自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制.pdf

1、近年來(lái)，我國(guó)核電站在高精尖設(shè)備研發(fā)及技術(shù)開(kāi)發(fā)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，形成了一系列具有代表性的出口產(chǎn)品，但是也有部分核電站設(shè)備和技術(shù)，仍然依賴進(jìn)口，不利于核電設(shè)備的升級(jí)改造和維護(hù)，以及核電站技術(shù)的整體出口。作為核電站“三廢”（廢物、廢氣、廢液）處理系統(tǒng)之一的固體廢物處理系統(tǒng)在核電站的能量循環(huán)系統(tǒng)中處于非常重要的位置，而自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人作為該系統(tǒng)的核心設(shè)備，在我國(guó)核電站一直依賴國(guó)外進(jìn)口。本文開(kāi)展的工作即是針對(duì)核電站固體廢物處理系統(tǒng)中的自動(dòng)開(kāi)封

2、蓋機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制進(jìn)行的研究，旨在打破國(guó)外壟斷，研制具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備。自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人是固體廢物處理系統(tǒng)中最精密的設(shè)備，用于對(duì)貯存中、低放射性廢物的400L金屬桶進(jìn)行開(kāi)蓋和封蓋操作。本文主要研究工作如下：
　　1、論述了基于模塊化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，按功能將自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人分成平動(dòng)模塊、升降模塊、定位模塊、桶蓋分離模塊、擰緊軸模塊和支撐存蓋模塊等六大功能模塊，詳細(xì)闡述了每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方法和

3、功能，并且對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了受力仿真分析。同時(shí)對(duì)自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人的桶中心定位、螺釘及螺釘孔定位、無(wú)動(dòng)力存放桶蓋等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究并提出實(shí)現(xiàn)方法；
　　2、為解決由于自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中存在間隙特性，影響定位模塊的定位精度問(wèn)題，根據(jù)旋轉(zhuǎn)模塊的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種機(jī)械消隙裝置，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了該裝置的有效性。同時(shí)針對(duì)平動(dòng)模塊及升降模塊存在的絲杠傳動(dòng)反向間隙，提出了一種基于前饋控制的間隙區(qū)加減速控制方法，通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了

4、該方法的有效性；
　　3、整個(gè)自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人工作流程中最關(guān)鍵的任務(wù)是保證盛裝固體廢物的金屬桶的緊固螺釘?shù)臄Q緊質(zhì)量。為解決擰緊軸擰入螺釘操作在常規(guī)控制方法下經(jīng)常出現(xiàn)扭矩超調(diào)的問(wèn)題，基于擰緊軸模塊的設(shè)計(jì)，建立了相應(yīng)的擰緊軸模型和擰緊過(guò)程模型，并將兩者結(jié)合成一個(gè)整體模型。在此模型基礎(chǔ)上，針對(duì)非線性的扭矩-轉(zhuǎn)角系數(shù)，提出了一種基于反演控制（Backstepping Control）的模糊自適應(yīng)控制方法，同時(shí)進(jìn)一步簡(jiǎn)化擰緊軸系統(tǒng)模型，在把

5、扭矩-轉(zhuǎn)角系數(shù)簡(jiǎn)化成一個(gè)常數(shù)的情況下，提出了一種增強(qiáng)型變?cè)鲆鍼ID（Proportion Integration Differentiation）控制器。經(jīng)過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，兩種控制方法的控制性能顯著優(yōu)于常規(guī)的控制方法，使螺釘?shù)臄Q緊質(zhì)量得到保證；
　　4、結(jié)合故障模式、影響和危害性分析（Failure Modes and Effect Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）和故障樹(shù)分析（Fault Tree A

6、nalysis，F(xiàn)TA）兩種可靠性設(shè)計(jì)中的分析方法對(duì)初步構(gòu)建的自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人硬件平臺(tái)進(jìn)行故障分析，在此基礎(chǔ)上篩選出自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人的關(guān)鍵故障點(diǎn)，并針對(duì)這些關(guān)鍵故障點(diǎn)進(jìn)行了自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人的可靠性分析和改進(jìn)；
　　5、在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了動(dòng)力設(shè)備及關(guān)鍵部件的選型計(jì)算和分析，在確保滿足各項(xiàng)功能的前提下，基于上述研究工作，研制了一臺(tái)自動(dòng)開(kāi)封蓋機(jī)器人原理樣機(jī)，通過(guò)對(duì)原理樣機(jī)的系列實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以及控制方法的合