核電站熱交換器傳熱管外部檢測機(jī)器人的研制*

李旻 章亞男 龔振邦

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640;2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海200072)

熱交換器是壓水堆核電站的重要設(shè)備，傳熱管是熱交換器的關(guān)鍵部件，熱交換器中有幾千根細(xì)小的傳熱管以很小的間隙分布在管板上.工作時傳熱管內(nèi)部高溫高壓的一次側(cè)水通過傳熱管與外部的二次側(cè)水進(jìn)行熱交換(見圖1(a))，同時傳熱管還起到隔離核輻射的重要作用.由于工作在高溫高壓和交變載荷等惡劣環(huán)境下，泥渣堆積、腐蝕和裂紋等缺陷容易出現(xiàn)在傳熱管束與管板連接區(qū)域［1］.核電站的安全運營要求定期對熱交換器進(jìn)行維護(hù)，目前傳熱管外部是由維護(hù)人員利用工業(yè)內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查，由于工作空間狹小、有輻射，工作難度很大，必須研制機(jī)器人來提高檢查質(zhì)量和效率［2］.

美國福斯特·米勒公司、日本三菱電機(jī)公司、日本奧林帕斯公司和國內(nèi)的上海交通大學(xué)曾開展過這類機(jī)器人的研究工作.美國福斯特·米勒公司研制的聯(lián)合愛迪生檢查沖洗機(jī)器人系統(tǒng)(CECIL)能對熱交換器傳熱管間進(jìn)行視頻檢查，但結(jié)構(gòu)笨重，價格昂貴，安裝輔助時間長［3］;日本三菱電機(jī)公司基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)研制了傳熱管外表面檢查的鏈?zhǔn)轿C(jī)器人系統(tǒng)，但由于無法解決微細(xì)電纜對微機(jī)器人機(jī)動性的不利影響等問題而不能實用化［4］，上海交通大學(xué)也研制了用于核工業(yè)管道檢測的電磁型微電機(jī)驅(qū)動的毫米級輪式微型機(jī)器人［5］，但也同樣存在這類問題;日本奧林帕斯公司研制的導(dǎo)管型微機(jī)器人雖能在有限的幾個部位實現(xiàn)彎曲，可在狹窄縫隙中檢查，但無法勝任在熱交換器密集分布的傳熱管束間隙中的自動化檢查工作［6］.

1 方案的分析

圖1(b)所示為熱交換器相關(guān)部位的模型［7］，傳熱管均勻分布安裝在管板上，管板直徑為1000mm，傳熱管外徑為22 mm，相鄰兩根傳熱管橫向和縱向的管間距都為15 mm(即中心距都為37 mm).管束中沿管板徑向有一條寬度為120mm的管廊，管廊兩端的熱交換器圓柱筒壁(圖1(b)未示出)上有兩個正對的供檢修用的手孔，直徑都為200mm.

圖1 熱交換器與傳熱管Fig.1 Heat exchanger and heat transfer tubes

要求設(shè)計機(jī)器人對傳熱管束與管板連接區(qū)域外部進(jìn)行視頻檢查(傳熱管外壁其他部位的狀況可另通過搭載渦流傳感器的管內(nèi)機(jī)器人進(jìn)行檢查［8］).機(jī)器人只能通過手孔進(jìn)入熱交換器，由于工作空間狹小，待檢查的區(qū)域范圍大，采用常規(guī)的關(guān)節(jié)式、輪式、腿足式機(jī)器人無法滿足要求，必須采用可伸縮的結(jié)構(gòu)將微型攝像頭送入到每一排管束間隙中.微型攝像頭配接定焦鏡頭，并且視場角有限，因此攝像頭的位置和姿態(tài)應(yīng)該能夠調(diào)整，這樣才可確保清楚觀察到所有待查區(qū)域.此外，為提高機(jī)器人的通用性，可將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)劃分為多個功能模塊，通過不同型號功能模塊的組合來滿足不同型號尺寸的熱交換器檢查要求.基于以上考慮，綜合對比多套方案后，確定機(jī)器人本體由縱向移動模塊、旋轉(zhuǎn)模塊、定位模塊、伸縮模塊、小車模塊、底座和驅(qū)動器等部分組成.

