（机械工程专业论文）放射性固体废物回取技术与装置研究.pdf

四川大学工程硕士论文摘要 放射性固体废物回取技术与装置研究 研究生：张峰 工程领域：机械工程 指导教师：殷国富窦天军 摘要 本设计是在某特定废物收贮场址一一地坑式废物库的退役中，为 了满足坑内贮存的固体放射性废物的回取、分拣的需要，针对场址的 具体特点、废物的类型及状况开展的一项工程技术研究。 本装置的设计始终是围绕放射性使用环境这一独特条件进行的， 由于国内没有放射性固体废物回取的工程应用先例，在无法考虑引进 国外同类装置的前提下，本论文提出了一套适应材料研究所废物场址 具体特点、废物的类型及状况的回取装置设计总体方案，并通过对关 键设备的选型、改进和设计，建成了一套适用于回取废物库地坑内各 类放射性固体废物的装置。 系统在设计时采用了在焊接、喷涂领域使用较广泛的机器人手臂， 围绕它进一步开展了移动机构、伸缩机构、末端执行器、隔离防护系 统、标准接口、监控系统等的研究和设计工作，其主要特色和研究成 果如下： ( 1 ) 本设计中的换向行走机构，通过采用一套杠杆装置，成功的 解决了总重量达4 吨设备的移动及换向问题。这就使整套装置在重量 上大大的下降。 ( 2 ) 通过自动换手机构设计， 作器就可方便的进行抓具的更换。 劳动强度。 可使操作人员在隔离小室外使用操 降低了在放射性环境下操作人员的 ( 3 ) 实验运行表明攘套装置能有效的克服自身重量及空间狭小等 不利因素，实现系统在厂房内的移动及较灵活的伸缩进出地坑；通过 西川大学工程硕士论文摘要 标准接口的设计能快速的进行末端执行器的更换，满足对各种废物的 回取；利用防碰撞技术和力觉技术实现了系统的自保护，并能避免对 废物包装体进一步的损坏造成核泄漏；通过对机械手臂运行程序的设 计，实现了主要动作的自主运行，提离了装鼍的运行效率及安全可靠 性。 关键词：放射性；固体发物：退役；。回取l 机器人 婴! ! ! 查堂三堡堡圭丝苎些坐塑 r e s e a r c ho nr e t r i e v i n gt e c h n o l o g ya n de q u i r m e n tf o rr a d i o a c t i v e s o l i dw a s t e m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：z h a n gf e n gs u p e r v i s o r ：y i n gg u o f u a n dd o ut i a n j u n a b s t r a c t t h i sd e s i g nisar e s e a r c h0 fe n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yu s e di n d e c o m m is s i o n i n go faw a s t es t o r a g e - - ap i tw a s t es t o r a g e t h i s d e s i g n c a ns u i tf o r t h er e t r i e v i n ga n ds o r t i n go f s o l id r a d i o a c t i v ew a s t es t o r e di np i ta n dh ea i m e da tt h es p e c i a l i t y o ft h ep i t ，t h et y p ea n ds t a t u so ft h ew a s t e t h ed e s i g no fe q u i p m e n tisa 1 1a l o n ga b o u tt h es p e c i a l c o n d i t i o n r a d i o a c t i v ee r i v i r o n m e n t b e c a u s en oe n g i n e e r i n g p r e c e d e n to fr a d i o a c t i v ew a s t er e t r i e v i n ge q u i p m e n ti n l a n da n d c o n s i d e r i n gr l ow a yt ob u yt h es a m et y p eo v e r s e a se q u i p m e n t ，i n t h i sp a p e r ，aw h o l ed e s i g ns c h e m es u i t a b l ef o rt h es p e c i a l i t y o ft h ew a s t ep i th a sb e e nd e v e l o p e d ，as e to fe q u i p m e n ts u i t a b l e f o rr e t r i e v i n ga 1 1k i n d so fr a d i o a c t i v es o l i dw a s t ei nw a s t ep i t h a sb e e nb u i l