CN103111837B - 一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人，能够完成核电站蒸汽发生器一次侧堵板的紧固、拆除，拥有可360°旋转的螺栓紧固机械手、力矩反馈传感系统和视频监控系统实现智能定位、自动路径规划、螺栓拧紧力矩的自判断和过程实时监控。本发明设计结构简单，占用空间少，操作方便，精度较高，减少作业时间，便于推广应用。

Description

一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人

技术领域

本发明涉及防止核辐射技术与控制拧紧螺栓的机器人技术，具体为一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人。

技术背景

核电作为一种安全、可靠、清洁、高效的电力能源，是我国能源发展的战略重点。根据我国颁布制定的核电中长期发展规划，核电总装机比例将从目前不到2％发展到5％(2020年)以上，总装机容量将达4000万千瓦以上。截止2011年，我国服役的核电机组已达到15台，在建的有28台机组，在建机组规模已经达到全球第一。

随着我国核电产业的迅猛发展和核电市场的扩大，提高核设施的安全性与可靠性，尽量降低操作人员的受辐射剂量，改善工作环境，是我国核电行业一个亟待解决的课题。我国在核电站机器人领域工作开展较晚，近年来开发了少量的机械手或机器人平台实现了局部放射性环境下的特定操作，但数量少，应用面窄，且智能化及可靠性不高。目前有很多工作还是由人工直接完成。

由于核电站内很多维修区域属于高放射性不可接近这种特殊环境，或者因为部件布置密集，很多区域人员不可到达，美国、法国和德国等国家，针对核电站高放射性设备的检查、维修、清洗及缺陷修复等工作开发出了大量智能化、自动化、人员远距离控制甚至无需人工干预即可完成相应操作的高端专用机器人工具，已经形成了核电机器人产业，大大提高了核电站运行的可靠性和经济性。

但是国外技术垄断，我国现阶段绝大部分还依赖国外进口，有些甚至沿用了国外已经被淘汰的技术，自动化程度不高，设备可靠性不够。同时这些设备采购费用昂贵，特别是售后的维护更加不便，有些专用机器人工具的维护费用甚至超过其本身的采购费用。这种对国外技术的过度依赖大大制约了核电厂关键设备的研发、维护和检修的水平，对推进我国核电关键设备的国产化，促进我国核电产业的发展十分不利。

在国内，中国广东核电集团正在建设核电站安全壳内不可接近设备研发和试验平台，并已建成核电站反应堆重要设备在役检查综合试验平台，为核电站反应堆机器人研究及应用搭建了完整的验证平台。同时在核电站反应堆机器人前期研究中已取得阶段性成果，中国广东核电集团曾联合国内研究所成功开发了中低耐辐射核电站机器人产品，但成果应用较单一，适应性不强。

蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人用于核岛大修低水位期间，在蒸汽发生器一次侧人孔打开的情况下，加装在蒸汽发生器一次侧冷、热端与一回路管道连接口处，拧紧安装在接口处的堵板，以防止反应堆一回路管道内的水流入水室中。而蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人技术在国内还没有相关研究，目前我国核电站目前仍然是操作人员携带堵板进入蒸汽发生器，并手工逐个拧紧螺栓将堵板固定在蒸汽发生器一次侧冷、热端口上，然后对堵板上的气囊充气，达到蒸汽发生器一回路管道连接口的密封，以防止反应堆一回路管道内的水流入。这样的弊端就是增加操作人员接触核环境的时间，对操作人员的健康状况有较大地影响；机械化程度不高，延长核电站大修的时间，降低国家经济效益。2011年日本福岛核电事件，引起了国家和社会的对于核电站安全的极大地重视，保证核电站与核电站工作人员的安全是至关重要的。

