高溫氣冷堆核電站蒸汽發(fā)生器管板定位機器人

胡卉樺

(中核武漢核電運行技術(shù)服份有限公司， 武漢 430074)

核電站蒸汽發(fā)生器是核島內(nèi)最為關(guān)鍵的主要設(shè)備之一，是一回路與二回路的邊界。蒸汽發(fā)生器的作用是將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，加熱水產(chǎn)生蒸汽推動汽輪發(fā)電機發(fā)電[1]。蒸汽發(fā)生器的運轉(zhuǎn)是否正常直接影響電站的功率和效率，而且在進行熱量交換時，還起阻隔放射性載熱劑泄露的作用，對核電站安全至關(guān)重要[2]。蒸汽發(fā)生器傳熱管承擔(dān)著主要的熱交換功能，具有數(shù)量多、壁厚薄、工況條件惡劣的特點，容易發(fā)生腐蝕、疲勞、磨損等多種缺陷，故是核電站在役檢查和維修的重點對象。

針對核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管檢修維護難度大的問題，美國、法國、日本、德國等發(fā)達國家較早開展了檢修機器人應(yīng)用研究。有代表性的機器人產(chǎn)品包括：美國Westinghouse公司的ROSA系列[3-5]和Pegasys[6]、法國Framatome公司的ROGER、Armis和COBRA[7-8]、日本三菱重工的MR系列[9-10]、德國Hans Walischmille公司的TELBOT[11-12]。機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有關(guān)節(jié)式和爬行式兩種。隨著AP1000等技術(shù)引進國內(nèi)及機器人技術(shù)的發(fā)展，蛇形機器人、蠕蟲式機器人及壁虎仿生機器人在未來也可應(yīng)用于核電蒸汽發(fā)生器檢修工作[13]。

高溫氣冷堆是中國自主設(shè)計研發(fā)的世界首座四代核電特征示范堆型，高溫氣冷堆屬于一種新堆型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)壓水堆電站[14]。管箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部有較高輻射劑量，目前國內(nèi)外暫無適用于該堆型的檢維修機器人，采用人工方式維修有一定危險性，同時對維檢人員操作技能的依賴度高，施工效率低并且不易保證工作質(zhì)量。針對高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)特點及檢修要求，現(xiàn)提出一種新型維修機器人實施方案，可搭載多種維修工具進行傳熱管堵管維修工作。

1 管板定位機器人系統(tǒng)設(shè)計

1.1 功能分析

蒸汽發(fā)生器傳熱管的完好性關(guān)系到電站運行的安全可靠，需要定期檢測及維護。蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示，管箱人孔口直徑Φ627 mm，小于管箱內(nèi)壁直徑Φ800 mm，入口處存在縮徑，管箱室深度1 591 mm，幾百個傳熱管在圓形管板上均勻排列，任意管孔與相鄰管孔距離為27 mm，管孔整體呈軸對稱形式布局。為了滿足高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器堵管維修需求，機器人應(yīng)能攜帶作業(yè)工具全覆蓋管板孔，精確地將作業(yè)工具與管板孔對中并可靠固定。

圖1 管箱及管板孔結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)提出的機器人運動結(jié)構(gòu)采用圓柱坐標系形式，主要動作包含周向旋轉(zhuǎn)、徑向移動以及軸向伸縮運動。結(jié)構(gòu)設(shè)計采用模塊化、輕量化設(shè)計，可攜帶不同的作業(yè)工具，最大攜帶載荷22 kg，機器人整體質(zhì)量不大于40 kg，單個模塊質(zhì)量不大于15 kg，機器人運動誤差小于2 mm。

1.2 管板定位機器人運動特征

管板定位機器人的運動特征簡圖如圖2所示，采用圓柱坐標系的運動形式，充分利用了管板在幾何特征上的軸對稱特征，利用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)圓周運動，利用雙軸驅(qū)動器實現(xiàn)徑向的直線移動和前端定位錨的擺轉(zhuǎn)，利用伸縮氣缸實現(xiàn)定位錨軸向的前后伸縮，要求4個動作的組合能夠驅(qū)動定位錨覆蓋全管板管孔，并且不與管箱內(nèi)壁發(fā)生碰撞。

圖2 機器人運動特征簡圖

1.2.1 總體設(shè)計

依據(jù)上述功能分析，管板定位機器人總體結(jié)構(gòu)，由定位錨、姿態(tài)調(diào)整單元、折疊骨架以及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成，如圖3所示。定位錨通過快換盤連接在姿態(tài)調(diào)整單元上，姿態(tài)調(diào)整單元通過螺栓安裝在折疊骨架的單軸驅(qū)動器上，折疊骨架通過轉(zhuǎn)接板安裝在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上。各個模塊的說明如下。