ta f t e rt h ek e yd e v i c e sh a v eb e e ne l e c t e d ，i m p r o v e d a n dd e s i g n e d r o b o ta r m sw h i c ha r ew i d e i yu s e di nj o i n t i n ga n ds m e a r i n g h a s b e e na d o p t e dw h e nd e s i g n i n gt h es y s t e m t h em o v e m e n t ， e x t e n t i o n ，t e r m i h a li m p l e m e n t ， i s 0 l a t i o ns a f e g u a r ds y s t e m ， s t a n d a r di n t e r f a c ea n dm o n i t o r i n gs y s t e ma c e o r d i n gt 0t h er o b o t a r m sh a v eb e e nd e v e l o p e d t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o i i sw i t h s p e c i a lf e a t u r e sa r ea sf 0 1 1 0 w s ： 坚查兰王望堕主堡苎竺! 里! 垒里一 ( 1 ) t h em o v e m e n ta n dw a y - - c h a n g eo ft h ed e v i c e ，w h i c ht o t a l w e i g h tis 4t o n s ，a r es o l v e d ，b yu s i n gal e v e ri nt h em o v e m e n t s y s t e m t h ew e i g h to ft h i ss e to fe q u i p m e n ti sg r e a t l yd e c r e a s e d ( 2 ) t h eo p e r a t o rc a nc o n v e n i e n t iyc h a n g e t h ej i gu s i n ga n a u t o m a t i c a l l yc h a n g ej i gd e v i c ei na ni s o l a t e dr o o m u s i n gt h i s m e t h o d ，t h ew o r k i n ga m o u n to f 。t h eo p e r a t o r i nr a d i o a c ti v e e n v i r o n m e n tc a nb ed e c r e a s e d ( 3 ) t h ee x p e r i m e n t a lr u ns h o w t h a tt h ew h o l es e to fe q u i p m e n t c a ng e to v e ro ft h es e l fw e i g h ta n d1 i m i t e ds p a c ea n dr e a l iz e t h em o v e m e n ti nt h ew o r k s h o pa n d t h er e l a t i v e l y f l e x i b l e m o v e m e n ti no ro u to ft h ep i t ：b yu s i n gt h es t a n d a r di n t e r f a c e ， t h et e r m i n a li m p l e m e n tc a nq u i c k l yb ec h a n g e dt ob es u i t a b l ef o r t h er e t r i e v i n ga 1 1k i n d so fw a s t e ：b yu s i n gt h ei m p a c t p r o o f t e c h n i q u ea n df o r c et r a n s d u c e r ，s e i f - - p r o t e c t i o n c a nb e a c h ie y e dt oa v o i dm o r ed a m a g e t ot h ew a s t ep a c k a g ea n d r a d i o a c t i v e1 e a k a g e ：b yd e s i g n i n gt h ep r o c e d u r eo ft h er o b o t a r m s ，t h e 。