远程球窝自动定位装置的制作方法

本实用新型涉及高辐射区域的设备远程定位安装技术领域，特别涉及一种远程球窝自动定位装置。

背景技术：

在核能领域中，随着经济的发展和科学技术水平的不断提高，人们对环境操作的安全性问题愈来愈重视。设备在各种因素的影响，如工作条件恶劣、设备制造工艺与加工缺陷、结构设计考虑不周以及设备长期运行的结构老化的原因，不可避免的出现故障，必须进行定时检修维护。这些区域的剂量强度非常高，人工作业将会大大提高辐射剂量，仅仅依靠人工，根本无法深入到高辐射环境去完成检修维护。高辐射区域设备的定期检修与维护是安全运行的重要保障。

目前发达国家很早就开始发展远程操作技术以进行放射性设备的维修作业，如特种机器人、机械手、机器视觉控制系统等，这些设备智能化程度高，但同时也存在设备复杂、成本高、维护难度大的缺陷。而我国目前由于劳动力资源比较丰富，人工费用低，许多操作岗位还不是紧迫地需要机器人来代替。另一方面，由于技术的落后，一时还无法实现自动化维修作业。

从目前发展情况来看，提高辐射设备的安全可靠性，尽量降低操作人员的受辐射剂量，减少在辐射环境下人工操作或者停留的时间，改善工作环境，需要大力开发远程操作技术，以便经济地监督、维修和修复高辐射区域设备或其他高危环境装置。

实际应用过程中，由于设备维修空间狭小，且加工精度高，在维护时更换的新设备还需高精度复位。以中国散裂中子源CSNS为例，目前特种机器人，增加辐射屏蔽后其尺寸直径至少为1米，进入隧道操作的空间有很大限制。迅速发展的机械手技术，对于隧道内重量10吨以上设备，在隧道外实现准直调节操作等，则悬臂距离至少为4.5米，其可靠性和精度非常低，且自动控制信号传输元件耐辐射较弱造成寿命也非常短，因此，需针对以上问题探讨技术上的解决办法。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单，可在高危环境下实现自动定位和高精度复位的远程球窝自动定位装置。

本实用新型的技术方案为：一种远程球窝自动定位装置，包括相配合的上层定位共架和下层定位底架，上层定位共架和下层定位底架的相接处分布有若干锥形球窝组件，且上层定位共架与下层定位底架之间通过锥形球窝组件定位；锥形球窝组件包括上锥形球窝、下锥形球窝和轴承球，上锥形球窝设于上层定位共架的底部，下锥形球窝设于下层定位底架的顶部，轴承球安装于下锥形球窝内且上部露出，上层定位共架和下层定位底架定位安装时，上锥形球窝覆盖于轴承球上部。

所述上层定位共架相对的两侧分别设有导向组件，导向组件包括相配合的导轨和导向架，导向架预先安装于定位装置两侧的隧道内壁或安装支架上，导轨安装于上层定位共架上。

所述上锥形球窝和下锥形球窝结构对称；下锥形球窝处还设有轴承球挡圈，轴承球通过轴承球挡圈安装于下锥形球窝内。

其中，锥形球窝(包括上锥形球窝和下锥形球窝)均加工成内凹的90度锥形圆面，目的是有效分摊设备自动定位过程中重载造成的水平和竖直方向应力，从而减小重载导致加工精度高的球窝应力变形。自动定位过程中，设备在重载作用下，90度锥形圆面与轴承球表面缓慢滚动接触，由最开始的一侧接触到与轴承球形成均匀一圈的相切状态，从而实现设备的三个位移自由度完全限制；同时组合三个锥形球窝又可限制设备的三个转动自由度限制，从而实现设备的最终位置精度。为增加锥形球窝的抗应力变形能力，每个球窝经过热应力处理硬度达到HRC50-HRC52。

