核工業(yè)管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜玉濤 王寶迪 張博文 徐鵬程 李 洋

（1、黑龍江新諾機(jī)器人自動(dòng)化有限公司，黑龍江 哈爾濱150000 2、中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京100000）

1 核工業(yè)管道機(jī)器人簡介

核電站回路系統(tǒng)起到輸送核反應(yīng)堆冷卻劑的作用?；芈废到y(tǒng)一旦泄露，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)核反應(yīng)堆的冷卻水泄漏，并伴隨著放射性物質(zhì)的泄漏，引發(fā)核安全事故。而整個(gè)回路系統(tǒng)中最為薄弱的環(huán)節(jié)在于壓力邊界中的管道焊縫[1]。由于回路系統(tǒng)中介質(zhì)的材質(zhì)復(fù)雜，極易在焊縫處產(chǎn)生熱疲勞效應(yīng)，從而影響焊縫質(zhì)量。因此對(duì)管道焊縫的打磨拋光是有效消除熱疲勞效應(yīng)的手段，本文所介紹的核工業(yè)管道機(jī)器人主要用于核電站回路系統(tǒng)內(nèi)部管道焊縫打磨。

2 核工業(yè)管道機(jī)器人控制系統(tǒng)

核工業(yè)管道機(jī)器人的控制系統(tǒng)由機(jī)器人本體端、遙控端及連接線纜構(gòu)成。目前，實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人控制主要有兩類方法：有線控制和無線控制[2]。無線控制有無需布線等優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)器人用于金屬管道內(nèi)作業(yè)時(shí)，無線信號(hào)衰減嚴(yán)重，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。因此，本文設(shè)計(jì)的核工業(yè)管道機(jī)器人采用有線方式連接機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人供電，并交互控制信號(hào)與反饋信息。

2.1 管道機(jī)器人本體端控制系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于接收現(xiàn)場機(jī)器人主控系統(tǒng)發(fā)出的速度指令信息，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)，執(zhí)行指令動(dòng)作，機(jī)器人上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括爬行控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、圓盤旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、徑向進(jìn)給控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和打磨電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1 所示。所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)參數(shù)如下表所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制圖

現(xiàn)場機(jī)器人內(nèi)部電機(jī)及參數(shù)列表

爬行驅(qū)動(dòng)和圓盤旋轉(zhuǎn)采用的為DC24V 的BLDC 電機(jī)，這兩款BLDC 電機(jī)為三項(xiàng)梯形波繞組，換相反饋為數(shù)字霍爾傳感器，故采用門級(jí)驅(qū)動(dòng)IC DRV8323 控制三個(gè)MOSFET 全橋，分別連接電機(jī)繞組的三個(gè)輸出端，通過六步換相法對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，門級(jí)驅(qū)動(dòng)IC 的速度指令信號(hào)來自主控MCU 的定時(shí)器輸出的PWM波，通過調(diào)節(jié)占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了精確的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)安裝有1000pulse/r 的編碼器作為反饋，此反饋給主控MCU 的IO 引腳[3]。

徑向進(jìn)給采用直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，選用DRV8841 有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC，最大驅(qū)動(dòng)電流2.5A，均方根電流1.75A，電壓范圍DC8.2V～DC45V，速度控制指令為PWM波，有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。打磨電機(jī)為直接直流電源驅(qū)動(dòng)，通過主控系統(tǒng)GPIO 經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器控制其啟停。

圖2 直流有刷驅(qū)動(dòng)部分電路圖

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成。

主控模塊：機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，與遙控端通信，一方面根據(jù)遙控端的指令下發(fā)控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器，另一方面收集作業(yè)模塊的反饋信息回傳給遙控端做相應(yīng)顯示；

爬行電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)管道爬行器驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)壁的前進(jìn)與后退；

旋轉(zhuǎn)圓盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)周向旋轉(zhuǎn)圓盤電機(jī)，該驅(qū)動(dòng)器兼容γ 射線檢測模塊和焊縫打磨模塊的圓盤電機(jī)，更換功能模塊時(shí)只需更換各自航空插頭，不影響電機(jī)工作；