p r i m a r ym o v e m e n t sc a nb ea u t o m a t i z e d ，t h i si m p r o v e d t h ee f f i c i e n c ya n ds a f e t yr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m k e y w o r d ：r a d i o a c t i v e ：s o l i dw a s t e ：d e m is s i o n ：r e t r i e v e ：r o b o t 4 四川大学工程硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 放射性固体废物处理技术概况 放射性固体废弃物也称放射性固体废物，指在核设施的运行生产 过程中产生的各种类型固体废物。近年来，这些核设施在经过几十年 的运行后己进入退役阶段。在和核设施退役过程中产生的各种类型固 体废物更是成倍增加。 由于放射性固体废物品种繁杂，它不仅包括各类干固体废物，而 且包括废液处理系统产生的浓缩液、去污化学废液、沉淀泥浆、过滤 淤渣和废过滤器芯等湿固体废物。对放射性固体废物处理主要分为处 理、包装贮存两个方面。目前，对这些废物的处理主要采用如下技术 途径”1 ：1 ) 对各类干固体废物的处理是采用减容的方法。减容比越 大，效果越好。一般不可燃的干固体废物有压缩、熔炼等技术，由于 放射性固体废物的压缩处理是籍机械将废物压实的一种减容工艺。被 压缩的减容效果取决于原废物的空隙度、密度及废物的回弹能力等。 熔炼去污是采用高温方法将放射性核素从固体废物体内去除，使固体 废物的污染程度降低到可豁免的水平。可燃的干固体废物可采用焚烧 处理手段。核废物的焚烧是将可染性废物置于高温焚烧炉内焚烧，产 生的惰性熔渣或灰烬进行进一步的固定。2 ) 对于湿固体废物目前较为 成熟的技术有：固化、压缩等技术。固化是将废液转化为固体的过程， 固化材料被称为固化基材，如：水泥、玻璃、陶瓷以及人造岩石等。 此外，还有其它的一些固化方法，如：煅烧固化、金属合金固化、石 墨一铝复合基体固化等。 放射性固体废物的包装是对废物固化体外加容器、衬料等，使之 成为基本处置单元的过程。外加的物件为废物包装体，它包括固化体 及其外侧容器、套筒、容器内的衬料( 例如铅金属、热压铜粉、混泥 四川大学工程硕士论文第一章绪论 土、粘土等) 。其主要功能有：( 1 ) 便于对废物实施贮存、运输和处 置；( 2 ) 是抗震、抗高压、安全处置废物的机械屏障；( 3 ) 保护废 物不受地下水的过早侵蚀，是抵御核素向外迁移的机械、化学屏障。 ( 4 ) 屏蔽来自废物的辐射线：( 5 ) 传导衰变热。 1 2 放射性固体废物处理技术国内外研究现状与发展趋势 过去，由于对放射性废物处理技术的落后及手段的不完善，许多 废物都只进行了简单的处理或是采用暂存的方式进行处理的。暂存多 是采用一种地坑式暂存库的方式。近年来，随着放射性废物管理的理 念、方法和技术是逐渐发展的，过去放射性废物管理的某些实践可能 已不再满足当前的安全要求，传统的废物处理和整各技术包括对液体 废物采用蒸发浓缩、离子交换、过滤等方法进行处理，废液采用水泥、 沥青等进行固化，这些处理方法的缺点是雏源消耗率高，不能或只有 少量物质能得到再循环、再利用，废物产生量大，大量的非放物质被 添加到废物中作为放射性废物处理。表卜l 为世界上放射性废物处理技 术研究应用现状。1 。当前废液处理的新技术主要有微过滤或超滤技术、 有选择性的离子交换过滤材料，或者是两种技术联合使用。其优点是 对放射性材料有很好的术联合使用。其优点是对放射性材料有很好的 选择性，可在废物处理的初始阶段就将材料中的放射性组分与非放组 分分开，减容比高。中低放废物整备的新技术主要有：冷坩埚技术、 玻璃固化技术和新型容器。冷坩埚技术和玻璃固化技术以前都是用于 高放废液固化的，但近年来已有一些国家研究将其用于一些中低放废 物的处理，如湿废物、含硼或碱金属废液的处理等，这类新技术的特 点是处理能力大且废物体性能好，缺点是投资大。固体废物处理的新技 术主要有超级压缩、等离子切割、熔炼和热处理等。高放废液处理的 新技术主要是分离嬗变技术。 2 四川犬学工程硕士论文 第一章绪论 袭1 1 世界上放射性废物处理技术研究应用现状 低、中放高放 废液减容固体废物减容 废液固化废物 国家 离 反 水沥 塑 过蒸子 压 剪切 泥青料玻璃 滤发交 渗焚烧 缩固固固固化 换 透 化化化 奥地利 ( 1 0 0 比利时 一 加拿大 芬兰 ( 5 0 ) 法国 德国 印度 一 瑞典 一 ( 3 0 ) 意大利 一 荷兰 一 日本 一 西班牙 一 韩国 瑞士 英国 一 美国 一 前苏联 一 中国( 1 0 ) 注： “一”为使用方法，加括号为较少使用方法；括号内数据为平均减容比。 四川大学工程硕士论文第一章绪论 随着许多核设施的退役，带来了退役废物的管理等问题，与运行 相比，退役废物有以下特点：( 1 ) 退役期间的废物产生量远大于运行 期间的废量；( 2 ) 退役废物中有相当一部分是非放废物，放射性废物 中绝大部分属中低放废物( 其中绝大多数属部分国家规定的极低放废 物) ，高放废物只占很少的一部分；( 3 ) 退役过程中废物管理费用在 总费用中所占的比列很高，大约占到5 0 左右。鉴于上述问题许多国 家开展了核设旋去污与退役中废物最小化方法”、“核设施退役过程 中疑似放射性废物和物料的管理”、“核设施退役过程中放射性废物 管理”、“核设施设计中运行和退役废物最小化方法”、“中低放退 役废物的处置问题”等技术研究。 