CN103551706A - 水下自动焊接维修设备控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下自动焊接维修设备控制装置，包括主轴、气囊支架、气囊、作业空间、可轴向移动的筒体、设在筒体上的进气管和排水管、和设在筒体内的焊接装置；气罐，分别连接第一、第二、第三两位三通阀，所述第一两位三通阀与气囊相连接；所述第二两位三通阀通过进气管与作业空间相连接；所述第三两位三通阀与一设在排水管上的两位三通气控阀相连接；驱动气缸，通过一三位五通阀与气罐相连接；PC工作站，与一PLC控制模块相连接，该PLC控制模块分别与第一、第二、第三两位三通阀、以及三位五通阀相连接。该水下自动焊接维修设备控制装置能够建立一个局部干式的维修环境，且该控制装置安全可靠、操控方便、现场作业成本相对较低。

Description

水下自动焊接维修设备控制装置

技术领域

本发明涉及设备的控制领域，特别是涉及一种水下自动焊接维修设备控制装置。

背景技术

近年来，在核电站反应堆压力容器的维修作业中，为了降低辐射对维修工作人员的伤害，往往采取带水维修作业，即让压力容器内充满水，以此来屏蔽对人体危害极大的γ射线。但是，水下维修作业对技术提出了更高的要求，通常需要开发专用的自动化维修设备。同时，该类维修设备不但要满足作业功能的要求，其体积和运动轨迹必须根据实际的工作空间进行设计，其还需要具备防水和防辐射的功能，故对设备的控制装置提出了更高的要求，特别是用于修补接管安全端异种焊缝等空间受限部位的维修作业设备。

反应堆压力容器接管安全端焊缝是回路压力边界的重要组成部分，其成分复杂，由五种合金熔合，成分控制难度大；且在核电站的运行过程中，其承受高温、高压、高辐射及高速水流的冲击，内壁极易出现腐蚀损伤，且目前有案例表明，该焊缝是核电站压力容器损伤的高发部位。

目前，接管安全端内壁焊缝的补焊、堆焊等修补作业通常是由潜水员进入水下再进行，这种维修方式效率低下，修补质量难以保证，且环境的高放射性严重危害作业人员的健康。针对该焊缝的修补，国外核电运行服务商开展了大量的技术研究，开发出专业的维修设备及其控制装置，但大多维修设备采取移动气罩技术来动态隔离干式焊接区，其对技术的稳定性要求极高，故其控制系统复杂，制造成本也相对较高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种操作方便、且现场作业成本较低的水下自动焊接维修设备控制装置。

为实现上述目的，本发明提供一种水下自动焊接维修设备控制装置，包括：

主轴和分别安装在主轴的两端的气囊支架，每个气囊支架上均设有气囊，且两个气囊支架之间形成一作业空间，该作业空间内设有一可轴向移动的筒体，所述筒体上设有一进气管和一排水管，所述排水管连通作业空间和位于气囊支架外侧的工作水环境，所述筒体内设有一焊接装置；

气罐，所述气罐分别连接第一、第二、第三两位三通阀，所述第一两位三通阀与气囊相连接，用于给气囊供气；所述第二两位三通阀通过进气管与作业空间相连接；所述第三两位三通阀与一设在排水管上的两位三通气控阀相连接，用于控制两位三通气控阀的通或断；

驱动气缸，用于驱动所述筒体的移动，该驱动气缸通过一三位五通阀与气罐相连接；

PC工作站，与一PLC控制模块相连接，该PLC控制模块分别与所述第一、第二、第三两位三通阀、以及三位五通阀相连接。

进一步地，每个气囊支架上均设有两个气囊，所述第一两位三通阀的输出端与每个气囊之间均设有一与PLC控制模块相连接第五两位三通阀。

优选地，所述气罐与第二两位三通阀之间设有一加热装置，该加热装置与PLC控制模块相连接。

进一步地，所述筒体内部为一密封舱，该密封舱内设有一压力传感器，所述气罐通过一第六两位三通阀与密封舱相连接，所述压力传感器、第六两位三通阀与PLC控制模块相连接。

优选地，所述第六两位三通阀还与一可调溢流阀相连接。

进一步地，所述筒体内设有一三自由度运动机构，该三自由度运动机构包括由周向电机驱动的周向运动机构、由轴向电机驱动的轴向运动机构、以及由径向电机驱动的径向运动机构，所述轴向运动机构与周向运动机构相连接，所述径向运动机构安装在轴向运动机构上，所述焊接装置安装在径向运动机构上；所述周向电机、轴向电机、径向电机分别通过一电机驱动器与PLC控制模块相连接。

进一步地，所述焊接装置包括焊接模块、由气动马达驱动的打磨模块、以及用于切换焊接模块和打磨模块的摆动气缸，所述气动马达通过第一两位五通阀与气罐相连接，所述摆动气缸通过第二两位五通阀与气罐相连接，所述第一、第二两位五通阀均与PLC控制模块相连接。

优选地，所述气罐与第二两位五通阀之间还设有一与PLC控制模块相连接的电气比例阀。

优选地，所述焊接模块包括送丝机、与送丝机相连接的送丝嘴、以及与送丝嘴相对设置的焊炬，所述焊接模块上设有一抽吸管，该抽吸管经过一过滤装置后与一真空泵相连接，所述送丝机、焊炬和真空泵均与PLC控制模块相连接。

