《堆外核探測(cè)器安裝機(jī)器人設(shè)計(jì)與底盤(pán)運(yùn)動(dòng)分析》論文發(fā)表期刊：《現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備》；發(fā)表周期：2021年03期

《堆外核探測(cè)器安裝機(jī)器人設(shè)計(jì)與底盤(pán)運(yùn)動(dòng)分析》論文作者信息：陳卓

　　摘要：部分核電廠采用從堆腔底部向上安裝堆外核探測(cè)器的新型安裝方式，但安裝和更換過(guò)程中維修人員仍需進(jìn)入堆腔底部的高輻射環(huán)境進(jìn)行工作。因此，設(shè)計(jì)了一種在強(qiáng)輻照、不規(guī)則以及狹窄的堆腔內(nèi)輔助安裝堆外核探測(cè)器的智能機(jī)器人。該探測(cè)器輔助安裝機(jī)器人可以耐受停堆后的高輻射劑量，可以在堆腔底部靈活運(yùn)動(dòng)，還可以將其分節(jié)運(yùn)輸，并到探測(cè)器井底部完成探測(cè)器的連接和安裝。此外，利用SolidWorks軟件對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬，分析底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明機(jī)器人的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)和安裝方式，并使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)機(jī)器人的托盤(pán)和提升支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

　　關(guān)鍵詞：堆外核探測(cè)器;機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)分析;有限元分析

　　新型核電廠中，為提高堆外核探測(cè)器的使用壽命和安裝合格率，將傳統(tǒng)的從上往下的整體吊運(yùn)安裝方式改為從下往上分節(jié)式提升安裝方式"。但是，新型安裝方式與傳統(tǒng)的安裝方式相比，安裝過(guò)程復(fù)雜，安裝環(huán)境輻照強(qiáng)，空間狹窄，且普遍采用人工安裝。即使維修人員穿戴全套輻射防護(hù)服，也會(huì)由于安裝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而使身體受到大劑量的照射。因此，為了降低維修人員的受照劑量和提高運(yùn)維效率，本文設(shè)計(jì)了一種可以在高輻照和小空間的核環(huán)境中，通過(guò)外部控制完成探測(cè)器運(yùn)輸和安裝的探測(cè)器輔助安裝機(jī)器人，從而為新型的探測(cè)器安裝方式提供新的方案。

　　1整體設(shè)計(jì)方案

　　傳統(tǒng)的人工安裝方式中，工作人員將圓柱形探測(cè)器運(yùn)送到堆腔底部，通過(guò)一個(gè)特殊的機(jī)構(gòu)將探測(cè)器抬升到圓筒狀的探測(cè)器井中。抬升到一定高度后，特殊機(jī)構(gòu)通過(guò)探測(cè)器井尾部的銷釘孔將探測(cè)器與探測(cè)器井固定在一起。固定完成后，工作人員離開(kāi)工作區(qū)域運(yùn)輸下一節(jié)探測(cè)器，然后將兩個(gè)探測(cè)器對(duì)齊并安裝好連接螺絲后再次抬升送入井中，并通過(guò)特殊機(jī)構(gòu)固定。以此類推，當(dāng)最后一節(jié)探測(cè)器送入后，將探測(cè)器的銷釘插孔抬升到與探測(cè)器井的插孔同一高度并對(duì)齊后插入銷釘，安裝完成。

