CN101667465A - 核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人。包括基座单元、旋转单元及滑动单元。每个模块化单元里面都有两个气缸，可以产生两个作用不同的升降运动，其中的一对模块化单元同时为检测设备提供搭载空间，作业时一对模块化单元的气动自锁式胀紧机构伸入传热管中并胀紧，与内壁产生的静摩擦力将用来支撑机器人的总重量；旋转单元由一个伺服电机和两个气缸驱动，分别产生旋转和升降两个运动；滑动单元通过滚珠丝杠将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，带动模块化单元在管板孔上移动。本发明便于通过蒸汽发生器人孔安装，大大提高了检修效率；可实现传热管的涡流检查、超声检查、堵管、水室表面状况检查等作业装备的快速更换。

Description

核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人

(一)技术领域

本发明涉及的是一种机器人。具体地说是一种可以为蒸汽发生器传热管的涡流检查、超声检查、堵管、水室表面状况检查等作业装置提供搭载平台的检修机器人。

(二)背景技术

蒸汽发生器是核动力装置中一、二回路之间的连接枢纽，也是核动力装置运行中发生故障最多的设备之一。蒸汽发生器的故障大多是由于复杂的机械振动和腐蚀诱因致使传热管降质，导致传热管破裂或管与管板接头处泄漏。一旦传热管破裂、泄漏故障发生，核电站将被迫停堆处理，造成数以亿计的经济损失和重大安全隐患，国外已有惨痛的经验教训。在蒸汽发生器一次侧进行周期性的在役检查、评估、预防性检修是整个核电系统安全、稳定运行的必备要求。由于蒸汽发生器一次侧是辐射最严重的区域之一，发生泄漏或定期在役检修时，维修人员不能直接进入，必须由机器人代替人工携带检修装置作业。

目前，国际上在蒸汽发生器一次侧使用最多和最有效的在役检修技术主要有传热管涡流检查、传热管超声检查、传热管堵管、一次侧水室表面电视检查等，绝大多数的检修工作都是远距离控制机器人完成的。有现场应用经验的蒸汽发生器检修机器人主要有7种：美国zetec公司的SM系列和ZR系列、美国Westinghouse的ROSA系列和PEGASYS、法国Framatome公司的ROGER和COBRA、德国Hans Walischmille公司的TELBOT。正在研发并且至少已有样机试验报导的研究机构包括：韩国核能研究院先进机器人研究室、印度核动力公司、以及哈尔滨工程大学和核动力运行研究所。

SM系列、ROGER、TELBOT，以及印度、韩国研制的机器人都是基于蒸汽发生器人孔定位安装的串联机械手。这些机械手结构和运动控制相对简单，如SM系列、韩国、印度研制的机械手都使用3自由度结构，并且依据负载和精度有大小不同的型号，使用灵活，工作可靠且有较好的应用基础。其主要缺点是安装基座占据人孔通道，检修装备的兼容性较差；进行多项检修时，如同时要求涡流检查和堵管时，必须将机械手完全退出后再行安装，其工作效率和辐照剂量方面已无潜力可挖；随着检修技术多样性的发展，其结构上的固有矛盾越显突出。ZR系列机械手虽不必占据人孔，但由于结构中的桅杆、导轨尺寸较大，更换检修装备困难，面临着上述机械手同样的困境。

COBRA、ROSA系列、以哈尔滨工程大学和核动力运行研究所研制的检修机器人采用了两端作业的串联机械手结构。检修机器人安装后不占用人孔通道，能够快速更换检修装置，且兼容性良好；但是其代价是增加了机器人自由度数目(≥6)、结构和控制的复杂性。面临的挑战是：要求更为专业、系统的培训，更为复杂的运动避碰算法。更为突出的矛盾是：由于自由度数多，结构复杂导致机械手关节结构大、重量大，控制电缆多，给现场作业带来不便，且在不出现新的大功率密度驱动件的情况下很难有根本的技术突破。

