放射性废物固化桶自动取封盖装置调研对比分析

贾占举，刘文磊，范继珩，朱鑫，严加兵，杨静洁，杨辉青，沈聪

（中国核动力研究设计院，成都610005）

0 引言

随着核工业发展的需要和环境保护要求的不断提高，应采用适合的包装容器来满足固体废物处理、贮存、运输和处置的要求，以加强对放射性废物的管理。以固化桶为载体，灌入处理后的废料与水泥的混合物再进行封装、贮存，是目前核废料运输存储最常用的方法之一。作为容置放射性废弃物的固化桶，其桶盖的体积、质量较大，灌装过程中放射性强，现场不便于人工直接操作，因此普遍采用自动取封盖装置对桶体进行取盖和封盖，再辅以其他设备完成整个固化流程。

1 装置结构及工作过程

自动取封盖装置的功能是对固化桶进行取盖和封盖，是相关固体废物处理线的关键设备之一。自动取封盖装置本质上是在远程控制模式下实现对固化桶的自动取盖和封盖操作的机械手[1]，要求重复定位精度较高，在恶劣环境（放射性、高危险等）下替代人工，提高工作效率。

1.1 结构组成

自动取封盖装置由机械结构和电气控制两大部分组成。一般地，机械结构部分主要包括拧螺栓机构、桶盖抓取机构、旋转机构、提升机构、水平驱动机构等；电气控制部分包括定位检测机构、控制系统等。结构示意图如图1所示。

1.2 工作过程

自动取封盖装置工作过程分为取盖和封盖两个步骤。

1）取盖操作。当桶体运送到取封盖工位时，定位检测机构检测到桶盖位置，水平驱动机构动作使旋转轴的中心与桶盖的中心对齐。然后旋转机构动作使螺栓拧紧机构上的拧紧头的中心与桶盖上螺栓孔的中心对齐。此时，提升机构使升降杆件向下移动，带动螺栓拧紧机构向下运动，直至拧紧头与螺栓接触。接着拧紧头动作，将螺栓拧松。最后桶盖抓取机构动作，夹紧桶盖，提升机构使升降杆件向上移动，使桶盖与桶体分离，完成取盖的操作。

2）封盖操作。当桶盖抓取机构夹紧桶盖运动到桶体的上方时，定位检测机构检测到桶体位置，水平驱动机构动作使旋转轴的中心与桶体的中心对齐。然后旋转机构动作使螺栓拧紧机构上的拧紧头的中心与桶体上螺栓孔的中心对齐。此时提升机构使升降杆件向下移动，带动桶盖向下运动，直至桶盖与桶体接触。接着拧紧头动作，将螺栓拧紧。最后桶盖抓取机构动作，松开桶盖，完成封盖的操作[2]。

图1 自动取封盖装置结构示意图

1.3 优势分析

对于核废料固化桶取盖和封盖过程，目前主要有人工直接操作、半自动取封盖和全自动取封盖3种方式。其中，半自动取封盖指过程中需要人工介入才能完成的取封盖方式，比如工人远程操纵机械手进行取封盖操作；全自动取封盖指完全机器自主完成，不需要人工介入的取封盖方式。3种取封盖在安全、效率、质量、成本几个方面进行对比，结果如表1所示。

表1 3种取封盖方式优劣势对比

由表1可知，由于过程中存在很强的放射性，人工直接操作时工人的安全性很差，这种方法只能在紧急情况下使用；相对于人工直接操作的方式，半自动取封盖方式安全性提高，且封盖效率和质量均有不错的表现，工程实际中有着广泛应用，但是其封盖效率和质量均依赖于工人熟练度和工人本身健康情绪水平；全自动取封盖装置安全、工作效率高、封盖质量好且稳定，虽然机器成本高但人工成本低，长期来看和其他两种方式基本持平，由于机构复杂，全自动取封盖运行稳定性相对较低，需要不断进行改进。因此，全自动的方式成为取封盖装置主流设计应用发展方向。文中其他章节所述取封盖装置均为全自动取封盖装置。

2 技术研究方向

自动取封盖装置技术研究主要以机械结构改进和控制系统开发为主要方向。

2.1 机械结构改进

自动取封盖装置需要完成桶盖操作机构的三轴移动和R轴旋转、桶盖的抓取、螺栓拧松、拧紧等一系列操作，装置结构复杂，在设计中难以考虑到各种情况，因此在实际工程应用中需要针对出现的问题对结构进行改进。

曹迎锋等[4]对在水泥固化线的取封盖装置运行时出现的抓取桶盖的机械爪不能动作的情况进行了故障分析，确定了故障原因，设计了圆环旋转式的桶盖抓取机械爪，解决了这个问题，很大程度上提高了整体装置运行稳定性。

路光明等[5]对定位装置挡板易被挂弯问题进行故障分析，确定了故障原因是定位装置挡板的导角较短和封盖的工序不合理，并采取了相应的改进措施，调整挡板后的弹簧的松紧度，延长挡板底边的导角，解决了系统中定位装置容易发生故障的问题。

2.2 控制系统开发

自动取封盖装置的控制系统是装置完成取封盖功能的核心，系统开发成为自动取封盖装置技术的重点和难点。

黄金凤等[6]以“PLC＋定位控制模块”为核心辅以上位机监控软件，搭建了自动取封盖机械手控制硬件平台，研究了轨迹规划、参数传递、软件编程等关键技术，设计了包含自动操作功能、手动操作功能的自动取封盖装置控制系统。