　　根據(jù)人工安裝方式，探測(cè)器輔助安裝機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)人工安裝方式中特殊機(jī)構(gòu)與人工的作用，即在維修人員的操作下完成堆外核探測(cè)器的運(yùn)輸、提升、固定、對(duì)接、螺釘安裝以及銷釘插裝等工作。大致工作流程：將探測(cè)器從無(wú)輻射的區(qū)域運(yùn)輸?shù)焦ぷ鲄^(qū)域;將探測(cè)器提升到探測(cè)器井的高度;將探測(cè)器臨時(shí)固定在探測(cè)器井中;離開(kāi)工作區(qū)域，運(yùn)輸下一節(jié)探測(cè)器并與上一節(jié)完成對(duì)接;完成螺釘?shù)陌惭b;完成銷釘插裝。通過(guò)分析安裝過(guò)程，探測(cè)器輔助安裝機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的運(yùn)輸、提升、固定以及對(duì)接，而對(duì)接要求探測(cè)器能夠繞軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)齊螺紋孔，且能夠插裝螺釘。通過(guò)綜合分析，最終采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠滑軌組帶動(dòng)托盤(pán)完成提升。托盤(pán)自身繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的旋轉(zhuǎn)，配備專門(mén)機(jī)構(gòu)完成螺釘和銷釘?shù)陌惭b，并設(shè)計(jì)一種特殊的車(chē)載固定裝置完成探測(cè)器的臨時(shí)固定。探測(cè)器輔助安裝機(jī)器人的整體機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

　　2機(jī)械部分設(shè)計(jì)

　　探測(cè)器輔助安裝機(jī)器人的樣機(jī)模型，如圖2所示。它的機(jī)械部分主要由底盤(pán)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、探測(cè)器提升機(jī)構(gòu)、螺釘(銷釘)插裝機(jī)構(gòu)以及探測(cè)器臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)人工安

　　裝方式中人與特殊機(jī)構(gòu)的相關(guān)功能。

　　2.1 底盤(pán)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　探測(cè)器輔助安裝機(jī)器人的主要工作環(huán)境是強(qiáng)輻照、不規(guī)則以及狹小的堆腔底部。從運(yùn)輸方面考慮，機(jī)器人要滿足在狹窄的環(huán)境中能夠靈活應(yīng)對(duì)各種工作情況。因此，底盤(pán)采用4個(gè)麥克納姆輪(Mecanum Wheel)，并分別用4個(gè)電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制，基本滿足了機(jī)器人在堆腔底部工作的靈活性要求[22.1.1 底盤(pán)麥克納姆輪的動(dòng)力學(xué)分析根據(jù)相關(guān)資料，若要實(shí)現(xiàn)麥克納姆輪的全方向移動(dòng)，需采用的排列方案如圖3所示。根據(jù)這種排布方案，對(duì)麥克納姆輪的全方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。圖3中以底盤(pán)中心為O點(diǎn)建立坐標(biāo)軸，l1 和 l2 分別為麥克納姆輪中心到底盤(pán)中心的水平距離和豎直距離，α 為輥?zhàn)优c豎直方向的夾角 [3]。

　　以輪 1 的麥克納姆輪為例，將輪 1 中心在平面上的運(yùn)動(dòng)分解為水平方向 x 與豎直方向 y 兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行計(jì)算。

　　2.1.2 底盤(pán)典型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算

　　根據(jù)底盤(pán)與麥克納姆輪的相關(guān)資料，得出=275mm，

　　1-220mm，R-76.1mm，a-45，并對(duì)工作中典型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

　　(1)機(jī)器人向各方向平動(dòng)。針對(duì)機(jī)器人的復(fù)雜工作環(huán)境，要求機(jī)器人能夠沿各個(gè)方向進(jìn)行平動(dòng)

　　(2)機(jī)器人轉(zhuǎn)向(繞中心旋轉(zhuǎn))。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，需要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人繞中心旋轉(zhuǎn)，即將 vx=0 和 vy=0 代入式(6)，得出：

　　(3)機(jī)器人繞探測(cè)器中心旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人在即將完成探測(cè)器的安裝時(shí)，需要將固定銷釘插入到探測(cè)器井的插孔中，以完成探測(cè)器井與探測(cè)器的固定。插裝固定銷釘前需要將銷釘插裝機(jī)構(gòu)與探測(cè)器井的銷釘孔對(duì)齊，需要機(jī)器人能夠繞探測(cè)器中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。針對(duì)這種情況，只需將 O 點(diǎn)轉(zhuǎn)化為探測(cè)器的圓心(即托盤(pán)的圓心)，將對(duì)應(yīng)的 l1 和 l2 代入式(6)，以繞中心旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行計(jì)算，如圖 4 所示。