轴承球挡圈，结构应同时满足固定轴承球不脱离锥形球窝和不影响锥形球窝一定范围的自由转动，否则轴承球会与锥形球窝形成滑动摩擦形成非常的应力及变形；

轴承球为外购厂家定制件，要求其表面硬度为HRC55-HRC60，与锥形球窝硬度的差值为HRC5-HRC10。以防出现轴承球被卡死导致锥形球窝与轴承球滑动摩擦的情况，可有效保护轴承球尺寸精度，及时解决轴承球的卡死问题最终确保设备的定位精度。

所述上层定位共架与下层定位底架的相接处呈“T”形，相接处均匀分布有三组锥形球窝组件。

所述上层定位共架和下层定位底架的相接处留有间隙，下层定位底架的顶面上还分布有若干向上凸起的下辅助支撑台，各下辅助支撑台的顶面与上层定位共架的底面紧密相接；该结构方式中，由于下辅助支撑台的顶面需要直接与上层定位共架接触，为了配合锥形球窝组件实现精确定位，下辅助支撑台的表面精度要求较高，其加工难度较大，加工成本也会相应提高。

或者，所述上层定位共架和下层定位底架的相接处留有间隙，上层定位共架的底面还分布有若干向下凸起的上辅助支撑台，各上辅助支撑台的底面与下层定位底架的顶面紧密相接。该结构方式中，由于上辅助支撑台的底面需要直接与下层定位底架接触，为了配合锥形球窝组件实现精确定位，上辅助支撑台的表面精度要求较高，其加工难度较大，加工成本也会相应提高。

所述上层定位共架和下层定位底架的相接处留有间隙，下层定位底架的顶面上还分布有若干向上凸起的下辅助支撑台，上层定位共架的底面也分布有若干向下凸起的上辅助支撑台，上层定位共架与下层定位底架安装后，上辅助支撑台和下辅助支撑台一一对应且紧密相接。该结构方式中，采用上辅助支撑台和下辅助支撑台一一对应的成对结构，可避免上辅助支撑台直接与下层定位底架接触或下辅助支撑台与上层定位共架接触，降低上辅助支撑台和下辅助支撑台的表面精度要求，降低其加工难度和加工成本。在上述定位装置使用时，由于需检修维护的设备重量一般在10吨以上，若只采用三个锥形定位球窝支撑极可能会导致应力塑性变形从而无法保证定位精度，增加锥形定位球窝的数量又会带来过定位的问题导致设备无法安装。因此，增加上辅助支撑台或下辅助支撑台的结构形式可实现设备的重载支撑，这样既能够满足支撑重载要求，也可满足设备能高精度实现复位正确安装。

同时，所有锥形球窝(包括上锥形球窝和下锥形球窝)和辅助支撑平台(包括上辅助支撑台和下辅助支撑台)的几何中心在竖直方向上位置均为一条直线，满足设备重载传递过程中其最利于减小支架的应力变形。

所述下层定位底架的一侧还设有辅助导向板，辅助导向板安装于下层定位底架的边沿转角处，且辅助导向板的顶面高于下层定位底架的底面。辅助导向板可采用一体式的L形结构，也可采用分体式的平板结构安装形成。

上述结构中，三轴承球是完成高精度定位的关键，吊装中的上层定位共架通过上锥形球窝在轴承球表面的滑动导向，最终进入设计的位置精度。三个轴承球挡圈是防止轴承球在大应力作用下而脱离锥形球窝。辅助导向板是上层球窝定位共架进入导向架后可进一步限制其角度位置，防止其发生角度扭转磕碰到其它相邻设备，而增加的辅助导向措施。

导向架包括2个可分离的导向槽板，并分别通过螺栓与隧道墙面或安装支架固定。由于轴承球的直径有限，其允许吊装中的设备所偏离设计位置范围也就是有限的±35mm，而工作人员远程操作10吨以上设备无法依靠目测从而控制此位置精度，且容易出现相邻设备的碰撞导致损害。增加导向架，允许设备偏离位置精度达±45mm，既能降低工作人员操作难度，又能有效保障吊装过程中设备的安全。

