JP5676479B2 - 渦電流試験プローブの自動位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動検査および修理システムに関し、特に、蒸気発生器管アレイへの渦電流試験プローブの位置決めロボット装置に関する。

蒸気発生器管板の定期的な検査および試験は、蒸気発生器設備の動作に重要である。管板は、少なくとも一端において接近させられ得る平行な管アレイであり、管端は、単一面内に配置される。各管の試験は、細心の注意を要すると共に、時間がかかる。過去に、このことは、試験プローブを管に手によって載置することにより、行われていた。本明細書に説明されるのは、蒸気発生器用管板への試験および修理機器の改良型自動位置決め装置である。

このような自動装置の所望の特性には、以下を含む：単独での高速装着；操作のための一体化把持機能；保護緩衝器；管板および蒸気発生器機能の独立；簡素化されたケーブルシステムおよび単独点ケーブル接続；簡素化された補正；除染の容易性；データ獲得システムとの完全な統合；高速且つ正確な性能；および修理工具の支持。

ロボット工具位置決め装置は、特に、工具および試験機器を、蒸気発生器などの管アレイに位置決めするように適合させられる。工具位置決め装置は、本明細書で説明される幾つかの新規の特徴を有する。

一実施形態において、工具位置決め装置は、開放管の管板面を横切り移動するように適合される。位置決め装置は、回転把持部ポッドを含み、回転把持部ポッドは、少なくとも１個の管把持部を有する摺動体部と、少なくとも１個の管把持部を各々有する左および右外側ハウジング部と、渦電流試験プローブ、修理および維持管理工具を含む様々な付属物を支持するために結合される工具ヘッド連結具とを含む。摺動体部は、ハウジング部に対して、管板を横切り側方に移動する。回転把持部ポッドは、位置決め装置が、管板の面と直交する軸内で回転するのを可能にする。

工具ヘッド連結具は、試験プローブ、ならびに修理および維持管理工具の、摺動体部への取付けをもたらす。ロボットはまた、マシンビジョンおよびマシンビジョン照明を含む。

一実施形態において、管把持部は、空気圧式アクチュエータと、少なくとも１個の把持部シューと、展開および後退位置を検知するように適合する一体化センサを有する。一実施形態において、センサは、ホール効果センサである。管把持部は、管板から離れるように引っ張る工具位置決め装置の反力が、管把持部シューを管壁に押し付けるように、適合する。管把持部を引き込ませるために、把持部ヘッドは、把持部シューへの圧力を開放させるように、管へ僅かに押し上げられ、更に、ばね付勢リトラクタによって引き込められる。一実施形態において、搭載されたマイクロプロセッサを含むロボット電子機器は、ロボット内における電子モジュール間の相互接続ワイヤを最小減にすると共に、費用がかかるワイヤハーネス交換を要することなく、新しいモジュールの装着、および既存のモジュールへの交換並びに更新を可能にする簡素化されたシリアルネットワークによって、相互接続される。ロボットは、簡素化されたシリアルネットワークを通じて、ロボットと連通する外部制御装置によって制御される。一実施形態において、簡素化されたシリアルネットワークは、産業標準コントローラ・エリア・ネットワーク、即ち「ＣＡＮ」バスである。

本発明を、以下の図面と合わせて説明する。図面において、同様の符号は、同様の要素を指示する。

自動位置決め装置の例示的な構成を示す等角投影図である。 管把持部ヘッドの等角投影図である。 例示的な管把持部の分解組立図である。 管に挿入された例示的な管把持部の断面図である。

