核主泵螺栓檢測裝置的環(huán)形軌道平臺位姿調(diào)控并聯(lián)機構(gòu)綜合

馬超群，杭魯濱，周路生，張寶軍

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201600；2.國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海200233）

1 引言

核主泵被喻為核電站的心臟，其運轉(zhuǎn)可靠性對于核電生產(chǎn)具有重大意義。中空法蘭螺栓作為其重要連接部件，須定期進(jìn)行嚴(yán)格的超聲檢測[2]。離線檢測屬于目前主流的檢測手段，其操作簡單、裝備設(shè)計簡單可靠。但這種方式檢測效率低，工作周期長，無法保證反應(yīng)堆整體的完好性。文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一種主泵螺栓的超聲檢測裝置，該裝置可以實現(xiàn)單個螺栓的自動檢測及遠(yuǎn)程控制，但仍然難以達(dá)到在線檢測的要求，研制一種運行可靠、檢測迅速的中空法蘭螺栓在線檢測裝置勢在必行。新型在線檢測裝置（如圖1 所示）以圓環(huán)形軌道為基準(zhǔn)平臺，保證檢測機構(gòu)移動過程檢測探頭偏擺補償，徑向?qū)?zhǔn)中空螺栓跟蹤移動等動作，實現(xiàn)環(huán)繞主泵的螺栓超聲檢測功能。軌道平臺相對主泵本體的六自由度位姿調(diào)控機構(gòu)設(shè)計是保證主泵中空法蘭螺栓在線精準(zhǔn)超聲檢測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；目前國內(nèi)外六自由度調(diào)整機構(gòu)的裝置研究大多集中在并聯(lián)機構(gòu)這一熱點[4-6]，已設(shè)計了多種六自由度的平臺動作機構(gòu)并實現(xiàn)成功運用。文獻(xiàn)[8]提出的Stewart 平臺機構(gòu)現(xiàn)已廣泛運用到包括飛行模擬器、并聯(lián)機床、空間對接器、娛樂設(shè)施等行業(yè)，并出現(xiàn)了各種衍生機構(gòu)。研究六自由度機構(gòu)的新構(gòu)型不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義，還具有多樣的應(yīng)用前景和實用價值。

將軌道平臺與主泵筒體間的六自由度相對位姿調(diào)控過程有序分解為幾何意義的水平度和同心度調(diào)節(jié)過程；以其軌道平臺位姿調(diào)控夾持為研究對象，構(gòu)造對應(yīng)的1T2R 水平度調(diào)整并聯(lián)機構(gòu)和1R2T 同心度調(diào)整并聯(lián)機構(gòu)，分析機構(gòu)的裝配條件、選取機構(gòu)驅(qū)動副。設(shè)計出具有定位調(diào)節(jié)雙重功能的解耦型六自由度軌道平臺調(diào)節(jié)新機構(gòu)。

2 中空法蘭螺栓檢測裝置原理

團(tuán)隊所研制的主泵中空螺栓檢測裝置由檢測組件、運行軌道、行走小車等部分組成，如圖1 所示。檢測時，首先需要安裝環(huán)形軌道，檢測桿作為末端執(zhí)行器，實現(xiàn)自轉(zhuǎn)、上升、避障動作。圓環(huán)軌道平臺安裝過程中的高精度定位調(diào)節(jié)對于提高檢測效果至關(guān)重要，研制相應(yīng)的環(huán)形軌道位姿調(diào)整及夾持機構(gòu)是實現(xiàn)精準(zhǔn)超聲檢測的核心技術(shù)。

圖1 中空法蘭螺栓檢測裝置Fig.1 Hollow Flange Bolt Detecting Device

3 軌道形位公差測度及軌道平臺位姿

整個檢測組件與行走小車以軌道平臺為基準(zhǔn)進(jìn)行操作；其姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計是以探頭與中空螺栓接觸瞬間姿態(tài)為分析目標(biāo)。引入形位測度思想，分解為具有幾何意義的水平度和同軸度兩個形位公差來表示；以此構(gòu)造的解耦軌道平臺位姿誤差調(diào)整機構(gòu)，分別對應(yīng)水平度、同軸度指標(biāo)。

3.1 檢測裝置末端誤差分析

軌道平臺形位測度的目標(biāo)是確定機構(gòu)設(shè)計期望輸出；保證檢測桿順利進(jìn)入中空法蘭螺栓內(nèi)孔完成螺栓檢測。從檢測桿末端狀態(tài)來看，影響檢測桿進(jìn)入中空螺栓的形位姿態(tài)誤差主要包括兩種：桿件傾擺角度誤差與桿件定位誤差。

