一种用于乏燃料密封贮存罐环形焊缝的自动切割装置

技术领域

本发明涉及乏燃料后处理技术领域，具体涉及一种用于乏燃料密封贮存罐环形焊缝的自动切割装置。

背景技术

在核电站运行过程，核燃料需要定期更换并存储在乏燃料池中，随着核电站运行，乏燃料的数量不断增加。目前，国内各大核电站乏燃料池的容量已经不能满足存储乏燃料的需要，采用密封贮存容器存储乏燃料的干式存储技术可以很好地解决乏燃料现场存储的问题，并安全转运至目的地。乏燃料密封贮存容器是长期存储乏燃料的容器，由罐体、内外盖、屏蔽塞构成，屏蔽塞搭在罐体环状支撑环上，内盖放置在屏蔽塞上，外盖放置在内盖上。为确保乏燃料储存的安全性，装料后需要对其进行双层密封，内盖与罐体进行焊接密封，外盖与罐体进行焊接密封，从而保证密封储存容器的密封性，内外盖焊接后均存在较长较大的环形焊缝。

为保证乏燃料后处理的正常进行，需要去除乏燃料密封贮存罐的焊缝，完成盖板的开盖并取出乏燃料，目前，在切割实施过程中存在以下难点：

1、乏燃料密封贮存罐密封焊缝包括多种焊缝，既有整圆等较为规则焊缝，也有不规则的异形多段直线焊缝，如图1所示，因此，需要设备可以适应不同轨迹焊缝的切割；

2、乏燃料密封贮存罐环形焊缝半径大，深度较厚，整体切削量大，需要设备整体强度高、刀具寿命长；

3、由于乏燃料具备一定的放射性，为尽可能减少人员现场操作，需要设备具备远程自动换刀功能；

4、由于罐体自身的加工误差和焊接过程的焊接变形，环形焊缝亦不是标准圆形，需要设备在整圆切削时能够适应径向改变的焊缝，从而保证盖板和罐体的结构完整性；

5、为确保打开进气排水通道，需要在外盖板指定位置钻孔并去除进气排水组件孔盖板焊缝，需要设备具备铣削或钻削开孔的功能；且待钻穿盖板厚50mm，要求钻削行程长。

6、由于乏燃料密封储存容器本身放置于专用工作平台，具有一定的放射性，需要在工作平台现场完成焊缝的去除；

7、为尽可能减少切割过程的碎屑飞溅，焊缝切割过程需要同步实现碎屑收集；

8、为尽可能减少带放射性废液，焊缝切割过程中不允许使用液体冷却剂。

综上所述，这些特点要求乏燃料密封贮存罐环形焊缝的自动切割装置必须能够具备远距离操控、车削铣削钻削复合加工方式、大直径焊缝切削及碎屑自动收集等功能，通过还需具备旋转过程径向补偿功能以适应变形的罐体，同时也能够在放射性环境现场完成切削加工、不与工作平台发生干涉。基于此，现设计一种专用于乏燃料密封贮存罐环形焊缝的自动切割装置对乏燃料密封贮存罐的密封焊缝进行切割和盖板钻孔。

发明内容

本发明是为了解决现有的切割装置对乏燃料密封贮存罐多种密封焊缝的远距离自动切割、以及盖板钻孔存在的技术难题，目的在于提供一种用于乏燃料密封贮存罐环形焊缝的自动切割装置，实现了在放射环境下乏燃料密封贮存罐环形焊缝切割、不规则直线段焊缝切割、标记位置钻孔的工程需求，集多种加工功能、径向补偿、远程自动换刀及碎屑自动收集为一体。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于乏燃料密封贮存罐环形焊缝的自动切割装置，包括切割装置本体，所述切割装置本体包括底座、主轴回转组件、线路电气滑环机构、水平移动组件、第一竖直移动组件、车削模块、第二竖直移动组件和钻铣模块；

所述主轴回转组件设置在底座中部，所述线路电气滑环机构和水平移动组件均设置在主轴回转组件上，所述第一竖直移动组件和第二竖直移动组件均设置在水平移动组件上，所述第一竖直移动组件连接车削模块，所述第二竖直移动组件连接钻铣模块，所述钻铣模块上设置有用于实现切割时径向补偿的激光扫描组件；

其中，所述主轴回转组件、水平移动组件和第一竖直移动组件配合带动车削模块实现圆形轨迹车削切割，所述主轴回转组件、水平移动组件和第二竖直移动组件配合带动钻铣模块实现不规则轨迹铣削切割及钻孔。