検査および修理ロボットが開示される。本構成は、蒸気発生器内において、渦電流試験プローブを移動および位置決めさせる極めて有効なフットプリント（footprint）をもたらす。独特の動きおよび小型寸法は、複雑な再位置決め運動を要することなく、管板内において、全ての管に到達する高い柔軟性をもたらす。このことは、ロボットを、目標領域、または特定の管に位置決めする際に、迅速且つ有効な動きを提供する。この全ては、動作速度状態（state of the art speed）において、達成される。例示的な実施形態において、ロボットは、大きな移動に対して、最大で毎分１．５メートル（５フィート）までの速度で、管板を横切り得ると共に、最大で１０センチメートル（４インチ）／秒に至る試験または修理作用間での管から管における速度を達成し得る。ロボットは、取り付けられた工具全てに対して、二次的な管の検証のために、搭載されたマシンビジョンを利用する。

ロボット本体
図１を参照すると、例示的な修理および検査ロボットは、４個のハウジング把持部（housing grippers）２０と、摺動体中心３０を含む外側ハウジング１０を有し、摺動体中心３０は、３個の把持部（grippers）５０を有する回転把持部ポッド（rotating gripper pod）４０を含む。摺動体中心３０はまた、工具ヘッドロック６１を含む工具ヘッドインタフェース６０を有し、工具ヘッドロック６１は、ホットシュー（hot shoe）（図示なし）、マシンビジョン照明６３、および一体化マシンビジョンカメラ６４を備える。工具ヘッドロックは、工具ヘッドブラケット６０に回転可能に取り付けられる。ロボットは、外側ハウジング１０または回転把持部ポッド４０のいずれかから、把持部を管へ交互に挿入および固定することにより、管板を横切り移動する。３個の中心把持部が管へ挿入された時に、外側ハウジングは、中心体および外側ハウジング間における摺動関係を用いて、いずれかの角度へ回転すると共に、回転把持部ポッドから離れるように、限られた距離だけ移動する。外側ハウジング１０が、それ自体を、中心体に対して再度位置決めすると、外側ハウジング１０の管把持部２０は、管へ挿入されると共に固定され、且つ、回転ポッド４０の管把持部５０は、管板から解放されると共に、後退させられる。次に、摺動体は、新しい管と係合するために、外側ハウジングに対して、自由に移動する。本過程は、ハウジングが、管板上の所要位置に達するまで繰り返される。

４個の外側ハウジング把持部２０および３個の回転ポッド把持部の形態は、広範囲の正方形および３ピッチ管板形態、ピッチおよびパターンを支持するように構成される。本体は、既存の装置にある最も小さいマンウェイ開口（man-way openings）を用いて、嵌合するように構成される。ロボットの制御装置もまた、プラットフォーム空間を最大限にするために、可能な限り小さい。小径の制御ケーブルは、ケーブルのもつれを最小減にする。

ロボットの位置決め
例示的な実施形態において、ホストコンピュータがあり、これは、管板環境の外部にある。また、ホストコンピュータおよびロボットと通信する外部制御装置が、管板環境に存在する。

ホストコンピュータおよびソフトウェアは、ロボットの運動を計画すると共に、制御装置へ指令を送る。ホストコンピュータおよびソフトウェアは、典型的には、ロボットおよび制御装置が作動する放射線環境から離れている。ホストコンピュータおよびソフトウェアは、イーサネット（登録商標）を介して、ロボットの外部にある制御装置へ指令を送る。制御装置は、機器にＣＡＮ通信および電力を運ぶ電力／データケーブルを介して、ロボットと通信する。ロボットは、特定の機能に対して、複数のＣＡＮ機器を有する。ロボットは、制御装置から直接的に指令を受け取って実行する。

制御装置は、ロボットおよびコンピュータ／ソフトウェアの両方と通信する。
ある位置から別の位置までのロボットの移動の連続は、ホストコンピュータによって決定されて、ロボット外部制御装置に送信される。

移動させるために、外部制御装置は、特定タイプの機器の引数、および機器のアドレスを伴う指令を生成する。移動軸に対して、回転度数、回転方向、および軸の回転速度、ならびに、機器のシリアルバス上アドレスの形態をなす軸モータへの指令を含んでよい。

