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极端环境下压力容器检查机器人技术

【技术开发单位】哈尔滨工业大学

【技术简介】核电运行安全问题已成为全球瞩目的焦点问题,定期、非定期的检修与维修是核电安全运行的必要保障,目前我国核电站的重要检修技术和装备完全依赖进口,已成为我国核电整体安全运行的瓶颈问题。核反应堆压力容器是核电站中最关键的一级部件之一,课题组研制了具有自主知识产权的核反应堆压力容器检查机器人系统,实现了核反应堆压力容器自动化检查,其遥操作系统具有全三维动态模拟及实际控制、可离线编程仿真、测量及干涉检测等功能。核反应堆热交换器是核电站中除压力容器外又一个最关键的一级部件,在其投入运行前以及运行期间同样需要进行定期检查以确保核电站的安全运行。研制了具有自主知识产权的核反应堆蒸发器传热管爬行式检查机器人,2013年2月利用本系统顺利的完成了大亚湾核电站岭澳1号机组的在役检测。

【技术特点】(1)面向复杂环境特征的机器人综合设计方法核电站等环境特征复杂,具有空间狭小、管网密布、深水等不同特征,对机器人移动能力和灵巧操作能力具有极高的要求,使机器人同时具备运动灵活性、定位准确性和操作稳定性,是机器人设计面临的科学挑战。针对各种环境特征及特殊作业任务,建立了综合工作空间、位姿奇异、承载能力、精度与刚度等多参数综合优化方法,重点解决静态与动态性能、重载操作与灵巧运动等多约束冲突,实现运动与作业功能高度集成的机器人构型综合及结构优化。

(2)核环境服役机器人性能加固与安全服役技术核环境存在高辐射、强腐蚀、高温等,将引发机器人内部半导体器件、集成电路等电离损伤或失效,导致机器人系统性能的退化和破坏,因此建立有效的机器人性能加固与安全防护机制,是实现机器人连续安全服役的重要基础。申请者初步探明了机器人在辐射、真空、高温等多物理场作用下的退化、损伤与失效机理,提出了机器人材料-元件-部件-系统等多级性能加固、损伤防护与系统集成技术,建立了结构优化、冗余容错、时间防护等多种方法组合的安全服役策略,有效提高机器人系统在特殊服役环境下的可靠性与安全性。

(3)特殊环境服役机器人分布式遥操作控制技术由于存在高辐射、高温、高压、高度屏蔽等复杂物理特征,通讯能力受到极大限制,遥操作技术成为核电站机器人维护作业的必要性、支撑性技术。针对核环境无网络条件下的高效人机交互与协同作业问题,建立了多操作者-多机器人智能共享的分布式遥操作控制体系结构,提出基于虚拟向导技术辅助操作者作业的人机交互方法,结合分布式虚拟环境一致性控制及预测显示技术解决通讯时延导致的稳定性难题,进一步提高遥操作机器人的作业效率及安全性。

【技术指标】控制系统整体要可靠性高、抗干扰能力强,能长时间运行在恶劣的工作环境下(连续运行10天以上),控制系统用气冷冷却;

运动控制器、驱动器应采用一体化设计,尺寸不大于1750px×1750px×1750px,总重量不大于40公斤,适合吊装并有把手适应两人搬运,外包装可承重80公斤以上,有抗震设计。

系统采用模块化设计,尽量选用国内能采购到的质量可靠的标准件,部件便于维修和更换,减少松动件(或采用防松装置),避免脱落;

控制系统各部分(计算机、控制驱动器、电源部分)应有包装箱用于长途运输和搬运;控制器内电气布线,规整,标识清晰。

机械手工具端的扫查速度在0~150mm/s连续可调。

虚拟仿真模型与机械装置的实际运动延迟不超过0.1秒。

控制系统与机械装置联调时,定位精度与重复精度要求在+/-5mm之间。

【技术水平】国际先进

【可应用领域和范围】核、化学等极端环境下压力容器检查。

【专利状态】已申请专利1项,申请软件注册权4项。

【技术状态】小批量生产阶段

【合作方式】技术转让、合作开发

【投入需求】根据合作情况确定

【转化周期】2年

【预期效益】2011年2月,压力容器检查机器人系统已顺利通过了由CNPO组织的UK-IVC(英国验证中心)认证,是国内首个通过IVC认证的具有自主知识产权的核反应堆压力容器检查机器人系统,具备了在核反应堆实际现场应用的资质,同时打破了此类产品被西屋等国外公司长期垄断的局面。已在秦山、大亚湾等核电站完成十余次反应堆机组的役前、在役检测任务。

本项目如应用在其他相关极端条件下压力容器检测,替代国外同类产品,将产生较大的经济、社会效益。

  【联系方式】王  林  0451-86403078/15846581523