JP2005103695A - Working robot in reactor, and working method in reactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に沸騰水型原子炉の炉内で検査、補修等の作業を行う炉内作業ロボットおよび炉内作業方法に関する。 The present invention relates to an in-furnace working robot and an in-furnace working method that mainly perform work such as inspection and repair in a furnace of a boiling water reactor.
原子力発電所の圧力容器内部の炉内構造物は、その健全性を維持するために供用期間中溶接部を中心にひび欠陥等の補修、予防保全対策などを必要としている。一般的に行われている作業は、TIG溶接、レーザ溶接などの溶接作業、回転ブラシによる磨き作業やEDM欠陥除去作業、応力改善のためのピーニング作業などである。これらの各種補修・保全作業の多くは、作業員の放射線被爆を低減するために原子炉内に水を満たした状態で行われ、作業環境は水中となる。そこで、水中仕様の遠隔自動型の炉内作業ロボットが多く開発されている(下記特許文献1参照)。
In order to maintain the soundness of the reactor internals of the nuclear power plant pressure vessel, repairs such as cracks and preventive maintenance measures are required mainly at the weld during the service period. Commonly performed operations include welding operations such as TIG welding and laser welding, polishing operations using a rotating brush, EDM defect removal operations, and peening operations for improving stress. Many of these various repairs and maintenance work are performed in a state where the reactor is filled with water in order to reduce the radiation exposure of workers, and the work environment is underwater. Thus, many underwater specifications remote automatic type in-furnace working robots have been developed (see
一般的にロボットはサーボ駆動系で駆動部を構成しているが、炉内作業ロボットも同様にして、通常は、直動機構も回転機構もACサーボモータ、もしくはDCサーボモータで構成されている。すなわち、直動の場合は、モータの回転をラック・ピニオンや、あるいはボールネジ等で直動運動に変更するのが一般的である(下記特許文献2参照)。
炉内作業においては、炉内構造物表面からの酸化被膜(クラッド)の剥離や加工紛が発生する場合がある。ボールネジを使用した炉内作業ロボットでは、ボールネジへのごみの混入でナットが固着する危険性があり、カバーや水カーテンなどのごみ混入防止対策を講じる必要がある。一方、ラック・ピニオンによる伝達機構は、ごみによる固着の危険性は少ないものの、バックラッシュが大きく精度が要求される作業では適用困難で適用範囲が限定される。また、ボールネジ、ラック・ピニオンのいずれにしても回転力を直動力に変換する機構であり、伝達ロスや部品点数が多いなどの問題がある。
本発明は、簡易な構成を有し動作精度が高く故障の少ない炉内作業ロボットおよび炉内作業方法を提供することを目的とする。
In the in-furnace work, peeling of the oxide film (cladding) from the surface of the in-furnace structure or processing dust may occur. In-furnace working robots that use ball screws have the risk of nuts sticking to the ball screw due to dust, and it is necessary to take measures to prevent dust from entering the cover and water curtain. On the other hand, the transmission mechanism using the rack and pinion has a small risk of sticking due to dust, but is difficult to apply in work requiring high accuracy due to a large backlash and its application range is limited. In addition, any of the ball screw and the rack and pinion is a mechanism for converting the rotational force into direct power, and there are problems such as a large transmission loss and the number of parts.
An object of the present invention is to provide an in-furnace working robot and an in-furnace working method that have a simple configuration, high operation accuracy, and few failures.
請求項1の発明は、炉内作業ロボットであり、ほぼ円筒状をなす本体ケース内を軸方向に駆動される可動子を備えた昇降装置と、前記可動子に基端を回動自在に結合されV型リンクを形成するアーム装置と、前記アーム装置のリンク先端に取り付けられ工具を保持する手首機構とを備えている構成とする。
請求項2の発明は、複数の円筒状の磁石を繋げてなる構成とする。
The invention according to
The invention of
請求項3の発明は、前記昇降装置の動作軸と平行に配置され前記可動子の位置を検出する磁気式の位置センサを備えている構成とする。
請求項4の発明は、前記アーム装置は、前記手首機構との結合部において各リンクアームが異なるピン軸によって前記手首機構と結合され、前記各リンクアームには前記ピン軸を軸中心とした平歯車が固定され、前記平歯車はモジュールが等しく双方が噛み合っている構成とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a magnetic position sensor that is disposed in parallel with the operation axis of the lifting device and detects the position of the mover.