进一步地，所述主轴两端还设有两个分别位于气囊支架外侧的导向支架，所述导向支架的外周设有多个压紧定位气缸，所述气罐通过第三两位五通阀后分别与多个压紧定位气缸相连接，所述第三两位五通阀与PLC控制模块相连接。

优选地，还包括一现场触摸屏、以及与该现场触摸屏相连接的现场工控机，所述现场工控机与PLC控制模块相连接。

进一步地，所述焊接装置还包括一高速CCD相机，所述现场工控机中设有一视频采集卡，所述高速CCD相机与该视频采集卡相连接；所述PC工作站还分别与输入设备、第一显示器、以及第二显示器相连接。

如上所述，本发明涉及的水下自动焊接维修设备控制装置，具有以下有益效果：

该水下自动焊接维修设备控制装置能够建立一个局部干式的维修环境，从而通过焊接装置对焊缝进行修补作业，且该控制装置安全可靠、操控方便、现场作业成本相对较低、能够实现远程自动化控制，从而避免作业人员因受辐射而产生的伤害，提高维修作业的质量和工作效率。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图。

图2为本发明的气动控制原理图。

图3为本发明的结构示意图。

图4为图3的内部结构示意图。

图5为本发明的工作状态图。

图6为本发明中气囊支架的结构示意图。

图7为图3的A圈放大图。

图8为图4的后视图。

图9为本发明中三自由度机构的结构示意图。

图10为图9的后视图。

图11为图9中轴向运动机构和径向运动机构的的结构示意图。

图12为图11中位置调整杆组件的结构示意图。

图13为图4的B圈放大图。

图14为本发明的工作过程框图。

元件标号说明

1    压紧定位气缸        2    导向脚轮

3    导向支架            4    前外侧支撑板

5    气囊支架            6    气囊

7    作业空间                8    前内侧支撑板

9    吊耳                    10   静密封圈

11   活动筒体                12   固定筒体

13   进气管                  14   后内侧支撑板

15   后外侧支撑板            16   后端盖

17   接近传感器              18   止推限位盘

19   止推调整杆组件          20   轴向定位支架

21   排水管                  22   送丝导向盘

23   电机支架                24   砂轮

25   气动马达                26   摆动气缸

27   后侧固定板              28   安装筒

29   滑动轴承                30   活动筒支架

31   电机固定座              32   倾角传感器

33   压力传感器              34   主轴

35   导向轴                  36   驱动气缸

37   周向驱动电机组件        38   轴向驱动电机组件

39   限位挡块                40   径向驱动电机组件

41   径向移动丝杠            42   第一安装板

43   径向驱动连接块          44   径向导杆

45   轴向导杆                46   径向位移传感器

47   工作头安装架            48   高速CCD相机

49   位置调整杆组件          50   送丝嘴

51   焊炬                    52   焊接头支撑块

53   前侧固定板              54   角度传感器

55   送丝机                  56   第二安装板

57   轴向直线轴承组件        58   轴向位移传感器

59   轴向驱动丝杠            60   大带轮支座

61   安全端                  62   焊缝

63   接管                    64   环形槽

65   排水分支                66   真空抽吸分支

67   固定杆                        68   方形槽

69   伸缩杆                        70   长条形槽

71   固定螺栓                      72   伸缩弹簧

73   转动杆                        74   转动块

75   工作水环境                    76   气罐

77   加热装置                      78   第一两位三通阀

79   第二两位三通阀                80   第三两位三通阀

81   两位三通气控阀                82   第五两位三通阀

83   第六两位三通阀                84   三位五通阀

85   第一单向阀                    86   第二单向阀

87   可调溢流阀                    88   第一两位五通阀

89   第二两位五通阀                90   第三两位五通阀

91   电气比例阀                    92   调速阀

93   过滤装置                      94   真空泵

95   密封舱                        96   气动三联件

97   第一减压阀                    98   第二减压阀

99   PC工作站                      100  PLC控制模块

101  CPU模块                       102  I/O模块

103  四轴运动控制模块              104  通讯模块

105  气动控制电磁阀模块            106  现场触摸屏

107  现场工控机                    108  视频采集卡

109  输入设备                      110  第一显示器

111  第二显示器                    112  第一交换机

113  第二交换机                    114  周向电机

115  轴向电机                      116  径向电机

117  电机驱动器

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1至图4所示，本发明提供一种水下自动焊接维修设备控制装置，包括：

主轴34和分别安装在主轴34的两端的气囊支架5，每个气囊支架5上均设有气囊6，且两个气囊支架5之间形成一作业空间7，该作业空间7内设有一可轴向移动的筒体，所述筒体上设有一进气管13和一排水管21，所述排水管21连通作业空间7和位于气囊支架5外侧的工作水环境75，所述筒体内设有一焊接装置；

气罐76，所述气罐76分别连接第一、第二、第三两位三通阀78、79、80，所述第一两位三通阀78与气囊6相连接，用于给气囊6供气；所述第二两位三通阀79通过进气管13与作业空间7相连接；所述第三两位三通阀80与一设在排水管21上的两位三通气控阀81相连接，用于控制两位三通气控阀81的通或断；