国内为了对过去的实践采取补救措施，建设了可燃废物焚烧装 置、金属熔炼去污装置、废物的回取、处理装置( 主要针对固体废物) 。 启动了包括“历史遗留废物的处理和整备”、“到取和核查历史遗留 废物( 重点是废源) 盘存量数据”等项目。 在废物的管理及贮存方面，经过多年的努力，已建成国家中低放废 物永久处置库，在高放废物深地质处置方面也己做了大量的研究工作 取得了一定的成果。 1 3 国内外回取装置研究应用的基本情况 国外放射性固体废物回取装置的研制始于8 0 年代，有资料表明美 国于八十年代初期进行了地坑废物( 主要为干泥浆) 回取的第一阶段 工作。最初是由美国能源部组织多个国家实验室参与的大型研究试验， 在两至三年的时间里用一种回取装置从地坑中回收了绝大多数放射性 泥浆废物。在九四年又进行了地坑废物回取的第二阶段工作，这一阶 段主要是对第一阶段工作后残余、贴在坑壁和地面的废物进行清洗去 污和回取，对泄谝铜壳进行打磨和点焊。所有工作均采用遥控的方式 进行e 后来德国、俄罗斯、英国等一些国家也进行了放射性废物回取 进行e 后来德国、俄罗斯、英国等一些国家也进行了放射性废物回取 d 四川大学工程硕士论文 第一章绪论 装置的研制，并取得了很好的效果。这其中较有代表性的为 1 3 1 俄罗斯的回取装置“1 该装置由俄罗斯i m c c 公司开发1 9 9 7 年为美国能源部制造了一部 用于美国双壳地坑干泥浆废物的回取装置。该装置分为以下几部份： 1 ) 脉冲喷泵：脉冲喷泵主要由以下几部分组成：直立圆柱型水 箱、底部检测阀、输气管、喷口。脉冲喷泵与升降旋转平台相连它使 操作员可以转动喷日。压缩空气由输气管联结到喷泵顶部。喷头上有 五个喷口。 2 ) 脉冲吸泵：脉冲吸泵主要由以下几部分组成：直立的圆柱型水 箱、带入口筛的底部检测阀、输气管、上部检测阀、排出管。输气管 与旋转控制闽相连。在工作中，当输气管接通真空泵，液体从底部检测 阎被吸入水箱。当输气管接通空压机，废液被从水箱通过排出检测阀 压出。底部检测阀为一个受控金属球阀，置于圆锥型金属基座中。入 口筛为一个带边口的短圆柱体，连接至水箱中部，可拆卸，以安装检测 阀 上部检测阀也是一个受控球阀，置于圆锥型金属基座中。整个检 测阀可被移动到第二基座处。以使清洗剂能经排出口冲洗顶部、底部 检测阎和排出管。当最入坑中脉冲吸泵与坑底相接触。 3 ) 流量控制单元：流量控制单元包括：脉冲吸泵和脉冲喷泵的检 测阀。装备于脉冲装置的真空源是位于流量控制单元的真空发生器。 1 ，3 。2 美国的回取装置： 美国正在应用的装置有两种h o u d i n i 系统和l d u a 系统。 l d u a 系统的开发开始于1 9 9 3 财政年度，用于汉福特废物地坑的修 复。由能源部的技术发展办公室执行。该系统能够携带多种传感器， 废物回取部件入坑。l d u a 系统由以下几部分组成： 1 ) 轻型多功能手，系统有8 个自由度，入坑后可进行复杂操作， 四川大学工程硕士论文第一章绪论 这8 个自由度包括：( 1 ) 伸缩管( 行程1 9 4 英尺) ；( 2 ) 肩关节旋转( + 1 8 0 o ) ；( 3 ) 肩关节摆动( o 1 0 0o ) ；( 4 ) 肘关节俯仰( 1o o ”) ；( 5 ) 肘关节 摆动( 1 0 0o ) ；( 6 ) 腕关节摆动( _ + 1 0 0 o ) ；( 7 ) 腕关节俯仰( 1 0 0o ) ；( 8 ) 腕关节旋转( 1 8 0 ”) 。它在密闭的单元中操作。通过带有通用接口的工 具界面盘连接。 2 ) 升降杆( v p m ) ：l d u a 安装在共两节，长1 4 米的伸缩杆末端。 3 ) 升降杆套筒：升降杆套简是升降杆和l d u a 的容器。 4 ) 载运系统( m d s ) ：载运系统在地坑之间运输l d u a 。它可将l d u a 直立起来以工作；或放倒以运输。它有一个支架为工作的l d u a 提供一 个稳定的工作平台。 5 ) 操作控制拖车( o c t ) ：在地坑中工作的l d u a 由位于操作拖车中 的操作者遥控。它位于工作区以外。操控车是l d u a 和末端执行器的控 制站，并为操作者提供图像显示。 6 ) 坑内工具控制箱( a t i e ) ：末端执行器的控制电器和其它装置安 装在a t i e 中，它置于入口上的套筒旁边。信号和命令的传送和执行在 a t i e 中完成。 7 ) 地坑入口气密装置+ ( t r i c ) ：该装置使入口与升降杆套筒之间保 持气密。它通过弹性支架使入口与升降杆套筒对接。它包括一个水洗 去污模块，一个放射性检测仪和一个隔离阀。该装置的上部是一个带 有窗口和手套口的围场。用手工的方式从l d u a 上更换末端执行器。 8 ) 去污供水系统( d w s s ) ：该系统供给水洗去污模块5 7 升分，压 力高达3 4 5 m p a 的高压水。该系统安装在拖车上并带有水泵和一个窑积 为1 9 0 0 升的水箱。全景相机系统( o v s ) ：该系统为操作者提供地坑环境 信息。反馈l d u a 位置及状态。它通过一个单独入口升入坑内。入口直 径只需1 0 n 米有两种装置可作为全景像机。