　　2.2 探測(cè)器提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)探測(cè)器提升機(jī)構(gòu)主要由提升電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、探測(cè)器固定托盤(pán)以及絲杠滑軌組等組成，以完成探測(cè)器的抬升和旋轉(zhuǎn)，如圖5所示。

　　2.3 螺釘(銷釘)插裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)機(jī)器人的螺釘安裝方式為機(jī)器人攜帶螺釘，通過(guò)機(jī)械臂和末端工具將螺釘從機(jī)器人身上取出再安裝在指定位置"。這種安裝方式雖然簡(jiǎn)單方便，但是需要較大的工作空間。即使不采用機(jī)械臂也必須存在取螺釘和安螺釘兩個(gè)過(guò)程。這期間的來(lái)回運(yùn)動(dòng)存在螺釘?shù)袈涞娘L(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)對(duì)機(jī)器人造成損害，且需要工作人員進(jìn)入高輻照的工作環(huán)境尋找螺釘。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人的螺釘插裝機(jī)構(gòu)只需做簡(jiǎn)單的伸進(jìn)和旋轉(zhuǎn)，即只需將螺釘插入到孔中即可，避免了螺釘?shù)囊苿?dòng)和對(duì)孔安插，如圖6所示。

　　探測(cè)器安裝前，在連接孔處安裝一個(gè)螺釘存放環(huán)，將每個(gè)螺釘放在圓環(huán)中對(duì)應(yīng)的螺釘孔處。安裝螺釘時(shí)，提升模塊先將插裝機(jī)構(gòu)提升到機(jī)器人之上，再通過(guò)托盤(pán)的提升和旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)探測(cè)器將螺釘孔和插裝機(jī)構(gòu)對(duì)齊，而插裝機(jī)構(gòu)直接伸入將外環(huán)的螺釘擰入即可。隨后，托盤(pán)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)探測(cè)器旋轉(zhuǎn)固定角度將螺釘一個(gè)一個(gè)插入。

　　銷釘插裝機(jī)構(gòu)與螺釘插裝機(jī)構(gòu)同理，只需在原本的安裝座上替換成銷釘插裝機(jī)構(gòu)即可，，同時(shí)其底部帶有電磁鐵，以防止固定銷釘?shù)袈洹０膊邃N釘時(shí)，提升模塊先將插裝機(jī)構(gòu)提升到與探測(cè)器井的銷釘插孔平齊，隨后機(jī)器人整體繞探測(cè)器中心軸(即探測(cè)器井中心軸)旋轉(zhuǎn)使插裝機(jī)構(gòu)與銷釘孔對(duì)齊，再旋轉(zhuǎn)托盤(pán)帶動(dòng)探測(cè)器使探測(cè)器上的銷釘插孔與探測(cè)器井的插孔對(duì)齊。全部對(duì)齊完成后，銷釘插裝機(jī)構(gòu)伸入將銷釘插入孔中，如圖7所示。

　　2.4探測(cè)器臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　探測(cè)器臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)的兩個(gè)固定爪的中心與提升機(jī)構(gòu)托盤(pán)的中心(即探測(cè)器軸心)重合。探測(cè)器臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)在整個(gè)安裝過(guò)程中的具體工作流程如下。

　　步驟1：提升電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，使臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)沿滑軌上升。

　　步驟2：當(dāng)臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)提升到頂部時(shí)，上固定爪的圓柱形卡扣剛好與探測(cè)器井的銷釘插孔在同一平面，此時(shí)機(jī)器人繞探測(cè)器中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)使卡扣與銷釘孔對(duì)齊，并加緊上固定爪使卡扣插入其中，從而完成臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)與探測(cè)器井的固定。

　　步驟3：固定完成后斷開(kāi)連接電磁鐵，此時(shí)臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)已經(jīng)與機(jī)器人分離，并由臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)上的電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)下半部分向上提升完成脫離。

