廢棄鈉鉀合金起泡器搬運機器人自動上料裝置設計

姚澤文， 王榮東， 謝 淳， 樸 君， 韓新梅

(中國原子能科學研究院， 北京 102413)

中國實驗快堆及相關涉鈉實驗室部分氬氣系統采用鈉鉀合金起泡器來凈化氬氣中的氧和水雜質。鈉鉀合金起泡器到壽期后需更換，拆卸下來的鈉鉀合金起泡器存儲于廢棄堿金屬暫存庫內。部分鈉鉀合金起泡器由于存放多年，密封性遭到破壞，其內部的鈉鉀合金可能與空氣中的水和氧氣發生緩慢反應，發生了蝕化，并生成了化學性質極為活潑、易爆炸的過氧化物或超氧化物，其經震動摩擦或與微量水接觸可能導致劇烈燃燒，甚至爆炸，在搬運過程中存在非常大的安全隱患。

傳統的廢棄堿金屬存儲罐搬運多為人工搬運或需要人工參與，工作強度大、效率低，且極容易出現堿金屬泄露燃燒甚至爆炸等事故。因此，引入無人搬運裝置技術就顯得十分必要。目前國內廠商多專注于巡檢機器人、消防機器人、家用機器人的研發[1]，針對特種行業、特種環境下執行特定任務的機器人(特別是小型重載機器人)研發方面投入較少[2]。為解決堿金屬氧化物容器安全裝載、搬運的難題，本文設計研發了一種廢棄鈉鉀合金起泡器搬運機器人自動上料裝置機構，其利用機械手的高柔性配合自主設計機器人末端執行機構來實現廢棄鈉鉀合金起泡器搬運機器人自動上料裝置的要求，并通過仿真驗證機構的可靠性。以期通過設計的自動上料裝置完成鈉鉀合金起泡器等涉堿金屬廢棄容器的安全裝載和搬運。

1 自動上料裝置動作流程設計

廢棄鈉鉀合金起泡器搬運機器人自動上料機構的動作流程如圖1所示。其主要完成以下動作：

圖1 動作流程

1)機器人達到指定位置，準備裝載堿金屬存儲罐。

2)發送控制指令，爪夾電機啟動，抓手完全打開。

3)翻轉電機啟動，機械臂下降。

4)機械臂下降到位，機器人向后移動，使罐體到達適合的抓取位置。

5)發送控制指令，爪夾電機啟動，抓手閉合，卡緊固定存儲罐。

6)翻轉電機啟動，機械臂上升。

7)機械臂上升到位，完成上料裝載動作，機器人前往存儲庫。

8)機器人到達存儲庫卸料地點，翻轉電機啟動，機械臂下降。

9)機械臂下降到位后，抓手張開，完成卸料。

10)機械臂歸位。

2 自動上料裝置機械結構設計

廢棄鈉鉀合金起泡器搬運機器人自動上料裝置包含加持機構和翻轉機構。其中夾持機構包含夾爪、夾爪驅動裝置、V型支架等；翻轉機構包含驅動裝置、臂、支撐軸等部件。搬運機器人主要部件示意圖如圖2所示。

1為抓夾；2為抓手；3為云臺；4為行星減速機；5為電機減速機；6為電機；7為機器人本體；8為V型支架圖2 部件示意圖

2.1 夾持機構

橫夾爪由夾爪及爪尖構成，外形尺寸為525 mm×416 mm×530 mm，電機驅動夾爪向兩側移動，實現夾爪張開閉合，從而夾取罐體。抓手電機采用常閉式制動電機，即斷電時自動閉合，實現自鎖功能[3]，當抓手因意外情況失電時，抓手自鎖保持當前狀態，防止因抓手松動造成罐體脫落引發危險。夾持機構模型如圖3所示。

圖3 夾持機構模型

2.2 翻轉機構

翻轉機構由驅動裝置、臂、支撐軸等部件組成，如圖4所示。上料時，首先電機啟動，通過減速機帶動臂旋轉，實現機械臂下降動作，機械臂下降到位后，夾持裝置夾緊容器，然后電機反轉機械臂上升，回到運輸位置，落在V型支架上。搬運機器人自動行駛到卸料區后，機械臂下降到位后，夾持裝置夾松開，放下存儲罐，然后機械臂歸位，即完成一次自動上料卸料動作。