一种是坑内图像监测系统， 目前汉福特正使用该系统。第二种为全景视图系统，在乙d u a 发展计划 中开发。该系统也在汉福特使用。 四川大学工程硕士论文 第一章绪论 h o u d i n i 系统由r e dz o n e 公司开发，应用于橡树岭国家实验室和 佛罗德国家实验。回取各种干泥浆，沙状废物，混凝土块以及其它多 种废物。h o u d i n i 系统由五个部件和子系统组成：载车，p d c u ，控制 台，工具，展开系统。 1 )载车：该车是一种可折叠液压，履带式机械。该车可折叠通过 直径0 5 7 平方米的开口进入地坑。车上携带推土铲和一个操作机手 臂。为通过入口，推土铲也可以折叠并可以调节高度，以便以各种速 率铲动各种废物。操作机是一具t i t a n i i 级液压灵巧机械手。在坑内 它可以携带多种工具完成多种任务。通过电缆连接于折叠机构的后部。 电缆终端能够承受载车和工具的全重，以使装置能够顺利入坑和回收。 操作者通过操作台在工作区以外进行操作。系统通过多个摄像机，麦 克风和显示装置状态的仪表，从工作区返固丈量的信息。两个像机和 光源为遥控提供视觉反馈。其中一个像帆和巍源安装在操作机的前臂， 像机的操作由操作机带动。第二个像机安装在基座后部的一个云台装 置上。 2 ) 电力分配和控制单元：一个密硒和恒温的电力分配和控制单元 包括：变压器，分配和调节装置，控制系统以及电缆和控制系统界面 接口。 3 ) 控制台：控制台是操作者与系统的连接界面。控制台包括：操 作杆，主开关，主操作机和图像监视仪，用于控制系统的运作和监视 系统的运行。控制台采用的人机工程设计适于长时间操作。一个装有 报警装置的手提箱式控制器用于系统的监和当控制中心p d c u 之间以 及计算机和监控装置联结出错时的紧急操作。使用一个简单的视觉遥 控监视器配合手提箱式控制器的简单操作。 4 ) 导航系统界面：用位置和方位跟踪的界面由橡树岭国家实验室 开发而成。橡树岭国家实验室同意将此作为政府装备装置用于该方案。 导航系统界面为坑内系统提供精确的位置信息反馈以提高控制效率。 5 ) 电缆的管理和拖放系统：h o u d i n i 电缆的拖放和管理系统依赖 其工作环境的要求。除了在各自不同的地方有一些特殊的要求之外。 此类系统有以下几个共同的特点：在补考虑应用的情况下，拖放系统 7 四川大学工程硕士论文 第一章绪论 提供一种方便的方式以管理和储存电缆；提供足够的提升力以向坑内 放置或从坑内回收该系统。当系统不工作或处于运输状态时，它可提 供一个放置区。电缆拖放轴承直径为4 8 英寸，宽3 0 英寸。它在吊下 和回收的过程中可防止缆绳纠缠在一起。拖放轴承由一个液压马达驱 动液压马达的驱动力可达3 0 0 0 l b 使用一个减压阀消除压力。 6 ) 工具：专门设计的工具可由机械手或推土铲携带。在佛罗德的 应用的工具包括：安装于铲上的橡胺辊子；由机械手携带的剪刀，铲， 喷射器，真空泵。在橡树岭国家实验室应用时，是用c s s e e 末端执行 器。图1 一i 为h o u d i n i 系统图。 图1 一ih o u d i n i 系统图 1 3 3 德国a 1 0 0 0 系统( 如图1 - 2 ) ： 该装置由德国魏勒米斯米斯公司开发。装置由以下几部分组成： 1 ) 伸缩杆。包括：( 1 ) 伸缩杆支撑；( 2 ) 伸缩杆运动部分：伸缩 杆旋转驱动器，伸缩杆升降驱动器，伸缩杆中的电缆的卷轴。 2 )操作机手臂：操作机由五部分组成：肩关节，上臂，下臂， 腕，末端执行器。整个操作机手臂可以从伸缩杆末端取下。( 1 ) 肩关 节：肩关节是紧凑型的，表面进行防酸处理。可以用简单的方式从伸 缩杆底部卸下；( 2 ) 上臂：由下臂驱动器，臂体，电缆。拆装一棵螺 丝即可从肩关节上拆卸或安装大臂； ( 3 ) 小臂：由腕驱动器，臂体， 电缆组成。拆装一棵螺丝即可从大臂上拆卸或安装小臂；( 4 ) 腕：由 四川大学工程硕士论文 第一章绪论 手的开和闭驱动器，手伸长的驱动器，手的旋转驱动器，电缆。拆装 一棵螺丝即可从小臂上拆卸或安装腕部。 3 ) 滑轨：滑轨安装在工作间两侧墙的水泥体或托架上。电源和平 台需特别设置以使其顺利工作。 4 ) 电器系统：包括控制台，控制柜，各种电缆。( 1 ) 控制台：控 制面板( 4 8 5 3 0 0 7 0 咖) 控制面板上有一个操作机的图形( 桥架，载运 平台，伸缩杆，操作机手) 多个开关用乎速度，力显示，光源，手开闭等的 控制为了防止碰到障碍物引起撞击，操作机使用低电流控制，在需要 时加大电流，以使其操作较重的物体。夹钳的力由指针显示控制面板 上有一个紧急状态的断开按钮。( 2 ) 控制柜：控制柜内装有控制装置和 管理器，它是可移动的。控制柜上有一个主开关，它控制整个控制柜的 工作状态。开和关的状态由控制面板上的l e d 显示。 图卜2a 1 0 0 0 系统原理图 就硬件组成而言，从这些国家研制的用于核废物的回取装置分析 多是利用市场采购的工业机器人作为主体，配以外围系统，一般根据 具体情况进行行走装置和末端执行器的配置。也有根据具体回取对象 和工作条件进行研制的回取装置。国外的许多核废物堆放场从在设计 9 四j t i 大学工程硕士论文 第一章绪论 和施工时已考虑到所采用的回取方法和回取装置并于废物堆放场所或 库房同时建成。