜗杆减速机21，第四伺服电机22，第四行星减速机23。
第一伺服电机3为液相内管11提供动力，第一行星减速机4为一级减 速系统，第一蜗杆系统5与第一涡轮系统6组成涡轮蜗杆减速系统，提供二级减速，驱动液相内管11绕旋转接头7水平旋转。
第二伺服电机12为液相外管17提供动力，第二行星减速机13为一级减速系统，第二蜗杆系统14与第二涡轮系统15组成涡轮蜗杆减速系统，提供二级减速，驱动液相外管17绕旋转接头16水平旋转。
第三伺服电机18与第三行星减速机19相连，为涡轮蜗杆减速机21提供动力输入，驱动绕丝机构20旋转，绕丝机构上的钢丝绳打开或收回，拖动垂直套管26和密封系统27下降或上升。
第四伺服电机22与第四行星减速机23固定在一起，输出端与传感器固定架24相连，为定位传感器25提供动力，实现传感器的旋转。
对位系统包括定位传感器25以及包覆在其周边的机械固定、防爆和伴热部件，定位传感器25采用但不局限于激光红外传感器，红外、超声或电磁等方式在不同的场合都有可能采用；
控制系统结构见图2，由控制柜本体28、电源模块29、运动控制模块30、伺服驱动模块31以及相关的电气元件、伴热系统和软件组成。控制柜本体28与机械结构部分相对独立，一般固定在机械结构件基座1的边上，电源模块29连接外接电源，实现电源转换，并为控制柜本体28内部各个元器件以及动力部分的各伺服电机提供合适的电源，伺服驱动模块31包含四个伺服驱动器，分别控制动力部分的四个伺服电机的运行与停止，实现液相内管11，液相外管17，绕丝机构20和定位传感器25运动控制。运动控制模块30与伺服驱动模块31之间采用工业现场总线Ethercat进行通讯和控制，完成多轴圆弧插补和联动，同时接受定位传感器25的检测信号，根据程序运算并判断，引导垂直套管26按照设定的路线运行。
综上所述，本发明所指多关节自对位鹤管系统，是在普通多关节鹤管的基础上，通过增加动力驱动，结合自对位技术，实现了鹤管与罐车罐口的自动运行与对位，在具体方式上，采用非接触方式实现对位，采用伺服系统为动力驱动，采用运动控制系统实现运动的可设定与可控制，具体操作方法包括以下步骤：
初始设定步骤，指多关节鹤管安装到现场后进行的第一次设定，没有特殊情况，实际生产环节不需要再次设定：
步骤1：系统设定，将多关节鹤管的机械结构参数、生产现场各相关物体的位置信息进行测量，并通过运动控制模块30的触摸界面输入，完成初始设定；
步骤2：坐标设定，在运动控制模块30的触摸界面上，将多关节鹤管与目标物体的空间位置纳入同一坐标系统，构建空间坐标系，在坐标系中设定鹤管运行的空间坐标、路径节点与运行安全范围；
步骤3：定位传感器25行程设定，根据目标物体与定位传感器在安装现场的实际位置关系，设定定位传感器25的有效边界条件。
正常生产步骤包括以下步骤：
步骤1：带自对位功能的多关节鹤管系统安装固定在罐车停靠轨道附近的栈桥上，罐车停靠到位；
步骤2：人工上车，打开罐车罐口开始检车；检车合格后，人工固定静电夹，上栈桥启动电源模块29、启动运动控制模块30；
步骤3：运动控制模块30启动，第一伺服电机3、第二伺服电机12、第四伺服电机22同时启动，带动液相内管11、液相外管17、传感器固定架24旋转，确保垂直套管26到达待机位置，定位传感器25打开，进入定位状态；
步骤4：第一伺服电机3、第二伺服电机12、第四伺服电机22根据程序运行，带动液相内管11、液相外管17、传感器固定架24旋转，确保垂直套管26按照设定的路线运行寻找目标罐口，并根据实际情况进行反馈；
步骤5：对位完成，垂直套管26到达目标位置，第一伺服电机3、第二伺服电机12、第四伺服电机22停止，定位传感器25关闭，第三伺服电机18开始运行，带动绕丝机构20的密封系统27动作，密封系统27下降到位，第三伺服电机18停止；
步骤6：密封系统27下降到位，运动控制模块30将到位信号发送到自动灌装系统，实现灌装自动生产，生产完成，鹤管自动复位，达到自动生产的目的。
本发明能够达到的效果是：
1)鹤管自动展开、运行并复位，可以不需要人工介入，实现了运行与对位自动化；
2)在鹤管正常包络范围内，鹤管自动运行并完成对位，时间小于3min；
3)鹤管套管部分与罐车罐口的对位精度小于10mm；
4)标准配置最低使用环境为-20℃，更改配置可以满足-40℃的野外使用要求。
本发明另一种带自对位功能的多关节鹤管系统，结构如图3所示，与图1唯一不同的结构之处是，传感器固定架24、定位传感器25、第四伺服电机22、第四行星减速机23设置在液相内管11的下面，
第四伺服电机22与第四行星减速机23固定，输出端与传感器固定架24相连，传感器固定架24连接对位系统中的定位传感器25，
传感器固定架24在第四伺服电机22的驱动下，可以沿液相内管11前后伸缩。
这种结构特别适合包络范围较大的鹤管，达到的有益效果是在鹤管展开后，因为套管部分的重量太重，机构运行不太稳定的情况下，可以避免对定位精度的影响，提高设备的运行稳定性。
本领域技术人士根据本专利进行的显而易见的更改，均属于本专利的保护范围。