According to a fourth aspect of the present invention, in the arm device, each link arm is coupled to the wrist mechanism by a different pin shaft at a coupling portion with the wrist mechanism, and each link arm is flat with the pin shaft as an axial center. The gear is fixed, and the spur gear is configured such that the modules are equal and both are engaged.
請求項5の発明は、前記手首機構は、前記工具を炉内で着脱する着脱ユニットを備えている構成とする。
請求項6の発明は炉内作業方法であり、請求項1に記載の炉内作業ロボットを原子炉の上部格子板および炉心支持板を通して炉心下部に搬入し、回転する固定座を介して前記本体ケースの下部を制御棒駆動機構ハウジング上に設置し、前記本体ケースを回転させる旋回機構を介して前記本体ケースの上部を炉心支持板に固定し、前記手首機構を駆動して炉内機器に対する作業を行う方法とする。
According to a fifth aspect of the present invention, the wrist mechanism includes a detachable unit that detaches the tool in a furnace.
The invention according to claim 6 is an in-reactor operation method, wherein the in-reactor operation robot according to
請求項7の発明も炉内作業方法であり、請求項1に記載の炉内作業ロボットにおいて、前記可動子にワイヤを接続し、前記ワイヤを前記本体ケースの上部から原子炉プール上まで導き、前記原子炉プール上の前記ワイヤを引くことによって前記アーム装置を前記本体ケース内に収納して炉外へ回収可能とする方法とする。
The invention of
本発明によれば、簡易な構成を有し動作精度が高く故障の少ない炉内作業ロボットおよび炉内作業方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an in-furnace working robot and an in-furnace working method that have a simple configuration, high operation accuracy, and few failures.
以下、図面を参照して本発明の第1ないし第3の実施例を説明する。 Hereinafter, first to third embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の第1の実施例を図1−図6を参照して説明する。
図1は、本実施例にかかる炉内作業ロボットの構成を示す図である。図中符号1は作業ロボット本体であり、この作業ロボット本体1においては、炉内に挿入可能なほぼ円筒形の本体ケース1a内に昇降装置2によって昇降するアーム装置3が内蔵されている。アーム装置3は長さの等しい2つのリンクアーム3a、3bを備えてV型リンクを形成している。昇降装置2を構成するシャフトモータ4は本体ケース1aの内部に垂直に配置され、シャフトモータ4には磁気式位置センサ13が平行して設けられており、上下2つの可動子5a、5bが装着されている。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the in-furnace working robot according to the present embodiment.