ホストコンピュータソフトウェアは、どのようにして、制御装置を移動させ、指令を生成するかについての論理を管理し、更には、それらの形式を、上述された機器への指示となるように合わせる。

管内径把持部
図２は、例示的な管把持部ヘッド１００を示す。把持部ヘッドは、把持部ヘッドの外壁の周りに等しく間隔があけられた３個の溝に沿って摺動する３個の把持部シュー１１０を有する。各溝は、把持シューと接している傾斜面１１５を有する。傾斜面１１５は、把持部シュー１１０が管まで、ロボット本体１０から離れる方向へ押し上げられた時に、把持部シュー１１０を、把持部ヘッド１００から離れさせる。そのようなものとして、把持部は、自己固定式である。シューが管まで押し上げられると、空気圧によって生じる力が作用して、把持部本体を、管板から離れさせ、ひいては、シューを管壁に押し付ける。ロボットが管板の下方にある時に、把持部ヘッドに引き下りるロボットの重量は、動力が取り除かれたとしても、シューを、管壁に接して固定された状態に保つ。管板が水平ではない時に、管から離れる方向への反力は、把持部を固定された状態に保つ。ロボットを管から離れるように引っ張ろうとするいかなる力も、把持部を、所定位置に固定された状態に保つ。シュー１１０を傾斜面１１５の下方へ、且つ管壁から離れる方向に押し戻すのを助けるために、把持部シューを強制的に引き込ませるとともに、把持部本体を管壁まで僅かに延出させることによってのみ、把持部シューは後退させられる。

一実施形態において、シュー１１０面および傾斜面１１５の間における摩擦は、摩擦低減要素（図示なし）によって、低減させられる。シューを、管壁を横切り移動させるのに必要とされるよりも小さい力が、シューを、傾斜面を横切り移動させるのに必要とされるように、シューおよび傾斜面間における摩擦が制御されることは、把持部シューの動作に重要である。一実施形態において、プラスチック製のインサートが、シュー１１０および傾斜面１１５の間に挿入される。

図４は、管壁２００に挿入された把持部ヘッドを示す断面図である。把持部シュー１１０は、壁に押し付けられた状態で示されており、把持部ヘッドにある長穴（slot）の傾斜面１１５によって、壁まで押しやられている。例示的な構成において、各把持部シュー１１０は、プッシュロッド１２０と接触している。シューを管壁２００に接した状態で固定するために、プッシュロッド１２０は、板１５０によって、上方に付勢される。板１５０が引き込められた時に、ばね１３０付勢された戻りピン１４０は、プッシュロッド１２０を下方へ押し戻し、ひいては、把持部シュー１１０への外方への圧力が解放される。前述されたように、把持部シュー１１０を管壁２００から解放するのを助けるために、把持部ヘッドアセンブリ全体が、管まで僅かに上方に付勢されて、傾斜面１１５を上方へ移動させると共に、把持部シュー１１０に対する外方への圧力を解放する。

図示される実施形態は、管を破損させないが、（最大で把持部毎に１３６キログラム（３００ポンド）までの）高い荷重容量を提供すると共に、ロボットに付与される荷重と適合するように把持力を自動的に提供する改良された高性能把持部構成である。この全てが達成される一方、電力使用中断の間には、安全(fail-safe)のままである。