所以回取装置所允许的活动空间充裕，而废物堆放有 序，外形规范化、标准化，使回取装置功能单一，回取工作较易进行， 这是与我们实情最大的区别点。 在调研过程中我们发现德国的h 1 0 0 0 系统与我们的需求非常接近， 该装置为伸缩杆式机械手，从库坑珏口处入坑较为方便，通过测量关 节电机电流的方式测量关节力矩，因而传感器较少，拆装较方便，易 于维修。最大操作质量为2 0 0 公斤。伸缩杆行程7 m 。其行走通过天车带 动。实物照片如图卜3 。 圈卜3a 1 0 0 0 系统实物图 就控制系统来看，机器人控制器的研究已经由硬件过渡到软件， 由具体控制器过渡到通用开放式体系结构、由单独控制过渡到多机协 调控制。国外的机器人控制器发展很快，智能水平很高，并且正在进 行许多开创性的研究。归纳起来主要在两个方面： 1 ) 机器人控制器的功能结构，主要是智能控制、多算法融合和性 1 0 四川大学工程硕士论文 第一章绪论 能分析、控制器体系结构。 2 ) 控制器的实现结构，主要是实时多任务操作系统、开放结构标 准、多控制器结构和网络化、运动控制器。目前存在两大类机器人控 制器：一类为传统的机器人控制器，象a b b 、f a n u c 、m o t o m a n 这样的大 型控制装置。图卜4 为德国a b b 公司s 4 c p l u s 控制器。图卜5 为s 4 c p l u s 控制器的掌上操作器。这类控制器只支持它们专有的机器人，技术成 熟、可靠性高，但由于其数据计算和传输速度较慢，适合动作固定的 工作环境。 图卜4a b bs 4 c p l u s 控制器 图1 5 5 上操作器 1 1 四川大学工程硕士论文 第一章绪论 第二类为开放式结构的机器人p c 控制器，如美国d e l t a t a u 、日本朋 立株式会社、日本安川等公司的产品，其运动控制器以d s p 技术为核心， 基于p c 的开放式结构。另外，美国的t r e l l is 公司开发了一种n o m a d 运 动控制软件包，它基于l y n x o s t m 操作系统，与普通计算机相一起就可 完成基于传感器的运动控制器的全部功能，同时用户能够方便地修改 和更换运动控制规律。这种开放式体。系结构环境为系统控制、过程监 视、数据采集、质量管理以及以前不能做到的与其它系统的通信等提 供了一系列专用的功能。其主要优点有：可进行系统通信、部件标准 化、节省成本、易于实现远程控制、运算速度快等。适用于需要灵活 控制的环境。 国内仅中国原子能科学研究院进行了放射性废物回取装置的研 制，目前，进一步的研制工作已停止。 由于国内没有放射性固体废物成功回取的先例，在无法考虑引进 国外同类装置的前提下，只能立足于国内现育成熟的相关技术并结合 使用特点加以改进，建设成一套适用于回取l 号库地坑内各类放射性固 体废物的装置。通过查阅资料，并选择国内几家在机械及自动化控制 领域技术领先的单位进行调研，这几个单位是： ( a ) 首钢莫托曼机器人有限公司：中国第一家从事工业机器人制 造和销售的公司，是首钢集团与日本安j i l 电机株式会社及岩谷产业株 式会社的合资公司，有很强的研究开发和生产制造能力，并有丰富的 工程实践经验。其制造的g m o t o m a n ”机械手臂及控制装置为世界知名 产品。首钢莫托曼机器c 人骞限公司是- 家敬豁涮公司，其中国际三大 工业机器人生产厂之一的稽+ 本安川电机株。式会社占有4 5 股份，莫托 曼公司总资产1 0 0 0 万美元，从事中国市场的开发销售，其销售额占中 国市场的3 0 ( 其中7 0 为欧美公司占有) 。日本安j i i 电机株式会社 年生产能力为1 0 0 0 0 台工业机器人，销往世界各地，声誉很高。 首钢莫托曼公司在向中国市场提供的产品中工业机器人系统全部 1 2 i 四j , i 大学工程硕士论文 第一章绪论 来自安川，莫托曼公司只设计制造行走装置、末端执行器和与工业机 器人配套的生产线、工夹具等工业机器人系统的外围部份，利用安川 技术，在中国进行设计制造。莫托曼公司还负责安川公司在中国市场 的售后服务工作，奠托曼公司已为中国1 0 0 多个用户提供了工业机器人 系统，包括汽车、冶金、电子、机械、轻工等行业。由于其提供的产 品技术成熟，技术先进，故障率低，质量优良、价格合理，受到我国 用户好评。 日本安川电机株式会社所生产的工业机器人在机械和控制性能方 面居国际领先水平，其主要特点是：它的可靠运行性，平均无故障工 作时间达5 0 0 0 0 ；j 、时，和同类产品比较，其体积小，价格便宜：有良好 的售后服务体系、配套系统设计和开发能力( 此点由首钢莫托曼公司 负责) 。该装置主要有两部分组成：1 ) 伸缩杆：包括伸缩杆支撑伸缩 杆运动；2 )操作机手臂：由四部分组成：肩关节，上臂，下臂，腕； 其中：( 1 ) 肩关节：肩关节是紧凑型的，表面进行防酸处理。可以用 简单的方式从伸缩杆底部卸下。( 2 ) 上臂：由下臂驱动器，臂体，电 缆。拆装一棵螺丝即可从肩关节上拆卸或安装大臂( 3 ) 小臂：由腕驱 动器，臂体，电缆组成。拆装一棵螺丝& 口可从大臂上拆卸或安装小臂， ( 4 ) 腕：由手的开和闭驱动器，手伸长的驱动器，手的旋转驱动器， 电缆。拆装一棵螺丝即可从小臂上拆卸或安装腕部。 