2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，機(jī)器人細(xì)長的底座上固定有導(dǎo)軌，底座兩側(cè)裝有定位模塊，底座由其底部的4個萬向滾珠支撐，底座左側(cè)裝有水平步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的同步齒形帶機(jī)構(gòu).導(dǎo)軌上裝有縱向移動模塊，由同步齒形帶帶動.縱向移動模塊上有旋轉(zhuǎn)模塊，由垂直步進(jìn)電機(jī)通過同步齒形帶驅(qū)動.旋轉(zhuǎn)模塊上裝有伸縮模塊.伸縮模塊由直流電機(jī)驅(qū)動，伸縮模塊柔性鋼帶的末端有1個小車，小車搭載攝像頭，并裝有形狀記憶合金(SMA)彈簧驅(qū)動的微型3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu).

圖2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of robot body

2.2 定位模塊

工作之前，機(jī)器人在管廊中首先要相對傳熱管束獲得一個正確的位置，并將底座固定住.雖然機(jī)器人是在結(jié)構(gòu)環(huán)境下作業(yè)，但工作空間狹窄封閉，難以配置傳感器或輔助裝置定位，故考慮通過定位模塊利用傳熱管高精度的外圓柱表面來幫助實現(xiàn)定位.定位模塊關(guān)于底座縱向中心平面是左右對稱的，由螺旋傳動機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊(桿狀)機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)依次連接組成，四個定位塊分別固定在四個曲柄上，其內(nèi)圓弧面直徑等于傳熱管外徑(見圖3(a)).工作時，操作者可放置機(jī)器人在預(yù)定位置附近，轉(zhuǎn)動手柄(螺桿)，使螺母(桿狀滑塊)移動，帶動4個曲柄同時轉(zhuǎn)動，從而使4個定位塊伸出與用于定位的4根傳熱管的外表面接觸，定位塊與傳熱管之間的互相作用使機(jī)器人本體移動(底座下部的4個萬向滾珠使得機(jī)器人位置調(diào)整時阻力很小)，直至定位塊的內(nèi)圓弧面與相應(yīng)的傳熱管外表面貼合，這樣機(jī)器人的工作位置就確定了(見圖3(b)).螺旋傳動機(jī)構(gòu)的螺旋副可以自鎖，故定位模塊在定位的同時也實現(xiàn)了機(jī)器人位置的固定.

圖3 定位模塊Fig.3 Locating module

2.3 伸縮模塊

從圖1(b)可以看出，傳熱管束分布在一個圓形區(qū)域內(nèi)，所以攝像頭在每排間隙中檢查時橫向移動距離不同，這可通過伸縮模塊來實現(xiàn).如圖4所示，伸縮模塊由直流微電機(jī)、微齒輪減速器、碼盤、光電開關(guān)、柔性鋼帶、卷筒、卷筒軸、壓緊器、線筒等組成.小車連接在柔性鋼帶末端，微電機(jī)通過減速器帶動卷筒軸轉(zhuǎn)動.柔性鋼帶卷纏在卷筒軸上，由壓緊器壓緊.微電機(jī)的正反轉(zhuǎn)使鋼帶產(chǎn)生伸縮動作，將小車送入管束間隙或從管束間隙中收回.柔性鋼帶伸出的長度取決于該排管束間隙長度，可由碼盤實時測量進(jìn)行控制.線筒安裝在卷筒軸上，小車的電源線及信號線纏繞在線筒上，和柔性鋼帶同步伸縮.

圖4 伸縮模塊Fig.4 Extending and retracting module

2.4 小車模塊

如圖5所示，小車模塊的小車上搭載微型CMOS攝像頭，攝像頭固定在微型3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的活動平臺上.小車裝在柔性鋼帶末端，在柔性鋼帶平緩的推拉作用下運動，由于動力來自外部，所以小車不會在管板泥渣積垢上傾覆.

圖5 小車模塊Fig.5 Micro vehicle module

如圖6(a)所示，空間3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)由固定平臺 A1A2A3、活動平臺 B1B2B3、導(dǎo)桿 si(i=1，2，3)、連桿li(i=1，2，3)、3個圓柱副C、3 個球面副S和3 個轉(zhuǎn)動副R組成［9］.3個圓柱副分別連接3根導(dǎo)桿與固定平臺，圓柱副的軸線垂直于固定平臺;3個球面副分別連接3根導(dǎo)桿與3根等長的連桿;3根連桿與活動平臺之間則用轉(zhuǎn)動副相連.ΔA1A2A3和ΔB1B2B3均為等邊三角形，轉(zhuǎn)動副的軸線位于ΔB1B2B3頂點處并與其外接圓相切.可知3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度為3.如果改變導(dǎo)桿s1、s2和s3的長度(即以圓柱副中的移動副為驅(qū)動副)，就能調(diào)整活動平臺(微型攝像頭)的位姿.