所述上层定位共架包括设备安装平台和吊装支架，设备安装平台的两侧分别设置吊装支架，各吊装支架的外侧设有导向组件，吊装支架的顶部设有吊钩；设备安装平台的底部通过锥形球窝组件与下层定位底架定位连接，设备安装平台的顶面为设备安装面，设备安装面上还设有若干设备高度调节垫铁和设备水平调节机构；设备安装平台采用井字结构的箱式焊接结构，可满足设备重载传递后增加其支撑面的应力抗变形强度。其中，吊装支架的两侧分别为吊装立柱，设备高度调节垫铁和设备水平调节机构通过螺栓固定于设备安装面上，使得设备能调节到设计的位置精度。四个吊装立柱上的吊钩主要用于天车吊装上层定位共架。

所述设备高度调节垫铁包括由上至下依次连接的第一楔形块、第二楔形块和第三楔形块，第三楔形块的两侧分别向外延伸有固定块，各固定块处通过螺栓与设备安装面固定连接，第二楔形块上设有高度调节螺杆；需要调节设备安装高度时，通过高度调节螺杆带动第二楔形块进行水平滑动，利用其上下两侧斜面的高度变化，使第一楔形块的高度产生变化，从而达到设备安装高度调节的目的。使用时，还可通过设置定位销来限制第一楔形块和第三楔形块的相对水平方向位置，高度调节螺杆转动时使得第二楔形块沿着上下接触斜面滑动，升高或降低第一楔形块实现高程方向的调节。同时，设备高度调节垫铁与设备之间不会发生水平方向位置改变，避免设备高度调节垫铁或设备接触面平面度误差导致设备在高程上的耦合位置误差。高程方向满足±5mm的调节范围。

设备水平调节机构包括水平固定架和水平调节螺杆，水平固定架通过螺栓固定于设备安装面上，水平调节螺杆设于水平安装架上，且水平调节螺杆的末端与设备相连接。需要进行设备水平位置调节时，转动水平调节螺杆，使其推动设备进行水平移动即可。其中，水平调节螺杆的一端顶着设备，另一端通过螺牙与水平固定架连接，转动时推动设备实现水平方向上±20mm的调节范围。使用时，要求设备水平调节机构与设备安装面有足够固定的强度，在调节设备水平方向位置时不会出现悬臂作用导致翘起或者螺柱崩牙等情况。

上述装置结构中，所有组件均需经过热应力处理，保证不会热胀冷缩或外力作用下释放应力，导致装置的定位精度发生改变。

本实用新型通过上述定位装置实现一种远程球窝自动定位方法，具体为：设备预先安装于上层定位共架上，并在目标位置上预先安装导向架；下层定位底架先放入目标位置，上层定位共架及设备采用吊装的方式放入目标位置，放入过程中利用导轨沿导向架下滑进行初步定位；当上层定位共架落入至下层定位底架上方时，利用锥形球窝组件进行自动精确定位，使上层定位共架安装于下层定位底架上。

操作时，上层定位共架预先装配有所需设备并准直到设计位置精度，然后工作人员远程操控天车吊装至高辐射区域完成安装。下层定位底架是安装环境未经历辐照前预先安装并准直到设计位置精度。上层定位共架经过导向架初步导向后，位置即可满足球窝自动定位的范围，最终由球窝实现最终自动高精度定位。

在装置使用过程中，下层定位底架放入目标位置后可固定安装，当需要对上层定位共架上的设备进行维护或更换时，将上层定位共架及设备一同吊出后，维护或更换后再重新放入即可。

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：

本远程球窝自动定位装置及方法可应用于高辐射区域的设备远程高精度安装与复位，可适用于危险性较高却需进行设备检修维护，尤其适合于核电站、核电厂、加速器等实际工程，具有较高的应用价值。

