一种自补偿传热管定位装置的制作方法

1.本发明涉及热交换器传热管检查技术装置领域，特别是涉及一种自补偿传热管定位装置。


背景技术：

2.核电厂主泵外置热交换器管侧流动的反应堆冷却剂用于导出轴承、飞轮、定子与转子等部件上的热量，与换热器壳侧的流动设备冷却水进行热交换，有效减低泵腔内温度，保障主泵性能与寿命。由于传热管内介质是一回路冷却剂，一旦出现破裂会引起放射性介质进入设备冷却水回路中，导致二回路水质变化。为了一回路安全边界的安全性，因而换料大修过程中传热管需要进行检查，确认其完整性。由于该类型热交换器属于ap1000堆型特有设计，其管板尺寸、传热管直径以及排布方式等与现有蒸汽发生器或者非能动余热排出热交换器存在很大的差异，导致目前成熟应用的传热管定位装置根本无法应用于这类小径管自动定位检查，国内外也还没有针对该类热交换器传热管检测的定位装置，因而导致该类换热器传热管检查存在技术难点。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自补偿传热管定位装置，用于解决现有技术应用的传热管定位装置无法应用到小口径传热管中，以及定位精度低不具备位移自动补偿的问题。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自补偿传热管定位装置，所述自补偿传热管定位装置包括固定框架板、安装在固定框架板上的且具有x向运动块的x向传动机构、安装在x向运动块上且具有y向运动块的y向传动机构、都安装在y向运动块上的z向导向机构和定位检测机构、安装在z向导向机构上的传感器、以及控制处理机构，所述定位检测机构包括相机、以及led光源，所述x向传动机构的驱动源、y向传动机构的驱动源、z 向导向机构的驱动源、相机、以及led光源均与控制处理机构通讯连接；所述传感器用于对传热管进行检测。
5.优选地，所述x向传动机构包括x向固定板、可转动连接在x向固定板上的x向丝杆、以及x向驱动组件，所述x向驱动组件与x向丝杆传动连接，所述x向丝杆与x向运动块螺纹配合。
6.优选地，所述x向驱动组件包括x向驱动电机、传动部件、以及与x向驱动电机相连的x向旋转编码器，所述x向驱动电机通过传动部件与x向丝杆相连，所述x向驱动电机和x向旋转编码器都与控制处理机构通讯连接，所述x向驱动电机为x向传动机构的驱动源。
7.优选地，所述x向固定板的两端还安装有第一霍尔传感器，所述第一霍尔传感器与控制处理机构通讯连接。
8.优选地，所述y向传动机构包括固定在x向运动块上的y向固定板、可转动连接在y 向固定板上的y向丝杆、以及y向驱动组件，所述y向驱动组件与y向丝杆传动连接，所述y向
丝杆与y向运动块螺纹配合。
9.优选地，所述y向驱动组件包括y向驱动电机、传动部件、以及与y向驱动电机相连的y向旋转编码器，所述y向驱动电机通过传动部件与y向丝杆连接，所述y向驱动电机和y向旋转编码器都与控制处理机构通讯连接，所述y向驱动电机为y向传动机构的驱动源。
10.优选地，所述y向固定板的两端还安装有第二霍尔传感器，所述第二霍尔传感器与控制处理机构通讯连接。
11.优选地，所述z向导向机构包括固定在y向运动块上的z向导向底座、安装在z向导向底座上的z向导向驱动电机、柔性轴、以及可旋转安装在z向导向驱动电机传动轴上的插拔销扣，所述z向导向驱动电机传动轴的一端与柔性轴连接、另一端与插拔销扣旋转连接，所述柔性轴远离z向导向驱动电机传动轴的一端与传感器连接；所述插拔销扣上连接有推拉机构；所述z向导向驱动电机为z向导向机构的驱动源。
12.优选地，所述定位检测机构还包括定位参数信息连接端，所述定位参数信息连接端与控制处理机构通讯连接。
13.优选地，所述固定框架板上开设有通孔，所述固定框架板与待测传热管所在的热交换器法兰面可拆卸紧固连接。