作为本发明进一步的技术方案，所述底座包括底部圆盘和底座垫，所述底部圆盘上设置有用于连接待切割工件的连接孔，所述底座垫为主轴回转组件提供支撑。

作为本发明进一步的技术方案，所述主轴回转组件包括旋转外壳、支撑板、支撑基座、电机组件和中心轴，所述支撑板固定在旋转外壳上方，所述支撑基座固定在支撑板中部，所述中心轴底部固定在底座上，所述中心轴上端与支撑板转动连接，所述电机组件通过齿轮传动机构驱动支撑板旋转。

作为本发明进一步的技术方案，所述线路电气滑环机构包括电气滑环和滑环支撑柱，所述滑环支撑柱固定在主轴回转组件上，所述电气滑环固定在滑环支撑柱上。

作为本发明进一步的技术方案，所述水平移动组件包括连接座、X轴悬臂、水平伺服电机、X轴丝杠、X轴直线导轨和X轴滑块组，所述连接座固定在主轴回转组件上，所述X轴悬臂的一端与连接座固定，所述水平伺服电机固定在X轴悬臂上且与X轴丝杠一端连接，所述X轴丝杠另一端转动连接在X轴悬臂上，所述X轴滑块组与X轴直线导轨滑动连接。

作为本发明进一步的技术方案，所述第一竖直移动组件包括背板一、第一竖直驱动电机、第一Z轴丝杆、第一Z轴竖直导轨和第一Z轴滑块，所述背板一固定在X轴滑块组上，所述第一竖直驱动电机固定在背板一上且与第一Z轴丝杆一端连接，所述第一Z轴丝杆的另一端转动连接在背板一上，所述第一Z轴滑块与第一Z轴竖直导轨滑动连接。

作为本发明进一步的技术方案，所述车削模块包括换刀电机和自动换刀组件，所述自动换刀组件与换刀电机的输出端连接。

作为本发明进一步的技术方案，所述第二竖直移动组件包括背板二、第二竖直驱动电机、第二Z轴丝杆、第二Z轴竖直导轨和第二Z轴滑块，所述背板二固定在X轴滑块组上，所述第二竖直驱动电机固定在背板二上且与第二Z轴丝杆一端连接，所述第二Z轴丝杆的另一端转动连接在背板二上，所述第二Z轴滑块与第二Z轴竖直导轨滑动连接。

作为本发明进一步的技术方案，所述钻铣模块包括钻铣主轴电机和刀具支架组件，所述刀具支架组件与钻铣主轴电机的输出端连接，所示激光扫描组件设在刀具支架组件底部。

作为本发明进一步的技术方案，还包括碎屑收集及冷却组件，所述碎屑收集及冷却组件包括负压吸取装置、碎屑收集头和气阀，所述负压吸取装置通过管路与碎屑收集头连接，所述气阀通过冷气管与气源连接。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明的切割装置本体与控制柜之间电缆超过30m，通过远程控制能够满足放射性环境远程控制、信号传递和电源供给。

2.本发明X、Y、Z多个方向联动，可满足直径在1200mm-1900mm乏燃料密封贮存罐的切割需求。

3.本发明通过不同方向的联动组合，能够实现在放射环境下乏燃料密封贮存罐环形焊缝切割、不规则直线段焊缝切割、标记位置钻孔的工程需求，并具备切割过程X轴径向补偿、碎屑自动收集、刀具气体冷却等功能为一体，实现了乏燃料密封贮存罐罐体与盖板密封焊缝的去除和盖板的钻孔，可应用于乏燃料密封储存容器盖板的开盖。

4.本发明通过激光扫描组件扫描钻铣模块的刀具与待加工部位的距离，生成环形轨迹切割时X轴的补偿量，实现车削及整圈铣削时X轴的实时补偿，从而确保装置能适应不同圆度误差的环形焊缝切割。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为乏燃料密封贮存罐的焊缝示意图；