例示的な構成において、ロボット管把持部（図２〜図４）は、以下の特徴を有する：自己固定管ＩＤ把持部概念であって、ロボットの荷重は固定を助けると共に、固定を保つ；固定引き込み工程と合わせた把持部１０および先端部（toe）１１６の同時展開；多段階カスタム空気シリンダ展開／開放機構、入れ子式シリンダ；把持部シュー１１０の同時展開であるが、個々の引き込み；個々に取替え可能な把持部シュー；把持部マンドリルおよびシュー表面間に滑り平面を備えるために、被膜または他の摩擦低減要素；ホール効果、把持部ヘッドの光学式他のタイプのセンサは、展開状態を感知すると共に、管への差込みを感知；多段階空気圧式固定把持部；ロボット荷重は、管面への固定力を増加；平滑な把持部シューは、管壁に応力点をもたらさず、蒸気発生器配管を破損させない；一体型ホールセンサは展開および引き込み位置を感知；電力中断の間における安全把持；把持部ヘッドは迅速な交換に合わせて構成；且つ分散Ｉ／Ｏ、並びに搭載サーボおよび制御。自動的且つ個々に、各把持部を、管内径内における把持部の最適な位置に調整して、把持および非把持作用の管内径の変化に適用する。

一実施形態において、管内における把持部の位置は、管内径のばらつき、および開口許容誤差を相殺するように、適合調整される。把持部が管に挿入されるべき最適な深さ範囲が存在する。把持部が管深くまで挿入されるならば、引き抜きには、把持部を、固定される位置よりも管内を僅かに遠くまで、延出させる必要があるので、引き抜くのが困難である。把持部を、管の開放端近くに固定すると、幾つかの状況では、管を破損させる可能性がある。従って、把持部を、管内の限られた挿入範囲に配置することができると有用である。これを行う方法の一つには、把持部上に位置センサを含むことである。位置センサは、ホール効果センサまたは光学式センサであってよい。把持部は、管に挿入されると共に固定され、且つ、その位置が判定される。把持部が所望領域にないならば、把持部は解放されると共に、再挿入される。把持部の位置決めは、２個のタイミングパラメータの関数である：把持部挿入継続時間、および把持部シューが管壁を把持するために外方に押しやられる時間が存在する。これら２つの時間の組み合わせは、把持部を、管内における異なる深さに載置するように調整される。管径および形状におけるばらつきに起因して、タイミングパラメータは、普遍的ではない。このため、本明細書で説明される適合可能な手法は、把持部が管内の所望位置に固定されるまで、把持部が再配置される毎に、挿入時間およびシュー動作時間を調整することにより、所望の位置に把持部を載置するように使用される。

シリアルネットワーク
例示的な実施形態において、シリアルネットワークは、ロボットの内部電子モジュールを接続する。シリアルネットワークはまた、工具ヘッド、外部制御装置、および装着ロボットに取り付けられたいかなる電子機器にも接続する。シリアルネットワークは、これらの機器間におけるカスタム配線の必要性を取り除く共に、ワイヤ総数を減少させて、ひいては、信頼性を向上させると共に、費用を低減させる。シリアルネットワークの使用は、シリアルネットワークを単純に利用することにより、既存のモジュールと通信する付加的なモジュールが付加され得るので、既存のハードウェアへの拡張および改良が可能となる。一実施形態において、シリアルネットワークは、電気ネットワークであると共に、業界標準ＣＡＮバスを伴い実行される。代替実施形態において、シリアルネットワークは、光ファイバーネットワークである。シリアルネットワークはまた、単一の外部制御装置が、おなじバス上において、ロボットシステム内の複数のシステム要素を制御することを可能にする。付加的なシリアルネットワークは、通信すると共に、システムレベル残留量を制御し、また、データおよびソフトウェアの作動形態を記憶する際に使用するように、システム構成部品に記憶された情報を管理するために、「１Ｗｉｒｅ」メモリチップの形態をなして供給される。「１Ｗｉｒｅ」ネットワークは、適当なシステム動作パラメータを保証すると共に、好ましくない動作を回避するように配慮される。

ロボットツールヘッド
例示的な構成において、ロボットツールヘッド・インタフェースは、以下の特徴を有する；電気的（電力および信号）接続と組み合わされた空気連結の作成／破壊、および近接／ホール効果自動固定機能。