圖3 管板定位機器人

(1)定位錨：包含由環(huán)形光源與工業(yè)相機組成的機器視覺輔助定位系統(tǒng)和用于將定位錨漲緊在管板上的雙級氣缸。一級氣缸為單作用氣缸，通過復(fù)位彈簧復(fù)位，用于將腳爪送入到管孔內(nèi)部。二級氣缸為雙作用氣缸，活塞缸伸出帶動鋼珠和保持架向前運動，在鋼珠與腳爪楔面的作用下腳爪漲開，在腳爪外表面和管孔內(nèi)表面之間的摩擦力作用下將定位錨固定于管板上，為其他檢修工具提供支撐。

(2)姿態(tài)調(diào)整單元：主要由伸縮氣缸、減速器和驅(qū)動電機組成。姿態(tài)調(diào)整單元用于運動調(diào)整定位姿態(tài)，輔助定位過程中補償角度偏差以及實現(xiàn)定位錨的軸向運動。

(3)折疊骨架：主要由鋁型材骨架、單軸驅(qū)動器、無桿氣缸、折疊支腿、接口箱組成。接口箱集成了管板定位機器人本體的電路和氣路，使布線更加簡潔。單軸驅(qū)動器實現(xiàn)定位錨的徑向移動。無桿氣缸為折疊支腿提供動力，控制折疊支腿的撐開和收攏。折疊支腿收攏時管板定位機器人能夠通過管箱過渡縮頸，撐開時能夠保證三個腳輪與管箱內(nèi)壁有效接觸。

(4)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)：主要由安裝底座、圓弧導(dǎo)軌、一級減速器、二級減速器、驅(qū)動電機組成。安裝底座通過螺栓固定于管嘴處，驅(qū)動電機驅(qū)動管板定位機器人做周向轉(zhuǎn)動。

1.2.2 系統(tǒng)動態(tài)特性分析

為保證檢修過程中被檢對象的絕對安全，防止磕碰造成蒸汽發(fā)生器設(shè)備損壞，管板定位機器人運動速度、加速度較低，所以管板定位機器人在任意位置時刻近似簡化為靜態(tài)力學(xué)問題。根據(jù)管板定位機器人的運動特征，使用ANSYS有限元分析軟件對管板定位機器人整體進行仿真計算，檢查機器人在自重和定位錨的作用下，所有極限載荷狀態(tài)下應(yīng)力和變形是否滿足設(shè)計強度要求和定位錨部分的定位精度要求。分析流程如圖4所示。

圖4 有限元分析流程

在仿真之前首先進行模型簡化，根據(jù)所分析問題的側(cè)重點，考慮零件在裝配體的重要程度、幾何特征與所分析問題的相關(guān)程度、幾何特征及平均網(wǎng)格尺寸的對比等因素，在不改變原有結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，去除掉影響計算效率的倒角、圓角及細小結(jié)構(gòu)，非關(guān)鍵部件(如電機和減速器)等效簡化為質(zhì)量等值的簡化模型，機器人搭載的堵管工具簡化為質(zhì)量22 kg的圓筒，圖5為簡化后的模型及邊界加載示意。

A為重力載荷(重力加載方向為不同旋轉(zhuǎn)角度)；B處為固定端，定義為固定約束

管板定位機器人材料屬性定義為結(jié)構(gòu)鋼和鋁合金，其中鋁合金材料為6061-T651。

管板定位機器人中各個部分的連接采用螺栓連接，在仿真中將連接處設(shè)置為固定接觸；腳輪與管箱內(nèi)壁定義為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.01。

網(wǎng)格定義使用自動網(wǎng)格類型，網(wǎng)格基本尺寸為10 mm，劃分后網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為546 527，單元數(shù)為110 510。

管板定位機器人在承受22 kg載荷情況下，在0°、45°、90°、135°和180°的旋轉(zhuǎn)角度下所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形值如表1所示。其承受最大應(yīng)力為35.244 MPa，最大應(yīng)變0.000 52，最大變形2.212 mm。幾種特殊旋轉(zhuǎn)角度所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為35.244 MPa<[σ]=152 MPa([σ]為6061-T651鋁合金許用應(yīng)力)，設(shè)計滿足安全條件，最大變形2.212 mm，機器人剛度滿足設(shè)計要求。

