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细小工业管道群管束间狭窄空间检测机器人系统的研究

李旻  
【摘要】:核电是和平利用核能的典范,蒸汽发生器是核电厂的关键设备,“细小工业管道群管束间狭窄空间检测机器人系统(简称管间机器人系统)的研究”是应蒸汽发生器传热管自动化检查的需要而开展的,本项目是国家自然科学基金重点资助项目——“面向管道检测的多微机器人移动、控制、协调及集成技术”(编号:69889501)的子课题。本文对用于蒸汽发生器传热管外表面检测的机器人技术进行了有益的、积极的探索,成功研制了一套面向蒸汽发生器传热管检测的管间机器人样机系统。 管道机器人是特种机器人技术研究的一个热点,目前管道机器人的研究工作主要集中在管内机器人上,管外机器人的研制由于没有管道内封闭圆柱面的导向或支撑作用而显得更加困难。目前国内尚无自主研制的用于蒸汽发生器传热管检测的实用化机器人问世,传热管的日常检查维护工作主要还是由人工来完成。传热管管束间隙非常狭窄,这使得传热管管间的检查工作异常困难,工人工作环境恶劣,劳动强度很大。 本文首先介绍了压水堆核电厂的工作流程、蒸汽发生器的结构、作用及在役检查,对面向管道检测的机器人的国内外研究状况进行了调研,分析了实现蒸汽发生器传热管束外表面自动化检查的机器人的基本性能要求,提出了针对实际工况的管间机器人系统方案。 微型摄像头的横向移动是实现管束间检查的关键。本文提出了用伸缩模块将装载微型摄像头的小车送入每排管束间隙中检查的方法,研制了伸缩模块,实现了检查装置的横向移动功能。对柔性钢带进行了受力分析,建立了管间小车着地前柔性钢带的挠曲线微分方程,并将其线性化后求出了挠曲线微分方程的通解,对管间小车的着地点位置和运动状态变化过程进行了理论分析。 通过研究,本文提出了3-CSR并联平台式机器人结构形式,建立了3-CSR并联机构模型,用矢量代数方法对其进行了运动学位姿正反解分析,推导出了求解的方程组,给出了样例计算结果。提出了用微小型3-CSR并联机构来调整微型摄像头位姿的方法。对SMA双程驱动器进行了分析比较,研制了用偏动式SMA双程驱动器驱动的微小型3-CSR并联机构,设计了偏动式SMA双程驱动器,确定了SMA弹簧和偏压弹簧的参数,实现了微型摄像头的位姿调整,扩大了视频检查的范围。 管间机器人自身位置的确定是其正常工作的基础。本文提出了采用定位模块,借助传热管外表面实现管间机器人在蒸汽发生器中定位的方法。研制了一套主要由一个丝杆螺母机构、两个对称的滑杆曲柄机构和两个对称的平行四边形机构组成的定位模块,高效可靠地实现了机器人的定位。用全微分法对定位模块的 细小工业管道群管束间狭窄空间检测机器人系统的研究 误差进行了分析,给出了机构的位置误差与原动件位置误差和构件长度误差的关 系,为构件的公差确定提供了理论依据。 本管间机器人的控制系统由两级计算机组成。上位PC机履行显示监控功能。 上、下位机间通过RS一232C总线串行通信。下位机系统由AT89C51型单片机和 外围的逻辑、驱动电路组成,包括单片机单元、通信接口单元、步进电机控制单 元、直流电机控制单元、并联机构控制单元、光隔与驱动单元和位置检测信号处 理单元。对纵向移动平台在每个管子中心距行程上的速度模糊控制系统进行了研 究。 针对缺陷检测,本文对管间机器人的视频检查系统进行了研究,提出了一种 根据管间视频检查图像对各区域进行评价的灰色评价方法,给出了评价样例。该 评价方法定性与定量分析相结合,以定量分析评价为主,把评价人员提供的分散 信息归纳成确切的评价值,能吸收各类基层信息做出高层次系统综合,比常用的 求和、求平均值法更符合客观实际,并根据该评价原理用VB编制了灰色评价程 序。 在以上各项研究工作的基础上,研制了一套面向蒸汽发生器传热管检测的管 间机器人实验系统,在蒸汽发生器传热管和管板的模拟平台上用该样机进行了管 间的自动化检查的实验,达到了研究目标。 最后根据实验结果将本管间机器人样机与国内外同类研究进行了对比,对本 文的研究工作和创新点进行了总结,并对后续研究进行了展望。 本管间机器人中有特色的三项技术己申请国家专利。


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