1、ICS 27.120.10 F 61 DB34 安徽省地方标准 DB 34/T 3186.62018 聚变堆遥操作维护系统设计准则 第 6 部分： 第一壁部件远程监控及测量系统 Design criteria for remote handling maintenance system in fusion reactor Part 6： Remote monitoring and measuring system for PFCs 2018 - 08 - 08 发布 2018 - 09 - 08 实施 安徽省质量技术监督局 发布 DB34/T 3186.62018 I 前 言 DB34/T 3
2、186 聚变堆遥操作维护系统设计准则分为如下 7 个部分： 第 1 部分：整体维护要求及分析； 第 2 部分：遥操作协同控制系统； 第 3 部分：转运车系统； 第 4 部分：偏滤器遥操作维护系统； 第 5 部分：包层遥操作维护系统； 第 6 部分：第一壁部件远程监控及测量系统； 第 7 部分：多功能机械臂系统。 本部分为第 6 部分。 本部分按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。 本部分由中国科学院等离子体物理研究所提出。 本部分由安徽省核聚变工程技术及应用标准化技术委员会并归口。 本部分起草单位：中国科学院等离子体物理研究所、安徽省质量和标准化研究院，合肥中科艾帝尔 机器人技术有
3、限公司、 特种焊接技术安徽省重点实验室 。 本部分主要起草人：孙拥军、赵文龙、宋云涛、陆坤、程勇、张俊、郝志伟、韩雨、李碧、姚海峰、 史善爽、潘洪涛、程鸣。 DB34/T 3186.62018 1 聚变堆遥操作维护系统设计准则 第 6 部分：第一壁部件监控及测量系统 1 范围 DB34/T 3186 的本部分规定了聚变堆第一壁部件远程监控及测量系统的术语和定义、系统功能及基 本组成、系统设计、工程设计、RAMI 要求和安全要求。 本部分适用于聚变堆第一壁部件远程监控及测量系统设计的所有阶段，是该系统设计的重要依据。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件
4、，仅所注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 DB34/T 3186.1 聚变堆遥操作维护系统设计准则 第 1 部分：整体维护要求及分析 DB34/T 3186.3 聚变堆遥操作维护系统设计准则 第 3 部分：转运车系统 3 术语和定义 DB34/T 3186.1 界定的术语和定义适用于本文件。 4 系统功能及基本组成 4.1 系统功能 第一壁部件远程监控及测量系统能为在装置等离子体放电间隙对第一壁进行近距离观测和测量， 根 据前端执行器的不同可实现真空室第一壁的视频实时观测和其他相关测量任务。 4.2 基本组成 4.2.1 转运车 参
5、见 DB34/T 3186.3。 4.2.2 多关节机械臂 关节机械臂应满足但不限于以下要求： 宜为多关节铰链式机械臂； 臂体应具有多个关节； 有固定的对接窗口（24 个固定窗口）； 能覆盖真空室第一壁 100的面积； 在转运车与窗口不脱离的情况下机械臂在转运车内能实现前端执行器转换； 多关节机械臂的末端关节应集成标准的前端执行器接口； 多关节机械臂应具有多种传感器。 DB34/T 3186.62018 2 4.2.3 末端执行器 4.2.3.1 根据功能要求，前端执行器应包括但不限于以下几类： 视频、图像观测类； 辐照剂量检测类； 辐射源及测量靶坐搭载类； 无损检测类。 4.2.3.2 各类
