自動開封蓋機器人系統(tǒng)設(shè)計及控制.pdf

1、近年來，我國核電站在高精尖設(shè)備研發(fā)及技術(shù)開發(fā)方面取得了長足的進步，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)，仍然依賴進口，不利于核電設(shè)備的升級改造和維護，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，而自動開封蓋機器人作為該系統(tǒng)的核心設(shè)備，在我國核電站一直依賴國外進口。本文開展的工作即是針對核電站固體廢物處理系統(tǒng)中的自動開封

2、蓋機器人的系統(tǒng)設(shè)計及控制進行的研究，旨在打破國外壟斷，研制具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化設(shè)備。自動開封蓋機器人是固體廢物處理系統(tǒng)中最精密的設(shè)備，用于對貯存中、低放射性廢物的400L金屬桶進行開蓋和封蓋操作。本文主要研究工作如下：
　　1、論述了基于模塊化設(shè)計思想設(shè)計的自動開封蓋機器人機械系統(tǒng)，按功能將自動開封蓋機器人分成平動模塊、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)闡述了每個模塊的設(shè)計方法和

3、功能，并且對關(guān)鍵部件進行了受力仿真分析。同時對自動開封蓋機器人的桶中心定位、螺釘及螺釘孔定位、無動力存放桶蓋等關(guān)鍵技術(shù)進行研究并提出實現(xiàn)方法；
　　2、為解決由于自動開封蓋機器人運行過程中存在間隙特性，影響定位模塊的定位精度問題，根據(jù)旋轉(zhuǎn)模塊的特點設(shè)計了一種機械消隙裝置，并通過仿真分析驗證了該裝置的有效性。同時針對平動模塊及升降模塊存在的絲杠傳動反向間隙，提出了一種基于前饋控制的間隙區(qū)加減速控制方法，通過仿真分析和實驗驗證，證明了

4、該方法的有效性；
　　3、整個自動開封蓋機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)的問題，基于擰緊軸模塊的設(shè)計，建立了相應(yīng)的擰緊軸模型和擰緊過程模型，并將兩者結(jié)合成一個整體模型。在此模型基礎(chǔ)上，針對非線性的扭矩-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，同時進一步簡化擰緊軸系統(tǒng)模型，在把

5、扭矩-轉(zhuǎn)角系數(shù)簡化成一個常數(shù)的情況下，提出了一種增強型變增益PID（Proportion Integration Differentiation）控制器。經(jīng)過仿真分析和實驗驗證，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）和故障樹分析（Fault Tree A

6、nalysis，F(xiàn)TA）兩種可靠性設(shè)計中的分析方法對初步構(gòu)建的自動開封蓋機器人硬件平臺進行故障分析，在此基礎(chǔ)上篩選出自動開封蓋機器人的關(guān)鍵故障點，并針對這些關(guān)鍵故障點進行了自動開封蓋機器人的可靠性分析和改進；
　　5、在機械系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了動力設(shè)備及關(guān)鍵部件的選型計算和分析，在確保滿足各項功能的前提下，基于上述研究工作，研制了一臺自動開封蓋機器人原理樣機，通過對原理樣機的系列實驗，驗證了本文所提的系統(tǒng)設(shè)計方案以及控制方法的合