图2为切割装置本体与控制柜、稳压电源的连接示意图；

图3为切割装置本体的结构示意图；

图4为底座的结构示意图；

图5为主轴回转组件的结构示意图；

图6为主轴回转组件的内部剖视图；

图7为线路电气滑环机构的结构示意图；

图8为水平移动组件的结构示意图；

图9为第一竖直移动组件和第二竖直移动组件的结构示意图；

图10为碎屑收集及冷却组件的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-底座，101-底部圆盘，102-底座垫，2-主轴回转组件，201-旋转外壳，202-支撑板，203-支撑基座，204-电机组件，205-中心轴，206-主动驱动齿轮，207-行星齿轮机构，208-监控器组件，3-线路电气滑环机构，301-电气滑环，302-滑环支撑柱，4-水平移动组件，401-连接座，402-X轴悬臂，403-水平伺服电机，404-X轴丝杠，405-X轴直线导轨，406-X轴滑块组，407-履带式电缆支架，408-电控箱，5-第一竖直移动组件，501-背板一，502-第一竖直驱动电机，503-第一Z轴丝杆，504-第一Z轴竖直导轨，505-第一Z轴滑块，6-车削模块，601-换刀电机，602-自动换刀组件，7-第二竖直移动组件，701-背板二，702-第二竖直驱动电机，703-第二Z轴丝杆，704-第二Z轴竖直导轨，705-第二Z轴滑块，8-钻铣模块，801-钻铣主轴电机，802-刀具支架组件，803-激光扫描组件，9-碎屑收集及冷却组件，901-负压吸取装置，902-管路，903-碎屑收集头，904-冷气管，905-磁力座，906-气阀，10-控制柜，11-稳压电源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供一种用于乏燃料密封贮存罐环形焊缝的自动切割装置，参阅图1-图10，包括切割装置本体，所述切割装置本体包括底座1、主轴回转组件2、线路电气滑环机构3、水平移动组件4、第一竖直移动组件5、车削模块6、第二竖直移动组件7和钻铣模块8；

所述主轴回转组件2设置在底座1中部，所述线路电气滑环机构3和水平移动组件4均设置在主轴回转组件2上，所述第一竖直移动组件5和第二竖直移动组件7均设置在水平移动组件4上，所述第一竖直移动组件5连接车削模块6，所述第二竖直移动组件7连接钻铣模块8，所述钻铣模块8上设置有用于实现切割时径向补偿的激光扫描组件803；

其中，所述主轴回转组件2、水平移动组件4和第一竖直移动组件5配合带动车削模块6实现圆形轨迹车削切割，所述主轴回转组件2、水平移动组件4和第二竖直移动组件7配合带动钻铣模块8实现不规则轨迹铣削切割及钻孔。

本发明的工作原理为：

首先，将底座1与待加工乏燃料密封贮存罐内外盖板的螺栓孔进行固定，启动装置，通过主轴回转组件2带动水平移动组件4及其附件的回转，实现装置的回转；水平移动组件4通过其上设置的丝杆移动机构带动第一竖直移动组件5和第二竖直移动组件7水平移动，实现装置水平方向的运动及进给；第一竖直移动组件5通过其上设置的丝杆移动机构带动车削模块6实现竖直方向运动及进给；第二竖直移动组件7通过其上设置的丝杆移动机构带动铣钻模块实现竖直方向运动及进给；

在切割过程中，通过切割软件系统设置轨迹自动生成加工程序，并可通过控制系统带动各组件的运动，其中，通过控制主轴回转组件2、水平移动组件4及第一竖直移动组件5的联动，从而带动车削模块6实现圆形轨迹车削切割，通过控制系统实现主轴回转组件2、水平移动组件4、第一竖直移动组件5及钻铣模块8的联动，带动铣钻模块实现任意轨迹铣削切割，并实现标记位置的钻孔，同时，当遇到不同圆度的环形焊缝时，通过激光扫描组件803扫描钻铣模块8的刀具与待加工部位的距离，生成环形轨迹切割时X轴的补偿量，实现车削及整圈铣削时X轴的实时补偿，从而确保装置能适应不同圆度误差的环形焊缝切割。

本发明的切割装置本体与控制柜10通过电缆连接，所述控制柜10与稳压电源11连接，切割装置本体与控制柜10之间电缆超过30m，能够满足放射性环境远程控制、信号传递和电源供给；本发明X、Y、Z多个方向联动，可满足直径在1200mm-1900mm乏燃料密封贮存罐的切割需求。

实施例2

本实施例对底座1的具体结构做进一步说明。

所述底座1包括底部圆盘101和底座垫102，所述底部圆盘101上设置有用于连接待切割工件的连接孔，所述底座垫102为主轴回转组件2提供支撑。

如图4所示，底部圆盘101上周向布有内外两圈通孔和一圈螺纹孔，通孔用于切割装置与待切割工件的固定，可通过制备不同位置的通孔适应不同尺寸的乏燃料密封贮存罐，螺纹孔用于设备的吊装；底部圆盘101和底座垫102通过螺栓连接，底座垫102作为主轴回转组件2的支撑。

