核主泵螺栓檢測裝置的環形軌道平臺位姿調控并聯機構綜合

馬超群，杭魯濱，周路生，張寶軍

（1.上海工程技術大學，上海201600；2.國核電站運行服務技術有限公司，上海200233）

1 引言

核主泵被喻為核電站的心臟，其運轉可靠性對于核電生產具有重大意義。中空法蘭螺栓作為其重要連接部件，須定期進行嚴格的超聲檢測[2]。離線檢測屬于目前主流的檢測手段，其操作簡單、裝備設計簡單可靠。但這種方式檢測效率低，工作周期長，無法保證反應堆整體的完好性。文獻[3]設計了一種主泵螺栓的超聲檢測裝置，該裝置可以實現單個螺栓的自動檢測及遠程控制，但仍然難以達到在線檢測的要求，研制一種運行可靠、檢測迅速的中空法蘭螺栓在線檢測裝置勢在必行。新型在線檢測裝置（如圖1 所示）以圓環形軌道為基準平臺，保證檢測機構移動過程檢測探頭偏擺補償，徑向對準中空螺栓跟蹤移動等動作，實現環繞主泵的螺栓超聲檢測功能。軌道平臺相對主泵本體的六自由度位姿調控機構設計是保證主泵中空法蘭螺栓在線精準超聲檢測的關鍵環節；目前國內外六自由度調整機構的裝置研究大多集中在并聯機構這一熱點[4-6]，已設計了多種六自由度的平臺動作機構并實現成功運用。文獻[8]提出的Stewart 平臺機構現已廣泛運用到包括飛行模擬器、并聯機床、空間對接器、娛樂設施等行業，并出現了各種衍生機構。研究六自由度機構的新構型不僅具有重要的學術意義，還具有多樣的應用前景和實用價值。

將軌道平臺與主泵筒體間的六自由度相對位姿調控過程有序分解為幾何意義的水平度和同心度調節過程；以其軌道平臺位姿調控夾持為研究對象，構造對應的1T2R 水平度調整并聯機構和1R2T 同心度調整并聯機構，分析機構的裝配條件、選取機構驅動副。設計出具有定位調節雙重功能的解耦型六自由度軌道平臺調節新機構。

2 中空法蘭螺栓檢測裝置原理

團隊所研制的主泵中空螺栓檢測裝置由檢測組件、運行軌道、行走小車等部分組成，如圖1 所示。檢測時，首先需要安裝環形軌道，檢測桿作為末端執行器，實現自轉、上升、避障動作。圓環軌道平臺安裝過程中的高精度定位調節對于提高檢測效果至關重要，研制相應的環形軌道位姿調整及夾持機構是實現精準超聲檢測的核心技術。

圖1 中空法蘭螺栓檢測裝置Fig.1 Hollow Flange Bolt Detecting Device

3 軌道形位公差測度及軌道平臺位姿

整個檢測組件與行走小車以軌道平臺為基準進行操作；其姿態調整機構的構型設計是以探頭與中空螺栓接觸瞬間姿態為分析目標。引入形位測度思想，分解為具有幾何意義的水平度和同軸度兩個形位公差來表示；以此構造的解耦軌道平臺位姿誤差調整機構，分別對應水平度、同軸度指標。

3.1 檢測裝置末端誤差分析

軌道平臺形位測度的目標是確定機構設計期望輸出；保證檢測桿順利進入中空法蘭螺栓內孔完成螺栓檢測。從檢測桿末端狀態來看，影響檢測桿進入中空螺栓的形位姿態誤差主要包括兩種：桿件傾擺角度誤差與桿件定位誤差。

軌道俯仰傾擺所造成的檢測桿與螺栓軸線夾角誤差示意圖，如圖2 所示。夾角誤差的存在使得檢測探頭軸線偏離中空螺栓，誤差角過大將造成檢測需要進行頻繁的人工干預，甚至導致探頭損傷等嚴重后果。綜合考慮偏轉角疊加效應、檢測桿材料、檢測標準、檢測桿裝配間隙等因素，定義標準檢測參數：軌道平臺極限偏差角度，即定義了軌道平面度的要求。

圖2 桿件傾擺角度誤差示意圖Fig.2 Bar Tilting Angle Error Diagram

定位誤差可看作中空螺栓孔幾何尺度間隙偏差值及探頭與中空螺栓尺寸極限偏差的疊加。如圖3 所示，綜合考慮確定軸線徑向偏差極限裕量值A=4.5mm。即定義了軌道平臺同軸度要求。

圖3 桿件定位誤差示意圖Fig.3 Bar Positioning Error Diagram

調整軌道水平度、同軸度至關重要。通過環形軌道平臺安裝調控并聯機構的調節，不僅確保了檢測過程的順利進行，而且對于提高裝置的檢測效果，及時發現核主泵螺栓安全隱患也具有極其重要的意義。

3.2 誤差形位尺度與機構期望輸出映射

根據上述分析：可將形位尺度誤差分解為軌道平臺水平度誤差，以及軌道平臺軸心與主泵筒體軸心間的同心度誤差。軌道安裝自由度包括三方向的移動和繞三個軸的轉動，所設計的安裝調節裝置應當使全部六個自由度方向可調節。

如圖4 所示，基于軌道平臺形位測度及簡化并聯機構設計兩方面考慮，期望以軌道平臺x、y軸方向的移動和z軸方向的轉動來構造一種平面并聯調節機構（2T1R）；以軌道平臺繞x、y軸方向的轉動和z軸方向的移動來構造一種空間并聯調節機構（1T2R）。

