降低某后處理項目熱室傳送臂定位角偏差的設計與實現

張俊龍 蘇源發 祝永剛

（中國核電工程有限公司華東分公司）

產品容器轉運裝置是高放廢液玻璃固化工程的核心設備之一， 主要由兩側輻射防護屏蔽門、一個傳送臂及相應的控制裝置組成，其功能是實現兩個放射性熱室之間的物體轉運。

轉運裝置轉運物體的質量通常在500 kg，最大可達800 kg， 轉運過程中需要防止轉運裝置同屏蔽門之間產生較大的撞擊而被損壞［1］。 但即使在編碼器和位置檢測裝置的雙重作用下，對一個轉動慣量高達3 076 kg·m2的旋轉傳送臂進行精準定位也十分困難。 因其慣性太大，經常會使傳送臂經硬碰撞后減幅振蕩一段時間才能停下來，此時停下來的位置可能已經偏離目標位置了。 而這種硬碰撞和減幅振蕩對絲桿、齒輪箱和位置監測裝置的危害都很大。 并且傳送臂定位角偏差大，將導致兩側輻射防護屏蔽門無法正常關閉和密封，存在放射性擴散風險。

1 傳送臂物體轉運過程

物體轉運過程如圖1所示。

高放廢物產品容器在V5與V6兩個熱室之間的轉運過程如下：

a. 待命時。 傳送臂處于中心位置，V5和V6兩側輻射屏蔽門均處于關閉狀態，可有效防止放射性在兩個熱室之間擴散。

b. 工作時。 若需從V5向V6轉運物體，則先將V5側輻射防護屏蔽門打開，傳送臂從中心位置旋轉至V5，裝上物體，傳送臂從V5旋轉至中心位置，等待V5側輻射防護屏蔽門關閉與V6側輻射防護屏蔽門打開，傳送臂再將物體轉運至V6。反之，可以從V6向V5轉運物體。

2 定位角偏差大的原因分析

傳送臂每一次旋轉至中心線位置時，要求其定位角偏差不得超過0.5°，否則插銷不能推出，該側輻射防護屏蔽門將不能正常關閉，進而造成熱室間的縱深防御失效，放射性擴散。

2.1 定位角偏差數據試驗記錄

功能試驗期間進行了多次物體轉運驗證試驗，并測量記錄了90次傳送臂回中心線位置后的定位角，傳送臂定位角偏差最大達到5.5°，且90個數據中不合格率為60%，部分數據見表1。

表1 定位角偏差部分數據記錄

2.2 原因分析

通過程序分析和監控， 確認傳送臂行走速度、位置檢測裝置、編碼器是影響傳送臂定位角偏差的3個主要因素。

2.2.1 傳送臂勻速旋轉

根據設計文件，傳送臂以勻速運轉，由變頻器+電機+減速箱控制，變頻器輸出參數為：常數K=10%；電機額定轉速V=3000 r/min；一級減速比P1=1/28，二級減速比P2=1/30；傳送臂長度r=2.15 m。 則傳送臂的軸轉速θ為：

傳送臂端點的線速度σ為：

這種控制方式的優點是轉運過程中傳送臂比較平穩，速度不會發生變化；缺點是當傳送臂回中心零位的時候，由于沒有減速，轉動慣量非常大，容易造成慣性過沖現象。

傳送臂的自重m1=165.5 kg， 其標準配重m2=500.0 kg。 正常工作情況下傳送臂終點（放置產品容器的中心點）的轉動慣量I為：

轉動慣量是物體的固有特性，它的數值大小與線速度大小無關，但在線速度從0.173 m/s瞬間降至0時，瞬間克服的轉動慣量高達3 076 kg·m2，如果這個轉動慣量完全由單側防護屏蔽門來克服，容易造成慣性過沖現象，致使定位困難，甚至會使屏蔽門和傳送臂受損，導致高放廢物玻璃產品容器傾覆。

2.2.2 機械開關死區過大

傳送臂的到位檢測開關是一種非接觸式測量儀表，它與電機編碼器配套使用，當編碼器計數到位的時候，電機停止輸出，機械聯軸器脫扣，附裝在聯軸器上的機械開關觸頭會隨聯軸器偏移10 mm的距離， 機械開關觸頭由于偏移會抵壓機械開關檢測滑輪，帶動機械開關檢測滑輪偏轉5～7 mm， 此時機械開關會發出一個到位反饋信號，傳送臂電機強制停止運行。