リンクアーム3a、3bの先端はピン6で結合され、回動自在なV型リンクとなっており、ピン6には手首機構7が固定されている。リンクアーム3a,3bの基端はピン8a,8bを介して回動自在に可動子5a,5bに結合されている。また、シャフトモータ4の軸と平行にリニアガイド9を配置し、このリニアガイド9に導かれるガイドテーブル10a,10bを可動子5a,5bに取り付けて、可動子5a,5bがシャフトモータ4に接触することなく正確に駆動することができるようになっている。
The distal ends of the
シャフトモータ4は、円筒形の永久磁石をN極はN極同士で、S極はS極同士を接合して一直線に並べ、中心にボルトを通して結合しシャフト状に形成したコアシャフトに円筒形状の電磁コイルからなる可動子5a,5bを通して一種のリニアモータを形成したものである。シャフトモータ4は同一のシャフト上に、複数の可動子5a,5bを有し、可動子5a,5bは別々に駆動・制御することが可能である。このようなシャフトモータ4を本体ケース1aの中に縦に配置し、2つのリンクアーム3a,3bで構成されたV型リンクの各リンクアーム3a,3bの基端をこの同一シャフト上の可動子5a,5bで別々に駆動するように構成されている。双方の可動子5a,5bを同じ方向に同じ距離、移動することによって昇降運動を実現し、各可動子5a,5b間の距離を変えることによってリンクアーム3a,3bの開き角を変えてアーム装置3の伸縮を実現する。ただし、アーム装置3の伸縮によりアーム装置3a,3bの先端の手首機構7の姿勢が変化してしまうので、アーム装置3の伸縮位置によらずに任意に手首機構7の姿勢角を維持するためには手首に少なくとも垂直縦振り(チルト軸)の1自由度を有し、これによって任意に手首姿勢角を制御する。
The
磁気式位置センサ13の構成は図2に示すようになっている。すなわち、均一なピッチで磁石のN極、S極が並んで積層されているコアシャフト40に沿って電磁コイルからなるセンサ部41が設けられている。センサ部41の移動時に発生する誘導電気信号を誘導式、あるいはインピーダンス変化式などの方法を用いて位置情報に変換、表示する。図2に示すように一つのコアシャフト40に複数のセンサ部41を配置することが可能である。図1に示したように、磁気式位置センサ13のコアシャフト40をシャフトモータ4の動作軸と平行に配置し、可動子5a,5bとセンサ部41を結合し、可動子5a,5bと共にセンサ部41が移動するように構成されている。
The configuration of the
磁気式位置センサ13はシャフトモータ4の軌道上の位置を計測し、シャフトモータ4を位置制御、速度制御するために必要な現在位置信号、速度信号を発生する。また、磁気式位置センサ13は、現在位置を絶対位置で検出することが可能であり、原点位置出しのリミットセンサや、動作限界のインターロック用リミットスイッチの機能も兼ねる。
The
図3および図4は、リンクアーム3a,3bの先端の手首機構7への工具類の取り付け装置を示す図である。図3に示すように、遠隔着脱ユニットのメスユニット15aは主にテーパ16、ボールチャック17およびエアシリンダ18で構成されている。図4に示すように、遠隔着脱ユニットのオスユニット15bはメスユニット15aと嵌合し、空圧駆動あるいは液圧駆動によって着脱可能な構造としている。なお、オスユニット15bは主にプルスタッドボルト19、テーパシャンク20およびキー溝21で構成される。オスユニット15bには各種の検査用機器や補修用工具等の工具22を取り付けるボルト取合い部を設ける。
3 and 4 are views showing a device for attaching tools to the
本実施例の炉内作業ロボットはこのように、手首機構7に工作機械のツールシャンクをベースとした空圧駆動、あるいは液圧駆動で遠隔着脱するメスユニット15aとオスユニット15bを取り付け、各種の工作工具、検査工具を炉内で着脱、交換することができるようになっている。このような構成であるので、工作機械(エンドエフェクタ)の交換が容易であるとともに、ロボットとは別に炉内に搬入することが可能であるので、ロボット本体1とエンドエフェクタの両者の寸法制約が緩和される。
As described above, the in-furnace working robot according to the present embodiment is provided with the female unit 15a and the
本実施例の炉内作業ロボットを原子炉内に設置した状態を図5に示す。すなわち、アーム装置3の上方のリンクアーム3aに結合された可動子5aにインナーワイヤ25を接続し、このインナーワイヤ25を包むアウターガイド管26は炉内作業ロボット内部を通過して上部より外に出し、プール上面の操作エリアまでつながっているため、操作員、あるいは駆動機構によりインナーワイヤ25を上方向に引くことが可能な構成としている。