圖4 軌道平臺位姿期望輸出解耦分析Fig.4 Decoupled Analysis of Orbital Platform Degrees of Freedom

兩并聯機構的動平臺為同一圓環軌道平臺，并聯裝置通過串聯協同實現軌道平臺六自由度高效有序調節。

4 調整并聯機構綜合

軌道平臺位姿調整的并聯機構綜合分兩部分進行，即首先對實現同心度調節三維平面兩平移一轉動（2T1R）機構進行選型綜合，接著對兩轉動一平移（2R1T）水平度調節機構進行機構綜合，以及機構解耦性分析。

4.1 兩平移一轉動平面并聯機構構形綜合

為實現操作空間的充分利用和提高機構可靠性，同心度調節機構設計為一種平面并聯調節裝置，實現軌道平面內x、y軸方向移動和繞z軸方向的轉動調節（記作2T1R）。調節機構位于軌道平面內，可以看作是調節軌道中心線與主泵圓柱體中心線的相對位置。基于平面機構的拓撲理論，整個設計過程如下：

4.1.1 構造并聯機構

考慮到支路調節的方便和對稱性，優選支路組合方案[1]：

4.1.2 并聯機構運動特征分析

同心度調節機構符合設計需求，其機構簡圖，如圖5 所示。同心度調節機構自由度：F=3（n-1）-2PL-PH=3。

動平臺有一個繞R軸線的獨立轉動元素，在垂直于R軸線的平面內，有兩個獨立位移元素。

圖5 同心度調節機構簡圖Fig.5 Concentricity Adjustment Mechanism

4.2 兩轉動一平移并聯機構構型綜合

兩轉動一平移（2R1T）并聯機構的作用是調節軌道平臺水平度與高度。實現軌道z軸方向移動調節和繞x、y軸方向的轉動調節（記作2R1T）。調節機構為空間并聯機構，結合機構拓撲結構設計理論與實際動作空間分析，整個機構拓撲設計過程如下：

4.2.1 構造并聯機構支鏈

由分析可知，水平度調節機構為1T2R 并聯機構，Mpa的表達式如下：

圖6 水平度調整機構簡圖Fig.6 Level Adjustment Mechanism Diagram

4.2.2 機構自由度計算

已知支路拓撲結構與兩平臺裝配的幾何條件，以此來確定機構自由度。首先確定第一個獨立回路的獨立位移方程數ξL1：

依據消極副判定準則和相關的計算過程[1]，可判定P11副不是消極運動副。同樣可證明該機構的所有運動副都不是消極運動副。

4.2.3 機構驅動副選取可行性分析

基于驅動副判定準則[1]，剛化三個移動副P11，P12和P13，取R12與R13副的兩軸線交點為基點O′，由串聯機構POC 方程，其末端構件POC 集分別為：

如圖6 所示：該機構基點O′位置，平臺傾擺由P21、P31副的輸入確定，平臺繞R12、R13軸的俯仰運動由P11輸入，該機構具有部分解耦性，有利于實際調節操控。

5 軌道平臺并聯機構解耦調整機構

由以上水平度、同心度機構綜合，得出軌道平臺調整組合結構，如圖7 所示。主泵泵體看作并聯機構的靜平臺，軌道平臺看作并聯機構動平臺，同軸度和水平度調整機構可實現解耦順序調整，一般先進行水平度調整，再進行同心度調整。

圖7 環形軌道平臺并聯調整機構簡圖Fig.7 Schematic Diagram of Parallel Adjustment Mechanism of Circular Track Platform

為滿足軌道調整裝置水平度調節機構快速安裝拆除的設計要求，在每條支鏈的兩端設計快手夾具，如圖8（a）所示。真空海綿吸具，如圖8（b）所示。作為連接構件和定平臺支點，以保證檢測裝置實現輻射環境下無干涉安全操作；同心度調節裝置則抽象為螺紋副驅動的柔性同心度調節支路，結構如圖8（c）所示。在實際操作中先進行水平度調節操作，三條支鏈主動驅動長度可通過運動學正逆解得到，調整后可使得軌道平臺水平度達到工程預設精度標準，接著進行同心度調節固定操作，直至軌道同心調節達到工程預設精度標準。兩并聯裝置的串聯操作，保障了整個調節系統解耦性，使得操作簡單、迅捷。所研制機構有待進一步調試，目前裝備制造進展，如圖9 實物圖所示。

圖8 環形軌道平臺并聯調整機構Fig.8 Circular Track Platform Parallel Adjustment Mechanism

圖9 中空法蘭螺栓檢測設備實物圖Fig.9 Hollow Flange Bolt Testing Equipment

6 結論

（1）提出基于軌道形位誤差測度的軌道平臺位姿調控方法，即將軌道平臺六自由度姿態分解為水平度調節部分與同軸度調節部分，基于此期望需求分別綜合對應并聯機構。（2）基于方位特征集的拓撲機構設計理論，對水平度調節并聯機構、同軸度調節機構進行構型綜合，并驗證設計構型的驅動副選擇可行性，得到滿足實際工程應用的新型機構。（3）基于軌道平臺順序安裝調整操作機理，通過兩并聯機構串聯耦合，完成軌道平臺調整機構的總成構型設計，該軌道平臺調整裝置的設計方法具有實用價值和推廣性。