PEGASYS是Westinghouse继ROSA系列之后于2003年7月份推出的一款新型检修机器人，同样采用了管孔倒立爬行技术，能够满足主要检修技术的操作要求，是目前最新一种有现场应用经验的检修机器人。但是其主要缺点是驱动方式为气、液、电综合驱动，使控制系统的可控性和稳定性大大降低，而且价格过高，性价比低。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、性价比更为合理、使用方便、有市场竞争力的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人。

本发明的目的是这样实现的：

它主要包括基座单元1、旋转单元2及滑动单元3；基座单元包括两对共四个结构基本相同的模块化单元，第一基座单元80与第二基座单元74分别通过螺钉与支架55固联，支架55通过螺钉43与旋转外壳44连接，而旋转单元2与旋转外壳44之间通过转动副联接，当固定在支架55上的第一伺服电机59转动时，通过同步带60就可以将旋转运动传递给旋转单元2；第三基座单元73与第四基座单元72的外壳分别通过相关配件与滑轨30和丝杠65联接，滑轨30和丝杠65相互平行；滑轨30与滑块29组成线性滑轨，滑块29通过螺钉与旋转单元2的上外壳27联接，丝杠65与螺母32组成丝杠螺母副，螺母32也螺钉与旋转单元2的上外壳27联接，这样第三基座单元73与第四基座单元72就和旋转单元2联接在一起，当固定在第四基座单元72上的伺服电机转动时，通过丝杠螺母副就可以将旋转运动转换为直线运动，带动旋转单元2、第一基座单元80与第二基座单元74共同运动；每个模块化单元里面都有两个气缸，可以产生两个作用不同的升降运动，其中的一对模块化单元同时为检测设备提供搭载空间，作业时一对模块化单元的气动自锁式胀紧机构伸入传热管中并胀紧，与内壁产生的静摩擦力将用来支撑机器人的总重量；旋转单元由一个伺服电机和两个气缸驱动，分别产生旋转和升降两个运动；滑动单元通过滚珠丝杠将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，带动模块化单元在管板孔上移动。

本发明还可以包括：

1、所述的基座单元1的组装结构为：第二气缸25通过螺钉与下外壳15固联，第二气缸25通过螺钉19将支撑法兰22、活塞杆23连接为一体，支撑法兰22与内壳下盖17固联，下内壳体17和上内壳体18通过螺钉连接，滑块12与导轨13共同组成的线性滑轨与上内壳体18和下外壳15固联，第一气缸14和导向套7通过螺钉分别与上内壳体18连接，胀紧套4与导向套7连接为一体，上外壳8与下外壳15通过螺钉连接，上外壳8上装有两个定位钉6，当胀紧套4在传热管中胀紧时，定位钉6紧紧地顶在管板上，和静摩擦力产生的作用力矩为整个机器人提供支撑。

2、所述旋转单元2的组装结构为：该单元的动力源有三个，即第三气缸28、第四气缸51及第一伺服电机59，第三气缸28和第四气缸51上装有磁性开关54，第一伺服电机59的输出轴连接主同步带轮57，通过同步带60将电机的旋转运传递给从同步带轮46，第一伺服电机59固定在法兰56上，法兰56与支架55固联，从同步带46与旋转传动块42为键联接，旋转外壳44与支架55固联，旋转上盖48和旋转下盖50通过螺钉与旋转外壳44连为一体，两个导向柱37通过螺纹与旋转传动块42固联，两个滑块52套在导向柱37上，滑块52与上外壳27联接，第三气缸28与第四气缸51通过上外壳27相连，并通过螺钉将活塞杆36和杆端法兰39连为一体，螺钉将杆端法兰39和固定盘40联接，固定盘通过螺钉和旋转外壳44联接，上外壳27和下外壳62通过螺钉联接。

3、所述滑动单元的组装结构为：第二伺服电机71固定在固定板70上，通过弹性联轴器69与滚珠丝杠65联接，滚珠丝杠65的一端与丝杠固定座67联接，另一端与支撑端64联接，固定板70通过螺钉与外壳72固定，支撑端64通过螺钉与外壳73联接，第二伺服电机71的机身插入外壳72的耳型部分，为电机提供支撑力。