14.如上所述，本发明的自补偿传热管定位装置，具有以下有益效果：
15.本发明所涉及的自补偿传热管定位装置，通过设置的x向传动机构、y向传动机构、z 向导向机构，将检测传热管的传感器安装在z向导向机构上，能够使得传感器在xyz三个自由度上运动，设置有能够x向和y向移动的相机、以及led光源，能够对传热管的边缘信息图进行拍照分析，利用机器视觉方法对相片进行分析，然后通过控制处理机构进行数据处理，计算出传热管的中心位置参数。如果计算出传热管的中心位置参数超过控制处理机构找那个设定的阀值，控制处理机构将会控制x向传动机构、y向传动机构自动补偿修正，保证精准定位。
附图说明
16.图1为本发明自补偿传热管定位装置的主视图；
17.图2为图1中a处的放大图；
18.图3为图2中第一霍尔传感器的空间示意图；
19.图4为本发明中定位检测机构的主视图(包括y向运动块)；
20.图5为本发明中定位检测机构的空间示意图(包括y向运动块)。
21.元件标号说明
22.1、固定框架板；101、通孔；2、热交换器法兰面；201、传热管；3、led光源；301、相机；4、柔性轴；401、插拔销扣；5、x向固定板；501、x向丝杆；502、x向运动块；503、 x向驱动电机；504、x向信息连接端；6、x向旋转编码器；601、y向旋转编码器；7、y 向固定板；701、y向丝杆；702、y向运动块；703、y向驱动电机；704、y向信息连接端； 8、第一霍尔传感器；9、第二霍尔传感器；10、z向导向底座；1001、z向导向驱动电机； 1002、z向导向信息连接端；11、定位参数信息连接端；12、传动带；13、坦克链；14、传感器；15、滑轨。
具体实施方式
23.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
24.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
25.如图1所示，本发明提供一种自补偿传热管定位装置，自补偿传热管定位装置包括固定框架板1、紧固安装在固定框架板1上的且具有x向运动块502的x向传动机构、紧固安装在x向运动块502上且具有y向运动块702的y向传动机构、通过螺钉紧固在y向运动块702上的z向导向机构和定位检测机构、安装在z向导向机构上的传感器14、以及控制处理机构，定位检测机构包括相机301、以及led光源3，x向传动机构的驱动源、y向传动机构的驱动源、z向导向机构的驱动源、相机301、以及led光源3均与控制处理机构通讯连接；传感器14用于对传热管201进行检测。
26.本发明涉及的自补偿传热管定位装置，控制处理机构通讯连接有相机301、led光源3，相机301对传热管201的管孔图像进行拆解，利用机器视觉方法对图像进行预处理和边缘检测，获得管孔的边缘信息图，然后采用边缘像素逼近聚类法准确获取管孔边缘轮廓点并拟合成圆形，计算出圆心坐标即为传热管201中心；控制处理机构接收到相机301回传的参数控制x向传动机构的驱动源、y向传动机构的驱动源，通过x向运动块502沿x向移动、以及 y向运动块702沿y向移动带动相机301、led光源3和传感器14进行x向移动和y向移动，实现自补偿，使得传感器14的位置与传热管201中心相对应，实现精准对位，然后控制 z向导向机构的驱动源使得传感器14顺利进出传热管201中进行检测。
27.本发明涉及的自补偿传热管定位装置，采用机器视觉方法对图像进行预处理和边缘检测，计算出圆心坐标即为传热管201中心，通过控制处理机构控制x向传动机构的驱动源、y向传动机构的驱动源、z向导向机构的驱动源，实现精确控制。机器视觉方法泛化能力强，定位精度高，具有现场环境下高精度、高效率的定位检测功能，能实时对传热管201管孔中心位置进行识别，如果传热管201管孔中心位置特征值超过设定的阈值，控制处理机构会对x 向传动机构、y向传动机构的运动距离进行自动补偿修改，保证精准定位。