驱动气缸36，用于驱动所述筒体的移动，该驱动气缸36通过一三位五通阀84与气罐76相连接；

PC工作站99，与一PLC控制模块100相连接；所述PLC控制模块100包括CPU模块101、I/O模块102、四轴运动控制模块103和通讯模块104，所述CPU模块101用于处理逻辑运算信息；I/O模块102用于控制输出和数据采集，并与气动控制电磁阀模块105相连接，所述气动控制电磁阀模块105包括设备中所有的控制阀，以控制各气路的通、断、保压及作用力输出；通讯模块104用于PLC控制模块100和其他设备之间的实时通讯。其中，PLC控制模块100中的I/O模块102分别与所述第一、第二、第三两位三通阀78、79、80以及三位五通阀84相连接。

在进行水下焊接维修作业时，水下自动焊接维修设备从压力容器的接管63内部进入，如图5所示，所述PC工作站99通过PLC控制模块100控制第一两位三通阀78动作，往气囊6中充气，使气囊6膨胀并顶紧接管63内壁，从而将作业空间7独立的隔离出来，使作业空间7与工作水环境75相分离，形成隔离段；所述PC工作站99再通过PLC控制模块100控制第二两位三通阀79、第三两位三通阀80动作，气罐76通过进气管13往作业空间7中通入高压保护气体，使作业空间7内的水通过排水管21排到工作水环境75中，进而建立一个局部静态干式作业环境；所述PC工作站99再通过PLC控制模块100控制驱动气缸36动作，使所述筒体移动并打开，再通过控制焊接装置对接管安全端焊缝62进行修补作业。所以，该水下自动焊接维修设备控制装置安全可靠、操控方便、稳定性高，且作业成本相对较低，便于实现远程自动化控制，从而能有效避免辐射维修环境对工作人员产生伤害，提高维修作业的质量和工作效率。

优选地，所述气罐76与第二两位三通阀79之间设有一加热装置77，该加热装置77与PLC控制模块100中的I/O模块102相连接。待作业空间7内的水排完后，开启加热装置77，则热保护气体通过进气管13进入作业空间7中，以干燥接管63内壁，多余的保护气体经排水管21排出到工作水环境75。所述连接排水管21的两位三通气控阀81和工作水环境75之间还设有第二单向阀86，用于防止工作水环境75内的水进入作业空间7中。

本发明涉及的控制装置包括电气控制部分和气动控制部分，其中，电气控制部分包括远程控制模块、光纤、现场控制模块和水下工作部分，如图1所示。所述现场控制模块包括一现场触摸屏106、以及与该现场触摸屏106相连接的现场工控机107，所述现场工控机107与PLC控制模块100相连接，用于处理现场设备的各类控制信息。所述焊接装置还包括一高速CCD相机48，用于实时传输焊接电弧、熔滴过渡及焊缝62熔池变化的图像信息，便于监测焊接质量，并能够辅助定位焊缝62损伤的位置；所述现场工控机107中设有一视频采集卡108，所述高速CCD相机48与该视频采集卡108相连接；所述PC工作站99还分别与输入设备109、第一显示器110、以及第二显示器111相连接。优选地，所述输入设备109为键盘和鼠标，所述高速CCD相机48也可选用其他图像采集设备。本实施例中，所述PC工作站99通过工业以太网总线与第一交换机112相连接；所述第一交换机112通过光纤与第二交换机113相连接，用于传输远距离控制指令、反馈控制和视频信息；所述第二交换机113再通过工业以太网总线分别与现场工控机107、PLC控制模块100、焊接装置相连接，实现各模块的参数设置和控制信息的传输；所述现场工控机107与现场触摸屏106通过USB和VGA连接线相连接，用于现场调试时控制指令的输入和运行状态的监视。

上述结构中，所述PC工作站99、第一交换机112、第一显示器110、第二显示器111、以及输入设备109构成远程控制模块，且所述第一、第二显示器110、111均通过DVI接口与PC工作站99连接；远程控制时，第一显示器110用于显示高速CCD相机48所采集的焊接过程监控视频，以便于作业人员根据实际情况设置焊接工艺参数，提高维修质量；所述第二显示器111和输入设备109用于气动控制、运动控制的初始设置和实时设置，且所有的设置及运算都在PC工作站99内完成。所述现场工控机107、现场触摸屏106、第二交换机113、PLC控制模块100、整个水下自动焊接维修设备、以及所有的控制阀构成了现场控制部分；现场控制时，由高速CCD相机48采集的焊接过程监控视频在现场触摸屏106上显示，工作人员根据监控视频中的焊缝信息进行实时控制。