在該微型3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，3個移動副由3個偏動式SMA雙程驅(qū)動器驅(qū)動［10］，驅(qū)動元件為用SMA絲繞成的螺旋彈簧，普通壓縮螺旋彈簧和SMA螺旋彈簧處于對頂狀態(tài)(見圖6(b)).偏動式SMA雙程驅(qū)動器利用SMA在高溫母相時屈服應(yīng)力高，低溫馬氏體相時屈服應(yīng)力低這個性質(zhì)來工作［11］.在低溫狀態(tài)下，SMA彈簧剛度較低，其壓縮變形比普通彈簧大.加熱升溫發(fā)生相變后，由于形狀記憶效應(yīng)，SMA彈簧伸長，產(chǎn)生較大的形狀回復(fù)力，將普通彈簧壓緊，從而使導(dǎo)桿發(fā)生位移.當(dāng)回到低溫狀態(tài)時，普通彈簧的彈性又使導(dǎo)桿復(fù)位.如此反復(fù)升、降溫，就能讓導(dǎo)桿往復(fù)運動，從而實現(xiàn)雙程動作功能.只要控制好3個偏動式SMA雙程驅(qū)動器導(dǎo)桿的位移，就能讓活動平臺獲得所需位姿.

圖6 微型3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)Fig.6 Micro 3-CSR parallel mechanism

3 工作步驟及路徑規(guī)劃

工作步驟與路徑規(guī)劃如下:

(1)定位固定 通過手孔將機(jī)器人送入熱交換器，放置在管板上，并將機(jī)器人移動至預(yù)期位置附近，再用定位模塊定位、固定機(jī)器人本體;

(2)復(fù)位系統(tǒng)上電，縱向移動模塊移動至導(dǎo)軌起點，實現(xiàn)機(jī)器人復(fù)位，等待工作指令;

(3)縱向移動模塊工作收到指令后，縱向移動模塊向?qū)к壗K點運動(間歇移動)，到達(dá)工作位置(小車正對每排管束間隙時)后停止;

(4)伸縮模塊工作伸縮模塊的柔性鋼帶將小車送入該排管束間隙中，小車搭載微型攝像頭在管板上移動并攝像;

(5)微型3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作若發(fā)現(xiàn)某區(qū)域可疑，可使小車暫停，利用微型3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)調(diào)整微型攝像頭位姿對該區(qū)域進(jìn)行更全面的觀察;

(6)伸縮模塊工作 小車移動到該排間隙末端時，伸縮模塊將小車收回，判斷縱向移動模塊是否到達(dá)導(dǎo)軌終點，若沒有，則跳至步驟(3)繼續(xù)執(zhí)行;

(7)旋轉(zhuǎn)模塊工作 旋轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)過180°，以便機(jī)器人對另一側(cè)的管束間隙進(jìn)行檢查;

(8)縱向移動模塊工作縱向移動模塊向?qū)к壠瘘c運動(間歇移動)，到達(dá)工作位置;

(9)伸縮模塊工作伸縮模塊的柔性鋼帶將小車送入該排管束間隙中;

(10)微型3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作若發(fā)現(xiàn)某區(qū)域可疑，可利用微型3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)調(diào)整微型攝像頭位姿對該區(qū)域進(jìn)行更全面的觀察;

(11)伸縮模塊工作小車移動到該排間隙末端時，伸縮模塊將小車收回，判斷縱向移動模塊是否到達(dá)導(dǎo)軌起點，若沒有，則跳至步驟(8)繼續(xù)執(zhí)行;

(12)工作結(jié)束.

4 控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)可控制機(jī)器人按照規(guī)劃好的路徑工作，由上位機(jī)、下位機(jī)兩級計算機(jī)系統(tǒng)組成，圖7所示為控制系統(tǒng)框圖.上位機(jī)采用工控機(jī)，用VB編制的圖形用戶控制界面能設(shè)置工作參數(shù)、發(fā)送工作指令、監(jiān)視機(jī)器人狀態(tài)、顯示觀察到的視頻圖像.上、下兩級計算機(jī)通過RS-232C總線串行通信.下位機(jī)為Atmel的89S51單片機(jī)，其外圍驅(qū)動控制器件主要包括邏輯電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232、步進(jìn)電機(jī)控制器 SH-2H042Mb、開關(guān)電源脈寬調(diào)制芯片TL598、SMA彈簧驅(qū)動器TIP132、光電耦合器4N25和邏輯運算器、比較器芯片及繼電器等.