FIG. 5 shows a state where the in-reactor working robot of this embodiment is installed in the reactor. That is, the
シャフトモータ4は無励磁時には推力が発生せず、現在位置を保持することができない。従って、シャフトモータ4のサーボオフ時や過負荷発生時は、サーボ電流が止まり、2つの可動子5a,5bは最下端まで落下し、リンクアーム3a,3bは最も飛び出した状態になる。しかしながら上記のような構成にすることにより、インナーワイヤ25を引き込むことで上方のリンクアーム3aに接続された可動子5aをオペレーションフロア上から遠隔手動で引き上げることが可能となり、故障時や異常時においてもリンクアーム3a,3bを縮方向(収納姿勢)に戻すことができる。
When the
本実施例の炉内作業ロボットは、作業ロボット本体1の形状がほぼ円筒状になっており、原子炉圧力容器内に容易に挿入し設置することができる。図5に示すように、上端には旋回機構30が取り付けられ、下端には固定座31が取り付けられる。旋回機構30は、図示していないが内部にモータと回転軸を有し、作業ロボット本体1を水平に回転可能としている。旋回機構30の側面には位置決め用のドグ33が取り付けられており、ドグ33は、炉内構造物の炉心支持板32上の位置決めピン34に嵌合される。また、固定座31は、CRD(制御棒駆動機構)ハウジング35上端の穴に勘合する。固定座31には軸受けを内蔵し、作業ロボット本体1の荷重を受けつつ、回転自在となっている。
In the in-reactor work robot of this embodiment, the shape of the work robot
本実施例の炉内作業ロボットは、シャフトモータ4を駆動し、リンクアーム3a,3bを本体ケース1a内に収納した状態では手首機構7も含めリンクアーム3a,3b全体が本体ケース1aに収まる形状となり、上部格子板(図示せず)の格子、および炉心支持板32の穴を通過して、CRDハウジング35上に設置される。
The in-furnace working robot of the present embodiment is configured such that the
設置後、炉内において、シャフトモータ4の可動子5a,5bを駆動することにより、アーム装置3の形状、上下位置を変更調整し、所定の作業を行う。可動子5a,5bを同時に同じ方向に同じ距離移動するとアーム装置3の形状は変わらずに上下に移動し、昇降軸のみ単体で駆動したことと同じになる。また、可動子5a,5bを同時に反対の方向に同じ距離移動するとアーム装置3の全体の位置は変わらずにアーム装置の伸縮軸を単体で駆動したことと同じになる。すなわち、可動子5a,5bの昇降制御によりアーム装置3の昇降と伸縮を駆動制御することができる。
After installation, by driving the
本実施例によれば、シャフトモータ4の動作を磁気式位置センサ13で検出することができ、磁気式位置センサ13から得られる位置信号によりシャフトモータ4のサーボ制御用の位置フィードバック信号を得ることができる。磁気式位置センサ13は絶対位置を計測することができ、シャフトモータ4のストロークと同じかそれ以上の計測ストロークを有する磁気式位置センサ13を使用することにより、位置フィードバック信号検出と同時に原点位置復帰用の原点位置検知や動作限界検知も行わせることができる。
According to this embodiment, the operation of the
また本実施例によれば、容易に各種の工具22を炉内水中において遠隔操作で作業ロボット本体1aに取り付けることができる。さらに、シャフトモータ4が過負荷でサーボオフとなった場合や故障により動作不良となった場合でも、インナーワイヤ25の張力でアーム装置3の落下を防止することができる。その後、インナーワイヤ25を引きリンクアーム3aを引き上げることにより、シャフトモータ4を駆動せずに、アーム装置3を収納姿勢に戻すことができる。
Further, according to the present embodiment,
本実施例は、同一のシャフトモータ4上を2つの可動子5a,5bが上昇下降するだけの構造であり、シャフトの全ストロークを有効に使用することができ、上下の動作範囲が大きい。また、直動駆動であるので、伝達ロスが少なく高速・高加減速が実現可能であり、バックラッシュも少ないので高精度である。更に、構成要素が少なく、部品点数が削減され組立て費や部品コストが削減されるなどコスト低下の効果も期待できる。
The present embodiment has a structure in which the two