6、前端执行器的共性要求包括： 采用标准接口实现与机械臂的远程连接与脱离； 集成反馈系统，主要包含各类姿态传感器和角度传感器等； 能固定在储存盒内，能被运输和部署； 集成视觉/照明系统便于真空室内的操作。 4.2.4 控制系统 主要由上位机软件、控制机柜、各类实时通讯接口等组成。可通过上位机算法与相应的伺服控制系 统结合同时接入其他辅助系统信号，对机械臂系统进行相应的姿态及运动控制，同时能对其他部分系统 进行分别控制。 4.2.5 辅助系统 包括但不限于： 辅助视觉系统； 辅助光源系统。 4.2.6 救援设备 包括真空室内救援设备和窗口内救援设备。真空室内救援设备部署在相邻赤道窗口的转运车内。救
7、援设备使用救援工具从故障机械臂的外面来驱动机械臂。 窗口内救援设备即部署在转运车转运车内部的救援推车。 4.2.7 辅助测试系统及真空室模拟件 主要由真空室 1:1 比例模拟件、相应对接窗口模拟件等组成。 4.2.8 后勤补给系统 包括但不限于： 模块维护支撑架； 用于部件组装的特殊工具； 备用零件。 5 系统设计 5.1 总体要求 包括但不限于： 系统设计寿命应不少于 30 年； 系统环境要求达到或超过真空室内部及现场的真空环境； DB34/T 3186.62018 3 系统设计应当满足聚变堆总体维护要求； 系统应有救援策略； 系统所含机械臂末端运动偏差应优于 20 mm，重复运动偏差应优于
8、 10 mm； 系统应对聚变堆第一壁所有部件进行巡检时间应小于 72 小时。 5.2 各子系统要求 5.2.1 转运车应选用强度高、耐高温、不易氧化生锈的材料加工。 5.2.2 转运车整体内部真空环境应达到或优于聚变堆真空室内部真空环境。 5.2.3 机械臂宜为多关节铰链式结构，关节为单自由度或多自由度。 5.2.4 机械臂材料应满足以下要求： 应有足够的机械强度和刚度； 材料应避免存在裂纹、气孔以及能形成渗漏的其它缺陷； 真空室材料应选择非磁性材料、并具有较好的机械加工性能、延展性和焊接性能； 应选用化学性及稳定性好的材料； 在满足足够的机械强度基础上应尽量选择轻质材料。 5.2.5 机械臂
9、密封要求：所有驱动装置与传感器应进行密封性设计；静密封应采用氟橡胶 O 型圈密封、 氟橡胶密封垫密封或金属密封，动密封采用金属波纹管密封。 5.2.6 前端执行器要求：前端执行器应包含多个自由度，能够进行多自由度同时运动。前端执行器观 测设备要求能够高效、快速、方便地对部件进行有效观测，同时要求观测设备成像分辨率要高。前端执 行器包括但不限于：图像采集设备、激光测距设备、真空室内环境监测设备，夹持设备等。 5.2.7 控制系统嵌入式电子设备应能够承受聚变堆放电间隙真空室内部残留的辐照及温度。 5.2.8 控制系统上位机软件应满足以下要求： 应能实现对机械臂运动的控制； 集成各类控制算法； 通过
10、 3D 模型显示应能实现机械臂姿态的实时回传与显示； 应能集成真空室及其他大部件模型以实现对机械臂实现安全距离防护； 应能实现对相关辅助系统的控制， 同时结合相关传感器能实现对机械臂的姿态和运动进行标定； 应包含安全联锁控制窗口以实现机械臂系统与聚变堆主机控制系统的安全联锁和机械臂控制系 统与辅助系统的安全联锁。 5.3 机械结构与应力、载荷要求 系统设计过程应严格按照相关系统、行业结构与应力、载荷规范，系统部件应力载荷应满足 ASME 规范 卷核动力装置设备制造准则一册 NF 分卷中设备支承结构章节中的相关标准。 6 工程设计 6.1 工程设计分析 6.1.1 监控、测量任务分析：应进行任务
11、分析，确定每个监控及测量任务在真空室内执行的具体位置， 并确定执行这些任务的远程设备和末端执行器的需求以及它们的物理参数和服务需求。 6.1.2 监控、测量及维护策略设计：真空室内部部件监控及测量策略设计、系统自身维护策略设计。 6.1.3 应基于监控测量任务和策略制定运行流程，包括但不限于： 监控机械臂在转运车至颈管的部署； DB34/T 3186.62018 4 移除流程分析、末端执行器在转运车内部的部署； 移除流程分析、测量机械臂辅助传感器在真空室内部部署； 移除流程分析以及相应的部署时间、位置、角度分析等。 6.2 工程设计内容 6.2.1 对接窗口及通道设计 应根据第一壁部件远程监控
