CN104015044A - 螺栓旋拧机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺栓旋拧机器人，其包括主体架、控制装置、旋转驱动装置、竖向驱动装置及旋拧手臂，所述旋转驱动装置和所述竖向驱动装置设置于所述主体架，且所述旋转驱动装置和所述竖向驱动装置连接于所述控制装置；所述旋转驱动装置连接于所述竖向驱动装置并在所述竖向驱动装置驱动下竖向移动，所述旋拧手臂竖向设置，且所述旋拧手臂连接于所述旋转驱动装置的输出端。与现有技术相比，本发明提供的螺栓旋拧机器人，控制装置控制旋转驱动装置和竖向驱动装置同步动作，使得旋拧手臂旋拧主螺栓，实现螺栓旋拧机器人操作主螺栓拧入或拧出螺纹孔。

Description

螺栓旋拧机器人

技术领域

本发明涉及机械设计领域，尤其涉及一种核电站反应堆压力容器拆装设备。

背景技术

核电站反应堆压力容器各部件间的密封面相贴合，通过主螺栓连接各部件间的密封面，使得反应堆压力容器保持密封。各部件间用于贴合并连接的密封面精度极高，稍有磕碰影响到密封面的精度，极有可能造成反应堆压力容器内核辐射物质逸出。

目前，旋拧主螺栓的工作均为人工手动作业，作业质量不稳定，反应堆压力容器的密封性能无法保障；此外，核反应堆停堆后，反应堆压力容器内辐射剂量仍较高，作业人员需要穿着笨重的防辐射服进行作业，且即使穿着防辐射服仍会受到较高的辐射，作业环境非常恶劣。

对此，需要一种螺栓旋拧设备，通过螺栓旋拧设备的机械作业取代人工手动作业。

发明内容

本发明的目的是提供栓旋拧设备，通过螺栓旋拧设备的机械作业取代人工手动作业，以避免人工手动作业的不足。

为了实现上述目的，本发明公开了一种螺栓旋拧机器人，所述螺栓旋拧机器人包括主体架、控制装置、旋转驱动装置、竖向驱动装置及旋拧手臂，所述旋转驱动装置和所述竖向驱动装置设置于所述主体架，且所述旋转驱动装置和所述竖向驱动装置连接于所述控制装置；所述旋转驱动装置连接于所述竖向驱动装置并在所述竖向驱动装置驱动下竖向移动，所述旋拧手臂竖向设置，且所述旋拧手臂连接于所述旋转驱动装置的输出端。

与现有技术相比，本发明提供的螺栓旋拧机器人，控制装置连接于旋转驱动装置和竖向驱动装置，以控制旋转驱动装置和竖向驱动装置的动作；旋转驱动装置在控制装置的控制下，驱动旋拧手臂旋转以旋拧主螺栓，使得主螺栓拧入或拧出螺纹孔；竖向驱动装置在控制装置的控制下，驱动旋转驱动装置和旋拧手臂竖向移动，使得旋转驱动装置和旋拧手臂随主螺栓的高度变化进行同步调整。根据本发明提供的螺栓旋拧机器人，旋拧手臂旋拧主螺栓的过程中，主螺栓的高度逐渐变化，控制装置控制旋转驱动装置和竖向驱动装置同步动作，使得旋拧手臂的高度随着主螺栓的高度变化同步调整，实现螺栓旋拧机器人控制主螺栓拧入或拧出螺纹孔，从而取代人工手动作业。

较佳的，所述主体架包括底板，所述底板下侧设置有滚轮，所述底板上设置有伺服驱动电机，所述伺服驱动电机控制所述滚轮滚动；伺服驱动电机的输出端驱动螺栓旋拧机器人相对工作平台移动，从而控制螺栓旋拧机器人移动至目标位置；在此过程中，底板下侧的滚轮滚动，使得螺栓旋拧机器人与工作平台之间的摩擦力为滚动摩擦，以减少螺栓旋拧机器人与工作平台之间的摩擦力，减少能耗。

较佳的，所述螺栓旋拧机器人还包括校正装置，所述校正装置包括固定件和连接于所述固定件并可相对所述固定件于水平面内移动的调整件；所述固定件连接于所述竖向驱动装置并在所述竖向驱动装置驱动下竖向移动，所述旋转驱动装置固定连接于所述调整件；所述旋拧手臂的下部具有锥度导向部；当旋拧手臂向下移动以与主螺栓相连接时，若旋拧手臂与主螺栓于水平方向上有偏差，固定的主螺栓通过锥度导向部对主螺栓进行导向，使得旋拧手臂在校正装置的作用下于水平面内移动进行微调，从而实现旋拧手臂对准主螺栓，避免螺栓旋拧机器人移动位置发生细微偏差而影响作业。