其他：欧美各国机器人制造厂商在中国也设有销售网点，只从事 销售工作或售后服务的联系工作，没有进行设计和产品开发。 ( b ) 北京机械工业自动化研究所、沈阳新松机器人自动化股份有 限公司。这两家是中国机器人技术国家工程研究中心和国家机器人产 业化的基地，有一定的研究开发和生产制造能力，并有一定的工程实 践经验。 ( c ) 北京航空航天大学机器人研究所：主要承担国家攻关项目， 有很强的研究能力。 四川大学工程硕士论文 第一章绪论 1 4 放射性固体废物回取、分拣的必要性 2 0 0 4 年之前，材料与工艺研究所在科研生产中产生的放射性固体 废物采用地坑贮存的方式。由于历史原因，、初期入库的废物体都没有 进行规范的分类包装，入库方式也都是采用向地坑内自由投放的方式， 经过多年的贮存包装容器大部分已经腐蚀，老化腐烂，致使放射性废 物散落在坑内，这些废物如不进行处理，将对环境带来多方面的污染： ( 1 ) 存放仅占用大量的场地。( 2 ) 其渗出核素所含的有毒物质使土 壤遭至0 污染。( 3 ) 流入江河湖海或通过土壤而渗到地下水中，造成严 重污染与破坏。( 4 ) 对大气的污染：固体废物在堆放过程中，在温度、 水分的作用下，某些有机物质发生分解，产生有害气体随风飘扬，扩 散到大气中。 回取能力建设主要目的是对二十多年来贮存于l 号废物库地坑内 的各种放射性固体废物进行回取、分拣和包装处理。其主要工艺路线 为曲卜“”：( 1 ) 对取出的不可燃固体废物经过在手套箱内分成金属废 物和其它固体废物两大类。金属废物送至去污车间进行熔炼去污处理， 其它固体废物送至整备车问处置成标准固化体送国家废物处置场。( 2 ) 对取出的湿固体废物采用水泥固化的方式用标准包装桶或标准包装箱 进行固化，固化好后送国家废物处置场。( 3 ) 对取出的可染废物送焚 烧车间进行焚烧处理，该方法可在重量上达到1 0 ：l 的减容，但由于焚 烧灰达到了中高放水平，有的甚至已成n 废物，因此对焚烧灰的处理 目前还处于研制过程中。( 4 ) 对于过滤器芯采用压缩的方式进行减容 处理。 材料与工艺研究所的放射性固体废物经过上述处理，不仅在对废 物的包装上满足了新的标准要求，而且极大的减少了库容。这对环境 带来的保护作用是非常明显的，社会效益巨大。 1 5 本文的研究内容 本文首先确定回取技术方案，并通过模拟实验应具备的功能及优 1 4 四川大学工程硕士论文第一章绪论 化的工艺参数，在此基础上展开机械手臂的选型及相关机构的研制，。 其具体研究内容如下： 1 ) 回取技术的研究 通过对废物暂存库废物原项及其相关情况进行详细调查为回取技 术的研究提供原始数据。根据这些数据，结合国外的相关经验，提出 我们的回取装置应具备怎样的功能，才能安全的降库内的废物取出并 进行处理。 2 ) 模拟试验 通过开展一些模拟试验，对方案进行初步的验证。 3 ) 回取装置的研制 为了满足坑内贮存的固体放射性废物的回取、分拣的需要，针对 场址的具体特点、废物的类型及状况，立足国内现有相关技术，研制 出回取装置。 四川大学工程砸士论文第二章回取装置总体方案设计 第二章回取装置总体方案设计 2 1 放射性固体废物暂存现状 2 1 1 放射性固体废物暂存设施简介 材料与工艺研究所放射性固体废物暂存库现共有三个。用于暂时 贮存科研生产中产生的各类放射性固体废物。l 号废物库建筑面积( 包 括地面和地下部分) 1 7 3 8 m 2 ，采用地坑式结构，坑深4 m ，全库共设 1 2 0 个地坑，其中9 0 个为小口坑，3 0 个为大口坑，用于低放固体暂存。 2 号库建筑面积为1 0 7 4 m 2 ，共有7 8 个贮存坑，于1 9 9 5 年进一步将此 库改造成专门贮存2 5 升塑料桶装水泥固化体的库房：3 号库于1 9 9 6 年底建成建筑面积9 4 6 m 2 ，主要暂存水泥固化工号产生的2 0 0 升标 准桶水泥固化体，也可暂存其镳工号产生的2 0 0 舟标准桶装废物。本 回取装置是用于针对1 号库地坑内的废物进行回取( 1 号废物库平面 图见图2 1 ) 。 2 1 2 放射性固体废物种类和数量简介【1 8 】 从投产开始至今，l 号废物库一直用于储存各类固体放射性废物， 废物种类有废旧劳保用品、纱布、纸、木料、石墨、化学泥浆、废旧 金属零件和设备、废过滤器和废油等，废物含有放射性核素。 1 6 婴型查兰三矍堡主笙奎苎三兰旦壁鳖兰璺竺立墨堡生 一砖 4 i ；，球 艺l 一 苣 南睦 匡 需 邕隹 雨匪 匪 嚣匪 蘼 糜 群 l ￥ u u芦l j ， ； l 。 i i 13500 图2 - 1 l 号废物库平面图 1 7 四川大学工程硕士论文第二章回取装置总体方案设计 2 2 设计的总体目标与要求 由于废物库是采用地坑式结构，坑深4 m ，库内空间房梁距地面约 为3 5 米，由于废物种类和形状较复杂，要保证将废物安全可靠的取 出，我们设计的回取装置应具备以下主要功能：( 1 ) 考虑到人员、环 境的辐射安全防护，整套装置应在一种密闭的条件下工作，并能将回 取出的废物直接放入转移手套箱内。喾于这些要求我们在进行设计时， 就要考虑密闭小室的设计，该小室的工作环境为一种负压环境，同时 还要考虑转移手套箱如何设计，才能方便废物的放入及密封。