《堆外核探測器安裝機器人設計與底盤運動分析》論文發表期刊：《現代制造技術與裝備》；發表周期：2021年03期

《堆外核探測器安裝機器人設計與底盤運動分析》論文作者信息：陳卓

　　摘要：部分核電廠采用從堆腔底部向上安裝堆外核探測器的新型安裝方式，但安裝和更換過程中維修人員仍需進入堆腔底部的高輻射環境進行工作。因此，設計了一種在強輻照、不規則以及狹窄的堆腔內輔助安裝堆外核探測器的智能機器人。該探測器輔助安裝機器人可以耐受停堆后的高輻射劑量，可以在堆腔底部靈活運動，還可以將其分節運輸，并到探測器井底部完成探測器的連接和安裝。此外，利用SolidWorks軟件對機器人的結構進行三維動態模擬，分析底盤的運動，說明機器人的關鍵機構和安裝方式，并使用ANSYS有限元分析軟件對機器人的托盤和提升支架進行靜力學分析，從而驗證設計的合理性。

　　關鍵詞：堆外核探測器;機器人;運動分析;有限元分析

　　新型核電廠中，為提高堆外核探測器的使用壽命和安裝合格率，將傳統的從上往下的整體吊運安裝方式改為從下往上分節式提升安裝方式"。但是，新型安裝方式與傳統的安裝方式相比，安裝過程復雜，安裝環境輻照強，空間狹窄，且普遍采用人工安裝。即使維修人員穿戴全套輻射防護服，也會由于安裝時間過長而使身體受到大劑量的照射。因此，為了降低維修人員的受照劑量和提高運維效率，本文設計了一種可以在高輻照和小空間的核環境中，通過外部控制完成探測器運輸和安裝的探測器輔助安裝機器人，從而為新型的探測器安裝方式提供新的方案。

　　1整體設計方案

　　傳統的人工安裝方式中，工作人員將圓柱形探測器運送到堆腔底部，通過一個特殊的機構將探測器抬升到圓筒狀的探測器井中。抬升到一定高度后，特殊機構通過探測器井尾部的銷釘孔將探測器與探測器井固定在一起。固定完成后，工作人員離開工作區域運輸下一節探測器，然后將兩個探測器對齊并安裝好連接螺絲后再次抬升送入井中，并通過特殊機構固定。以此類推，當最后一節探測器送入后，將探測器的銷釘插孔抬升到與探測器井的插孔同一高度并對齊后插入銷釘，安裝完成。

　　根據人工安裝方式，探測器輔助安裝機器人需要實現人工安裝方式中特殊機構與人工的作用，即在維修人員的操作下完成堆外核探測器的運輸、提升、固定、對接、螺釘安裝以及銷釘插裝等工作。大致工作流程：將探測器從無輻射的區域運輸到工作區域;將探測器提升到探測器井的高度;將探測器臨時固定在探測器井中;離開工作區域，運輸下一節探測器并與上一節完成對接;完成螺釘的安裝;完成銷釘插裝。通過分析安裝過程，探測器輔助安裝機器人主要實現探測器的運輸、提升、固定以及對接，而對接要求探測器能夠繞軸線旋轉對齊螺紋孔，且能夠插裝螺釘。通過綜合分析，最終采用電機驅動絲杠滑軌組帶動托盤完成提升。托盤自身繞中心轉動實現探測器的旋轉，配備專門機構完成螺釘和銷釘的安裝，并設計一種特殊的車載固定裝置完成探測器的臨時固定。探測器輔助安裝機器人的整體機構，如圖1所示。