功能試驗中，機械開關存在鉸鏈疲勞、接觸面磨損及抖動等現象［2］，導致檢測滑輪偏轉的有效距離增大至7～9 mm。有效距離大于設定距離的部分，稱為死區。 死區隨著運行時間的增加而增大，超過死區后機械開關無法動作從而導致傳送臂到位后不能及時停止，如圖2所示。

2.2.3 編碼器選型不當

增量型編碼器。電機從A點旋轉到B點的信號對應著編碼器數值的增加或減小，稱之為“相對值”，通過記錄輸出A、B信號的脈沖數，可以得到增量式編碼器轉過的角度［3］。 它需要后續設備不間斷地計數，每次計數都是相對之前的值增加或者減少。 這種控制方式無法識別出停電或者干擾所造成的誤差，從而造成誤差不斷累積。

絕對值型編碼器。 每一個位置都可以輸出唯一的二進制編碼，不需要參考點，不需要連續計數，切斷電源后位置信息不丟失，精確度和抗干擾度高［4，5］。

增量型編碼器和絕對值型編碼器的工作原理如圖3所示。

圖3 增量型編碼器與絕對值型編碼器的工作原理

對于傳送臂定位來說，期望的定位角偏差為0°， 也就是期望增量旋轉編碼器的原點每次都在中心線上。 但由于系統斷電和干擾的存在，導致增量旋轉編碼器的原點因累積誤差而偏移中心線， 此時必須對增量旋轉編碼器原點進行校正，不利于生產的連續進行。

3 解決措施

針對2.2節中指出的3個造成定位角偏差大的原因，通過增加斜坡減速函數、增加冗余的機械開關和更換絕對值型編碼器進行針對性解決。

3.1 增加斜坡減速函數

傳送臂向一側轉動的最大角度α=60°， 在勻速的情況下，傳送臂從一側轉動至中心位的最長時間T為：

在運行時間13 s不變的情況下， 把原程序中的勻速控制改為斜坡減速函數控制。 經過試驗得出，變頻器開始輸出20%的功率時，傳送臂端點線速度為0.346 m/s， 之后變頻器輸出由20%逐漸降至0，線速度以0.026 6 m/s2的加速度下降至0。 傳送臂旋轉至中心線零位的時候速度恰好降為0，系統慣性沖量幾乎為0。 整改前、后速度對比如圖4所示。

圖4 整改前、后傳送臂轉速對比

3.2 增加冗余的機械開關

為了確保運行安全，降低機械開關死區階段觸發命令的不確定性對傳送臂運行的影響，在原有基礎上新增一個冗余的機械開關，邏輯觸發條件修改為二取一，即：當一個機械開關因疲勞或磨損等原因失效時，另一個機械開關輸出也能保證邏輯正常，其邏輯圖如圖5所示。

圖5 機械開關二取一邏輯

另外，采用強度更高的304不銹鋼材料，重新加工機械開關觸頭、 檢測滑輪及支撐板等部件，以增強機械開關抗疲勞、耐磨損的性能。

3.3 改造為絕對值型編碼器控制

拆除聯軸器上的增量型編碼器， 更換為絕對值型編碼器，重新安裝接線后，固化封裝程序塊。

經過組態斜坡減速函數、 增加冗余機械開關、更換絕對值編碼器后的控制流程如圖6所示，圖中設備斷電的優先級較高。

圖6 優化后的控制流程

4 驗證效果

改造完成后，重新針對傳送臂定位角偏差做了90次驗證試驗，部分結果見表2。

表2 定位角偏差驗證試驗數據記錄

由表2可見，經過改造后，傳送臂定位角偏差優化效果明顯，試驗中傳送臂定位角最大偏差為0.4°，未曾出現影響V5、V6側防護屏蔽門關閉、定位銷不能推出的情況。

5 結束語

從現場問題出發，尋找傳送臂定位角偏差過大的原因，通過現場調查、原理分析，找出了無斜坡減速函數、機械開關死區過大、編碼器非絕對值型3個主要因素，并針對3個主要因素提出了具體的解決措施。 試驗結果表明，改造后的傳送臂定位角偏差滿足了工藝和設計要求。 傳送臂定位角度偏差的解決方案，對于其他旋轉設備自動定位誤差較大的處理具有一定的參考價值。