因此，进一步实现核电站设备的自动化，减少操作员的作业时间，从而降低操作员的受照剂量，同时缩短核电站大修关键路径的时间，确保核电站运行的安全，使得发展核电机器人的发展迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，设计一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人。该机器人系统要能够完成核电站蒸汽发生器一次侧堵板的紧固、拆除，拥有可360°旋转的螺栓紧固机械手、力矩反馈传感系统和视频监控系统实现智能定位、自动路径规划、螺栓拧紧力矩的自判断和过程实时监控。而且蒸汽发生器一次侧冷、热端口尺寸有限，实现设计结构简单，占用空间少，操作方便，精度较高，减少作业时间，便于推广应用的目的。

为实现以上目的，本发明采用以下的技术方案。

一种用于执行螺栓自动拧紧的机器人，包括控制装置、定位装置和执行装置，其中：

所述控制装置能够控制所述定位装置和所述执行装置的运动；

所述定位装置包括本体和机械臂，用于将所述执行装置定位至所述螺栓的位置；所述本体适于被放置在斜面上；

所述执行装置设置于所述机械臂的末端，用于对所述螺栓进行拧紧。

优选地，所述本体具有旋转部，所述旋转部包括第一驱动机构和减速机构；

所述第一驱动机构以使得所述机器人的重心降低的方式设置；

所述减速机构的输入轴与输出轴互相垂直，从而使得所述机械臂在所述第一驱动机构的驱动下实现360°绕中线轴的旋转。

优选地，所述机械臂包括径向伸缩部、成像装置和末端升降部；

所述径向伸缩部包括第二驱动机构和第一滑动机构，所述第一滑动机构在所述第二机构的驱动下能够使所述机械臂实现径向方向的微调；

所述成像装置位于所述机械臂的末端，用于获取所述螺栓的位置的图像并将该图像传送至所述控制装置；所述控制装置从所述图像提取所述螺栓的位置信息并根据该位置信息对所述机械臂进行控制；

所述末端升降部包括第三驱动机构和第二滑动机构；所述第二滑动机构在第三驱动机构的驱动下使所述执行装置进行升降运动。

优选地，所述旋转部还包括旋转编码机构，用于测量所述机械臂的旋转位置。

优选地，所述旋转部的所述减速机构包括谐波减速机构和直角减速机构。

优选地，所述旋转编码机构与所述谐波减速机构相互平行设置。

优选地，所述螺栓位于核电站的蒸汽发生器一次侧堵板上。

优选地，所述堵板的倾斜角度为40°。

优选地，所述成像装置包括防辐射镜头。

优选地，在所述定位装置的定位过程中，所述执行装置处于停止装态；所述执行装置具有力矩测量机构，用于在拧紧所述螺栓的过程中实时测量转动所述螺栓所用的力矩。

与现有技术相比，本发明所述的蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人系统具有如下优点：

实现了蒸汽发生器一次侧堵板上螺栓的自动拧紧，保证整个过程的安全性。采用机器人替代了原有的核电站操作工手动拧紧的操作，减化了操作工的工作，减少操作工接受辐射剂量，保障操作工的身体健康；避免由于人工拧紧而造成的螺栓拧紧程度不一致以及由于操作工失误而造成的漏拧等缺点，保证拧紧的安全性。

采用了编码器和防辐射摄像机之间的闭环控制，实时显示及更新螺栓位置，控制电机调整末端位置进行螺栓拧紧，保证了机器人在核环境下操作的可靠性。

结构简单，体积小，质量轻，合理布局，操作稳定。在工作空间有限，工作环境也对机器人的体积和质量有较高的要求下，合理布局电机、减速器和编码器位置，充分利用空间，利用简单结构实现所要求的功能。例如，旋转结构中电机与直角减速器的布局，以及编码器与谐波减速器的布局，都是为利用工作空间，简化机器人结构而设计。

本发明蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人的工作环境特殊，必须实现高辐射环境下的正常工作，所以对于机器人结构和材料的要求较高，良好的密封才能够保证机器人工作环境安全，延长机器人工作寿命。防辐射镜头、机械外壳等设备和结构都可以保证整个机器人系统在高辐射环境下正常工作。

本发明蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人的实现，缩短核电站大修时间，改善核电发展经济性。并打破了国外多年来在核电站维修、检测等方面机械设备自动化的垄断，实现我国在核电站及特殊、危险环境下机器人的操作，在充分保证操作安全性的同时，提高操作的准确性，向着我国实现核电站维修、检测等设备国产化，迈出重要的一步。