28.优选的，如图1所示，x向传动机构包括x向固定板5、可转动连接在x向固定板5上的x向丝杆501、以及x向驱动组件，x向驱动组件与x向丝杆501传动连接，x向丝杆501 与x向运动块502螺纹配合，x向丝杆501沿x向(即图1视图中纸面的左右方向)轴向延伸。进一步的，x向固定板5通过螺钉紧固在固定框架板1上，x向丝杆501通过轴承转动连接在x向固定板5上。进一步的，x向驱动组件包括x向驱动电机503、传动部件、以及连接x向驱动电机503的x向旋转编码器6，x向驱动电机503通过传动部件与x向丝杆501 相连，x向驱动电机503和x向旋转编码器6都与控制处理机构通讯连接，x向驱动电机503 为x向传动机构的驱动源。在本实施例中，传动部件采用传动带12以及传动轮连接组件，x 向丝杆501可以为一根，也可以
为两根；当x向丝杆501为两根时，两根x向丝杆501同时与x向驱动电机503通过传动部件连接，如图1的主视图中所示，两根x向丝杆501沿z向并排排布，且x向驱动电机503通过传动部件连接与其中一根x向丝杆501连接，另一根x 向丝杆501通过传动部件同步转动。x向旋转编码器6用来记录并反馈x向驱动电机503旋转的角度，从而得到x向运动块502在x向丝杆501上的位置信息并将该信息反馈给控制处理机构。
29.优选的，如图1、图2、图3所示，x向固定板5的两端还安装有第一霍尔传感器8，第一霍尔传感器8与控制处理机构通讯连接。在本实施例中，第一霍尔传感器8用来控制x向运动块502的行程限位，对x向运动块502进行限位检测。当x向运动块502沿x向运动至x向固定板5的两端处时，第一霍尔传感器8能感应到x向运动块502，第一霍尔传感器 8的输出信号发生变化，控制处理机构据此控制x向驱动电机503停止转动，对x向运动块 502进行限位。
30.优选的，如图1所示，y向传动机构包括固定在x向运动块502上的y向固定板7、可转动连接在y向固定板7上的y向丝杆701、以及y向驱动组件，y向驱动组件与y向丝杆 701传动连接，y向丝杆701与y向运动块702螺纹配合，y向丝杆701沿y向(即图1视图中纸面的上下方向)轴向延伸。进一步的，y向固定板7通过螺钉垂直紧固在x向运动块 502上，y向丝杆701通过轴承转动连接在y向固定板7上。进一步的，y向驱动组件包括 y向驱动电机703、传动部件、以及连接y向驱动电机703的y向旋转编码器601，y向驱动电机703通过传动部件与y向丝杆701连接，y向驱动电机703和y向旋转编码器601都与控制处理机构通讯连接，y向驱动电机703为y向传动机构的驱动源。在本实施例中，y 向固定板7的一端紧固在x向运动块502上、另一端搭接在固定框架板1上设置的滑轨15 上，滑轨15与x向丝杆501向平行，便于y向固定板7更顺滑的x向移动。传动部件采用传动带12以及传动轮连接组件，y向旋转编码器601用来记录并反馈y向驱动电机703旋转的角度，从而得到y向运动块702在y向丝杆701上的位置信息并将该信息反馈给控制处理机构。进一步的，在本实施例中，y向固定板7的两端还安装有第二霍尔传感器9，第二霍尔传感器9与控制处理机构通讯连接；第二霍尔传感器9用来控制y向运动块702的行程限位，对y向运动块702进行限位检测。当y向运动块702沿y向运动至y向固定板7的两端处时，第二霍尔传感器9能感应到y向运动块702，第二霍尔传感器9的输出信号发生变化，控制处理机构据此控制y向驱动电机703停止转动，对y向运动块702进行限位。