軌道俯仰傾擺所造成的檢測桿與螺栓軸線夾角誤差示意圖，如圖2 所示。夾角誤差的存在使得檢測探頭軸線偏離中空螺栓，誤差角過大將造成檢測需要進(jìn)行頻繁的人工干預(yù)，甚至導(dǎo)致探頭損傷等嚴(yán)重后果。綜合考慮偏轉(zhuǎn)角疊加效應(yīng)、檢測桿材料、檢測標(biāo)準(zhǔn)、檢測桿裝配間隙等因素，定義標(biāo)準(zhǔn)檢測參數(shù)：軌道平臺極限偏差角度，即定義了軌道平面度的要求。

圖2 桿件傾擺角度誤差示意圖Fig.2 Bar Tilting Angle Error Diagram

定位誤差可看作中空螺栓孔幾何尺度間隙偏差值及探頭與中空螺栓尺寸極限偏差的疊加。如圖3 所示，綜合考慮確定軸線徑向偏差極限裕量值A(chǔ)=4.5mm。即定義了軌道平臺同軸度要求。

圖3 桿件定位誤差示意圖Fig.3 Bar Positioning Error Diagram

調(diào)整軌道水平度、同軸度至關(guān)重要。通過環(huán)形軌道平臺安裝調(diào)控并聯(lián)機構(gòu)的調(diào)節(jié)，不僅確保了檢測過程的順利進(jìn)行，而且對于提高裝置的檢測效果，及時發(fā)現(xiàn)核主泵螺栓安全隱患也具有極其重要的意義。

3.2 誤差形位尺度與機構(gòu)期望輸出映射

根據(jù)上述分析：可將形位尺度誤差分解為軌道平臺水平度誤差，以及軌道平臺軸心與主泵筒體軸心間的同心度誤差。軌道安裝自由度包括三方向的移動和繞三個軸的轉(zhuǎn)動，所設(shè)計的安裝調(diào)節(jié)裝置應(yīng)當(dāng)使全部六個自由度方向可調(diào)節(jié)。

如圖4 所示，基于軌道平臺形位測度及簡化并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計兩方面考慮，期望以軌道平臺x、y軸方向的移動和z軸方向的轉(zhuǎn)動來構(gòu)造一種平面并聯(lián)調(diào)節(jié)機構(gòu)（2T1R）；以軌道平臺繞x、y軸方向的轉(zhuǎn)動和z軸方向的移動來構(gòu)造一種空間并聯(lián)調(diào)節(jié)機構(gòu)（1T2R）。

圖4 軌道平臺位姿期望輸出解耦分析Fig.4 Decoupled Analysis of Orbital Platform Degrees of Freedom

兩并聯(lián)機構(gòu)的動平臺為同一圓環(huán)軌道平臺，并聯(lián)裝置通過串聯(lián)協(xié)同實現(xiàn)軌道平臺六自由度高效有序調(diào)節(jié)。

4 調(diào)整并聯(lián)機構(gòu)綜合

軌道平臺位姿調(diào)整的并聯(lián)機構(gòu)綜合分兩部分進(jìn)行，即首先對實現(xiàn)同心度調(diào)節(jié)三維平面兩平移一轉(zhuǎn)動（2T1R）機構(gòu)進(jìn)行選型綜合，接著對兩轉(zhuǎn)動一平移（2R1T）水平度調(diào)節(jié)機構(gòu)進(jìn)行機構(gòu)綜合，以及機構(gòu)解耦性分析。

4.1 兩平移一轉(zhuǎn)動平面并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)形綜合

為實現(xiàn)操作空間的充分利用和提高機構(gòu)可靠性，同心度調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計為一種平面并聯(lián)調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)軌道平面內(nèi)x、y軸方向移動和繞z軸方向的轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)（記作2T1R）。調(diào)節(jié)機構(gòu)位于軌道平面內(nèi)，可以看作是調(diào)節(jié)軌道中心線與主泵圓柱體中心線的相對位置?；谄矫鏅C構(gòu)的拓?fù)淅碚?，整個設(shè)計過程如下：

4.1.1 構(gòu)造并聯(lián)機構(gòu)

考慮到支路調(diào)節(jié)的方便和對稱性，優(yōu)選支路組合方案[1]：

4.1.2 并聯(lián)機構(gòu)運動特征分析

同心度調(diào)節(jié)機構(gòu)符合設(shè)計需求，其機構(gòu)簡圖，如圖5 所示。同心度調(diào)節(jié)機構(gòu)自由度：F=3（n-1）-2PL-PH=3。

動平臺有一個繞R軸線的獨立轉(zhuǎn)動元素，在垂直于R軸線的平面內(nèi)，有兩個獨立位移元素。

圖5 同心度調(diào)節(jié)機構(gòu)簡圖Fig.5 Concentricity Adjustment Mechanism

4.2 兩轉(zhuǎn)動一平移并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型綜合

兩轉(zhuǎn)動一平移（2R1T）并聯(lián)機構(gòu)的作用是調(diào)節(jié)軌道平臺水平度與高度。實現(xiàn)軌道z軸方向移動調(diào)節(jié)和繞x、y軸方向的轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)（記作2R1T）。調(diào)節(jié)機構(gòu)為空間并聯(lián)機構(gòu)，結(jié)合機構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計理論與實際動作空間分析，整個機構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計過程如下：