炉内作業ロボットにおいては保守、補修などの作業を炉内水中で実施するので、電気駆動部はすべて水中仕様とする必要があるが、シャフトモータ4には軸受けなどの摺動部がなく、可動子の電磁コイルはシールで覆われて外部から絶縁されているなど耐水性の高いモータであり、信頼性が高い。またシャフトモータ4では原理的にごみの混入、噛み込みが少なく、その対策が不要となる。一般に水中における磨き作業や溶接作業などでは水中にクラッドや切削紛が排出される環境となるが、そのような環境にも耐えられる。
In-furnace working robots perform maintenance and repair work in the furnace water, so all electric drive units must be submerged, but the
さらにシャフトモータは、絶対位置を計測することのできる磁気式の位置センサをシャフトモータと平行に設けることにより、一つの位置センサで原点位置、原点復帰および動作限界検出の機能をまかなうことが可能であり、センサ、アンプの両方で部品点数を削減することができる。 Furthermore, the shaft motor is equipped with a magnetic position sensor that can measure the absolute position in parallel with the shaft motor, so that the functions of origin position, origin return, and operation limit detection can be provided by a single position sensor. Yes, both the sensor and the amplifier can reduce the number of parts.
また本実施例の炉内作業ロボットは、故障時、アーム装置3が移動しなくなる可能性があるが、シャフトモータ4の可動子5aにアーム回収用の1本のインナーワイヤ25を接続しておけば簡単に収納姿勢に戻すことができる。
In the in-furnace working robot of the present embodiment, the
図6は、本発明の第2の実施例の炉内作業ロボットに備えられる作業ロボット本体を示す図である。図中符号1は作業ロボット本体であり、この作業ロボット本体1は、炉内に挿入可能なほぼ円筒形の本体ケース1a内に昇降装置2によって昇降するアーム装置3が内蔵されている。アーム装置3は長さの等しい2つのリンクアーム3a,3bを備えてV型リンクを形成している。昇降装置2を構成するリニアモータ11は本体ケース1aの内部に垂直に配置され、リニアモータ11には2つの可動子12a,12bが装着されている。
FIG. 6 is a diagram showing a work robot body provided in the in-furnace work robot of the second embodiment of the present invention.
リンクアーム3a,3bの先端はピン6で結合され回動自在となっており、ピン6には手首機構7が取り付けられている。リンクアーム3a,3bの基端はピン8a、8bを介して回動自在に可動子12a,12bに結合されている。また、リニアモータ11の軸と平行にリニアガイド9を配置し、このリニアガイド9によって導かれるガイドテーブル10a,10bを可動子5a,5bに取り付けて、可動子12a,12bがリニアモータ11の磁石軌道に接触することなく正確に一定の間隙を保ちながら滑ることができるようになっている。
The distal ends of the
この第2の実施例におけるリニアモータ11は前記第1の実施例におけるシャフトモータ4と同じ機能を有し同様に作用する。本実施例の炉内作業ロボットの炉内への搬入、設置および搬出の動作は前記第1の実施例におけると同じである。
The
図7は、本実施例の炉内作業ロボットに備えられる作業ロボット本体を示す図である。前記第1の実施例(図1)および第2の実施例(図6)の構成に類似しているが、異なる点はリンクアーム3aと3bが同じピン6で支持されず、離れた2つのピン6a,6bで別々に回転自在に支持されていることである。更にリンクアーム3aには平歯車14aが取り付けられ、リンクアーム3bには平歯車14bが取り付けられて両者は噛み合っている。この平歯車14aと14bは同じモジュール、同じピッチ円の歯車である。ピッチ半径はピン6a,6bの軸間距離の1/2に等しい。リンクアーム3aのピン8aとピン6aの距離、およびリンクアーム3bのピン8bとピン6bの距離も同じである。手首機構7はピン6a,6bでリンクアーム3a,3bと結合しており、手首軸はシャフトモータ4の昇降軸と平行になるように平歯車14aと14bの噛み合いを合せてある。