附图说明

图1为本发明蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人的整体结构示意图。

图2为本发明蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人的旋转部分结构示意图。

图3为本发明蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人的径向伸缩部分结构示意图。

图4为本发明蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人的升降部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的技术方案。

如图1所示，本发明所述的蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人包括旋转部分、径向伸缩部分以及末端升降三部分组成。

蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人采用典型的圆柱坐标系设计，具有结构简单、紧凑，操作方便，体积小，质量轻，便于挪动与装夹等优点。其总体结构分为三部分：旋转部分、径向伸缩部分以及末端升降部分，三部分相互配合、协调控制实现在蒸汽发生器一次侧冷、热端口处堵板上螺栓的拧紧与拧松，防止在核电站大修期间，一回路水进入蒸汽发生器。为了实现机器人对堵板一圈螺栓的操作，堵板操作机器人选择在堵板的中心定位与快速装夹。

堵板操作机器人的旋转部分主要功能是实现机械臂的360°旋转，机器臂对于任何位置的准确快速的定位，其设计如图2所示。交流伺服电机1提供动力源，在已知输出转速的条件下，由交流伺服电机1提供的转速，计算得到所需减速比。此处选择直角减速器2和谐波减速器6配合使用不仅实现对于转速要求的控制，而且降低了整个机器人系统地重心，提高系统的稳定性。两个减速器之间由联接件3和一对轴承4实现，支架5作为一个支撑，确定减速器与各个联接件的位置关系。通过谐波减速器6输出轴直接和支撑座7相接，为了保证输出的精度，还需有编码器11与交流伺服电机1形成一个大闭环实现对机械臂运动的准确控制。为了合理利用空间和提高稳定操作，本发明选择将编码器11与谐波减速器6横置，并通过齿轮8，9将谐波减速器旋转的角度值通过一定齿轮比传递为编码器11。齿轮8固定于支撑座7上，在此处安装时，先将齿轮8利用螺栓固联与支撑座7上，然后再其一起固定在谐波减速器6的输出上。而编码器的固定采用支撑板10一端固定于谐波减速器6上，而另一端伸出固定编码器11和小齿轮9，从而将两部分连接起来，实现对于输出的精确控制。

堵板操作机器人的径向伸缩部分结构较为简单，如图3所示。控制机械臂径向运动的精密滑台12直接固定在上面所述的旋转部分中的支撑座7上，手臂14直接固联与精密滑台上，手臂的末端的设计是用来分别固联末端升降装置和摄像头19，为了保证摄像头拥有稳定的焦距，所以将摄像头固定与手臂上，而非升降装置上。通过摄像头确定工作位置之后，系统将反馈信号传递至驱动精密滑台的交流伺服电机13，实现径向方向的移动，调整到工作的最佳位置，摄像头还将数据传递至PC机，利用这些数据控制机械手臂在周向的精确位置。

堵板操作机器人的末端升降部分是拧紧螺栓的关键，此结构是直接将控制上下运动的精密滑台15固联与手臂14上，精密滑台由交流伺服电机16驱动。通过连接板17将末端拧螺栓装置18与精密滑台15相连接，末端拧螺栓装置不仅可以实现大扭矩拧紧，而且可以利用自身的力矩反馈，而消除力矩，从而对于螺栓的拧紧和松开。

堵板操作机器人整体结构完成后，利用快速装夹装置20将其快速装夹在堵板上，就可以进行操作。

蒸汽发生器一次侧堵板机器人的实施过程如下：在核电站大修时，操作工人将堵板和堵蒸汽发生器一次侧板操作机器人从蒸汽发生器一次侧人口送入蒸汽发生器内，工人在90秒的时间内将堵板放置在蒸汽发生器一次侧冷、热端口上，并且将要拧紧螺栓预拧在堵板上，并将蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人利用快速装夹结构固联在堵板上。