较佳的，所述校正装置还包括中间件，竖向排列设置的所述固定件、所述中间件和所述调整件均呈平板状结构，且所述固定件、所述中间件和所述调整件均呈水平方向设置；所述固定件和所述中间件通过X向导轨和Y向导轨的其中一者滑动连接，所述中间件和所述调整件通过X向导轨和Y向导轨的其中另一者滑动连接。

进一步的，所述校正装置上下滑动地连接于所述主体架；校正装置上下滑动地连接于主体架，使得校正装置、旋转驱动装置以及旋拧手臂在竖向驱动装置驱动下上下移动时于水平方向上的位置准确，旋拧手臂与主螺栓之间不会有较大的位置偏差。具体地，所述固定件、所述中间件和所述调整件分别对应开设有供所述旋转驱动装置通过的避让孔；旋转驱动装置从避让孔向下伸出，以连接旋拧手臂。

较佳的，所述竖向驱动装置包括竖向设置的丝杆、螺纹连接所述丝杆的丝母以及驱动所述丝杆旋转的第一旋转伺服电机；所述校正装置的下侧连接于所述丝母；第一旋转伺服电机在控制装置的控制下，驱动丝杆旋转，以带动旋拧手臂竖向移动。

较佳的，所述螺栓旋拧机器人还包括压力检测装置，所述压力检测装置连接于所述控制装置；所述压力检测装置的一端连接于所述竖向驱动装置，所述压力检测装置的另一端连接于所述旋转驱动装置；所述压力检测装置测量所述竖向驱动装置与所述旋转驱动之间的作用力；压力检测装置测量竖向驱动装置与旋转驱动之间的作用力大小，一方面，根据测得的压力值调整竖向驱动装置输出的力矩大小，以使旋拧手臂提拉主螺栓并承受主螺栓的重量，避免压力容器螺纹孔受损，另一方面，根据测得的压力值判断旋拧手臂与主螺栓的相对高度是否合适，从而控制竖向驱动装置动作以使得旋转驱动装置及与旋转驱动装置连接的旋拧手臂竖向移动至合适的高度，以使旋拧手臂方便地控制主螺栓拧入或拧出螺纹孔。

较佳的，所述控制装置控制所述竖向驱动装置输出力矩，以驱使所述旋拧手臂提拉所述主螺栓；旋拧手臂连接主螺栓并提拉主螺栓，从而减少与主螺栓螺纹连接的螺纹孔受力，避免螺纹孔受损。

具体地，所述压力检测装置为压力传感器。

较佳的，所述旋转驱动装置包括竖向设置的旋转轴和驱动所述旋转轴旋转的第二旋转伺服电机；所述旋拧手臂连接于所述旋转轴的下端；第二旋转伺服电机在控制装置的控制下，驱动旋转轴旋转，旋转轴转动带动旋拧手臂旋转，以旋拧主螺栓。

具体地，所述旋拧手臂与所述旋转轴通过双平键连接。

附图说明

图1为本发明螺栓旋拧机器人的结构示意图。

图2为图1中A部的放大图

图3为本发明螺栓旋拧机器人的正向视图。

图4为图3中B部的放大图

图5为本发明螺栓旋拧机器人的俯视图。

图6为图5中C-C方向的剖视图。

图7为图5中D-D方向的剖视图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

如图1所示的螺栓旋拧机器人，包括主体架100、控制装置200、旋转驱动装置300、竖向驱动装置400、旋拧手臂500、校正装置600及压力检测装置700。其中，旋转驱动装置300和竖向驱动装置400设置于主体架100，且旋转驱动装置300和竖向驱动装置400连接于控制装置200；旋转驱动装置300与竖向驱动装置400连接并在竖向驱动装置400驱动下竖向移动，旋拧手臂500竖向设置，且旋拧手臂500连接于旋转驱动装置300的输出端。结合图2-图7所示，更具体地：