本专利设计的检修机器人以管端为支撑点行走，可按规划到达任意管口，检测定位准确；采用正交结构，可以实现任意方向行走，检测盲区小；采用气动自锁式胀紧结构，承载能力大，并可针对不同蒸汽发生器的管距和管径进行调整；而且检修机器人体积小，重量轻，便于通过蒸汽发生器人孔安装，大大提高了检修效率；其搭载平台已经实现模块化，可实现传热管的涡流检查、超声检查、堵管、水室表面状况检查等作业装备的快速更换。

本项发明的意义在于可以使我国摆脱国际蒸汽发生器检修领域机器人及配套设备的技术垄断，逐步掌握该领域的自主产权；为我国核电行业的长期、安全、经济、稳定发展提供服务，并在未来国际核电服务市场占有一席之地，具有广阔的应用前景。

(四)附图说明

图1是本发明的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人的立体图；

图2是本发明的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人的侧视图；

图3是本发明的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人的前视图；

图4是本发明的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人基座单元的前视图；

图5是本发明的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人旋转单元的立体图；

图6是本发明的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人旋转单元的前视图；

图7是本发明的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人旋转单元的侧视图；

图8是本发明的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人旋转单元沿A-A方向的剖视图；

图9是本发明的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人旋转单元沿B-B方向的剖视图；

图10是本发明的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人滑动单元的前视图；

图11是本发明的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人滑动单元的立体图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明所设计的机器人主要由3部分组成：基座单元1、旋转单元2及滑动单元3，如图1所示。基座单元又可以分为两对共四个结构基本相同的模块化单元，每个模块里面都有两个气缸，可以产生两个作用不同的升降运动，其中的一对模块化单元同时可以为检测设备提供搭载空间，针对不同的作业要求可以随时方便的更换检测设备，在工作的时候需要有一对模块化单元的气动自锁式胀紧机构伸入传热管中并胀紧，与内壁产生的静摩擦力将用来支撑机器人的总重量。旋转单元由一个伺服电机和两个气缸驱动，分别产生旋转和升降两个运动。滑动单元通过滚珠丝杠将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，带动模块化单元在管板孔上移动。

基座单元1的结构如图4所示，其组装结构如下：气缸25和气缸14为整个基座单元提供动力，分别在方向1和方向2上产生直线运动，两个气缸上装有磁性开关，可进行位置控制。气缸25通过四个螺钉24与下外壳15固联，气缸25的活塞杆23有内螺纹，通过螺杆19将支撑法兰22、活塞杆25连接为一体，支撑法兰22同时还有为活塞杆25提供定位的作用。通过四个螺钉21将支撑法兰22与内壳下盖17固联，这样当气缸25的活塞运动就传递给了内壳。考虑到装配问题，将内壳分为两部分即下内壳体17和上内壳体18，两者通过螺钉16连接，滑块12与导轨13共同组成线性滑轨，通过螺钉11和沉头螺钉与上内壳体18和下外壳15固联，线性滑轨的主要作用是使气缸25在方向2上产生的直线运动误差最小化，气缸14通过螺钉10与上内壳体18连接，导向套7通过螺钉与上内壳体18连接，主要作用是为气缸14的活塞杆和胀紧杆3提供导向，胀紧套4通过螺钉5与导向套7连接为一体，上外壳8与下外壳15通过螺钉9连接，上外壳8上装有两个定位钉6，当胀紧套4在传热管中胀紧时，定位钉6紧紧地顶在管板上，和静摩擦力产生的作用力矩为整个机器人提供支撑。

