堆外核探测器安装机器人设计与底盘运动分析

《堆外核探测器安装机器人设计与底盘运动分析》论文发表期刊：《现代制造技术与装备》；发表周期：2021年03期

《堆外核探测器安装机器人设计与底盘运动分析》论文作者信息：陈卓

　　摘要：部分核电厂采用从堆腔底部向上安装堆外核探测器的新型安装方式，但安装和更换过程中维修人员仍需进入堆腔底部的高辐射环境进行工作。因此，设计了一种在强辐照、不规则以及狭窄的堆腔内辅助安装堆外核探测器的智能机器人。该探测器辅助安装机器人可以耐受停堆后的高辐射剂量，可以在堆腔底部灵活运动，还可以将其分节运输，并到探测器井底部完成探测器的连接和安装。此外，利用SolidWorks软件对机器人的结构进行三维动态模拟，分析底盘的运动，说明机器人的关键机构和安装方式，并使用ANSYS有限元分析软件对机器人的托盘和提升支架进行静力学分析，从而验证设计的合理性。

　　关键词：堆外核探测器;机器人;运动分析;有限元分析

　　新型核电厂中，为提高堆外核探测器的使用寿命和安装合格率，将传统的从上往下的整体吊运安装方式改为从下往上分节式提升安装方式"。但是，新型安装方式与传统的安装方式相比，安装过程复杂，安装环境辐照强，空间狭窄，且普遍采用人工安装。即使维修人员穿戴全套辐射防护服，也会由于安装时间过长而使身体受到大剂量的照射。因此，为了降低维修人员的受照剂量和提高运维效率，本文设计了一种可以在高辐照和小空间的核环境中，通过外部控制完成探测器运输和安装的探测器辅助安装机器人，从而为新型的探测器安装方式提供新的方案。

　　1整体设计方案

　　传统的人工安装方式中，工作人员将圆柱形探测器运送到堆腔底部，通过一个特殊的机构将探测器抬升到圆筒状的探测器井中。抬升到一定高度后，特殊机构通过探测器井尾部的销钉孔将探测器与探测器井固定在一起。固定完成后，工作人员离开工作区域运输下一节探测器，然后将两个探测器对齐并安装好连接螺丝后再次抬升送入井中，并通过特殊机构固定。以此类推，当最后一节探测器送入后，将探测器的销钉插孔抬升到与探测器井的插孔同一高度并对齐后插入销钉，安装完成。

　　根据人工安装方式，探测器辅助安装机器人需要实现人工安装方式中特殊机构与人工的作用，即在维修人员的操作下完成堆外核探测器的运输、提升、固定、对接、螺钉安装以及销钉插装等工作。大致工作流程：将探测器从无辐射的区域运输到工作区域;将探测器提升到探测器井的高度;将探测器临时固定在探测器井中;离开工作区域，运输下一节探测器并与上一节完成对接;完成螺钉的安装;完成销钉插装。通过分析安装过程，探测器辅助安装机器人主要实现探测器的运输、提升、固定以及对接，而对接要求探测器能够绕轴线旋转对齐螺纹孔，且能够插装螺钉。通过综合分析，最终采用电机驱动丝杠滑轨组带动托盘完成提升。托盘自身绕中心转动实现探测器的旋转，配备专门机构完成螺钉和销钉的安装，并设计一种特殊的车载固定装置完成探测器的临时固定。探测器辅助安装机器人的整体机构，如图1所示。

　　2机械部分设计

　　探测器辅助安装机器人的样机模型，如图2所示。它的机械部分主要由底盘驱动机构、探测器提升机构、螺钉(销钉)插装机构以及探测器临时固定机构组成，实现人工安

　　装方式中人与特殊机构的相关功能。

　　2.1 底盘驱动机构设计

　　探测器辅助安装机器人的主要工作环境是强辐照、不规则以及狭小的堆腔底部。从运输方面考虑，机器人要满足在狭窄的环境中能够灵活应对各种工作情况。因此，底盘采用4个麦克纳姆轮(Mecanum Wheel)，并分别用4个电机进行独立控制，基本满足了机器人在堆腔底部工作的灵活性要求[22.1.1 底盘麦克纳姆轮的动力学分析根据相关资料，若要实现麦克纳姆轮的全方向移动，需采用的排列方案如图3所示。根据这种排布方案，对麦克纳姆轮的全方向运动进行动力学分析。图3中以底盘中心为O点建立坐标轴，l1 和 l2 分别为麦克纳姆轮中心到底盘中心的水平距离和竖直距离，α 为辊子与竖直方向的夹角 [3]。

　　以轮 1 的麦克纳姆轮为例，将轮 1 中心在平面上的运动分解为水平方向 x 与竖直方向 y 两个方向的运动分别进行计算。

　　2.1.2 底盘典型运动状态计算

　　根据底盘与麦克纳姆轮的相关资料，得出=275mm，

　　1-220mm，R-76.1mm，a-45，并对工作中典型的运动状态进行计算。

　　(1)机器人向各方向平动。针对机器人的复杂工作环境，要求机器人能够沿各个方向进行平动

　　(2)机器人转向(绕中心旋转)。为实现机器人的转向，需要实现机器人绕中心旋转，即将 vx=0 和 vy=0 代入式(6)，得出：

　　(3)机器人绕探测器中心旋转。机器人在即将完成探测器的安装时，需要将固定销钉插入到探测器井的插孔中，以完成探测器井与探测器的固定。插装固定销钉前需要将销钉插装机构与探测器井的销钉孔对齐，需要机器人能够绕探测器中心进行旋转。针对这种情况，只需将 O 点转化为探测器的圆心(即托盘的圆心)，将对应的 l1 和 l2 代入式(6)，以绕中心旋转的方式进行计算，如图 4 所示。