制御ソフトウェア
例示的な構成のソフトウェアには、以下を含む：運動力学的複数ロボット調整、および振動検知／回避；ソフトウェア検査計画および模擬；ボウル（bowl）内での動作を実証するための移動経路計画アルゴリズム；目標位置への最適経路を提供するための軌道計画アルゴリズム；プラグアンドステイ（plugs and stays）前後における移動を制御するための移動最適化アルゴリズム；および渦電流試験検査および修理工具の送達を最適化する有効検査計画アルゴリズム。

特徴および効果
本発明の幾つかの特徴および効果には、以下を含む：
ロボットの小さいフットプリントは、管板の全ての領域における有効な再配置に対して、究極の操作性をもたらす一方、より小さい面積を占有することにより、ヘッド毎に複数のロボットを使用することを可能にする。

軽量性。１８キログラム（４０ポンド）未満において、ロボットは、容易に搬送可能であると共に、装着可能である。小さいフットプリントと合わせて、ロボットは、管板を把持するために、より少ないエネルギを必要とする。

安全回転把持部構成は、ロボットが、全電力の損失に亘り、管板に引き続き取り付けられるが、緊急事態の間には、容易に取り外し可能のままであることを保証する。
最大で１０センチメートル（４インチ）／秒に至る管と管との間における速度、および最大で１３６キログラム（３００ポンド）の把持部毎積載量を伴い、高速であると共に頑丈である。ロボットは、高速検査の実行、および修理工具の荷重要求の支持の両方が可能である。

簡素化されたシステムは、ＣＡＮバス（コントローラ・エリア・ネットワーク）制御システム構造体を使用する。ロボットは、２．５センチメートル（１インチ）未満の直径を備え、業界で最も小さいロボットケーブル束を供給する。

インテリジェント・ソフトウェア制御は、ロボット対ロボットの衝突を回避すると共に、反対側の溝ヘッド内で動作するロボットとの衝突を調べるために、蒸気発生器内における全てのロボットの遠隔測定を管理する。

ゼテック社（Ｚｅｔｅｃ）のＭＩＺ（登録商標）−８０ｉＤを備えたシームレスインタフェースは、ハードウェア部品および工具間における情報交換が可能である。
本発明は、詳細に且つ本発明の特定例を参照して説明されているが、当該技術分野に属する者であれば理解できるように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明には、様々な変更および変形が為され得る。

Claims (14)