( 2 ) 回 取装置应能移动到库内的各个地坑上方进行回取，并能克服空间狭小 的不利条件上下自由伸缩；( 3 ) 由于地坑藏板较薄，仅有5 c m 左右， 因此，设计的回取装置要在盖扳的承重范围之内或考虑相应的措施对 重量进行分解；( 4 ) 操作人员能在密闭小室外对回取装置进行监控、 操作。( 5 ) 在进行盖板切割时，应设计相应的除尘系统；( 6 ) 由于废 物包装外型、尺寸差异较大，因此在进行爪具设计时要充分进行考虑。 应能抓取和搬运地坑内的方木箱、圆铁桶、软包装及散料等废物，单 体废物重量5 0 k g 左右。 2 3 设计方案的选择伸2 们他 2 1 在放射性废物回取这样复杂不确定和不可接近的环境中，无论进 行何种操作，都应从保护环境，以人为本的思路出发，因此依靠人工 完成是不可能的。通过调研及借鉴国外的相关经验，认为利用机器人 是目前较可行的一种手段。在此基础上，为了使的设计较为完善，我 们又对现有的机器人及使用情况进行了详细垒萄的了解。 在国外一些国家，由于其在这方面的工作开展较早，大约在5 0 年 代就己开始了运用于核领域的远程操作机械手，因此积累了大量的经 验。至今已研制出了多种用于回取不同种类废物的机械手臂，在核设 旄的修复、退役及一些高辐射场所的作业发挥了巨大的作用。在日本 为保证核电站运行的安全，减轻工作人员的劳动强度和减少到核设施 1 8 四川大学工程硕士论文第二章回取装置总体方案设计 的接触，日本东芝原子能技术研究所开发了核工业中用的机器人9 3 【2 0 ： 2 1 。它们分为：单轨式巡查机器人，地面移动式操作、巡检机器 人，作业机械手和水中游泳式巡检机器人。单轨式巡检机器人是为了 降低核辐射对巡检人员的影响和对运行中难t 以接近的设备进行巡检而 开发的如图2 - 2 所示。机器人上装有摄像机、麦克风和红外线照像机 等装置，定期自动起动，在沿着单豁移动的同时，通过图像处理和音 响分析、判断巡检对象是否有异常发生。 图2 - 2 单轨式巡检机器人 地面移动式操作、巡检机器人的开发是对单轨式巡检机器人活动 范围的补充，它在地面的移动方式有履带式、车轮和脚等形式。图2 3 为履带式巡检机器人，它可以在凹凸不平的地面上移动，而且可以爬 楼梯。它装有7 自由度的臂，其上装有摄像机、温度计、麦克风和放 射线测量计等装备，它可以对核装置进行巡枪， 图2 - 3 履带式巡检机器人 如果在此种机器人上再装上机械手，使其性能进一步提高，就成 1 9 四川大学工程硕士论文第二章回取装置总体方案设计 为智能机械人，如图2 4 所示。 图2 - 4 智能机器人 从安全性和行走速度的角度出发又开发了六脚式自主机器人，如 图2 5 。 图2 - 5 六脚步行机器人 在放射线比较强的区域，人无法接近，检查和修补作业只能用机 器人进行，图2 - 6 所示的机械手应用了人工智能技术，通过操作制导 或电脑的协调控制，使其操作性有很大提高，是一个主从式机械手。 图2 - 6 主从式机器人 在装配、码垛、焊接及喷涂等领域使用的机器人也有两大类即多 2 0 四川大学工程硕士论文第二章回取装置总体方案设计 关节机器人( 如图2 7 ) 和极坐标机器人( 如图2 - 8 ) 。多关节机器人 手臂回转运动在水平面内，因此也称此类机器人为水平关节机器人。 其中立柱2 下部与机座1 上端缎成一组回转关节，可使立柱2 绕机座 的轴线a a 进行回转：大臂3 的下端与立柱2 的上部组成第二组回转 关节，可使大臂绕轴线b b 进行前后摆动；大臂3 的上端与小臂4 的 后部下面组成第三组回转关节，从而可使小臂能绕轴线c c 进行下下 俯仰运动。由于关节机器人手臂、手腕及其关节的运动相当于人的腰 关节、肘关节、肩关节及腕关节的运动，所以它可绕开当在前面的某 些障碍，伸入物体内部进行作业或抓取东西。同时这种结构的布置方 式，可使操作机本身所占空间较小，而手腕部分可达到的空间范围较 大，因此关节操作机的应用范围日益广泛。其常用于焊接及喷涂等领 域。在大型货物的装卸中也常被使运。如图2 - 9 是其典型应运。极坐 标机器人也称为s c a r a 机器人是由英文s c a r a 是s e l e c t i v e l y c o m p l i a n t a r m f o r a s s e m b l y 英文术语词头的第一个字母组成。它的结 构特点是具有两个平行的回转关节，其回转轴线a a 和b - b 垂直于机座 4 的安装平面。大臂2 和立柱3 组成一组圃糟关节，小臂1 和大臂2 组成另一组回转关节，且其轴线a b 平行于b b 。导柱5 与小臂的滑套 组成一组滑动关节。当驱动系统通电后，大臂和小臂分别绕轴线a a 、 b b 旋转，导柱沿轴线c c 作上下运动这种手髂是具有两个平行回转关 节的操作机。由于其轴线是按极坐标配置的，因此它与多关节机器人 是结构不同的机器人。极坐标机器人结构是紧凑、简单，且一般运动 速度和精度都较高，在电子行业中常用此类机器人进行装配作业，因 此亦有称其为装配机器人的。 2 i i 目) q 大学工程硕士论文第二章回取装置总体方案设计 图2 7 关节机器人 图2 - 9 货物装卸图 图2 - 8 极坐标机器人 四川大学工程硕士论文 第二章回取装置总体方案设计 上述各种机器入适用予不同的场合，哪种结构适用于我们，就要