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《哈尔滨工程大学》 2009年
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蒸汽发生器检修机器人样机研制及其关键技术研究

吴健荣  
【摘要】: 核能是人类可用能源的重要组成部分,核电年发电量占世界发电总量的17%。随着国家《核电中长期发展规划》的实施,未来20年我国核电业将持续快速发展,核电站在役检修需求也将急剧增加。蒸汽发生器(简称SG)是核动力装置中连接一、二回路的关键设备,也是发生故障最多的设备之一。在核电站在役检修中,SG检修机器人是一项关键技术。论文的研究工作来源于“蒸汽发生器一次侧检修机械臂研制”高新工程项目。论文对国内外SG检修机器人的研究现状进行综述,对SG检修机器人的总体方案、构型、运动学建模与碰撞检测、高性能关节等方面的关键技术进行深入研究,研制出工程实验样机。 为满足多种SG、多项检修的需要,提出基于虚拟主手的通用SG检修机器人总体方案。对SG检修机器人结构进行模块化设计,由不同尺寸的连杆和脚部模块组装出适合不同型号SG的检修机器人。建立以工作站+CAN总线+多DSP控制器为主体的开放式机器人控制系统。针对虚拟主手,提出模块化的虚拟主手方案。 论文对SG检修机器人的构型进行分析与综合。基于D-H参数对机器人构型进行拓扑分类,得到32类三自由度臂部结构。研究位置雅可比与构型奇异性、构型负载性能之间的关系,区分出12类结构奇异构型和20类非结构奇异构型,并得出10类负载性能较好的非结构奇异构型。编制三自由度臂部结构分类表,用于指导机器人的构型设计。结合SG检修的应用要求,设计可以“手脚互换”的准7自由度机器人构型。为了论证SG检修机器人安装过程的可行性,给出约束工作空间的数学表达式,运用蒙特卡罗法求解约束工作空间,得出机器人的可行安装区。 针对冗余自由度机器人的逆运动学问题,提出“伪固定关节”逆解方法,并给出其适用条件。结合SG检修机器人的运动特点,运用“伪固定关节”法推导出封闭形式的运动学逆解方程。在基于虚拟主手的主从作业模式下,适时调整伪固定关节的角度值,得到满足避碰要求的逆解。基于几何建模方法研究机器人与SG水室的碰撞检测问题。建立机器人和SG水室的几何模型,给出几何体间的距离计算方法,通过求解几何体间的最小距离解决碰撞检测问题。 研究适合在SG水室内工作的高性能机器人关节。基于机器人运动误差的概率模型对SG检修机器人进行精度设计,推算出关节所需的运动控制精度。针对单个旋转变压器测量精度不足的问题,提出双旋转变压器信号合成与高精度谐波减速器相结合的检测策略,实现高精度位置反馈。对关节结构进行设计,得出满足SG检修特殊使用要求的机器人关节。 搭建SG检修机器人实验平台,对关节模块、脚部模块、整体样机进行实验研究,验证理论分析的正确性与总体方案的合理性。在模拟现场试验条件下,SG检修机器人成功实现了自动“堵管”作业。
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