如图1和图3所示，主体架100包括底板110和固定连接于底板110上侧的支撑架120，底板110下侧设置有滚轮130，底板110上设置有伺服驱动电机140，伺服驱动电机140控制滚轮130滚动，具体地，螺栓旋拧机器人位于工作平台上，工作平台设置有对螺栓旋拧机器人进行导向的行驶轨道，于行驶轨道的侧面安装有链条，伺服电机140的输出端为一链轮(图中未示)，伺服电机140驱动链轮转动，使得链轮相对与之啮合的链条滚动，从而驱动螺栓旋拧机器人相对工作平台移动，从而控制螺栓旋拧机器人移动至目标位置；在此过程中，底板下侧的滚轮滚动，使得螺栓旋拧机器人与工作平台之间的摩擦力为滚动摩擦，以减少螺栓旋拧机器人与工作平台之间的摩擦力，减少能耗。支撑架120呈倒U型结构，控制装置200固定连接于支撑架120倒U型结构的内侧，旋转驱动装置300、竖向驱动装置400、旋拧手臂500、校正装置600及压力检测装置700分别对称地设置于支撑架120倒U型结构的外侧，即，螺栓旋拧机器人包括对称的两组旋转驱动装置300、竖向驱动装置400、旋拧手臂500、校正装置600及压力检测装置700，两组旋转驱动装置300、竖向驱动装置400、旋拧手臂500、校正装置600及压力检测装置700在同一控制装置200控制下动作，使得本发明螺栓旋拧机器人可以同时旋拧两个主螺栓，提高作业效率。以下仅就一组旋转驱动装置300、竖向驱动装置400、旋拧手臂500、校正装置600及压力检测装置700的结构、连接关系及工作方式进行说明。

竖向驱动装置400固定连接于底板110上侧；校正装置600通过直线导轨与支撑架120滑动连接，从而使得校正装置600可相对支撑架120上下移动；校正装置600的下侧连接于竖向驱动装置400的输出端，校正装置600的上侧固定连接旋转驱动装置300。根据该连接结构，从而实现竖向驱动装置400驱动旋转驱动装置300和校正装置600沿支撑架120竖向移动，以带动旋拧手臂500竖向移动。校正装置600通过直线导轨与支撑架120滑动连接，使得校正装置600、旋转驱动装置300以及旋拧手臂500在竖向驱动装置400驱动下上下移动时于水平方向上的位置准确，旋拧手臂500与主螺栓之间不会有较大的位置偏差。

如图1和图3所示，竖向驱动装置400包括竖向设置的丝杆410、螺纹连接丝杆410的丝母(图中未示)以及驱动丝杆410旋转的第一旋转伺服电机420；校正装置600的下侧连接于丝母。控制装置200控制第一旋转伺服电机420工作，第一旋转伺服电机420驱动丝杆410旋转，使得丝母沿着丝杆410竖向移动，从而带动校正装置600、旋转驱动装置300及旋拧手臂500上下移动。结合图1-图7所示，校正装置600包括竖向排列的固定件610、中间件620及调整件630。固定件610、中间件620及调整件630均呈平板状结构，且固定件610、中间件620及调整件630均呈水平方向设置。其中，固定件610和中间件620通过X向导轨611滑动连接，中间件620和调整件630通过Y向导轨621滑动连接，从而使得调整件630可相对固定件610于水平面内移动。当然，亦可以固定件610和中间件620通过Y向导轨滑动连接、中间件620和调整件630通过X向导轨滑动连接，同样能够实现调整件630相对固定件610于水平面内移动的目的。固定件610连接于丝母，从而使得校正装置600在竖向驱动装置400驱动下竖向移动；旋转驱动装置300固定连接于调整件630。根据旋拧手臂500与主螺栓在水平面上的偏差值，校正装置600动作进行找准校正。具体的：如图2所示，旋拧手臂500的下部具有锥度导向部510；主螺栓的上端具有一适配器(图中未示)，该适配器具有一供旋拧手臂500插入并连接旋拧手臂500的插接孔；当旋拧手臂500向下动作以插入适配器的插接孔时，若旋拧手臂500与主螺栓在水平方向上有细微偏差未对准，稍有偏差的锥度导向部510与插接孔的中心轴不在一直线上，但由于偏差不大，锥度导向部510较细小的下端仍可以插入插接孔内；随着锥度导向部510逐渐深入插接孔，锥度导向部510的锥度斜面对可在平面内移动的旋拧手臂500进行导向，使得旋拧手臂500依靠校正装置600于水平面内自动移动直至锥度导向部510与插接孔的中心轴处于同一直线上，此时旋拧手臂500连接主螺栓。进一步的，固定件610、中间件620及调整件630分别对应开设有供旋转驱动装置300通过的避让孔(图中未示)；旋转驱动装置300从避让孔向下伸出，以连接旋拧手臂500。