圖7 控制系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of the control system

由于縱向移動模塊頻繁啟停，并且每次行程只有15mm，為提高效率并防止步進(jìn)電機(jī)失步，將縱向移動模塊的每個行程分為加速段和減速段，采用了模糊控制方法設(shè)計了步進(jìn)電機(jī)的加減速曲線［12］.圖8所示為速度模糊控制系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)的輸入為脈沖數(shù)N(表示縱向移動模塊的位置)，輸出為脈沖頻率F(表示縱向移動模塊的速度)，速度模糊控制通過離線計算和在線查表的方法來實現(xiàn)，KN和KF分別表示N和F的尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)，n0和f0分別表示N和F經(jīng)尺度轉(zhuǎn)換后得到的值，n和f分別表示N和F經(jīng)模糊轉(zhuǎn)換得到的離散點.

圖8 速度模糊控制系統(tǒng)框圖Fig.8 Block diagram of fuzzy velocity control system

根據(jù)傳熱管束和管板相連區(qū)域的缺陷檢測要求，提出了一種根據(jù)視頻檢查圖像對各區(qū)域進(jìn)行評價的灰色評價方法［13］.該方法包括獲取評價量樣本矩陣，設(shè)定評價灰類，計算灰色評價系數(shù)、灰色評價權(quán)向量及矩陣，根據(jù)不同評價要素進(jìn)行評價和綜合所有評價要素進(jìn)行評價等5個步驟，將定性與定量分析相結(jié)合，以定量分析評價為主，把評價人員提供的分散信息歸納成確切的評價值，能吸收各類基層信息做出高層次系統(tǒng)綜合，比常用的求和、求平均值法更符合客觀實際，并根據(jù)該評價原理用VB編制了灰色評價程序.

5 樣機(jī)試驗

機(jī)器人樣機(jī)大部分零件用材料LY12制成，機(jī)器人本體長1080 mm，小車完全收回的情況下機(jī)器人最大橫截面寬85mm，高120mm，總質(zhì)量僅為3.5kg.圖9所示為樣機(jī)及試驗平臺.小車的長、寬、高分別為44、13、24mm.

圖9 機(jī)器人樣機(jī)與試驗平臺Fig.9 Robot prototype and experimental platform

在默認(rèn)的系統(tǒng)參數(shù)下，樣機(jī)在23 min內(nèi)完成了試驗平臺上相關(guān)區(qū)域的檢查.縱向移動模塊平均速度為13 mm/s，小車橫向移動速度為12 mm/s，這些工作參數(shù)可根據(jù)需要通過操作界面設(shè)置.攝像頭前端的LED照明單元可照亮前方待查區(qū)域，傳熱管束與管板相交部位的情況可在監(jiān)視器上清晰顯示.

分別給3根SMA螺旋彈簧通以不同占空比的脈寬調(diào)制電流，微型3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運動，攝像頭的位姿則會發(fā)生相應(yīng)改變，導(dǎo)桿的行程為5mm.圖10(a)所示為攝像頭的偏轉(zhuǎn)動作，偏轉(zhuǎn)角度范圍為±16.5°;圖10(b)所示為俯仰動作，俯仰角度范圍為 －14°～ +25°.

圖10 微小攝像頭姿態(tài)調(diào)整Fig.10 Pose change of the micro camera

6 結(jié)語

研制了一套能對熱交換器傳熱管外部進(jìn)行檢查的機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點:

(1)定位模塊原理簡單，能高效可靠地實現(xiàn)機(jī)器人的定位與固定，與美國福斯特·米勒公司的CECIL機(jī)器人相比結(jié)構(gòu)較輕，成本較低，安裝輔助時間很短;

(2)伸縮模塊能將搭載微型攝像頭的小車送入每排管束間隙中并收回，可檢查到人工檢查無法觀察到的區(qū)域，避免了日本三菱電機(jī)公司和上海交通大學(xué)的輪式微型機(jī)器人容易傾覆，以及微細(xì)電纜帶來的機(jī)動性不良和纏繞等問題;

(3)小車模塊上安裝有SMA彈簧驅(qū)動的微型3-CSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可改變攝像頭的位姿，擴(kuò)大觀察范圍，克服了日本奧林帕斯公司的導(dǎo)管型微機(jī)器人無法觀察到所有管束間隙的缺點;

(4)縱向移動模塊步進(jìn)電機(jī)的升降速曲線采用了模糊控制理論進(jìn)行設(shè)計，可防止失步;

(5)提出的灰色評價方法能吸收各類基層信息做出高層次系統(tǒng)綜合，更客觀合理地評價檢查區(qū)域質(zhì)量.

樣機(jī)試驗結(jié)果表明該機(jī)器人的性能達(dá)到了設(shè)計要求，實現(xiàn)了熱交換器傳熱管外部的自動化檢查，有助于縮短核電站的停堆檢修時間.

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