张彦松[7]基于PLC程序设计了包含初始化模块、密码模块、拧紧及拧松参数设置模块、拧紧状态监测模块、记录查询及报警查询、通信模块的控制系统，基于LabVIEW开发了上位机监控程序，对各传感器有无信号、拧紧机的工作状态、伺服电动机的运动情况等进行监控，实现了软件和硬件的无缝连接。

孙小凌等[8]分析了水泥固化线的电磁干扰源，论述了隔离、屏蔽和滤波等硬件抗干扰措施，以及平均值法采样、延时确认、软件滤波等软件抗干扰措施，重点分析和解决了取封盖装置、模拟量输入模块和变频器等设备的干扰问题，保证了水泥固化线可靠运行。

3 工程实践

目前已有多家单位设计制造了自动取封盖装置，并申请了相关专利，主要有中科华核电技术研究院有限公司[2]、大连德欣新技术工程有限公司[9]、常州机电职业技术学院[10]、中国核电工程有限公司[11]、中广核研究院有限公司[12]、成都南方电子仪表有限公司及通裕重工股份有限公司[13]。

对各单位的取封盖装置在柔性化、定位检测驱动方式两方面作对比，如表2和表3所示。此外，表中单位依据其专利申请时间进行排序。

从表2中容易看出，工程设计上装置的自由度逐步变多，结构刚性变小，柔性化增强，南方电子取封盖装置还包括了弹性离合套筒、浮动套合螺栓，柔性进一步提升。一方面，结构柔性化增强使装置更能适应固化桶加工误差、取封盖位置不确定等实际情况，取封盖效率更高，质量更好，发生功能性故障概率低；另一方面，自由度增加势必使驱动机构更为复杂，设计上难度加大，运行中装置自身故障率增加，运行稳定性随之变差。

表2 装置自由度对比

表3 装置定位检测驱动方式

从固化桶位置检测方式看，主要发展趋势为定位的精度和效率的提升。机器视觉装置定位精度高，但图像处理速度慢，对取封盖效率影响很大；对射光电开关仅对螺栓孔定位，固化桶采用机械定位方式，定位精度差；预先人工定位在装置运行中不能自适应调整，定位精度最差；位置传感器的定位精度和效率方面都表现很好；激光传感器比位置传感器技术更先进，定位精度也更高。

拧螺栓机构轴数方面，主要分两大类：第一种是轴数与螺栓数量相当，第二种是两个对称布置的拧螺栓装置。第一种方式拧紧速度快，与表2相对应的，其机构自由度低，容易发生螺栓拧不上等功能性故障，且装置驱动方式均为电动；第二种方式拧紧速度相对慢，但定位精确且机构自由度高，功能性故障率低。

4 创新设计

随着技术不断发展，取封盖装置结构柔性增加，定位精度提升，随之而来的是结构变得复杂，装置本身故障率增加，对此，本文从提高装置运行稳定性和顺应装置设计发展趋势两个角度分别提出了取封盖装置设计思路。

4.1 创新设计一

目前已有的装置设计上均采取“桶盖找桶体”的方式，导致所有运动机构集成于小空间内，装置复杂程度提高，且一般置于厂房顶部空间，给运行中出现故障时的维修工作带来困难。

设计中可从另一角度出发，采取“桶体找桶盖”的方式，即：桶盖操纵机构只保留桶盖夹紧定位机构、拧螺栓机构和旋转机构；平面内X向Y向移动分别由位于地面上的可移动式桶体夹紧机构和可移动式挡桶机构及辊道共同完成；垂直升降运动由升降式支架完成。桶盖操纵机构、桶体定位夹紧机构、挡桶机构、运输辊道、支架由控制系统统一控制，形成取封盖装置的整体。更进一步第，三轴运动机构的电动机可以置于控制区外。

这样设计的优势在于将原本位于支架最顶端的质量和体积较大的三轴运动机构置于地面上，大幅度减轻了支架承受的质量；同时方便了装置的检修和维护。但此项设计会造成取封盖装置占地面积增大，给设备布置提出了更高的要求。

4.2 创新设计二

目前已有装置在对固化桶定位后，移动整个桶盖操纵机构对固化桶对中，然后进行取封盖操作，由于桶盖操纵机构质量大但又需要精确的移动定位，造成运动机构的笨重。

创新设计思路在于桶盖抓取定位机构的机械爪采取独立驱动的方式（现有装置均为同时驱动同步动作），在桶盖操纵机构大致位置确定后，由机械爪运动完成对固化桶的定心和后续拧螺栓操作。

这样设计的优势在于：各自独立驱动的机械爪极大增加了装置的柔性，使拧螺栓质量和效率进一步提升，功能性故障率进一步下降；运动驱动机构大幅精简，特别是笨重的平面移动机构，支架受力也会变得更好。此项设计难点在于独立驱动机械爪的驱动算法，给控制系统设计提出更高的要求。

5 结语

自动取封盖装置的功能是对固化桶进行取盖和封盖，是核废料处理中的关键设备之一。针对自动取封盖装置，本文主要工作如下：1）介绍了取封盖装置的典型结构组成和工作流程，对比分析得到全自动取封盖的突出优势；2）从机械结构改进和控制系统开发两个方面阐述了当前自动取封盖装置的技术研究现状和方向；3）逐个介绍和分析了目前取封盖装置工程应用产品的组成、特点；4）对现有工程应用实例进行横向对比，得到产品设计发展趋势为结构柔性化和定位精度的不断提升；5）从提高装置运行稳定性和顺应装置设计发展趋势两个角度提出了两种取封盖装置设计思路，对其他设计者的工作有一定的参考意义。