圖4 翻轉機構模型

3 自動上料裝置控制系統設計

整個設備的電氣控制核心部分為PLC模塊，其具有模塊化和集成化的特點且擁有強大的網絡通信能力[4]。設備中采用的傳感器有接近開關、光電開關、超聲傳感器等用于到位信息等，輸入模塊收集采集到的各類傳感器信號，傳遞到主控模塊，主控模塊結合場景和任務，分配命令給PLC模塊，由PLC模塊控制夾持機構和翻轉機構執行具體動作[5]，如圖5所示。

圖5 控制系統結構示意圖

設備分手動和自動兩種運行狀態，在手動模式下可單獨運作爪夾或翻轉機構，可任意控制夾爪張開程度，機械臂翻轉角度等，方便調試。

4 自動上料裝置仿真及分析

廢棄鈉鉀合金起泡器搬運機器人帶動機械臂運動搬運容器時受力較大，且末端執行機構本身有一定的質量，因此機械臂中抓夾、臂、支撐軸強度要求較高。為校驗設計是夠達標，通過上述部分進行靜力學分析，驗證這些部分的強度以及位移量是否滿足要求[6]。

4.1 抓手受力分析

被抓取容器主要受自身重力以及夾取手爪施與的夾緊力。手爪施加在容器罐體上的夾緊力是能否達到設計要求的關鍵因素。必須對夾緊力的大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服罐體重力產生的靜載荷和罐體隨夾取裝置發生運動狀態變化時產生的慣性力所帶來的載荷，才能讓物體保持可靠的夾緊狀態。

手爪對于容器罐體的夾緊力為

FN≥K1K2K3G

(1)

式中：K1為系統工作時的安全系數，一般為1.2～2.0，在此取比較保守的值為2[7]；K2為根據具體工況來確定的系數，主要考慮慣性力的影響，可近似按式(2)估算；K3為方位系數，根據手爪與物體夾緊位置不同進行選擇；G為容器所受的重力。

K2=1+a/g

(2)

式中：a=vmax/t響表示重力方向的最大上升加速度，vmax為運載時物體重力方向最大上升速度；t響為系統達到最高速度的時間，一般選取0.03～0.5 s；g為工件的重力加速度。

設機械手達到最高響應時間為0.5 s，最大上升速度翻轉電機轉速為0.1 m/s,則K2=1+a/g=1.02。

由于手爪尺寸參數足夠大且橡膠黏層有圓弧調心作用，因此廢棄堿金屬存儲罐與手爪夾取位置可近似看出正交夾取，故K3取0.8[8]。

廢棄鈉鉀合金起泡器質量取設計要求上限300 kg，設廢棄堿金屬存儲罐的重心位于兩夾取裝置中平面處，則單個夾取裝置處的重力為G=300×9.8×0.5=1 470 N。

對夾爪進行力學分析，當夾爪抓住罐體，分別向橫向移動、縱向移動時，夾爪所受力情況不同，進行力學分析，當抓手抓住罐體豎著放置時，位移為1×10-3mm，當抓手抓住罐體橫著抬起時，位移為1×10-3mm。抓手能夠滿足強度要求。

4.2 臂受力分析

對臂受力分析，考慮到罐體質量為300 kg，夾爪120 kg，對臂與夾爪接觸面施加載荷(F=mg，取值考慮裕量)為4 500 N，扭矩為6 500 N·m，此外臂還受到自身的重力作用，選取材料為普通非合金鋼，屈服強度為207 MPa，極限拉伸強度為 345 MPa，楊氏模量為210 GPa[9]，進行受力分析，得出最大等效應力為66.93 MPa，最小等效應力為0.01 MPa，最大變形量為3.163 mm，安全系數的最小值為3.09，在臂通過夾爪抬起罐體運動過程中，臂能夠滿足強度要求。

4.3 支撐小軸受力分析

支撐小軸用來支撐旋轉臂，同時通過聯軸器與減速器輸出端連接，重物總質量按500 kg計算，支撐小軸上某時刻受到最大扭矩約為5 000 N·m，對小軸進行應力分析，材料屬性和力學分析云圖如圖6和圖7所示，等效應力最大值為3.6×107N/m2，最大形變量為2.28×10-2mm，因此，支撐小軸的強度滿足強度要求。

圖6 材料屬性

圖7 力學性能分析云圖

5 結論

介紹了一種廢棄鈉鉀合金起泡器搬運機器人自動上料裝置。

1)完成了上料機構整體的設備布局和設計方案。

2)建立了模型，且對機械手的力學做進一步仿真分析研究，符合上下料機機械結構設計及工藝功能需求。

該設計方案和思路可進一步完成廢棄鈉鉀合金起泡器搬運機器人的設計制造。