首先，控制堵板操作机器人旋转一圈，利用摄像头扫描每一个螺栓的位置，检查是否存在漏拧、拧歪等特殊情况，如有此类情况发生，则要立即处理。

然后，开始控制拧紧螺栓，为了在拧紧时使整个螺栓和堵板受力均匀，采用三次拧紧和对角拧的方式，即将螺栓的拧紧所需的扭矩分为三档，也就是说每个螺栓需要三次才能拧紧，第一轮把每个螺栓拧到一档的扭矩，第二轮拧到二档的扭矩，第三轮把每个螺栓拧到三档，即为拧紧。末端拧紧装置上自带实时的扭矩显示功能，可满足拧紧需要。在拧紧的机械臂拧紧次序上，先拧一个螺栓，然后再转动机器臂去拧对角的螺栓，然后再选择其他对角拧紧螺栓，直到每一个都拧完，在进行下一轮拧紧。在拧紧时，首先利用摄像头确定螺栓位置，保证末端升降装置在升降时能投准确的对接到螺栓实现拧紧，如果在径向存在偏差，利用对摄像头图像的处理，计算出偏差值，然后控制径向伸缩部分运动，而将偏差保持在合理范围之内；如果在周向存在偏差，同样利用摄像头计算出偏差值，控制旋转部分尽可能减少偏差。拧完一个螺栓后，利用堵板机器人旋转部分的谐波减速器和编码器以及摄像头实现“双保险”的精确定位控制。每个螺栓操作与上所述一致，直到拧完三轮，拧紧每个螺栓。

最后，完成蒸汽发生器内的维修工作后，利用与拧紧同样的方法拆除每个螺栓，然后松开快速装夹机构，取下机器人，将其与堵板等从蒸汽发生器一次侧人孔拿出来。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人，包括控制装置、定位装置和执行装置，其中：

所述控制装置能够控制所述定位装置和所述执行装置的运动；

所述定位装置包括本体和机械臂，用于将所述执行装置定位至侧堵板安装处的螺栓的位置；所述本体适于被放置在斜面上；

所述执行装置设置于所述机械臂的末端，用于对所述螺栓进行拧紧；

所述机械臂包括径向伸缩部、成像装置和末端升降部；

所述径向伸缩部包括第二驱动机构和第一滑动机构，所述第一滑动机构在所述第二驱动机构的驱动下能够使所述机械臂实现径向方向的微调；

所述成像装置位于所述机械臂的末端，用于获取所述螺栓的位置的图像并将该图像传送至所述控制装置；所述控制装置从所述图像提取所述螺栓的位置信息并根据该位置信息对所述机械臂进行控制；

所述末端升降部包括第三驱动机构和第二滑动机构；所述第二滑动机构在第三驱动机构的驱动下使所述执行装置进行升降运动。

2.根据权利要求1所述的一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人，其特征在于，所述本体具有旋转部，所述旋转部包括第一驱动机构和减速机构；

所述第一驱动机构以使得所述机器人的重心降低的方式设置；

所述减速机构的输入轴与输出轴互相垂直，从而使得所述机械臂在所述第一驱动机构的驱动下实现360°绕中线轴的旋转。

3.根据权利要求2所述的一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人，其特征在于，所述旋转部还包括旋转编码机构，用于测量所述机械臂的旋转位置。

4.根据权利要求3所述的一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人，其特征在于，所述旋转部的所述减速机构包括谐波减速机构和直角减速机构。

5.根据权利要求4所述的一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人，其特征在于，所述旋转编码机构与所述谐波减速机构相互平行设置。

6.根据权利要求1或2所述的一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人，其特征在于，所述螺栓位于核电站的蒸汽发生器一次侧堵板上。

7.根据权利要求6所述的一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人，其特征在于，所述侧堵板的倾斜角度为40°。

8.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述成像装置包括防辐射镜头。

9.根据权利要求1所述的一种蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人，其特征在于，在所述定位装置的定位过程中，所述执行装置处于停止装态；

所述执行装置具有力矩测量机构，用于在拧紧所述螺栓的过程中实时测量转动所述螺栓所用的力矩。