如图6所示，压力检测装置700的一端连接于竖向驱动装置400，压力检测装置700的另一端连接于旋转驱动装置300，且压力检测装置700连接于控制装置200；压力检测装置700测量竖向驱动装置400与旋转驱动装置300之间的作用力大小，并将测量结果传送至与其连接的控制装置200，控制装置200根据压力检测装置700的测量结果控制旋转驱动装置300和竖向驱动装置400的动作。具体地：旋拧手臂500带着主螺栓拧入拧出压力容器的螺栓孔的过程中，主螺栓头部与压力容器的表面之间没有接触，且主螺栓与螺纹孔相连接的螺纹面积较主螺栓与螺纹孔完全连接时的螺纹面积来得小，由于主螺栓重量非常大(约260kg)，如果主螺栓的全部重量都作用于部分螺纹，会损坏压力容器的螺纹孔；在实际操作中，要求作用于螺纹的重量不能超过50kg。因此这里用到压力检测装置700，控制装置200根据压力检测装置700的测量结果，一方面协调竖向驱动装置400与旋转驱动装置300的动作，即旋转速度与主螺栓向上向下的速度要协调，另一方面控制竖向驱动装置400输出力矩，驱使旋拧手臂500提拉主螺栓以承担主螺栓的部分甚至全部重量，以避免螺纹孔受损。通过上述方式将压力检测装置700的测量结果保持在预设范围值内，以保证螺栓旋拧机器人有序运行。比如，主螺栓的螺距为4，旋转驱动装置300旋拧主螺栓一圈，主螺栓会向上或向下移动4mm，此时竖向驱动装置400应当驱动旋转驱动装置300带动旋拧手臂500向上或向下同步运动4mm，竖向驱动装置400与旋转驱动装置300的动作要一致，才能使作用于螺纹孔上作用力非常小，最理想的状况就是作用于螺纹孔上的作用力为0，与主螺栓连接的旋拧手臂500承担主螺栓的全部重量。

进一步的，压力检测装置700的上端固定连接于固定板，压力检测装置700的下端连接于丝母。具体地，压力检测装置700为压力传感器。

结合图1、图6及图7所示，旋转驱动装置300包括竖向设置的旋转轴310、驱动旋转轴310旋转的第二旋转伺服电机320、以及连接旋转轴310和第二旋转伺服电机320的旋转传动机构330；旋拧手臂500连接于旋转轴310的下端；第二旋转伺服电机320在控制装置200的控制下，经过旋转传动机构330驱动旋转轴310旋转，旋转轴310转动带动旋拧手臂500旋转，以旋拧主螺栓。进一步的，如图7所示，旋拧手臂500与旋转轴310通过双平键311连接。

结合图1-图7所示，对本发明螺栓旋拧机器人的工作过程做一详细说明：

控制装置200控制伺服驱动电机140工作，使得螺栓旋拧机器人移动至目标位置；控制装置200控制第一旋转伺服电机420驱动丝杆410转动，带动旋拧手臂500向下移动以插入主螺栓；若旋拧手臂500与主螺栓在水平方向上有细微偏差未对准，固定的主螺栓在锥度导向部510的导向作用下对旋拧手臂500进行导向，使得旋拧手臂500依靠校正装置600于水平面内自动移动到旋拧手臂500对准插入主螺栓。控制装置200控制第一旋转伺服电机420输出力矩，直至压力检测装置700测得的压力值达到预设值；控制装置200控制第二旋转伺服电机320驱动旋转轴310转动，带动旋拧手臂500正向旋拧主螺栓以将主螺栓拧入螺纹孔抑或反向旋拧主螺栓以将主螺栓拧出螺纹孔，同时，控制装置200根据压力检测装置700测得的压力值控制第一旋转伺服电机420动作，使得竖向驱动装置400与旋转驱动装置300的动作协调，丝母竖向移动量与主螺栓竖向移动量相同步，以减少螺纹孔的受力；直至将主螺栓拧入或拧出螺纹孔。