本远程球窝自动定位装置结构简单，利用锥形球窝组件和导向组件相配合，可实现上层定位共架和下层定位底架之间的高精度自动定位或复位，减少人工操作，且操作方便，便于设备维护和更换。

本远程球窝自动定位装置材料耐辐射、耐高温，通过天车吊装进入高危环境区域，应用范围较广，既提高远程设备检修维护的自动化水平和可靠性，又确保工作人员的辐射安全。

附图说明

图1为本远程球窝自动定位装置的整体结构示意图。

图2为上层定位共架的结构示意图。

图3为下层定位底架的结构示意图。

图4为锥形球窝组件的截面视图。

图5为单个设备高度调节垫铁的结构示意图。

图6为单个设备水平调节机构的结构示意图。

图7为上层定位共架底面的仰视图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例一种远程球窝自动定位装置，如图1所示，包括相配合的上层定位共架1和下层定位底架2，上层定位共架和下层定位底架的相接处呈“T”形，均匀分布有三组锥形球窝组件3(如图4所示)，且上层定位共架与下层定位底架之间通过锥形球窝组件定位；上层定位共架相对的两侧分别设有导向组件，导向组件包括相配合的导轨4和导向架5，导向架预先安装于定位装置两侧的隧道内壁或安装支架上，导轨安装于上层定位共架上。其中，导向架包括两个可分离的导向槽板，并分别通过螺栓与隧道墙面或安装支架固定。由于轴承球的直径有限，其允许吊装中的设备所偏离设计位置范围也就是有限的±35mm，而工作人员远程操作10吨以上设备无法依靠目测从而控制此位置精度，且容易出现相邻设备的碰撞导致损害。增加导向架，允许设备偏离位置精度达±45mm，既能降低工作人员操作难度，又能有效保障吊装过程中设备的安全。

如图4所示，锥形球窝组件包括上锥形球窝3-1、下锥形球窝3-2和轴承球3-3，上锥形球窝设于上层定位共架的底部，下锥形球窝设于下层定位底架的顶部，轴承球安装于下锥形球窝内且上部露出，上层定位共架和下层定位底架定位安装时，上锥形球窝覆盖于轴承球上部。上锥形球窝和下锥形球窝结构对称；如图3所示，下锥形球窝处还设有轴承球挡圈3-4，轴承球通过轴承球挡圈安装于下锥形球窝内。其中，锥形球窝(包括上锥形球窝和下锥形球窝)均加工成内凹的90度锥形圆面，目的是有效分摊设备自动定位过程中重载造成的水平和竖直方向应力，从而减小重载导致加工精度高的球窝应力变形。自动定位过程中，设备在重载作用下，90度锥形圆面与轴承球表面缓慢滚动接触，由最开始的一侧接触到与轴承球形成均匀一圈的相切状态，从而实现设备的三个位移自由度完全限制；同时组合三个锥形球窝又可限制设备的三个转动自由度限制，从而实现设备的最终位置精度。为增加锥形球窝的抗应力变形能力，每个球窝经过热应力处理硬度达到HRC50-HRC52。轴承球挡圈，结构应同时满足固定轴承球不脱离锥形球窝和不影响锥形球窝一定范围的自由转动，否则轴承球会与锥形球窝形成滑动摩擦形成非常的应力及变形。轴承球为外购厂家定制件，要求其表面硬度为HRC55-HRC60，与锥形球窝硬度的差值为HRC5-HRC10。以防出现轴承球被卡死导致锥形球窝与轴承球滑动摩擦的情况，可有效保护轴承球尺寸精度，及时解决轴承球的卡死问题最终确保设备的定位精度。

