随着国家发展资源整合战略性布局的持续推进,管路运输业对大口径螺旋管的需求量明显增加。为便于大口径金属螺旋管内壁喷涂处理,提高内壁表面质量,延长其使用寿命,需要对焊接后的管道内壁焊缝进行打磨。目前国内制管行业范围内通常使用人工手持角磨机作业,不但效率低下且不能保证打磨精度,并且严重危害工人身体健康。国外相关设备属于受限进口的特殊管道机器人,采购难度大,性价比太低而不宜采用。为此,根据相关企业要求,开发并设计一种用于大口径金属螺旋管内壁焊缝自动跟踪打磨的管道机器人,对提高螺旋管内壁焊缝打磨质量和作业效率、保障打磨工序一线操作工的身心健康和降低人力成本等具有重要意义和深远影响。本文的主要研究内容如下:(1)简要介绍了大口径螺旋管的应用背景以及国内外管道内作业特种机器人的研究现状,阐述了本文的研究内容和方法;(2)分析大口径螺旋管内壁焊缝分布形态情况和焊缝打磨技术要求,提出和设计了分段作业的“拼接式”打磨工艺;(3)开展了管道机器人的总体设计和造型,其中包括:机器人主体支撑装置、三轴回转作业装置、打磨进给装置和智能检测模块。完成了支撑机构和驱动传动机构的详细设计,并对重要电气元部件选型校核;(4)设计了管道机器人打磨控制系统,包括了焊缝自动跟踪子系统、恒力打磨控制子系统、多工位分段作业的“二次接刀”控制子系统。(5)利用SolidWorks/Simulation模块对管道机器人的机械机构进行了有限元分析,得到了关键受力结构件在载荷作用下形态特征,如空心回转轴和支撑安装机壳的受力变形情况在合理的区间范围,从而验证了机械结构设计的合理性和选材的可靠性;(6)基于多体动力学仿真平台ADAMS,开展了管道机器人在管道内支撑作业的运动仿真,通过在各个支撑腿上预设传感器获得了在空间中标记点的坐标移动图像。分析并验证了三足电动支撑设计的可行性;