12、及测量系统任务及需求分析，选择对应 24 个窗口及通道，使得系统 机械臂通过此 24 个窗口能对聚变堆真空室内的第一壁面积进行覆盖。 相应窗口及通道应设计快速对 接接口以实现与第一壁部件远程监控及测量系统转运车的快速对接。 窗口预留校准设施或传感器以保证 系统重复定位。窗口及通道应设计能分别隔离转运车与聚变堆真空室真空的双插板阀或其他相应机构。 6.2.2 第一壁部件远程监控及测量系统设计 6.2.2.1 机械臂设计 6.2.2.1.1 考虑到长悬臂易出现局部应力集中以及转运车内部存储空间的限制，应特别注意机械臂几 个极限负载点的设计，如最大结构负载关节，最大旋转力矩关节，最大俯仰负载关节等。
13、 6.2.2.1.2 对机械臂关节进行模块化设计，运用系统化方法寻求组成机器人一体化关节的机械系统、 控制系统、感知系统、电子电气系统等的最佳匹配方法和实现手段。同时，相关电子器件如 CCD 相机等 设备的装置防护设计也是需要重点考虑的问题，主要包括真空隔离、高温防护等。 6.2.2.1.3 根据系统负载和可达空间要求，设计整个系统的运动学构型，确定自由度分配，计算各关 节负载力矩大小，选择关键器件电机、减速器等驱动部件。根据平台的伺服控制精度选择合适的位置编 码器、相机、激光传感器、力矩传感器等部件。 6.2.2.2 转运车设计 6.2.2.2.1 转运车应根据机械臂尺寸设计，能够承受相应的
14、真空压差。设计过程中应注意变形问题。 包括转运、吊装过程中的应力变形，加热烘烤过程中的变形等。 6.2.2.2.2 设计过程中应预留相应其他辅助系统的接口，如机械臂转运车内位置校准系统、真空系统、 加热烘烤系统等。 6.2.2.2.3 设计过程中应考虑到现场安装位置因素，由于系统较长应考虑安装空间及与邻近其他系统 的干涉问题。 6.2.2.3 末端执行器设计 根据任务的不同要求应设计不同的末端执行器，包括 cc d 相机观测，测距、测温、持握相应部件 等功能。几种不同的传感器与机械臂之间须有同样的接口。 6.2.2.4 操作软件设计 包括机械臂运动控制软件，末端执行器操作软件，转运车辅助系统操
15、作软件等。 6.2.2.5 救援系统设计 设计应满足在系统崩溃无法将机械臂退出的情况下人工手动将机械臂退出， 同时尽量不影响其他设 备及环境。 6.2.3 外围系统设计 DB34/T 3186.62018 5 6.2.3.1 辅助系统设计 辅助视觉系统须注意观测角度设计，应满足对运行中的机械臂可达区域的覆盖，同时应设计相应 光源系统以便观测。 6.2.3.2 安全连锁系统设计 应设计相应安全逻辑保证系统运行时与其他系统独立。 6.2.3.3 支撑平台设计 应对每一个对接窗口的支撑平台进行设计，在满足相应支撑条件同时应设计对接校准装置。 6.3 机械臂性能评估 6.3.1 评估阶段 性能评估涉及
16、的主要阶段包括系统概念阶段及工程设计阶段。 6.3.2 评估内容 系统评估应考虑包括但不限于表 1 所列内容。 表1 系统评估内容 评估类型 评估内容 结构静力学与结构动力学 应力 应变 变形 模态振型与固有频率 谐响应 响应谱 瞬态动力学 辐射、电磁、热分析 辐射防护 电磁防护 热防护 运动学及动力学 可达维护空间 负载能力 转运速度 定位精度 重复定位精度 控制系统 稳定性 动态性能 静态性能 救援流程 救援策略 救援路径 仿真模拟 DB34/T 3186.62018 6 表 1（续） 评估类型 评估内容 维护周期 单项遥操作维护时间 单个真空室部件模块维护时间 完整真空室部件系统维护时间 兼容性 维护系统与真空室及真空室部件之间物理接口兼容性 维护系统与聚变堆在尺寸、布局方面的兼容性 真空室部件维护流程与其它部件维护流程方面的兼容性 7 RAMI 要求 应按 DB34/T 3186.1 的规定执行。 8 安全要求 应按 DB34/T 3186.1 的规定执行。 _