本发明还包括气动控制部分，见图3，每个气囊支架5上均设有两个气囊6，所述第一两位三通阀78的输出端与每个气囊6之间均设有一与PLC控制模块100中的I/O模块102相连接第五两位三通阀82，见图2。具体讲，如图3和图4所示，两个气囊支架5中，一个气囊支架5的内外两侧分别设有前内侧支撑板8和前外侧支撑板4，另一个气囊支架5的内外两侧分别设有后内侧支撑板14和后外侧支撑板15，所述前内侧支撑板8、前外侧支撑板4、后内侧支撑板14、以及后外侧支撑板15均固定在所述主轴34上，所述主轴34起整个设备的连接和支撑作用，所述筒体两端分别与前内侧支撑板8和后内侧支撑板14相抵靠。且本实施例中，所述气囊支架5包括一圆筒状本体，如图6所示，该圆筒状本体的外周设有两个并排的环形槽64，每个环形槽64内均胶接有一个气囊6，即两个气囊支架5上一共设有四个气囊6，如图2所示，四个气囊中，每个气囊6均通过一第五两位三通阀82与第一两位三通阀78相连接，以实现四个气囊的独立供气。上述独立供气结构中，四个第五两位三通阀82通常处于给气囊6供气的状态，当其中一个气囊6损坏后，则相应的第五两位三通阀82动作，封住该供气气路，保证其余三个气囊6仍能正常工作，进而确保设备焊接作业的安全性；需要对气囊6泄气时，四个第五两位三通阀82同时动作，则四个气囊6分别通过排气口泄压。另外，每个第五两位三通阀82与第一两位三通阀78之间均设有一个第一单向阀85，以防止气囊6在充气后由于供气压力不足等情况而引起反向泄漏。

上述结构中，所述气囊支架5和气囊支架5上的两个气囊6构成一双气囊组件，对于不同管径的接管63，可更换所述双气囊组件，以适应接管63管径的变化。另外，所述前外侧支撑板4的外侧设有一前端盖，后外侧支撑板15的外侧设有一后端盖16，所述排水管21经排水分支65与工作水环境75相连，还包括一真空抽吸分支66，该真空抽吸分支66将抽吸管与真空泵94相连接，所述排水分支65和真空抽吸分支66均安装在后端盖16上，如图8所示。所述前内侧支撑板8、前外侧支撑板4、后内侧支撑板14、后外侧支撑板15、前端盖、以及后端盖16均作了密封处理。

进一步地，见图3和图4，所述筒体包括相互套接的固定筒体12和活动筒体11，所述固定筒体12一端固定在后内侧支撑板14上，所述活动筒体11一端抵靠在前内侧支撑板8上，另一端穿在固定筒体12中，所述驱动气缸36安装在后内侧支撑板14上，且驱动气缸36的活塞杆与一活动筒支架30相连接，该活动筒支架30与活动筒体11相连接。另外，还包括多根固定穿设在后外侧支撑板15和后内侧支撑板14中的导向轴35，该导向轴35与所述活动筒支架30通过滑动轴承29相连接，所述焊接装置位于活动筒体11内。驱动气缸36动作，其活塞杆带动活动筒支架30前后移动，进而带动活动筒体11沿导向轴35前后移动，实现活动筒体11的打开和关闭；设备在送入接管63内或从接管63中移出时，活动筒体11为关闭状态，即活动筒体11端部抵靠在前内侧支撑板8上时，筒体内部的密封舱95为密闭状态，且焊接装置封装在该密封舱95中；当设备在进行焊接作业时，所述活动筒体11为打开状态，即驱动气缸36带动活动筒体11向靠近固定筒体12的方向移动，进而将焊接装置暴露在作业空间7中。同时，驱动气缸36由三位五通阀84（即三位五通中封阀）来控制，以确保密封舱95在断气的情况下，仍能在一定时间内保持活动筒体11对前内侧支撑板18的压紧力，从而保证密封舱95的完整性。

优选地，所述密封舱95内设有一压力传感器33，该压力传感器33安装在所述后内侧支撑板14上，所述气罐76通过一第六两位三通阀83与密封舱95相连接，所述压力传感器33、第六两位三通阀83与PLC控制模块100中的I/O模块102相连接。在将设备送入接管63中前，活动筒体11为关闭状态；控制第六两位三通阀83动作，使其处于通的状态，气罐76通过第六两位三通阀83向密封舱95内通气保压，压力传感器33用于检测密封舱95内的保压压力，待保压压力达到设定值以后，将设备送入接管63中。另外，所述第六两位三通阀83的排气口还与一可调溢流阀87相连接，该可调溢流阀87由工作人员预先手动设置工作压力；当将设备送入接管63中、且建立局部干式静态工作环境后，活动筒体11打开，PLC控制模块100控制第六两位三通阀83切换到排气通路，作业空间7内的多余保护气体通过可调溢流阀87后排出，以确保密封舱95内的气压始终为预定压力值。

本实施例中，所述活动筒体11和固定筒体12之间设有一动密封圈，构成动密封；所述活动筒体11与前内侧支撑板8之间设有一静密封圈10，在活动筒体11闭合时，驱动气缸36将活动筒体11的端部顶紧在该静密封圈10上，保证活动筒体11对前内侧支撑板8上静密封圈10的压紧力，从而确保设备密封舱95内的密封性，以防止设备在送入接管63内或从接管63中移出的过程中，接管63中的水进入密封舱95中，避免密封舱95中的零部件受到放射性污染的风险，以延长设备的使用寿命。另外，所述前内侧支撑板8的内侧面上设有凹槽，所述静密封圈10固定在该凹槽内。