　　2機械部分設計

　　探測器輔助安裝機器人的樣機模型，如圖2所示。它的機械部分主要由底盤驅動機構、探測器提升機構、螺釘(銷釘)插裝機構以及探測器臨時固定機構組成，實現人工安

　　裝方式中人與特殊機構的相關功能。

　　2.1 底盤驅動機構設計

　　探測器輔助安裝機器人的主要工作環境是強輻照、不規則以及狹小的堆腔底部。從運輸方面考慮，機器人要滿足在狹窄的環境中能夠靈活應對各種工作情況。因此，底盤采用4個麥克納姆輪(Mecanum Wheel)，并分別用4個電機進行獨立控制，基本滿足了機器人在堆腔底部工作的靈活性要求[22.1.1 底盤麥克納姆輪的動力學分析根據相關資料，若要實現麥克納姆輪的全方向移動，需采用的排列方案如圖3所示。根據這種排布方案，對麥克納姆輪的全方向運動進行動力學分析。圖3中以底盤中心為O點建立坐標軸，l1 和 l2 分別為麥克納姆輪中心到底盤中心的水平距離和豎直距離，α 為輥子與豎直方向的夾角 [3]。

　　以輪 1 的麥克納姆輪為例，將輪 1 中心在平面上的運動分解為水平方向 x 與豎直方向 y 兩個方向的運動分別進行計算。

　　2.1.2 底盤典型運動狀態計算

　　根據底盤與麥克納姆輪的相關資料，得出=275mm，

　　1-220mm，R-76.1mm，a-45，并對工作中典型的運動狀態進行計算。

　　(1)機器人向各方向平動。針對機器人的復雜工作環境，要求機器人能夠沿各個方向進行平動

　　(2)機器人轉向(繞中心旋轉)。為實現機器人的轉向，需要實現機器人繞中心旋轉，即將 vx=0 和 vy=0 代入式(6)，得出：

　　(3)機器人繞探測器中心旋轉。機器人在即將完成探測器的安裝時，需要將固定銷釘插入到探測器井的插孔中，以完成探測器井與探測器的固定。插裝固定銷釘前需要將銷釘插裝機構與探測器井的銷釘孔對齊，需要機器人能夠繞探測器中心進行旋轉。針對這種情況，只需將 O 點轉化為探測器的圓心(即托盤的圓心)，將對應的 l1 和 l2 代入式(6)，以繞中心旋轉的方式進行計算，如圖 4 所示。

　　2.2 探測器提升機構設計探測器提升機構主要由提升電機、旋轉電機、探測器固定托盤以及絲杠滑軌組等組成，以完成探測器的抬升和旋轉，如圖5所示。

　　2.3 螺釘(銷釘)插裝機構設計傳統機器人的螺釘安裝方式為機器人攜帶螺釘，通過機械臂和末端工具將螺釘從機器人身上取出再安裝在指定位置"。這種安裝方式雖然簡單方便，但是需要較大的工作空間。即使不采用機械臂也必須存在取螺釘和安螺釘兩個過程。這期間的來回運動存在螺釘掉落的風險，可能會對機器人造成損害，且需要工作人員進入高輻照的工作環境尋找螺釘。本文設計的機器人的螺釘插裝機構只需做簡單的伸進和旋轉，即只需將螺釘插入到孔中即可，避免了螺釘的移動和對孔安插，如圖6所示。

　　探測器安裝前，在連接孔處安裝一個螺釘存放環，將每個螺釘放在圓環中對應的螺釘孔處。安裝螺釘時，提升模塊先將插裝機構提升到機器人之上，再通過托盤的提升和旋轉帶動探測器將螺釘孔和插裝機構對齊，而插裝機構直接伸入將外環的螺釘擰入即可。隨后，托盤的旋轉帶動探測器旋轉固定角度將螺釘一個一個插入。

　　銷釘插裝機構與螺釘插裝機構同理，只需在原本的安裝座上替換成銷釘插裝機構即可，，同時其底部帶有電磁鐵，以防止固定銷釘掉落。安插銷釘時，提升模塊先將插裝機構提升到與探測器井的銷釘插孔平齊，隨后機器人整體繞探測器中心軸(即探測器井中心軸)旋轉使插裝機構與銷釘孔對齊，再旋轉托盤帶動探測器使探測器上的銷釘插孔與探測器井的插孔對齊。全部對齊完成后，銷釘插裝機構伸入將銷釘插入孔中，如圖7所示。