实施例3

本实施例对主轴回转组件2的具体结构做进一步说明。

所述主轴回转组件2包括旋转外壳201、支撑板202、支撑基座203、电机组件204和中心轴205，所述支撑板202固定在旋转外壳201上方，所述支撑基座203固定在支撑板202中部，所述中心轴205底部固定在底座1上，所述中心轴205上端与支撑板202转动连接，所述电机组件204通过齿轮传动机构驱动支撑板202旋转。

所述齿轮传动机构包括主动驱动齿轮206和行星齿轮机构207，所述主动驱动齿轮206安装在底座1上，所述行星齿轮机构207与旋转外壳201和支撑板202固定连接，所述电机组件204的输出端与主动驱动齿轮206连接，所述主动驱动齿轮206与行星齿轮机构207啮合。

如图5和6所示，主动驱动齿轮206通过螺栓安装在底座垫102上，行星齿轮机构207与旋转外壳201和中部支撑板202通过螺栓连接，支撑基座203通过螺栓与支撑板202中部固定，用于安装线路电气滑环机构3；电机组件204由伺服驱动电机及减速器构成，伺服驱动电机的主轴与主动驱动齿轮206啮合，行星齿轮机构207与主动驱动齿轮206啮合，通过齿轮间配合构成主轴回转运动的机构，从而带动水平移动组件4及其附件旋转。

此外，主轴回转组件2上装有监控器组件208，监控器组件208由支座和耐辐照相机构成，可在放射性环境下清晰观测刀具切割过程，并反馈实时图像，便于操作者掌握切割过程。

实施例4

本实施例对线路电气滑环机构3的具体结构做进一步说明。

所述线路电气滑环机构3包括电气滑环301和滑环支撑柱302，所述滑环支撑柱302固定在主轴回转组件2上，所述电气滑环301固定在滑环支撑柱302上。

如图7所示，电气滑环301通过螺栓连接在滑环支撑柱302上，滑环支撑柱302通过螺栓连接在支撑板202上。电气滑环301内有电滑环及气滑环，切割装置通过线路电气滑环机构3传递电源动力、数据信号，并确保机器本体旋转时电缆保持原位，从而避免旋转过程中电路、气路的线缆缠绕。

实施例5

本实施例对水平移动组件4的具体结构做进一步说明。

所述水平移动组件4包括连接座401、X轴悬臂402、水平伺服电机403、X轴丝杠404、X轴直线导轨405和X轴滑块组406，所述连接座401固定在主轴回转组件2上，所述X轴悬臂402的一端与连接座401固定，所述水平伺服电机403固定在X轴悬臂402上且与X轴丝杠404一端连接，所述X轴丝杠404另一端转动连接在X轴悬臂402上，所述X轴滑块组406与X轴直线导轨405滑动连接。

如图8所示，所述连接座401通过螺栓连接在支撑板202上，X轴悬臂402通过螺栓与连接座401及支撑板202紧固连接，水平伺服电机403通过螺栓固定在X轴悬臂402上，所述X轴丝杠404螺纹连接有螺母，第一竖直移动组件5和第二竖直移动组件7背面与X轴滑块组406、螺母固定，通过丝杆移动机构实现第一竖直移动组件5和第二竖直移动组件7的水平移动。

所述X轴悬臂402上海设置有履带式电缆支架407，用于第一竖直移动组件5与第二竖直移动组件7所含线路水平移动时电缆的收放，所述连接座401上安装有电控箱408，用于电和信号传输。

实施例6

本实施例对第一竖直移动组件5及车削模块6的具体结构做进一步说明。

所述第一竖直移动组件5包括背板一501、第一竖直驱动电机502、第一Z轴丝杆503、第一Z轴竖直导轨504和第一Z轴滑块505，所述背板一501固定在X轴滑块组406上，所述第一竖直驱动电机502固定在背板一501上且与第一Z轴丝杆503一端连接，所述第一Z轴丝杆503的另一端转动连接在背板一501上，所述第一Z轴滑块505与第一Z轴竖直导轨504滑动连接。

如图9所示，第一竖直移动组件5通过背板一501与水平移动组件4实现固定，所述第一Z轴丝杆503上螺纹连接有螺母，所述螺母与第一Z轴滑块505中部固定，所述车削模块6背面固定在第一Z轴滑块505上，从而实现带动车削模块6上下运动，同时，第一Z轴竖直导轨504上装有限位器，确保车削模块6上下运动的安全性。