进一步地，见图3，还包括一轴向定位支架20，该轴向定位支架20一端与后外侧支撑板15相连接，另一端的上下两侧均设有一长度可调的止推调整杆组件19，所述止推调整杆组件19的端部设有止推限位盘18，所述止推限位盘18还与一接近传感器17相连接，该接近传感器17与PLC控制模块100中的I/O模块102相连接；所述后外侧支撑板15的外侧和前外侧支撑板4的外侧均设有一导向支架3，所述导向支架3的外周设有多个压紧定位气缸1，所述气罐76通过第三两位五通阀90后分别与多个压紧定位气缸1相连接，所述第三两位五通阀90与PLC控制模块100相连接。将设备送入接管63中后，止推限位盘18接近压力容器壁时，接近传感器17不断检测定位信号，当两个接近传感器17同时触发信号后，PLC控制模块100驱动多个压紧定位气缸1动作，顶紧接管63和安全端61内壁，从而将该设备固定在接管63中。优选地，所述前内侧支撑板8和轴向定位支架20的顶端平面上均设有一吊耳9，用于设备的吊装。

优选地，所述止推调整杆组件19的长度应根据接管63的管径进行调整，本发明中，止推调整杆组件19的长度调节结构具体为：所述止推调整杆组件19包括与轴向定位支架20相连接的固定杆67，如图3和图7所示，所述固定杆67的中设有一方形槽68，还包括一与方形槽68相适配、且位于方形槽68中的伸缩杆69，所述伸缩杆69上开设有一长条形槽70，所述固定杆67端部还设有一与长条形槽69连通的螺母孔，一固定螺栓71依次穿设在螺母孔和长条形槽69中，所述止推限位盘18设在伸缩杆69的外端。通过旋松固定螺栓71来调节伸缩杆69从固定杆67中的伸出长度，以调节止推调整杆组件19的整体长度，长度调节后，拧紧固定螺栓71，进而将伸缩杆69与固定杆67相固定。

同时，所述导向支架3的外周还设有多个导向脚轮2，所述导向脚轮2与导向支架3之间设有伸缩弹簧72，在设备进入接管63的过程中，通过多个导向脚轮2进行导向，所述伸缩弹簧72可使该设备适应接管63局部管径的变化，并使导向脚轮2与接管63内壁之间保持有一定的压紧支撑力。本实施例中，每个导向支架3上的导向脚轮2和压紧定位气缸1均为三个，且导向脚轮2与压紧定位气缸1间隔分布。

进一步地，所述筒体内设有一三自由度运动机构，该三自由度运动机构包括由周向电机114驱动的周向运动机构、由轴向电机115驱动的轴向运动机构、以及由径向电机116驱动的径向运动机构，所述轴向运动机构与周向运动机构相连接，所述径向运动机构安装在轴向运动机构上，所述焊接装置安装在径向运动机构上；所述周向电机114、轴向电机115、径向电机116分别通过一电机驱动器117与PLC控制模块100相连接。所述三自由度运动机构用于将焊接装置定位到接管焊缝62的损伤处。当设备进入接管63前，通过现场触摸屏106和现场工控机107对三自由度机构进行校零，再根据接管焊缝62在接管63上的位置即可确定设备进入接管63后，焊接装置与焊缝62之间的轴向相对距离和径向相对距离，也就确定轴向运动机构和径向运动机构的作业行程；同时，所述后内侧支撑板14上设有一倾角传感器32，该倾角传感器32与PLC控制模块100中的I/O模块102相连接，当设备进入接管63并固定后，倾角传感器32测量设备相对于接管63的周向偏摆角度，并将该数据传输给PLC控制模块100，PLC控制模块100再使第二显示器111或现场触摸屏106显示该周向偏摆角度，便于操作人员根据该周向偏摆角度计算周向运动机构的周向位置。

本发明中，三自由度运动机构的具体结构为：

见图4和图9，所述周向运动机构包括周向驱动电机组件37、与周向驱动电机组件37的输出端相连接的安装筒28，所述安装筒28两端通过轴承安装在主轴34上、并可绕主轴34转动，所述安装筒28与所述轴向运动机构相连接，安装筒28在周向驱动电机组件37的带动下实现周向运动，从而带动轴向运动机构、径向运动机构和焊接装置一起周向运动，所述前内侧支撑板8上设有一角度传感器54，用于测量周向运动机构的周向旋转角度，当其转过的角度为预设的角度时，周向运动机构停止运动，实现焊接装置与接管焊缝62的周向定位。另外，所述周向驱动电机组件37通过电机固定座31安装在后内侧支撑板14上，见图4，所述周向驱动电机组件37包括周向电机114、小带轮、大带轮、齿形带，所述驱动电机与小带轮相连接，小带轮和大带轮通过齿形带相连接，大带轮安装在一大带轮支座60上，该大带轮支座60固定在所述安装筒28上。

见图4、图9和图11，所述轴向运动机构包括通过轴向导杆45相连接的前侧固定板53和后侧固定板27，所述前侧固定板53和后侧固定板27均安装在所述周向运动机构中的安装筒28上，所述后侧固定板27上设有一轴向驱动电机组件38，该轴向驱动电机组件38的输出端与一轴向驱动丝杠59相连，且该轴向驱动丝杠59的两端分别与前侧固定板53和后侧固定板27相连接，所述轴向驱动丝杠59上套有一轴向移动螺母，所述轴向导杆45上套有一轴向直线轴承组件57，该轴向直线轴承组件57的两侧分别设有第一安装板42和第二安装板56，所述轴向移动螺母与第一安装板42固定连接，所述第一安装板42与所述径向运动机构相连接。所述轴向驱动电机组件38带动轴向驱动丝杠59转动，从而使轴向移动螺母在轴向驱动丝杠59上轴向移动，进而带动第一安装板42、轴向直线轴承组件57在轴向导杆45上滑动，从而使径向运动机构和焊接装置一起轴向移动；所述固定筒体12上设有一轴向位移传感器58，用于测量轴向运动机构的轴向位移，当该轴向位移为预设的行程时，所述轴向驱动电机组件38停止运动，实现焊接装置与接管焊缝62的轴向定位。所述周向驱动电机组件37也包括轴向电机115、小带轮、大带轮、齿形带。优选地，所述前侧固定板53的内侧和后侧固定板27的内侧均设有一限位挡块39，用于轴向限位。