　　2.4探測器臨時固定機構設計

　　探測器臨時固定機構的兩個固定爪的中心與提升機構托盤的中心(即探測器軸心)重合。探測器臨時固定機構在整個安裝過程中的具體工作流程如下。

　　步驟1：提升電機帶動絲桿旋轉，使臨時固定機構沿滑軌上升。

　　步驟2：當臨時固定機構提升到頂部時，上固定爪的圓柱形卡扣剛好與探測器井的銷釘插孔在同一平面，此時機器人繞探測器中心進行旋轉使卡扣與銷釘孔對齊，并加緊上固定爪使卡扣插入其中，從而完成臨時固定機構與探測器井的固定。

　　步驟3：固定完成后斷開連接電磁鐵，此時臨時固定機構已經與機器人分離，并由臨時固定機構上的電機帶動整個下半部分向上提升完成脫離。

　　步驟4：脫離完成后，臨時固定機構開始工作。需要固定探測器時，下固定爪對探測器施加一定大小的壓力，通過摩擦力保證探測器不會掉落，隨后機器人可以離開去取下一節探測器，如圖8(a)所示。探測器安裝過程中，上固定爪固定不動，下固定爪不斷張開和加緊，以完成探測器的安裝。

　　步驟5：當所有節探測器通過臨時固定機構固定在探測器井時，機器人在底部托盤上安裝頂升塊，并將螺釘插裝機構替換為銷釘插裝機構。頂升塊為一個圓柱體將探測器提升到一個更高的位置，以完成銷釘的插裝。插裝前，需要將臨時固定機構與探測器井脫離，即臨時固定機構的下固定爪抱緊圓柱形的頂升塊，上固定爪張開與探測器井脫離，如圖8(b)所示。安裝銷釘時，托盤的提升會使上固定爪離開銷釘孔的位置，從而能夠進行銷釘的安裝。銷釘插裝完成后，托盤帶動頂升塊和臨時固定機構向下移動，完成臨時固定機構與機器人的簡單連接，最終機器人將臨時固定機構帶出。

　　3　托盤和提升支架的靜力學分析

　　提升機構中的托盤在整個機器人的工作流程中具有重要作用。因為它需要在大多數時間承受探測器的重量，所以它的強度關系到探測器能否安全安裝。本文使用ANSYS軟件對托盤和提升支架進行靜力學分析。

　　首先，定義托盤和支架的材料為304不銹鋼。材料的具體參數如表1所示15其次，導入三維模型，簡化修改三維模型后開始劃分網格，并細化可能產生較大應力的部分。劃分網格后，開始施加約束。探測器與托盤的接觸采用摩擦接觸，摩擦系數取0.4。

　　在支架左右兩個端面施加Z方向與X方向的約束模擬滑軌，并在絲桿螺母處施加固定約束。分別放置最小直徑探測器底座(127mm)和最大直徑探測器底座(203mm)進行模擬，且兩者都采用探測器的最大重量110kg.

　　最后，求解得出應力云圖、應變云圖以及變形云圖。

　　由于兩種探測器的結果十分接近，因此只取其中一種情況。托盤和提升支架的應力云圖，如圖9所示。圖9中的最大應力為146.18MPa，小于其屈服強度205MPa，說明應力符合設計要求。

　　4結語

　　針對新型核探測器安裝方式，本文設計了一款能夠在堆腔底部獨立完成探測器分節安裝的探測器輔助安裝機器人。具體地，主要闡述該機器人機械部分中各個機構的設計，說明了關鍵的工作流程，分析和計算了底盤麥克納姆輪的運動，并對托盤和提升支架進行了靜力學分析。該機器人通過4個麥克納姆輪的獨立控制實現了在堆腔底部的靈活運動，并通過各個安裝機構的相互配合完成了探測器的安裝，具有一定的可靠性和實用價值，為將來的樣機制造奠定了基礎。

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