所述车削模块6包括换刀电机601和自动换刀组件602，所述自动换刀组件602与换刀电机601的输出端连接，所述自动换刀组件602内含涡轮蜗杆结构，通过自动换刀电机601带动旋转完成车刀的自动换刀，车削模块6的自动换刀组件602，最大可安装4把车刀，可实现刀具的自动换刀。

实施例7

本实施例对第二竖直移动组件7及钻铣模块8的具体结构做进一步说明。

所述第二竖直移动组件7包括背板二701、第二竖直驱动电机702、第二Z轴丝杆703、第二Z轴竖直导轨704和第二Z轴滑块705，所述背板二701固定在X轴滑块组406上，所述第二竖直驱动电机702固定在背板二701上且与第二Z轴丝杆703一端连接，所述第二Z轴丝杆703的另一端转动连接在背板二701上，所述第二Z轴滑块705与第二Z轴竖直导轨704滑动连接。

如图9所示，第二竖直移动组件7通过背板二701与水平移动组件4实现固定，所述第二Z轴丝杆703上螺纹连接有螺母，所述螺母与第二Z轴滑块705中部固定，所述铣削模块背面固定在第二Z轴滑块705上，从而实现带动钻铣模块8上下运动，同时，第二Z轴竖直导轨704上装有限位器，确保铣削模块上下运动的安全性。

所述钻铣模块8包括钻铣主轴电机801和刀具支架组件802，所述刀具支架组件802与钻铣主轴电机801的输出端连接，所示激光扫描组件803设在刀具支架组件802底部。

其中，刀具支架组件802设有铣刀及钻刀夹持头，可实现与刀具的夹持和固定，并通过钻铣主轴电机801的主轴带动铣刀、钻刀旋转；激光扫描组件803由激光位移传感器、支架及电路构成，一个用于扫描刀具与待加工环形焊缝的位置信息，记录整圈不同位置的间距，从而反馈给控制系统，实现切削过程的径向补偿，从而适应不同圆度如椭圆、非正圆轨迹的环形焊缝的切割，并且，激光扫描组件803整圈最多扫描72个点，可拟合出任意圆度偏差的类圆轨迹。

实施例8

本实施例对碎屑收集及冷却组件9的具体结构做进一步说明。

本发明的切割装置还包括碎屑收集及冷却组件9，所述碎屑收集及冷却组件9包括负压吸取装置901、碎屑收集头903和气阀906，所述负压吸取装置901通过管路902与碎屑收集头903连接，所述气阀906通过冷气管904与气源连接。

如图10所示，负压吸取装置901内含电机、调速器、过滤系统和外壳，利用电机带动叶片高速旋转，产生负压，通过碎屑收集头903实现碎屑的吸取；冷气管904通过线路电气滑环机构3与空压机等气源相连，通过气阀906吹出气体，实现刀具加工过程的冷却；所述气阀906与冷气管904之间还连接有磁力座905，通过磁性吸附的方式装在车削模块6或铣钻模块上，方便固定。

实施例9

基于本发明的切割装置，本实施例提供一种乏燃料密封贮存罐环形焊缝的切割方法：

1)通过吊装工具将自动切割装置吊运至待加工乏燃料密封贮存罐的盖板上方，并通过螺栓与盖板进行固定。

2)使用前先检查各机构是否稳固连接，电路是否正常，确认装置完好后，开机。

3)开机完成后，检查各个丝杠机构边缘的限位开关工作是否正常。

4)根据不同位置、形状焊缝的切割需求安装不同刀具，具体包括：外盖与筒体间圆形轨迹焊缝可采用车削方式进行，也可以采用铣削方式完成；内盖与筒体排水组件上不规则直线段焊缝采用铣削方式完成；盖板标记处钻孔可采用铣削、钻削方式完成。

5)刀具安装完毕后根据焊缝的切割需求进行对刀，并在切割软件系统上设置切割轨迹，自动生成加工程序；当加工圆形轨迹焊缝时，需根据焊缝的圆度误差启动激光扫描程序，生成焊缝切削过程所需的径向补偿量。

6)确认安全后，启动加工程序，实现焊缝的切割或盖板的钻孔；在切割过程中可根据加工状况调整进给速度；

7)切割完成后根据实际需要编制新的加工程序或进行设备复位。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。