见图4、图9和图11，所述径向运动机构包括并排设置的径向驱动连接块43、电机支架23和工作头安装架47，所述电机支架23固定在所述轴向运动机构中的第一安装板42上，所述焊接装置固定在工作头安装架47上，所述径向驱动连接块43与工作头安装架47之间设有径向导杆44和径向移动丝杠41，所述电机支架23上设有一径向驱动电机组件40，该径向驱动电机组件40的输出端与一径向转动螺母相连接，且该径向转动螺母套在径向移动丝杠41上；本实施例中，所述径向导杆44上套有两个直线轴承，所述直线轴承通过一安装块固定在轴向运动机构中的第一安装板42上。所述径向驱动电机组件40也包括径向电机116、小带轮、大带轮、齿形带，所述径向转动螺母包括定子部分和转子部分，其定子部分安装在电机支架23上，其转子部分与径向驱动电机组件40中的大带轮相连接，且径向移动丝杠41与径向转动螺母的转子部分相配合。径向驱动电机组件40转动，带动径向转动螺母的转子部分转动，从而使径向移动丝杠41径向移动，进而带动径向驱动连接块43、径向导杆44、工作头安装架47和焊接装置一起径向移动；所述第一安装板42上设有一径向位移传感器46，用于测量径向运动机构的径向位移，当该径向位移为预设的行程时，所述径向驱动电机组件40停止运动，实现焊接装置与接管焊缝62的径向定位。

另外，所述PLC控制模块100中的四轴运动控制模块103包含有四个传感器采集接口，四轴控制输出接口，其中，三个传感器采集接口分别与角度传感器54、轴向位移传感器58、以及径向位移传感器46相连接，实现传感器信息的采集；四轴控制输出接口中的三个接口分别与周向电机114、轴向电机115和径向电机116相连接，用于运动控制指令的输出，构成周向、轴向、径向的闭环控制，确保焊接装置能够准确定位到焊缝62的损伤修补位置，保证焊接作业位置的可达性，且周向电机114、轴向电机115和径向电机116均通过一电机驱动器117与四轴控制输出接口相连接。

进一步地，所述焊接装置包括焊接模块、由气动马达25驱动的打磨模块、以及用于切换焊接模块和打磨模块的摆动气缸26，所述气动马达25通过第一两位五通阀88与气罐76相连接，所述摆动气缸26通过第二两位五通阀89与气罐76相连接，所述第一、第二两位五通阀88、89均与PLC控制模块100相连接。本实施例中，所述焊接模块包括送丝机55、与送丝机55相连接的送丝嘴50、以及与送丝嘴50相对设置的焊炬51，所述送丝嘴50和焊炬51安装在一焊接头支撑块52上，所述焊接头支撑块52固定在所述工作头安装架47上，所述送丝机55固定在第二安装板56上，用于向送丝嘴50送丝，所述高速CCD相机48安装在焊接头支撑块52上。为了防止在焊接过程中送丝线缆出现缠绕现象，故在所述第一安装板42上设置一送丝导向盘22，送丝机55经过送丝导向盘22向送丝嘴50送丝，从而消除送丝线缆缠绕现象。所述打磨模块包括固定在气动马达25输出端的砂轮24，所述摆动气缸26设在工作台安装架47上，该工作头安装架47上设有一开口，所述气动马达25位于该开口内。所述摆动气缸26带动气动马达25摆动，以切换焊接工作和打磨工作，气动马达25摆动的轨迹方向为接管63内壁的周向。焊接时，PLC控制模块100通过第二两位五通阀89控制摆动气缸26动作，使气动马达25转到收回位置；打磨时，PLC控制模块100通过第二两位五通阀89控制摆动气缸26再动作，使气动马达25转到工作位置，同时，PLC控制模块100通过第一两位五通阀88控制气动马达25动作，从而带动砂轮24转动，以实现对焊缝62的打磨。另外，所述开口内设有一限制气动马达25摆动上限的限位装置。优选地，所述气罐76与第二两位五通阀89之间还设有一与PLC控制模块100相连接的电气比例阀91，所述电气比例阀91通过远程的PC工作站99进行实时参数设置，用于控制摆动气缸26的摆动输出力，从而控制设在气动马达25输出端的砂轮24与打磨面之间的压紧力，确保该磨削压紧力为预定值，以保证磨削效率。另外，所述压紧定位气缸1、驱动气缸36、摆动气缸26的两端均设有调速阀92，用于分别调节压紧定位气缸1、驱动气缸36、摆动气缸26的进给和收回速度。