　　2.2 探测器提升机构设计探测器提升机构主要由提升电机、旋转电机、探测器固定托盘以及丝杠滑轨组等组成，以完成探测器的抬升和旋转，如图5所示。

　　2.3 螺钉(销钉)插装机构设计传统机器人的螺钉安装方式为机器人携带螺钉，通过机械臂和末端工具将螺钉从机器人身上取出再安装在指定位置"。这种安装方式虽然简单方便，但是需要较大的工作空间。即使不采用机械臂也必须存在取螺钉和安螺钉两个过程。这期间的来回运动存在螺钉掉落的风险，可能会对机器人造成损害，且需要工作人员进入高辐照的工作环境寻找螺钉。本文设计的机器人的螺钉插装机构只需做简单的伸进和旋转，即只需将螺钉插入到孔中即可，避免了螺钉的移动和对孔安插，如图6所示。

　　探测器安装前，在连接孔处安装一个螺钉存放环，将每个螺钉放在圆环中对应的螺钉孔处。安装螺钉时，提升模块先将插装机构提升到机器人之上，再通过托盘的提升和旋转带动探测器将螺钉孔和插装机构对齐，而插装机构直接伸入将外环的螺钉拧入即可。随后，托盘的旋转带动探测器旋转固定角度将螺钉一个一个插入。

　　销钉插装机构与螺钉插装机构同理，只需在原本的安装座上替换成销钉插装机构即可，，同时其底部带有电磁铁，以防止固定销钉掉落。安插销钉时，提升模块先将插装机构提升到与探测器井的销钉插孔平齐，随后机器人整体绕探测器中心轴(即探测器井中心轴)旋转使插装机构与销钉孔对齐，再旋转托盘带动探测器使探测器上的销钉插孔与探测器井的插孔对齐。全部对齐完成后，销钉插装机构伸入将销钉插入孔中，如图7所示。

　　2.4探测器临时固定机构设计

　　探测器临时固定机构的两个固定爪的中心与提升机构托盘的中心(即探测器轴心)重合。探测器临时固定机构在整个安装过程中的具体工作流程如下。

　　步骤1：提升电机带动丝杆旋转，使临时固定机构沿滑轨上升。

　　步骤2：当临时固定机构提升到顶部时，上固定爪的圆柱形卡扣刚好与探测器井的销钉插孔在同一平面，此时机器人绕探测器中心进行旋转使卡扣与销钉孔对齐，并加紧上固定爪使卡扣插入其中，从而完成临时固定机构与探测器井的固定。

　　步骤3：固定完成后断开连接电磁铁，此时临时固定机构已经与机器人分离，并由临时固定机构上的电机带动整个下半部分向上提升完成脱离。

　　步骤4：脱离完成后，临时固定机构开始工作。需要固定探测器时，下固定爪对探测器施加一定大小的压力，通过摩擦力保证探测器不会掉落，随后机器人可以离开去取下一节探测器，如图8(a)所示。探测器安装过程中，上固定爪固定不动，下固定爪不断张开和加紧，以完成探测器的安装。

　　步骤5：当所有节探测器通过临时固定机构固定在探测器井时，机器人在底部托盘上安装顶升块，并将螺钉插装机构替换为销钉插装机构。顶升块为一个圆柱体将探测器提升到一个更高的位置，以完成销钉的插装。插装前，需要将临时固定机构与探测器井脱离，即临时固定机构的下固定爪抱紧圆柱形的顶升块，上固定爪张开与探测器井脱离，如图8(b)所示。安装销钉时，托盘的提升会使上固定爪离开销钉孔的位置，从而能够进行销钉的安装。销钉插装完成后，托盘带动顶升块和临时固定机构向下移动，完成临时固定机构与机器人的简单连接，最终机器人将临时固定机构带出。

　　3　托盘和提升支架的静力学分析

　　提升机构中的托盘在整个机器人的工作流程中具有重要作用。因为它需要在大多数时间承受探测器的重量，所以它的强度关系到探测器能否安全安装。本文使用ANSYS软件对托盘和提升支架进行静力学分析。

　　首先，定义托盘和支架的材料为304不锈钢。材料的具体参数如表1所示15其次，导入三维模型，简化修改三维模型后开始划分网格，并细化可能产生较大应力的部分。划分网格后，开始施加约束。探测器与托盘的接触采用摩擦接触，摩擦系数取0.4。

　　在支架左右两个端面施加Z方向与X方向的约束模拟滑轨，并在丝杆螺母处施加固定约束。分别放置最小直径探测器底座(127mm)和最大直径探测器底座(203mm)进行模拟，且两者都采用探测器的最大重量110kg.

　　最后，求解得出应力云图、应变云图以及变形云图。

　　由于两种探测器的结果十分接近，因此只取其中一种情况。托盘和提升支架的应力云图，如图9所示。图9中的最大应力为146.18MPa，小于其屈服强度205MPa，说明应力符合设计要求。

　　4结语

　　针对新型核探测器安装方式，本文设计了一款能够在堆腔底部独立完成探测器分节安装的探测器辅助安装机器人。具体地，主要阐述该机器人机械部分中各个机构的设计，说明了关键的工作流程，分析和计算了底盘麦克纳姆轮的运动，并对托盘和提升支架进行了静力学分析。该机器人通过4个麦克纳姆轮的独立控制实现了在堆腔底部的灵活运动，并通过各个安装机构的相互配合完成了探测器的安装，具有一定的可靠性和实用价值，为将来的样机制造奠定了基础。

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