1. 管板面上に配置される複数の管開口を有する管板の自動検査および試験のための装置であって、
   コアアセンブリであって、３個の管把持部（５０）を備えた回転把持部ポッド（４０）を含む摺動体部（３０）と、前記コアアセンブリにヒンジ連結可能に取付けられる工具ヘッド継手（６０）と、外側ハウジングアクチュエータとを含む前記コアアセンブリと、
   左外側ハウジングおよび右外側ハウジングを備えたハウジング部（１０）と
   を含み、
   各外側ハウジングは、１以上の管把持部（２０）を含み、
   前記摺動体部は、前記ハウジング部（１０）に対して相対移動するものであり、
   前記コアアセンブリは、前記左外側ハウジングおよび右外側ハウジングの間に配置されており、前記回転把持部ポッド（４０）を含む前記コアアセンブリ、並びに、前記左外側ハウジングおよび右外側ハウジングは、前記装置の使用時に前記管板面と平行になる共通の平面上に位置する上面を有するものであり、前記管把持部（５０）は、前記回転把持部ポッド（４０）、並びに左外側ハウジングおよび右外側ハウジングのそれぞれから、前記共通の平面と垂直に持ち上がり、
   前記コアアセンブリのアクチュエータは、前記上面を前記共通の平面内に維持するべく、前記左外側ハウジングおよび右外側ハウジングを、前記コアアセンブリに対して移動させる、装置。
2. 前記工具ヘッド継手（６０）は、前記摺動体部もしくは前記ハウジング部の一方の一部であるか、
   前記工具ヘッド継手（６０）は、前記管板の管への挿入のために渦電流試験プローブを含む工具ヘッドを支持するか、または
   前記工具ヘッド継手（６０）は、管修理機器を含む工具ヘッドを支持する、請求項１に記載の装置。
3. マシンビジョン（６３、６４）を更に備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記ハウジング部に４個の管把持部（２０）を含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記管把持部は、
   空気圧式アクチュエータと、
   把持部シュー（１１０）と、
   配置および後退位置を検知するセンサと
   を含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記管の把持部シュー（１１０）は、管から離れる向きの反力によって、前記管の内壁に対して固定されるか、
   前記管把持部は、前記把持部シューと連通するばね付勢リトラクタを含むか、または、
   前記把持部シューは、管接触面および内面を有し、且つ、前記管把持部は更に、把持部シュー嵌合面および把持部シュー摩擦低減体を含み、該把持部シュー摩擦低減体は、前記把持部シューの内面と前記把持部シュー嵌合面との間の摩擦を低減させ、それにより、前記把持部シューを前記把持部シュー嵌合面に沿って摺動させるに必要な力を、前記把持部シューの管接触面を前記管の壁に接した状態で摺動させるに必要な力よりも小さくする、請求項５に記載の装置。
7. シリアルネットワークによって相互接続される複数の電子モジュールを更に備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記シリアルネットワークはまた、前記装置を外部制御装置と接続させる、請求項７に記載の装置。
9. 前記工具ヘッド継手（６０）は、渦電流試験プローブおよび管修理機器を交互に支持する、請求項１に記載の装置。
10. 前記管把持部の各々は、
    アクチュエータと、
    把持部シュー（１１０）と
    を含み、
    前記把持部シュー（１１０）は、管接触面および内面を有し、且つ、前記管把持部は更に、把持部シュー嵌合面および把持部シュー摩擦低減体を含み、該把持部シュー摩擦低減体は、前記把持部シューの内面と前記把持部シュー嵌合面との間の摩擦を低減させ、それにより、前記把持部シューを前記把持部シュー嵌合面に沿って摺動させるに必要な力を、前記把持部シューの管接触面を前記管の壁に接した状態で摺動させるに必要な力よりも小さくする、請求項１に記載の装置。
11. 少なくとも２個の前記回転把持部ポッド（４０）の管把持部（５０）が、管内に固定されるとともに、前記外側ハウジングの管把持部のいずれもが、管内に挿入されていないとき、
    前記回転把持部ポッド（４０）は、前記装置を、前記管板面と直交する軸の周りに回転させるように作動可能なものであるか、
    前記外側ハウジングアクチュエータは、前記外側ハウジングを、前記管板面と平行に前記管板を横切って移動させるように作動可能なものであるか、または、
    前記外側ハウジングアクチュエータは、前記コアアセンブリを、前記管板面と平行に前記管板を横切って移動させるように作動可能なものである、請求項１に記載の装置。
12. シリアルネットワークによって相互接続される複数の電子モジュールを更に備え、前記シリアルネットワークは、また、前記装置を、外部制御装置と接続させる、請求項１に記載の装置。
13. 前記シリアルネットワークは、また、インストーラ機器を、前記外部制御装置と接続させる、請求項１２に記載の装置。
14. 前記装置は、
    挿入アクチュエータと、
    把持部シューアクチュエータとを更に備え、
    前記挿入アクチュエータおよび前記把持部シューアクチュエータは、
    前記装置が前記管内に挿入される第１期間に、前記挿入アクチュエータを作動させること、
    前記把持部シューアクチュエータを第２期間に作動させること、
    前記管内における前記装置の位置を感知すること、
    前記第１および第２期間の少なくとも一方に、前記装置を後退させるとともに該装置を異なる値で再び挿入することにより、前記管内における前記アクチュエータの位置を調整することを実行するように構成される、請求項５に記載の装置。

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