优选地，还包括一用于调整送丝嘴50和焊炬51相对位置的位置调整杆组件49，见图11和图12，所述送丝嘴50安装在位置调整杆组件49上，位置调整杆组件49安装在所述焊接头支撑块52上。该位置调整杆组件49包括一转动杆73和一转动块74，所述转动杆73的两端分别穿设在焊接头支撑块52和转动块74中，所述送丝嘴50穿设在转动块74中，所述转动块74可绕转动杆73转动，且送丝嘴50可在转动块74中转动，并能调节送丝嘴50从转动块74中伸出的长度，从而调节送丝嘴50与焊炬51之间的相对位置，保证焊接工艺对焊接位置的适应性。

优选地，所述焊接模块上设有一抽吸管，该抽吸管经过一过滤装置93后与一真空泵94相连接，所述送丝机55、焊炬51和真空泵94均与PLC控制模块100相连接。所述抽吸管、过滤装置93和真空泵94构成一真空抽吸通路，以实现局部真空抽吸，用于收集在焊接、打磨过程中产生的碎屑等异物，确保维修作业后工作水环境75的清洁，即所述抽吸管、过滤装置93、真空泵94构成一真空抽吸通路。

综上所述，本发明的气动控制部分中，气罐76为主供气元件，且气罐76的输出端连接一气动三联件96后分为三路，如图2所示：

第一路连接第一减压阀97后，又分为两路，分别为气囊保压回路和气控回路；第一两位三通阀78、四个第一单向阀85、四个第五两位三通阀82、以及四个气囊构成气囊保压回路；第三两位三通阀80和两位三通气控阀81构成气控回路，用于控制两位三通气控阀81的通断。

第二路为低压回路，连接第二减压阀98后又分为三路，分别为密封舱保压通路、进气通路和气动低压回路；可调溢流阀87、第六两位三通阀83和密封舱95构成密封舱保压通路；加热装置77、第二两位三通阀79、进气管13、作业空间7、排水管21、两位三通气控阀81、第二单向阀86、工作水环境75构成进气排水通路；所述气动低压回路又有四个分支：支路一、由第三两位五通阀90和多个压紧定位气缸构成；支路二、由三位五通阀84和驱动气缸构成；支路三、由第一两位五通阀88和气动马达构成；支路四、由第二两位五通阀89和摆动气缸构成。

第三路为高压通路，也有四个分支：支路一、由第三两位五通阀90和多个压紧定位气缸构成；支路二、由三位五通阀84和驱动气缸构成；支路三、由第一两位五通阀88和气动马达构成；支路四、由电气比例阀91、第二两位五通阀89和摆动气缸构成。

如图14所示，本发明涉及的水下自动焊接维修设备的具体工作过程包括以下几个步骤：

1、反应堆水池充满水，对接管安全端61进行前期的无损检测、预处理工作如铣削、打磨等后，焊缝62的损伤位置得到确定，即可进行水下焊接维修作业；

2、启动整套控制装置并进行初始化设置，通过现场触摸屏106输入指令，四轴运动控制模块103控制周向电机114、轴向电机115和径向电机116对三自由度运动机构进行较零、复位；

3、通过PLC控制模块100中的I/O模块102控制三位五通阀84，使驱动气缸36的活塞杆伸出，以带动活动筒体11顶紧在前内侧支撑板8上的静密封圈10上；

4、通过密封舱保压通路向整个设备的密封舱95内通气保压，根据压力传感器33检测的压力判断是否达到预定保压压力，此时整个设备内部形成一个密封舱95；

5、将整个设备吊装在专用支撑架上，支撑架上有导轨、气缸，再将整个支撑架吊运到压力容器内，并定位到接管63的高度；支撑架上的气缸伸出，并在导向脚轮2的导向作用下，将设备送入接管63内；

6、推送设备的过程中，当止推限位盘18接近压力容器壁时，接近传感器17不断检测定位信号，当两个接近传感器17同时触发信号后，轴向定位完成，此时支撑架上的气缸停止推动，且通过远程控制模块中的PC工作站99发出控制指令，操控整套设备：

7、控制第三两位五通阀90使两组压紧定位气缸1张开，顶紧接管63和安全端61内壁，此时倾角传感器32记录周向倾角，完成设备的固定；

8、控制第五两位三通阀82同时向四个气囊6内充气，气囊6膨胀后贴紧接管63和安全端61的内壁，在接管63和安全端61内形成隔离段，即作业空间7；

9、向进气管13通入设定压力的保护气体，此时作业空间7内的水经排水管21的排水分支65排出到工作水环境75，待水被完全排出后，开启加热装置77，进气管13内通入加热的保护气体，风干隔离段内的焊缝62及筒壁，风干后关闭加热装置77；

10、控制三位五通阀84，使驱动气缸36的活塞杆收回，活动筒体11打开，即设备的密封舱95打开，并控制两位三通气控阀81关闭排水通路，控制第三两位三通阀80将密封舱95的保压通路切换至排气状态，可调溢流阀87工作，至此在接管63内建立了一段局部静态干式作业环境；

11、控制周向电机114、轴向电机115、径向电机116运动，将焊炬51定位到焊缝62损伤的位置，并通过高速CCD相机48传输的图像信息作为焊缝62损伤位置的辅助定位校验；

12、通过PC工作站99设置工艺参数和运动轨迹，启动焊炬51，开始焊接修复，焊接过程中通过高速CCD相机48传输到第一显示器110上的图像，观察熔池的变化，以及焊接模块反馈的电流信号，控制三自由度运动机构实时调整，即调整焊炬与焊缝62的相对位置，直至完成堆焊工作；