旋转单元2如图5、图6、图7、图8、图9所示，其组装方案如下：该单元的动力源有三个：气缸28、气缸52及伺服电机59，其中气缸28和气缸52的安装位置如图(7)所示，通过二者共同作用在方向3上产生直线运动，由于旋转单元的总体空间比较小，而且需要较大的提升力，所以在此设计了两个气缸，同时两个气缸上都装有磁性开关54，用来控制行程S1和行程S2。伺服电机59的输出轴连接同步带轮55，通过同步带60将电机的旋转运传递给同步带轮46，从而带动整个机器人的旋转单元产生方向4的旋转运动。由于伺服电机59的输出轴长度有限，同步带轮55和同步带轮46无法保持在同一水平面上，因此伺服电机59不能直接安装在支架55上，本设计采用的方案是将伺服电机59固定在法兰56上，然后再通过螺钉58固定在支架55上，支架55上开有一个可以容纳伺服电机59机身的孔。旋转单元的剖视图如图(7)所示，同步带46与旋转传动块42的固联方式是键联接，旋转外壳44通过螺钉43与支架55联接，在整个旋转机构中，轴承49与旋转传动块42过盈配合，旋转传动块42与旋转上盖48和旋转下盖50之间分别有两圈和一圈钢珠51，钢珠51使旋转传动块42与旋转上盖48和旋转下盖50之间的摩擦转换为滚动摩擦。旋转上盖48和旋转下盖50还分别起到固定轴承49的外圈和内圈的作用。旋转上盖48和旋转下盖50通过螺钉41与旋转外壳44连为一体。两个导向柱37通过螺纹联接与旋转传动块42固联，这样当伺服电机59的旋转运动通过同步带传递给旋转传动块42时，旋转传动块42就可以带动两个导向柱驱动整个机器人产生旋转运动，两个滑块52套在导向柱37上，使气缸产生的直线运动误差最小化。滑块52通过螺钉61与上外壳27联接。气缸28与气缸51通过八个螺钉26与上外壳27相连，两个气缸的活塞杆36的末端同样有内螺纹，通过螺钉将活塞杆36和杆端法兰39连为一体，螺钉38将杆端法兰39和固定盘40联接，固定盘通过螺钉和旋转外壳44联接。同样为了装配方便，这里将总外壳分为上外壳27和下外壳62两部分，两者通过螺钉35联接。这样就组成了整个旋转单元。为了叙述方便，将滑动单元的部分结构也在该部分介绍。滑动单元采用滚珠丝杠传动，螺帽32通过螺钉31与螺帽套33联接，螺帽套33通过螺钉34固定在上外壳27上。滑轨30与滑块29组成线性滑轨，滑块29通过螺钉与上外壳27联接，为了增大机器人的安全系数，这里采用了两个滑块。线性滑轨的另外一个作用是分担滚珠丝杠的承载负荷。

滑动单元如图10、11所示，其组装结构如下：伺服电机71固定在固定板70上，其输出轴通过弹性联轴器69与滚珠丝杠65联接，滚珠丝杠65的一端与丝杠固定座67联接，另一端与支撑端64联接。固定板70通过螺钉68与外壳72固定，支撑端64通过螺钉63与外壳73联接，如图(1)所示，外壳72和外壳73与另外两个外壳稍有不同，多出来了两个耳型部分，用来固定滑动单元，伺服电机71的机身插入外壳72的耳型部分，可以为电机提供支撑力。图10与9中的线性滑轨、螺帽等共同组成了滑动单元。

结合图1至图11，整个机器人的动力源包括两个伺服电机和十个气缸，其中伺服电机59主要通过同步带60带动整个旋转单元实现旋转运动，伺服电机71通过滚珠丝杠将电机的旋转运动转换为直线运动，伺服电机59和伺服电机71的末端都装有数字编码器，通过编码器的反馈信号可以实现机器人在管板孔上的精确定位，同时需要指出的是气缸同样可以由液压缸代替，也可实现相同的动作，因此此种实施方式也在本发明的保护范围之内。