31.优选的，如图1、图4和图5所示，z向导向机构包括通过螺钉紧固在y向运动块702 上的z向导向底座10、安装在z向导向底座10上的z向导向驱动电机1001、柔性轴4、以及可旋转安装在z向导向驱动电机1001传动轴上的插拔销扣401，z向导向驱动电机1001 传动轴的一端与柔性轴4连接、另一端与插拔销扣401旋转连接，柔性轴4远离z向导向驱动电机1001传动轴的一端与传感器14连接；插拔销扣401上可拆卸地连接有推拉机构；z 向导向驱动电机1001为z向导向机构的驱动源。在本实施例中，z向导向驱动电机1001的传动轴可以在电机壳内作转动和z向直线运动，z向直线也即为图1视图中纸面的正背面方向，插拔销扣401上连接的推拉机构用于推拉z向导向驱动电机1001的传动轴在电机壳内z 向直线运动，z向导向驱动电机1001动作时，其传动轴转动。进一步的，采用柔性轴4结构，可以根据传热管201所在位置以及传感器14与周围孔壁的间距进行灵活变化，从而保证传感器14能够顺利进出传热管201管孔；z向导向驱动电机1001可以驱动柔性轴4旋转，带动传感器14对传热管201内部进行全面的检测，并能够根据传热管201的孔壁间距使柔性轴4 进行灵活变化。另
外，本技术中电机轴既能转动、又能轴向移动的z向导向驱动电机1001 的自身结构为现有技术，比如申请公布号为cn111262379a的中国发明专利申请所公开的一种转子可轴向移动的磁悬浮电机，故此处不再展开叙述。
32.优选的，如图4所示，定位检测机构上还包括定位参数信息连接端11，定位参数信息连接端11与控制处理机构通讯连接，用来反馈相机301中拍摄传热管201的位置参数以及圆心参数信息。在本实施例中，如图1、图4和图5所示，x向驱动组件的端部还设置有x向信息连接端504，y向驱动组件的端部还设置有y向信息连接端704，z向导向驱动电机1001 上还设置有z向导向信息连接端1002，x向信息连接端504、y向信息连接端704、z向导向信息连接端1002均与控制处理机构进行通讯连接，用来反馈xyz三个方向上的位置参数。
33.优选的，如图1所示，固定框架板1上开设有通孔101，固定框架板1与待测传热管201 所在的热交换器法兰面2可拆卸紧固连接。进一步的，在本实施例中，通孔101开设在固定框架板1的中心位置，通孔101的直径与热交换器法兰面2的直径一致，在其他实施例中，通孔101的直径不小于热交换器法兰面2的直径即可。在现场作业时工作人员将固定框架板 1贴合在热交换器法兰面2上，通过定位孔以及定位销调整固定框架板1的角度，然后通过快速锁紧扣将固定框架板1锁定在热交换器法兰面2上，确保自补偿传热管定位装置不会出现滑动与坠落。
34.优选的，如图1所示，为实现线路具有条理性，x向固定板5、y向固定板7的侧壁上均安装有坦克链13，x向固定板5旁的坦克链13用于y向驱动电机703的线路排布，y向固定板7旁的坦克链13用于z向导向驱动电机1001、相机301、以及led光源3的线路排布。
35.本发明涉及的自补偿传热管定位装置具体工作过程如下：
36.1、零件安装：将固定框架板1的通孔101对准待检测热交换器法兰面2，然后通过定位销、定位孔、以及快速锁紧扣将固定框架板1与热交换器法兰面2进行紧固；
37.2、建立运动坐标系以及传热管201数据库模型：通过控制处理机构控制x向驱动电机 503、y向驱动电机703运动到某一参考点上，该点作为第一参考点；相机301与led光源 3来采集传热管201管孔图像，利用机器视觉方法对图像进行预处理和边缘检测，获得管孔的边缘信息图，然后采用边缘像素逼近聚类法准确获取管孔边缘轮廓点并拟合成圆形，计算出圆心坐标；然后在同一行选择第二个参考点处的管孔并确认管孔中心位置；当同一行传热管201管孔中心位置确认后，采用同样的方式建立同一列方向的坐标，从而实现对整个热交换器法兰面2区域的传热管201建立运动坐标系。控制处理机构控制x向运动块502、y向运动块702每次移动间距为管孔中心间距的整数倍，相机301的运动范围可覆盖整个热交换器法兰面2区域。传热管201数据库模型包含传热管201初始定位方法及自动定位的算法，初始定位方法以及自动定位的算法均是根据x向传动机构、y向传动机构、z向导向机构与热交换器法兰面2之间的几何关系推算出。