FIG. 7 is a diagram showing a work robot body provided in the in-furnace work robot of the present embodiment. Similar to the configuration of the first embodiment (FIG. 1) and the second embodiment (FIG. 6), except that the
この構造は、台形型のアーム装置である。台形の上底を手首機構7に接続し、下底をシャフトモータ4で駆動する側にした構成であり、この構成では、手首機構7側のピン6a,6b間を平歯車14a,14bで噛み合わせることで手首機構7の姿勢は常にシャフトモータ4の軸心と平行に維持される。従って、アーム装置3の昇降とアーム伸縮の動作中、アーム手首の姿勢は常に一定であるので、アーム手首の姿勢を一定に維持することが必要な場合にはアーム手首にチルト軸を設ける必要がなくなる。
This structure is a trapezoidal arm device. The trapezoidal upper base is connected to the
本実施例は、アーム装置3と手首機構7の結合部に平歯車14a,14bを備えた構成とすることで、手首機構7の姿勢をリンクアーム3a,3bの姿勢によらず一定に保つことができる。特に、手首機構7のを組み立て時にシャフトモータ4(あるいはリニアモータ11)の駆動軸と平行にした場合は、工具22の姿勢をリンクアーム3a,3bの姿勢によらず常に垂直を保つことができ、炉内作業においてシュラウド37と平行になり炉内作業が容易になる。
In this embodiment, the spur gears 14a and 14b are provided at the joint between the
本実施例の炉内作業ロボットを原子炉内に設置した状態を図8に示す。すなわち、アーム装置3の上方のリンクアーム3aに結合された可動子5aにインナーワイヤ25を接続し、このインナーワイヤ25を包むアウターガイド管26は炉内作業ロボット内部を通過して上部より外に出し、プール上面の操作エリアまでつながっており、操作員、あるいは駆動機構によりインナーワイヤ25を引くことが可能な構成としている。この構成によれば、シャフトモータ4のサーボオフ時や過負荷発生時にサーボ電流が止まり、2つの可動子5a,5bが最下端まで落下し、リンクアーム3a,3bが最も飛び出した状態になった場合に、インナーワイヤ25を引き込むことで上方のリンクアーム3aに接続された可動子5aをオペレーションフロア上から遠隔手動で引き上げることが可能であり、故障時や異常時においてもリンクアーム3a,3bを縮方向(収納姿勢)に戻すことができる。
FIG. 8 shows a state where the in-reactor working robot of this embodiment is installed in the reactor. That is, the
1…作業ロボット本体、1a…本体ケース、2…昇降装置、3…アーム装置、3a,3b…リンクアーム、4…シャフトモータ、5a,5b…可動子、6,6a,6b…ピン、7…手首機構、8a,8b…ピン、9…リニアガイド、10a,10b…ガイドテーブル、11…リニアモータ磁石軌道、12a,12b…可動子、13…磁気式位置センサ、14a,14b…平歯車、15a…メスユニット、15b…オスユニット、16…テーパ、17…ボールチャック、18…エアシリンダ、19…プルスタッドボルト、20…テーパシャンク、21…キー溝、22…工具、25…インナーワイヤ、26…アウターガイド管、30…旋回機構、31…固定座、32…炉心支持板、33…ドグ、34…位置決めピン、35…CRDハウジング、37…シュラウド、38,39…ケーブル、40…コアシャフト、41…センサ部。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
The in-reactor work robot according to claim 1, wherein a wire is connected to the mover, the wire is guided from an upper part of the main body case to the reactor pool, and the wire on the reactor pool is pulled. An in-furnace working method characterized in that the arm device is housed in the main body case and can be recovered outside the furnace.
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