4.2.1 構(gòu)造并聯(lián)機構(gòu)支鏈

由分析可知，水平度調(diào)節(jié)機構(gòu)為1T2R 并聯(lián)機構(gòu)，Mpa的表達(dá)式如下：

圖6 水平度調(diào)整機構(gòu)簡圖Fig.6 Level Adjustment Mechanism Diagram

4.2.2 機構(gòu)自由度計算

已知支路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與兩平臺裝配的幾何條件，以此來確定機構(gòu)自由度。首先確定第一個獨立回路的獨立位移方程數(shù)ξL1：

依據(jù)消極副判定準(zhǔn)則和相關(guān)的計算過程[1]，可判定P11副不是消極運動副。同樣可證明該機構(gòu)的所有運動副都不是消極運動副。

4.2.3 機構(gòu)驅(qū)動副選取可行性分析

基于驅(qū)動副判定準(zhǔn)則[1]，剛化三個移動副P11，P12和P13，取R12與R13副的兩軸線交點為基點O′，由串聯(lián)機構(gòu)POC 方程，其末端構(gòu)件POC 集分別為：

如圖6 所示：該機構(gòu)基點O′位置，平臺傾擺由P21、P31副的輸入確定，平臺繞R12、R13軸的俯仰運動由P11輸入，該機構(gòu)具有部分解耦性，有利于實際調(diào)節(jié)操控。

5 軌道平臺并聯(lián)機構(gòu)解耦調(diào)整機構(gòu)

由以上水平度、同心度機構(gòu)綜合，得出軌道平臺調(diào)整組合結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。主泵泵體看作并聯(lián)機構(gòu)的靜平臺，軌道平臺看作并聯(lián)機構(gòu)動平臺，同軸度和水平度調(diào)整機構(gòu)可實現(xiàn)解耦順序調(diào)整，一般先進(jìn)行水平度調(diào)整，再進(jìn)行同心度調(diào)整。

圖7 環(huán)形軌道平臺并聯(lián)調(diào)整機構(gòu)簡圖Fig.7 Schematic Diagram of Parallel Adjustment Mechanism of Circular Track Platform

為滿足軌道調(diào)整裝置水平度調(diào)節(jié)機構(gòu)快速安裝拆除的設(shè)計要求，在每條支鏈的兩端設(shè)計快手夾具，如圖8（a）所示。真空海綿吸具，如圖8（b）所示。作為連接構(gòu)件和定平臺支點，以保證檢測裝置實現(xiàn)輻射環(huán)境下無干涉安全操作；同心度調(diào)節(jié)裝置則抽象為螺紋副驅(qū)動的柔性同心度調(diào)節(jié)支路，結(jié)構(gòu)如圖8（c）所示。在實際操作中先進(jìn)行水平度調(diào)節(jié)操作，三條支鏈主動驅(qū)動長度可通過運動學(xué)正逆解得到，調(diào)整后可使得軌道平臺水平度達(dá)到工程預(yù)設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)，接著進(jìn)行同心度調(diào)節(jié)固定操作，直至軌道同心調(diào)節(jié)達(dá)到工程預(yù)設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn)。兩并聯(lián)裝置的串聯(lián)操作，保障了整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)解耦性，使得操作簡單、迅捷。所研制機構(gòu)有待進(jìn)一步調(diào)試，目前裝備制造進(jìn)展，如圖9 實物圖所示。

圖8 環(huán)形軌道平臺并聯(lián)調(diào)整機構(gòu)Fig.8 Circular Track Platform Parallel Adjustment Mechanism

圖9 中空法蘭螺栓檢測設(shè)備實物圖Fig.9 Hollow Flange Bolt Testing Equipment

6 結(jié)論

（1）提出基于軌道形位誤差測度的軌道平臺位姿調(diào)控方法，即將軌道平臺六自由度姿態(tài)分解為水平度調(diào)節(jié)部分與同軸度調(diào)節(jié)部分，基于此期望需求分別綜合對應(yīng)并聯(lián)機構(gòu)。（2）基于方位特征集的拓?fù)錂C構(gòu)設(shè)計理論，對水平度調(diào)節(jié)并聯(lián)機構(gòu)、同軸度調(diào)節(jié)機構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型綜合，并驗證設(shè)計構(gòu)型的驅(qū)動副選擇可行性，得到滿足實際工程應(yīng)用的新型機構(gòu)。（3）基于軌道平臺順序安裝調(diào)整操作機理，通過兩并聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)耦合，完成軌道平臺調(diào)整機構(gòu)的總成構(gòu)型設(shè)計，該軌道平臺調(diào)整裝置的設(shè)計方法具有實用價值和推廣性。