38.3、传感器14对传热管201内部检测：建立完成运动坐标系以及传热管201数据库模型后，控制处理机构参照运动坐标系的第一参考点坐标，控制x向驱动电机503、y向驱动电机703工作，x向驱动电机503、y向驱动电机703分别通过传动带12以及传动轮机构带动 x向丝杆501、y向丝杆701转动，从而改变x向运动块502、y向运动块702的位置参数，使得传感器14运动到第一参考点的正前方，然后z向导向驱动电机1001的传动轴转动带动传动轴前端的柔性轴4转动，z向导向驱动电机1001的传动轴的后端通过插拔销扣401连接的推拉机构
向前推动z向导向驱动电机1001的传动轴，从而实现柔性轴4在旋转的过程中前后运动，柔性轴4前端的传感器14对传热管201管内进行检测，检测完成后推拉机构将传感器14从传热管201内拉出；而后按照运动坐标系上第二参考点、第三参考点进行依次检测；检测结果通过传感器14反馈出来。
39.在相机301对传热管201管孔中心进行识别过程中，如果管孔中心位置特征值超过设定的阈值，控制处理机构会对x向运动块502、y向运动块702的运动距离进行自动补偿修正，保证精准定位；
40.为避免检查过程中，自补偿传热管定位装置撞击到热交换器法兰面2或者自身被撞坏，从而还设置了防碰撞保护机制。防碰撞保护机制是根据热交换器法兰面2尺寸与传热管201 分布形式，在建立的运动坐标系以及传热管201数据库模型中对z向导向机构的运动路径进行规划，设定碰撞边界范围，在z向导向机构到达边界时会降低运动速度，同时根据x向旋转编码器6、y向旋转编码器601分别监测x向驱动电机503、y向驱动电机703的扭矩数值，达到阈值后停止运动，并发出警示，避免出现碰撞。
41.本发明涉及的自补偿传热管定位装置，分别在x向固定板5两端设置有第一霍尔传感器 8，在y向固定板7两端设置有第二霍尔传感器9，分别用来检测x向运动块502、y向运动块702的临界位置，当x向运动块502运动到第一霍尔传感器8的位置、y向运动块702运动到第二霍尔传感器9的位置时，控制处理机构断开x向驱动电机503、y向驱动电机703，从而避免x向运动块502、y向运动块702分别与x向固定板5、y向固定板7的端部碰撞。
42.本发明涉及的自补偿传热管定位装置，传感器14设置在柔性轴4的前端，可以根据传热管201所在位置以及传感器14与周围传热管201的间距进行灵活变化，从而保证传感器14 能够顺利进出传热管201管孔。通过机器视觉技术建立运动坐标系，将z向导向机构定位在每一根传热管201上，并利用机器视觉技术实时对管孔中心位置进行识别，从而通过控制处理机构对xyz三个自由度运动机构的定位误差进行自动补偿，使得传感器14对准传热管201 管孔。设置有防碰撞保护机制，有效避免自补偿传热管定位装置在工作过程中，碰撞到热交换器法兰面2或者自身被撞坏，避免了碰撞损坏。
43.本发明涉及的自补偿传热管定位装置，自动化程度高，加工制作成本低；操作简单，效率高，定位精度高，具备位移自动补偿功能；采用模块化设计，可适应多种类型的换热器等优点。
44.所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
45.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。