【摘要】：核電封頭與管座的焊接是核電站反應(yīng)堆壓力容器制造中的關(guān)鍵問題之一。目前主要依靠人工焊接完成,焊接效率低,焊接質(zhì)量難以保證。在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“核電封頭與管座復(fù)雜空間型面焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)方法研究”支持下,本文開展核電封頭與管座的機(jī)器人焊接研究,針對(duì)特殊的焊接需求與作業(yè)環(huán)境,提出一種新的焊接機(jī)器人總體方案,并針對(duì)該機(jī)器人開展運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究。首先,核電封頭與管座之間的施焊空間小、焊道形狀復(fù)雜,管座數(shù)量多、在核電封頭上呈離散分布狀態(tài),焊接作業(yè)面積大、范圍廣。本文為適應(yīng)特殊工況對(duì)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,并提出兩種適合該作業(yè)環(huán)境的橫跨式移動(dòng)焊接機(jī)器人構(gòu)型方案。分別為一體式機(jī)器人和分離式機(jī)器人。其次,針對(duì)移動(dòng)焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)高效運(yùn)動(dòng)算法開發(fā)的需要,提出一種拓?fù)?參數(shù)-軌跡三層次結(jié)構(gòu)的機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃的新方法。在步態(tài)拓?fù)湟?guī)劃層次完成機(jī)器人移動(dòng)步態(tài)類型規(guī)劃工作,在步態(tài)參數(shù)規(guī)劃層次完成對(duì)步態(tài)中特征參數(shù),如高度、長(zhǎng)度、時(shí)間及半徑的設(shè)定任務(wù)。在步態(tài)軌跡規(guī)劃層次完成移動(dòng)機(jī)器人足端的移動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)任務(wù)。通過三層次結(jié)構(gòu)的步態(tài)規(guī)劃方法,有效降低焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)軌跡計(jì)算工作量,提高在線規(guī)劃效率,為下一步復(fù)雜環(huán)境下基于視覺實(shí)時(shí)測(cè)量反饋的機(jī)器人焊接作業(yè)提出在線規(guī)劃算法。接著開展了移動(dòng)焊接機(jī)器人作業(yè)路徑與作業(yè)軌跡規(guī)劃研究。提出橫向掃掠、斜向掃掠、徑向掃掠三種焊接作業(yè)路徑來覆蓋核電封頭上全部管座,實(shí)現(xiàn)了焊槍作業(yè)的軌跡規(guī)劃。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了移動(dòng)焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序系統(tǒng),為用戶設(shè)計(jì)了焊接系統(tǒng)操作端,進(jìn)行了數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)研究,初步驗(yàn)證了全文整體規(guī)劃的可行性。
【圖文】：

圖 1-1 典型核電封頭剖視圖Fig.1-1 Sectional view of a typical reactor vessel head有許多管座，使得控制棒可以上下移動(dòng)。這些控止核反應(yīng)加熱容器中的水。核電封頭上的孔即為本 CRDM（Control Rod Drive Mechanism）管座，鉻上下運(yùn)動(dòng)[1]。本課題的目的是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接 CRD焊接過程的要求和難點(diǎn)，，從而制定全面可靠的焊接成與人工作業(yè)相媲美的結(jié)果。研究現(xiàn)狀與分析機(jī)器人介紹人發(fā)展歷程代以來, 我國(guó)開始了焊接機(jī)器人的研究。1985 年哈器人。1989 年，北京機(jī)床研究所和華南理工大學(xué)為

而目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在 CRDM 管座的自動(dòng)焊接的制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟。很多國(guó)外公司制造的焊接設(shè)備如窄間隙埋弧焊機(jī)、窄間隙 TIG 自動(dòng)焊機(jī)、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) CRDM 專用焊機(jī)、管一管及管板 TIG 自動(dòng)焊機(jī)等都已經(jīng)成功地應(yīng)用在核電建設(shè)中。如法國(guó)的 POLYSOUDE，美國(guó) AMI，MAGNATECH，德國(guó)ORBIMATIC，加拿大 LIBURDY，日本 HITACHI 、AICHI，韓國(guó) PAVETECH 等[12]。尤其是 POLYSOUDE 公司占有較大的市場(chǎng)份額。POLYSOUDE 公司與韓國(guó)PAVETECH 公司在網(wǎng)上已經(jīng)可以找到成熟的專用 CRDM 管座焊機(jī)。國(guó)外的核電研究熱點(diǎn)在于核電的檢修上，因?yàn)樽?2003 年以來，已經(jīng)有很多國(guó)外核電站報(bào)道出現(xiàn)水應(yīng)力腐蝕裂紋（PWSCC）導(dǎo)致的核電封頭泄漏的情況[13]。對(duì)核電封頭的無損檢修，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的維修、更換技術(shù)，焊縫的強(qiáng)化成為了一個(gè)難點(diǎn)。如韓國(guó)通過 3D 激光視覺傳感器自動(dòng)生成焊接路徑，并指導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行焊接修復(fù)[14]，日本有學(xué)者將超聲噴丸強(qiáng)化技術(shù)運(yùn)用于核電包括封頭 J 型焊縫的很多關(guān)鍵部位[15]a.天津大學(xué)焊接機(jī)器人 b. POLYSOUDE 焊接機(jī)器人圖 1-2 現(xiàn)有 CRDM 管座焊接機(jī)器人示例Fig.1-2 Example of existed CRDM welding robot
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM623;TP242

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