整体螺栓拉伸机螺栓重量补偿算法与机器人系统设计_刘士心.pdf

设 计 与 研 究83整体螺栓拉伸机螺栓重量补偿算法与机器人系统设计刘士心鹿帅刘治（中广核研究院有限公司，深圳 518028）摘要：螺栓旋拧机器人用于快速旋入和旋出核电站压力容器螺栓，是整体螺栓拉伸机的重要组成部分。为防止主螺栓在旋入或旋出压力容器过程中损伤压力容器螺纹，提出一种运动控制算法，以在旋拧螺栓过程中补偿螺栓重量。同时，为提高螺栓旋拧机器人控制系统的可靠性、安全性和运行效率，采用成熟的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）与伺服运动控制器，设计了一种高可靠性的螺栓旋拧机器人控制系统，实现了快速精准定位和螺栓旋拧控制。试验结果表明，该螺栓旋拧机器人运行效率高，旋拧螺栓过程中的重量补偿控制精度在螺栓重量的 5%以内，具有较高的可靠性，可确保不损坏压力容器螺纹。关键词：整体螺栓拉伸机；压力容器；螺栓旋拧机器人；重量补偿；控制系统Algorithm of Stud Weight Compensation and Robot System Design for Multi Stud Tension MachineLIU Shixin,LU Shuai,LIU Zhi(China Nuclear Power Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shenzhen 518028)Abstract:The stud turning robot is used to quickly screw in or spin out the pressure vessel stud in nuclear power station,it is the most important part of the multi stud tension machine.In order to prevent the damage to pressure vessel thread in the process of screw in or spin out studs,a motion control algorithm is proposed to compensate for the weight of the stud.While,in order to improve the reliability,safety and operating efficiency of the stud turning robot control system,the Programmable Logic Controller(PLC)controller and servo motion controller are used to design a high reliability of the control system.The test results show that the efficiency of the stud turning robot is high,and the precision of the stud weight compensation is less than 5%.It has high reliability and ensures that the pressure vessel thread is not damaged during the operation.Keywords:multi stud tension machine;pressure vessel;stud turning robot;weight compensation;control system整体螺栓拉伸机是核电站反应堆厂房重要的专用工具之一，主要用于反应堆首次装料或者维修冷停堆后，通过顶盖主螺栓的预应力安装和拆卸实现反应堆压力容器顶盖的关闭或开启1-2。整体螺栓拉伸机的电控系统主要由螺栓旋拧机器人、螺母旋转控制系统、提升系统、液压控制系统、远程操作与监控系统和隔离电源与分配系统组成，其中螺栓旋拧机器人是整体螺栓拉伸机核心控制系统之一。为了避免螺栓在旋入或旋出压力容器筒体时由于自身重力破坏压力容器螺纹而影响密封性给核电站的安全运行带来隐患，在螺栓旋拧机器人的控制系统设计时需要考虑螺栓的重量补偿。目前，我国在役或在建核电站使用的整体螺栓拉伸机大部分为国外进口产品，技术服务和支持不能得到及时保障。现有的整体螺栓拉伸机螺栓旋拧机器人在正常操作中存在因力矩参数设置不当、重量补偿算法精度不高等导致压力容器螺纹出现磕碰和划痕等缺陷，尤其人为增大旋拧力矩限值会导致螺栓不能正常旋出。通过研究整体螺栓拉伸机螺栓重量补偿算法和控制系统设计方法，进一步提高螺栓旋拧过程中的重量补偿精度和系统的可靠性，从而有效实现整体螺栓拉伸机的国产化应用推广。1螺栓旋拧机器人螺栓旋拧机器人是整体螺栓拉伸机的重要组成部分，用于将螺栓旋入或旋出压力容器螺纹孔。它主要包括驱动装置、机械手、控制柜和就地手操盒等2。图 1 为螺栓旋拧机器人的机械结构示意图。驱动装置主要包括驱动电机、驱动传动机构和定位传感器等。机械手主要包括提升电机、旋转电机、竖直运动组件、旋转运动组件、螺栓连接机构和测量传感器等3。2螺栓重量补偿算法研究螺栓重量补偿是螺栓旋拧机器人的关键技术之一，主要用于避免螺栓旋拧过程中损坏压力容器筒体螺纹。考虑机械手结构和传动特点，采用运动控制补偿方法，通过调整电机输入速度与力矩指令，使得螺栓运动在旋拧过程中处于平衡状态，以实现重量的动态补偿。螺栓旋拧过程中的运动可分解为沿轴向的直线运动和旋转运动，分别通过机械手的提升（或下降）和旋转运动控制实现4-7。图 2 和图 3 分别为螺栓旋拧DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0184现代制造技术与装备842023 年第 3 期总第 316 期机器人机械手的传动方案和实物图。