与现有技术相比，本发明提供的螺栓旋拧机器人，控制装置200控制旋转驱动装置300和竖向驱动装置400的动作；旋转驱动装置300在控制装置200的控制下，驱动旋拧手臂500旋转以旋拧主螺栓，使得主螺栓拧入或拧出螺纹孔；竖向驱动装置400在控制装置200的控制下，驱动旋转驱动装置300和旋拧手臂500竖向移动竖向移动，使得旋转驱动装置300和旋拧手臂500随主螺栓的高度进行同步调整；校正装置600与锥度导向部510相配合以对旋拧手臂500的位置进行微调，使旋拧手臂500对准主螺栓；压力检测装置700测量竖向驱动装置400与旋转驱动装置300之间的作用力大小，根据测得的压力值控制竖向驱动装置400与旋转驱动装置300同步动作，并使得竖向驱动装置400输出力矩，以使旋拧手臂500对主螺栓施力以承担主螺栓的部分甚至全部重量，以避免螺纹孔受损。根据本发明提供的螺栓旋拧机器人，通过各部件的配合动作，以实现螺栓旋拧机器人控制主螺栓拧入或拧出螺纹孔，从而取代人工手动作业。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种螺栓旋拧机器人，其特征在于：包括主体架、控制装置、旋转驱动装置、竖向驱动装置及旋拧手臂，所述旋转驱动装置和所述竖向驱动装置设置于所述主体架，且所述旋转驱动装置和所述竖向驱动装置连接于所述控制装置；所述旋转驱动装置连接于所述竖向驱动装置并在所述竖向驱动装置驱动下竖向移动，所述旋拧手臂竖向设置，且所述旋拧手臂连接于所述旋转驱动装置的输出端。

2.如权利要求1所述的螺栓旋拧机器人，其特征在于：所述主体架包括底板，所述底板下侧设置有滚轮，所述底板上设置有伺服驱动电机，所述伺服驱动电机控制所述滚轮滚动。

3.如权利要求1所述的螺栓旋拧机器人，其特征在于：所述螺栓旋拧机器人还包括校正装置，所述校正装置包括固定件和连接于所述固定件并可相对所述固定件于水平面内移动的调整件；所述固定件连接于所述竖向驱动装置并在所述竖向驱动装置驱动下竖向移动，所述旋转驱动装置固定连接于所述调整件；所述旋拧手臂的下部具有锥度导向部。

4.如权利要求3所述的螺栓旋拧机器人，其特征在于：所述校正装置还包括中间件，竖向排列设置的所述固定件、所述中间件和所述调整件均呈平板状结构，且所述固定件、所述中间件和所述调整件均呈水平方向设置；所述固定件和所述中间件通过X向导轨和Y向导轨的其中一者滑动连接，所述中间件和所述调整件通过X向导轨和Y向导轨的其中另一者滑动连接。

5.如权利要求4所述的螺栓旋拧机器人，其特征在于：所述固定件、所述中间件和所述调整件分别对应开设有供所述旋转驱动装置通过的避让孔。

6.如权利要求3所述的螺栓旋拧机器人，其特征在于：所述校正装置上下滑动地连接于所述主体架。

7.如权利要求3所述的螺栓旋拧机器人，其特征在于：所述竖向驱动装置包括竖向设置的丝杆、螺纹连接所述丝杆的丝母以及驱动所述丝杆旋转的第一旋转伺服电机；所述校正装置的下侧连接于所述丝母。

8.如权利要求1所述的螺栓旋拧机器人，其特征在于：所述螺栓旋拧机器人还包括压力检测装置，所述压力检测装置连接于所述控制装置；所述压力检测装置的一端连接于所述竖向驱动装置，所述压力检测装置的另一端连接于所述旋转驱动装置；所述压力检测装置测量所述竖向驱动装置与所述旋转驱动之间的作用力，所述控制装置根据所述压力检测装置的测量结果控制所述竖向驱动装置和所述旋转驱动装置动作。

9.如权利要求8所述的螺栓旋拧机器人，其特征在于：所述控制装置控制所述竖向驱动装置输出力矩，以驱使所述旋拧手臂提拉所述主螺栓。

10.如权利要求1所述的螺栓旋拧机器人，其特征在于：所述旋转驱动装置包括竖向设置的旋转轴和驱动所述旋转轴旋转的第二旋转伺服电机；所述旋拧手臂连接于所述旋转轴的下端。