　　步驟4：脫離完成后，臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作。需要固定探測(cè)器時(shí)，下固定爪對(duì)探測(cè)器施加一定大小的壓力，通過(guò)摩擦力保證探測(cè)器不會(huì)掉落，隨后機(jī)器人可以離開(kāi)去取下一節(jié)探測(cè)器，如圖8(a)所示。探測(cè)器安裝過(guò)程中，上固定爪固定不動(dòng)，下固定爪不斷張開(kāi)和加緊，以完成探測(cè)器的安裝。

　　步驟5：當(dāng)所有節(jié)探測(cè)器通過(guò)臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)固定在探測(cè)器井時(shí)，機(jī)器人在底部托盤(pán)上安裝頂升塊，并將螺釘插裝機(jī)構(gòu)替換為銷釘插裝機(jī)構(gòu)。頂升塊為一個(gè)圓柱體將探測(cè)器提升到一個(gè)更高的位置，以完成銷釘?shù)牟逖b。插裝前，需要將臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)與探測(cè)器井脫離，即臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)的下固定爪抱緊圓柱形的頂升塊，上固定爪張開(kāi)與探測(cè)器井脫離，如圖8(b)所示。安裝銷釘時(shí)，托盤(pán)的提升會(huì)使上固定爪離開(kāi)銷釘孔的位置，從而能夠進(jìn)行銷釘?shù)陌惭b。銷釘插裝完成后，托盤(pán)帶動(dòng)頂升塊和臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)，完成臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)與機(jī)器人的簡(jiǎn)單連接，最終機(jī)器人將臨時(shí)固定機(jī)構(gòu)帶出。

　　3　托盤(pán)和提升支架的靜力學(xué)分析

　　提升機(jī)構(gòu)中的托盤(pán)在整個(gè)機(jī)器人的工作流程中具有重要作用。因?yàn)樗�需要在大多�?shù)時(shí)間承受探測(cè)器的重量，所以它的強(qiáng)度關(guān)系到探測(cè)器能否安全安裝。本文使用ANSYS軟件對(duì)托盤(pán)和提升支架進(jìn)行靜力學(xué)分析。

　　首先，定義托盤(pán)和支架的材料為304不銹鋼。材料的具體參數(shù)如表1所示15其次，導(dǎo)入三維模型，簡(jiǎn)化修改三維模型后開(kāi)始劃分網(wǎng)格，并細(xì)化可能產(chǎn)生較大應(yīng)力的部分。劃分網(wǎng)格后，開(kāi)始施加約束。探測(cè)器與托盤(pán)的接觸采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.4。

　　在支架左右兩個(gè)端面施加Z方向與X方向的約束模擬滑軌，并在絲桿螺母處施加固定約束。分別放置最小直徑探測(cè)器底座(127mm)和最大直徑探測(cè)器底座(203mm)進(jìn)行模擬，且兩者都采用探測(cè)器的最大重量110kg.

　　最后，求解得出應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D以及變形云圖。

　　由于兩種探測(cè)器的結(jié)果十分接近，因此只取其中一種情況。托盤(pán)和提升支架的應(yīng)力云圖，如圖9所示。圖9中的最大應(yīng)力為146.18MPa，小于其屈服強(qiáng)度205MPa，說(shuō)明應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　針對(duì)新型核探測(cè)器安裝方式，本文設(shè)計(jì)了一款能夠在堆腔底部獨(dú)立完成探測(cè)器分節(jié)安裝的探測(cè)器輔助安裝機(jī)器人。具體地，主要闡述該機(jī)器人機(jī)械部分中各個(gè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，說(shuō)明了關(guān)鍵的工作流程，分析和計(jì)算了底盤(pán)麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)，并對(duì)托盤(pán)和提升支架進(jìn)行了靜力學(xué)分析。該機(jī)器人通過(guò)4個(gè)麥克納姆輪的獨(dú)立控制實(shí)現(xiàn)了在堆腔底部的靈活運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)各個(gè)安裝機(jī)構(gòu)的相互配合完成了探測(cè)器的安裝，具有一定的可靠性和實(shí)用價(jià)值，為將來(lái)的樣機(jī)制造奠定了基礎(chǔ)。

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