本发明的工作过程如下：

(1)核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人的安装

机器人通过蒸汽发生器人孔放入管板孔的预定初始位置，四个胀紧套伸入传热管末端胀紧，胀紧机构的工作原理与膨胀螺丝类似：胀紧杆3的头部成锥形，当胀紧杆3受到向下的拉力时，其锥形面将施加给胀紧套4一个侧向力，胀紧套4开有由三个小槽，将其分为四部分，受到的侧向力迫使胀紧套4向外膨胀，当压迫到传热管的管壁时就与其产生了一个静摩擦力，此时八个定位钉紧紧顶在管板上，与传热管和胀紧套产生的静摩擦力产生支撑扭矩，来承载整个机器人和检测设备的重量。胀紧杆3的锥形面同时还有扩力的作用，胀紧套4的材料必须是具有恢复力的弹簧钢。

(2)横向移动

当机器人完成了一个传热管检测，准备横向移动时，基座单元73和基座单元72中的气缸82和气缸76向上伸出活塞杆，如图4所示的方向1，推动胀紧杆3向上运动，胀紧套4受到的侧向力减小直至其恢复初始状态。当气缸82和气缸76上的磁性开关同时检测到预定位置时，气缸82和气缸76停止运动，并给电磁阀发出信号，气缸81和气缸77开始沿着方向2向下运动，这样带动气缸82和气缸76及胀紧装置等向下运动，直至胀紧装置完全伸出传热管。同样气缸81和气缸77上的磁性开关对其进行位置检测，到达预定位之后停止工作，此时基座单元73和基座单元72上的定位钉6仍然与传热管板紧紧接触。由于此前蒸汽发生器可能已经进行了一些堵管维修，在管板上会留有一些堵头，因此必须另外加一个自由度来使基座单元下落至不碰到接头的位置，同时使定位钉6脱离管板。这个自由度是由旋转单元2上的气缸51和气缸28实现的。此时气缸51和气缸28提供的运动仅限在行程S1上，活塞杆收回，基座单元73和基座单元72向下运动，气缸51和气缸28上安装的磁性开关可以检测其运动位置，当到达预定位置时，气缸51和气缸28锁死，磁性开关发出信号给伺服电机71，伺服电机71带动丝杠65旋转，由于螺母32安装在旋转单元2上，产生的直线运动就可以带动基座单元73和基座单元72进行直线运动。滑动单元4上的线性滑轨不但可以保证丝杠螺母的直线运动，还可以为丝杠分担整个机器人的重量。这样就完成了基座单元的直线运动。

(3)旋转运动

为了扩大机器人的工作空间，机器人必须具有旋转自由度，在旋转单元2中，伺服电机59的输出轴通过同步带传动带动基座单元进行旋转，伺服电机59的末端加有数字编码器，用来对机器人进行精确的位置控制。

(4)到达预定位置

当机器人到达预定位置之后，基座单元73和基座单元72将往相反的方向重复前面所述的运动，将胀紧套重新胀紧在传热管内壁。基座单元74和基座单元80的工作原理和上述的两个基座单元是相同的，他们上面还加装有工作单元，检测设备可以很容易的进行更换。当基座单元73和基座单元72的胀紧套胀紧在传热管中之后，基座单元74和基座单元80完成检测任务后其胀紧套就从传热管中撤出，重复前面的动作，然后旋转单元2沿着行程S2向下运动，整个动作过程是循环往复的。

Claims (5)

1、一种核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人，它主要包括基座单元[1]、旋转单元[2]及滑动单元[3]；其特征是：基座单元包括两对共四个结构基本相同的模块化单元，第一基座单元[80]与第二基座单元[74]分别通过螺钉与支架[55]固联，支架[55]通过螺钉[43]与旋转外壳[44]连接，而旋转单元[2]与旋转外壳[44]之间通过转动副联接，当固定在支架[55]上的第一伺服电机[59]转动时，通过同步带[60]就可以将旋转运动传递给旋转单元[2]；第三基座单元[73]与第四基座单元[72]的外壳分别通过相关配件与滑轨[30]和丝杠[65]联接，滑轨[30]和丝杠[65]相互平行；滑轨[30]与滑块[29]组成线性滑轨，滑块[29]通过螺钉与旋转单元[2]的上外壳[27]联接，丝杠[65]与螺母[32]组成丝杠螺母副，螺母[32]也螺钉与旋转单元[2]的上外壳[27]联接，这样第三基座单元[73]与第四基座单元[72]就和旋转单元[2]联接在一起，当固定在第四基座单元[72]上的伺服电机转动时，通过丝杠螺母副就可以将旋转运动转换为直线运动，带动旋转单元[2]、第一基座单元[80]与第二基座单元[74]共同运动；每个模块化单元里面都有两个气缸，可以产生两个作用不同的升降运动，其中的一对模块化单元同时为检测设备提供搭载空间，作业时一对模块化单元的气动自锁式胀紧机构伸入传热管中并胀紧，与内壁产生的静摩擦力将用来支撑机器人的总重量；旋转单元由一个伺服电机和两个气缸驱动，分别产生旋转和升降两个运动；滑动单元通过滚珠丝杠将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，带动模块化单元在管板孔上移动。