若要实现螺栓的重量补偿，使螺栓在运动过程尽量保持动平衡，则需要减少螺栓重力方向合力。从运动学角度看，当物体保持匀速直线运动时，物体受力处于平衡状态8。因此，当旋转电机匀速旋转所产生的螺栓沿重力方向的直线运动速度与提升电机匀速旋转产生的丝杠的直线运动速度相等时，螺栓重量完全由提升装置承受，运动处于平衡状态，此时理论上螺栓重量被 100%补偿。图 1螺栓旋拧机器人图 2机械手传动方案提升电机的输出转速与旋转电机输出转速之间满足关系9 12SSLSLV P ZVKVP Z=（1）式中：VL为提升电机输出转速；Vs为旋转电机输出转速；Z1为提升装置丝杠传动比；PL为丝杠螺纹导程；Z2为旋转装置传动比；Ps为螺栓螺纹导程；K为比例常数。图 3机械手实物图理论上，可通过提升电机速度来精确跟随控制旋转电机速度实现螺栓重量补偿，但将导致提升电机与旋转电机两个控制系统产生耦合。在多级转速切换时，延长电机响应延迟会产生积累误差，且无法消除由传动机构导致的重量补偿误差。为解除提升电机和旋转电机速度控制之间的耦合关系，补偿传动机构导致的重量补偿误差10。这种耦合关系用螺栓重力方向的作用力W来表征。重量传感器的测量值W通过安装在旋转装置上的重量传感器测量。当机械手未连接螺栓时，将重量传感器测量值校正为 0 kg。当机械手连接到螺栓时，重量传感器的测量值W与理论加载在螺栓螺纹孔上的目标重量W0之差反映了W的大小。因此，实现螺栓重量补偿的控制系统的控制目标可以等效为W=W-W0（2）当W 0 时，螺栓过补偿，需要增大提升电机的速度；当W=0 时，螺栓重量 100%补偿；当W 0 时，螺栓欠补偿，需要减小提升电机的速度。因此，采用式（3）的运动控制策略实现传动机构导致的重量补偿误差。V1(t)=K1W（3）式中：V1(t)为提升电机重量偏差补偿速度。考虑现场使用工艺和工况下会切换转速，取K1=K1Vs。比例控制系数K2影响系统的超调和响应时间，增大K2容易导致力矩补偿过程中提升电机的力矩超过限值。K2需要通过试验来校正参数的取值。设 计 与 研 究85综上所述，根据螺栓旋拧速度和旋拧过程重量补偿偏差来实时控制提升速度VL，可实现螺栓重量动态补偿，重量补偿公式为11VL=KVs+K1W（4）3控制系统设计螺栓旋拧机器人的主要功能是实现螺栓定位、螺栓旋入与旋出控制和指示。机器人通过变频器驱动在工作平台上 360行走，由安装在机器人底部的射频读码器和红外感应传感器识别目标螺栓的位置并精准定位。螺栓旋入和旋出通过控制机械手实现。机器人运动过程中可能存在碰撞风险，因此在机器人的两侧各安装防干扰超声波感应传感器。通过预设报警值，可以自动防止机器人碰撞。在参数设计上，采用缺省值和授权保护方式，防止突然失电或者不当设置造成错误控制和保护参数12。这些参数主要包括螺栓定位保护、碰撞保护、机械手力矩保护和速度运行控制参数等。机器人状态参数通过现场总线通信方式发送到远程操作台进行存储和显示。重要的操作与状态指示参数也在机器人的控制柜和就地手操器上显示。机器人的控制系统需具备较高的可靠性和安全性，因此选用成熟的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）与伺服驱动控制器实现。其中：PLC 作为主控制器完成机器人的操作与指示、驱动定位、状态与参数测量、重量补偿算法以及将相关运动控制指令发送给伺服控制器等功能；伺服驱动控制器实现对机械手提升或旋转电机的速度与力矩等的测量和控制。为减少控制柜连接电缆，传感器通过现场总线模块将测量的数据发送至 PLC13-15。4试验与验证整体螺栓拉伸机机器人系统设计通过装有真实螺栓的试验台架多次进行开/关盖功能试验。试验过程确认和修正了相关测量和控制工艺参数。结果表明，螺栓旋拧机器人系统具有较高的可靠性和运行效率。试验过程中的重量补偿算法精度均小于螺栓重量的5%，性能良好。5结语采用运动控制方法提出了一种螺栓重量补偿算法，并采用 PLC 和伺服运动控制器等设计了一套螺栓旋拧机器人控制系统。在试验贮存装置和真实压力容器上进行多次开/关盖螺栓旋拧试验及应用，结果表明螺栓旋拧机器人控制系统可靠，运行效率高，重量补偿算法控制精度高（可以达到螺栓重量的 5%），且通用性较好。参考文献1 褚富国，隋炳利，黄海英.核反应堆压力容器螺栓拉伸机设计初探 J.一重技术，2001（增刊 1）：38-40.2 崔逊波，陈卓，刘石桥.整体螺栓拉伸机在反应堆压力容器密封作业中的使用控制 J.压力容器，2014（10）：69-74.3 刘俊杰，张征明，王敏稚，等.10 MW 高温气冷堆压力容器主螺栓液压拉伸机 J.核动力工程，2000（6）：503-506.4 胡寿松.自动控制原理 M.北京：科学出版社，2019.5 徐嵚，向楠.基于特征融合的螺栓拉伸机械臂视觉伺服控制研究 J.风能，2022（9）：74-81.6 菅佳乐，杨嘉，张荣勇，等.智能水下机器人在核电厂冷源高风险作业区的应用研究J.自动化应用，2022（8）：69-72.7 张志义，李彰，朱性利，等.核电应急处置机器人系统的开发与应用 J.中国应急管理科学，2021（6）：71-84.8 高治理，郭忠峰.码垛装车机器人伸缩臂设计 J.一重技术，2022（3）：49-53.9 李战东，陶建国，罗阳，等.核电水池推力附着机器人系统设计 J.吉林大学学报（工学版），2018（6）：1820-1826.10 潘晨.核反应堆压力容器检测机器人的结构智能优化方法 D.上海：东华大学，2018.11 马永红，刘伊威，何贇，等.核电站机器人技术现状及发展方向 J.中国高新科技，2022（16）：42-44.12 刘青松，张一心，向文元，等.核电站机器人技术应用现状及发展趋势 J.机器人技术与应用，2011（3）：12-16.13 李峰，邹堃，车凌云，等.超大伸缩比机械臂结构设计及其刚度优化方法 J.科学技术与工程，2021（33）：14153-14158.14 陈卓，刘满禄，张俊俊，等.堆外探测器辅助安装机器人设计与分析