13、根据工艺需要，控制摆动气缸26将气动马达25、砂轮24转出，并定位到打磨位置，启动气动马达25，使砂轮24对堆焊后的焊缝62进行打磨处理；

14、控制真空泵94通过抽吸管对作业过程中产生的异物进行真空回收；

15、维修工作完成后，控制周向电机114、轴向电机115和径向电机116动作，将焊接装置收回到设备内舱体内；控制驱动气缸36的活塞杆伸出，使活动筒体11顶紧前内侧支撑板8上的静密封圈10，关闭密封舱95；同时，控制密封舱95保压通路切换为通气状态，待位于内舱体内的压力传感器33检测值达到设定保压压力；

16、控制四个第五两位三通阀82动作，使四个气囊6泄气，并控制第三两位五通阀90动作，使压紧定位气缸1收回；将整个设备从接管63内拉出到支撑架上，并调运出压力容器，进而完成整个作业过程。

所以，本发明涉及的水下自动焊接维修设备控制装置具有以下有益效果：

该控制装置能够实现水下自动焊接维修作业设备的气动控制、三轴运动控制、视频监控、传感器信息采集、焊接控制，最终实现接管安全端焊缝水下焊接维修的远程自动控制；且该控制装置安全可靠、操控方便、现场作业成本相对较低，降低作业人员受辐照产生的伤害，提高维修作业的质量和工作效率。当然，该控制装置还可运用于燃料组件超声自动检查系统中的运动控制及数据采集，故本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于，包括：

主轴和分别安装在主轴的两端的气囊支架，每个气囊支架上均设有气囊，且两个气囊支架之间形成一作业空间，该作业空间内设有一可轴向移动的筒体，所述筒体上设有一进气管和一排水管，所述排水管连通作业空间和位于气囊支架外侧的工作水环境，所述筒体内设有一焊接装置；

气罐，所述气罐分别连接第一、第二、第三两位三通阀，所述第一两位三通阀与气囊相连接，用于给气囊供气；所述第二两位三通阀通过进气管与作业空间相连接；所述第三两位三通阀与一设在排水管上的两位三通气控阀相连接，用于控制两位三通气控阀的通或断；

驱动气缸，用于驱动所述筒体的移动，该驱动气缸通过一三位五通阀与气罐相连接；

PC工作站，与一PLC控制模块相连接，该PLC控制模块分别与所述第一、第二、第三两位三通阀、以及三位五通阀相连接。

2.根据权利要求1所述的水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于：每个气囊支架上均设有两个气囊，所述第一两位三通阀的输出端与每个气囊之间均设有一与PLC控制模块相连接第五两位三通阀。

3.根据权利要求1所述的水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于：所述气罐与第二两位三通阀之间设有一加热装置，该加热装置与PLC控制模块相连接。

4.根据权利要求1所述的水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于：所述筒体内部为一密封舱，该密封舱内设有一压力传感器，所述气罐通过一第六两位三通阀与密封舱相连接，所述压力传感器、第六两位三通阀与PLC控制模块相连接。

5.根据权利要求4所述的水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于：所述第六两位三通阀还与一可调溢流阀相连接。

6.根据权利要求1所述的水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于：所述筒体内设有一三自由度运动机构，该三自由度运动机构包括由周向电机驱动的周向运动机构、由轴向电机驱动的轴向运动机构、以及由径向电机驱动的径向运动机构，所述轴向运动机构与周向运动机构相连接，所述径向运动机构安装在轴向运动机构上，所述焊接装置安装在径向运动机构上；所述周向电机、轴向电机、径向电机分别通过一电机驱动器与PLC控制模块相连接。

7.根据权利要求1所述的水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于：所述焊接装置包括焊接模块、由气动马达驱动的打磨模块、以及用于切换焊接模块和打磨模块的摆动气缸，所述气动马达通过第一两位五通阀与气罐相连接，所述摆动气缸通过第二两位五通阀与气罐相连接，所述第一、第二两位五通阀均与PLC控制模块相连接。

8.根据权利要求7所述的水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于：所述气罐与第二两位五通阀之间还设有一与PLC控制模块相连接的电气比例阀。

9.根据权利要求7所述的水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于：所述焊接模块包括送丝机、与送丝机相连接的送丝嘴、以及与送丝嘴相对设置的焊炬，所述焊接模块上设有一抽吸管，该抽吸管经过一过滤装置后与一真空泵相连接，所述送丝机、焊炬和真空泵均与PLC控制模块相连接。

10.根据权利要求1所述的水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于：所述主轴两端还设有两个分别位于气囊支架外侧的导向支架，所述导向支架的外周设有多个压紧定位气缸，所述气罐通过第三两位五通阀后分别与多个压紧定位气缸相连接，所述第三两位五通阀与PLC控制模块相连接。

11.根据权利要求1所述的水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于：还包括一现场触摸屏、以及与该现场触摸屏相连接的现场工控机，所述现场工控机与PLC控制模块相连接。

12.根据权利要求11所述的水下自动焊接维修设备控制装置，其特征在于：所述焊接装置还包括一高速CCD相机，所述现场工控机中设有一视频采集卡，所述高速CCD相机与该视频采集卡相连接；所述PC工作站还分别与输入设备、第一显示器、以及第二显示器相连接。

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