表1 仿真結(jié)果

從上述仿真分析結(jié)果的數(shù)據(jù)曲線(圖6)可以看出，管板定位機器人在圓周運動過程中，應(yīng)力、應(yīng)變、變形的變化都是非線性的，在設(shè)計過程中，考慮機器人輕量化需求，在一定程度上使得機器人結(jié)構(gòu)變形大，同時，蒸汽發(fā)生器本身的加工裝配誤差，工作過程中的熱應(yīng)力引起的管板變形等因素的累積誤差，會導(dǎo)致管板定位機器人綜合定位精度不足以滿足定位錨的定位要求。

圖6 管板定位機器人應(yīng)力、形變曲線

要使管板定位機器人準確地將工具對準管板孔，需要控制系統(tǒng)具備實時消除位置誤差的閉環(huán)反饋控制功能，以彌補機器人非線性變形的影響。本文引入機器視覺技術(shù)，對管板定位機器人進行輔助定位，補償機器人在不同位姿下變形和其他因素所產(chǎn)生的定位誤差。

2 控制系統(tǒng)

管板定位機器人的控制系統(tǒng)(圖7)由上位機和下位機組成，上位機和監(jiān)視器用于人機交互，實現(xiàn)實時監(jiān)控、顯示狀態(tài)以及發(fā)送控制指令的功能。選用運動控制卡作為下位機，上、下位機之間通過以太網(wǎng)通信。下位機在接收到上位機的控制指令后，控制管板定位機器人完成指定動作，同時實時反饋運動狀態(tài)信息至上位機。

圖7 控制系統(tǒng)示意圖

(1)電氣控制：運動控制卡接收到上位機的控制指令后發(fā)送運動控制信號，驅(qū)動器接收到運動控制命令后，根據(jù)信號將標準直流電源轉(zhuǎn)化為電機驅(qū)動電源，從而實現(xiàn)管板定位機器人的運動，同時控制卡伺服控制通用接口實時接收正負限位、原點開關(guān)以及編碼器信號，用于判斷電機的運動狀態(tài)以及到位狀態(tài)。

(2)氣動控制：運動控制卡接收到上位機的控制指令后，使用通用(I/O)口控制電磁閥通斷，實現(xiàn)對氣動執(zhí)行元件的控制，同時使用數(shù)字量輸入接口接收接近傳感器信號，判斷氣動執(zhí)行元件到位狀態(tài)。

(3)管板定位機器人使用機器視覺技術(shù)輔助定位，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過機器視覺比較當(dāng)前位置與目標孔的偏差，反饋至上位機，通過定位補償算法，控制管板定位機器人完成補償運動，提高管板定位機器人的定位精度。

3 樣機測試

圖8所示為管板定位機器人通過機器視覺技術(shù)進行輔助定位的實驗測試情況，機器人測試在高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器等比例模擬體上進行，測試內(nèi)容按照實際情況進行，將管板定位機器人安裝在模擬體上，通過上位機控制軟件操作機器人進行多組運行測試，檢驗機器視覺輔助定位后，機器人末端定位錨腳爪與指定管板孔的中心誤差是否小于2 mm。

圖8 管板定位機器人定位補償測試驗證

機器人定位補償誤差原理及結(jié)果如圖9所示，相機模組通過變徑套插入管板孔，由相機獲取定位錨腳爪及管板孔圖像，導(dǎo)入海康威視圖像分析軟件，模擬體管板孔直徑為13.2 mm，對比兩個中心圓圓心距離與管板孔直徑可以算出定位補償誤差。在模擬體中進行29次不同孔位運行測試，機器人經(jīng)視覺補償后最大誤差1.62 mm，平均誤差為0.81 mm，小于容許的最大誤差2 mm。樣機測試結(jié)果說明通過視覺定位系統(tǒng)能夠有效地提高定位精度。

圖9 運動精度測量原理及結(jié)果

4 結(jié)論

管板定位機器人用于對蒸汽發(fā)生器二次端管板展開維修工作，降低了人員的工作風(fēng)險與工作強度。該機器人采用圓柱坐標系的運動形式，將定位任務(wù)分解為旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的圓周運動，雙軸驅(qū)動器的徑向運動與擺動，以及伸縮氣缸的軸向運動。論文用有限元分析方法對管板定位機器人的運動特性進行了仿真，得出定位錨末端應(yīng)力、應(yīng)變、變形在運動過程中是非線性變化的，變形量較大，超出定位精度要求，通過引入機器視覺定位技術(shù)，可以很好地消除非線性變形引起的運動誤差，準確實現(xiàn)目標位置控制，提高管板定位機器人控制系統(tǒng)的工況適應(yīng)性。