2、根据权利要求1所述的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人，其特征是：所述的基座单元[1]的组装结构为：第二气缸[25]通过螺钉与下外壳[15]固联，第二气缸[25]通过螺钉[19]将支撑法兰[22]、活塞杆[23]连接为一体，支撑法兰[22]与内壳下盖[17]固联，下内壳体[17]和上内壳体[18]通过螺钉连接，滑块[12]与导轨[13]共同组成的线性滑轨与上内壳体[18]和下外壳[15]固联，第一气缸[14]和导向套[7]通过螺钉分别与上内壳体[18]连接，胀紧套[4]与导向套[7]连接为一体，上外壳[8]与下外壳[15]通过螺钉连接，上外壳[8]上装有两个定位钉[6]，当胀紧套[4]在传热管中胀紧时，定位钉[6]紧紧地顶在管板上，和静摩擦力产生的作用力矩为整个机器人提供支撑。

3、根据权利要求1或2所述的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人，其特征是：所述旋转单元[2]的组装结构为：该单元的动力源有三个，即第三气缸[28]、第四气缸[51]及第一伺服电机[59]，第三气缸[28]和第四气缸[51]上装有磁性开关[54]，第一伺服电机[59]的输出轴连接主同步带轮[57]，通过同步带[60]将电机的旋转运传递给从同步带轮[46]，第一伺服电机[59]固定在法兰[56]上，法兰[56]与支架[55]固联，从同步带[46]与旋转传动块[42]为键联接，旋转外壳[44]与支架[55]固联，旋转上盖[48]和旋转下盖[50]通过螺钉与旋转外壳[44]连为一体，两个导向柱[37]通过螺纹与旋转传动块[42]固联，两个滑块[52]套在导向柱[37]上，滑块[52]与上外壳[27]联接，第三气缸[28]与第四气缸[51]通过上外壳[27]相连，并通过螺钉将活塞杆[36]和杆端法兰[39]连为一体，螺钉将杆端法兰[39]和固定盘[40]联接，固定盘通过螺钉和旋转外壳[44]联接，上外壳[27]和下外壳[62]通过螺钉联接。

4、根据权利要求1或2所述的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人，其特征是：所述滑动单元的组装结构为：第二伺服电机[71]固定在固定板[70]上，通过弹性联轴器[69]与滚珠丝杠[65]联接，滚珠丝杠[65]的一端与丝杠固定座[67]联接，另一端与支撑端[64]联接，固定板[70]通过螺钉与外壳[72]固定，支撑端[64]通过螺钉与外壳[73]联接，第二伺服电机[71]的机身插入外壳[72]的耳型部分，为电机提供支撑力。

5、根据权利要求3所述的核电站蒸汽发生器一次侧检修机器人，其特征是：所述滑动单元的组装结构为：第二伺服电机[71]固定在固定板[70]上，通过弹性联轴器[69]与滚珠丝杠[65]联接，滚珠丝杠[65]的一端与丝杠固定座[67]联接，另一端与支撑端[64]联接，固定板[70]通过螺钉与外壳[72]固定，支撑端[64]通过螺钉与外壳[73]联接，第二伺服电机[71]的机身插入外壳[72]的耳型部分，为电机提供支撑力。

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