限位裝置控制模塊：連接于主控和限位裝置之間，將限位裝置獲得的位置信號(hào)反饋到主控模塊；

電源轉(zhuǎn)換模塊：實(shí)現(xiàn)直流24V 轉(zhuǎn)12V，為供電電壓為12V的攝像頭供電；

485 通信模塊：實(shí)現(xiàn)主控與遙控端的通信，RS485 接口通信距離最大可達(dá)千米以上，且差分信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)[4]；

24V 控制接口：通過連接線纜與遙控端連接，一組24V 供電接口，一組RS485 接口，一組視頻信號(hào)線；

打磨電機(jī)供電接口：通過連接線纜與遙控端連接，為打磨交流有刷電機(jī)供電，考慮到抗干擾及安全因素，需要與控制接口分開，單獨(dú)供電。

2.2 管道機(jī)器人遙控端控制系統(tǒng)

遙控器主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)指令的下發(fā)，并接收機(jī)器人本體回傳的狀態(tài)信息及工作圖像將其顯示在LED 屏上。遙控端的面板示意圖如圖3 所示。

圖3 遙控器的面板示意圖

遙控器控制系統(tǒng)共包括如下部分。

電源開關(guān)：由西門子型號(hào)為5SU9356-1CR20 的漏電保護(hù)器作為遙控端控制系統(tǒng)的總控制開關(guān)，額定電流20A；

24V 電源：24V，300W 的直流電源為機(jī)器人本體（除打磨電機(jī)）和遙控端供電，共有3 路輸出，分別為機(jī)器人本體、遙控器電路、屏幕及視頻記錄儀供電；

遙控器主控：作為遙控端的最主要部分，負(fù)責(zé)識(shí)別工作人員的操作請(qǐng)求，下發(fā)控制指令到機(jī)器人本體，并接收機(jī)器人的回傳信號(hào)；

485 通信模塊：實(shí)現(xiàn)遙控端與機(jī)器人本體的通信，RS485 接口具有通信距離長抗干擾的優(yōu)勢；

屏幕供電處理模塊：24V 轉(zhuǎn)12V 電源處理模塊，由于系統(tǒng)電源為24V，屏幕及視頻記錄儀所需工作電壓為12V，因此需要進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換；

打磨電機(jī)控制模塊：由固態(tài)繼電器配合主控下發(fā)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流打磨電機(jī)的開關(guān)控制。

2.3 管道機(jī)器人連接裝置

連接裝置主要指連接電纜和快速連接模塊。電纜內(nèi)包括一組小功率電源線（+24V、GND），一組大功率電源線（+24V、GND），一組通信線（485_A、485_B），一組視頻線（視頻信號(hào)線）。機(jī)器人在作業(yè)時(shí)會(huì)拖拉電纜，對(duì)電纜的質(zhì)量要求很高，電纜必須選用耐磨、抗拉伸型號(hào)，本方案選用定制拖拽電纜如圖4 所示。

圖4 拖拽電纜

快速連接模塊選用多個(gè)型號(hào)的航空插頭，主要負(fù)責(zé)爬行機(jī)構(gòu)與砂輪打磨模塊、爬行機(jī)構(gòu)、機(jī)器人本體與遙控端的電氣控制連接，同時(shí)可保證機(jī)器人在轉(zhuǎn)換工作模式時(shí)換裝方便快捷，帶自鎖功能可保證各部分連接穩(wěn)定可靠不脫落[5]。

3 結(jié)論

本文介紹了核工業(yè)管道機(jī)器人的背景，闡述了管道機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成部分，并對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)組成部分進(jìn)行詳細(xì)的選型與設(shè)計(jì)，然后描述了管道機(jī)器人遙控端的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后選取了各部分之間的連接方式，為今后管道機(jī)器人的研發(fā)調(diào)試提供了基礎(chǔ)。