上层定位共架和下层定位底架的相接处留有间隙，下层定位底架的顶面上还分布有两个向上凸起的下辅助支撑台13，各下辅助支撑台的顶面与上层定位共架的底面紧密相接。由于需检修维护的设备重量一般在10吨以上，若只采用三个锥形定位球窝支撑极可能会导致应力塑性变形从而无法保证定位精度，增加锥形定位球窝的数量又会带来过定位的问题导致设备无法安装。因此，增加下辅助支撑台的结构形式可实现设备的重载支撑，这样既能够满足支撑重载要求，也可满足设备能高精度实现复位正确安装。同时，所有锥形球窝(包括上锥形球窝和下锥形球窝)和辅助支撑平台(包括上辅助支撑台和下辅助支撑台)的几何中心在竖直方向上位置均为一条直线，满足设备重载传递过程中其最利于减小支架的应力变形。

如图3所示，下层定位底架的一侧还设有辅助导向板6，辅助导向板安装于下层定位底架的边沿转角处，且辅助导向板的顶面高于下层定位底架的底面。辅助导向板可采用一体式的L形结构，也可采用分体式的平板结构安装形成。该结构中，三轴承球是完成高精度定位的关键，吊装中的上层定位共架通过上锥形球窝在轴承球表面的滑动导向，最终进入设计的位置精度。三个轴承球挡圈是防止轴承球在大应力作用下而脱离锥形球窝。辅助导向板是上层球窝定位共架进入导向架后可进一步限制其角度位置，防止其发生角度扭转磕碰到其它相邻设备，而增加的辅助导向措施。

如图1或图2所示，上层定位共架包括设备安装平台7和吊装支架8，设备安装平台的两侧分别设置吊装支架，各吊装支架的外侧设有导向组件，吊装支架的顶部设有吊钩9；设备安装平台的底部通过锥形球窝组件与下层定位底架定位连接，设备安装平台的顶面为设备安装面7-1，设备安装面上还设有若干设备高度调节垫铁10和设备水平调节机构11；设备安装平台采用井字结构的箱式焊接结构，可满足设备重载传递后增加其支撑面的应力抗变形强度。其中，吊装支架的两侧分别为吊装立柱，设备高度调节垫铁和设备水平调节机构通过螺栓固定于设备安装面上，使得设备能调节到设计的位置精度。四个吊装立柱上的吊钩主要用于天车吊装上层定位共架。

如图5所示，设备高度调节垫铁包括由上至下依次连接的第一楔形块10-1、第二楔形块10-2和第三楔形块10-3，第三楔形块的两侧分别向外延伸有固定块10-4，各固定块处通过螺栓与设备安装面固定连接，第二楔形块上设有高度调节螺杆10-5；需要调节设备安装高度时，通过高度调节螺杆带动第二楔形块进行水平滑动，利用其上下两侧斜面的高度变化，使第一楔形块的高度产生变化，从而达到设备安装高度调节的目的。使用时，还可通过设置定位销来限制第一楔形块和第三楔形块的相对水平方向位置，高度调节螺杆转动时使得第二楔形块沿着上下接触斜面滑动，升高或降低第一楔形块实现高程方向的调节。同时，设备高度调节垫铁与设备之间不会发生水平方向位置改变，避免设备高度调节垫铁或设备接触面平面度误差导致设备在高程上的耦合位置误差。高程方向满足±5mm的调节范围。

如图6所示，设备水平调节机构包括水平固定架11-1和水平调节螺杆11-2，水平固定架通过螺栓固定于设备安装面上，水平调节螺杆设于水平安装架上，且水平调节螺杆的末端与设备相连接。需要进行设备水平位置调节时，转动水平调节螺杆，使其推动设备进行水平移动即可。其中，水平调节螺杆的一端顶着设备，另一端通过螺牙与水平固定架连接，转动时推动设备实现水平方向上±20mm的调节范围。使用时，要求设备水平调节机构与设备安装面有足够固定的强度，在调节设备水平方向位置时不会出现悬臂作用导致翘起或者螺柱崩牙等情况。

上述装置结构中，所有组件均需经过热应力处理，保证不会热胀冷缩或外力作用下释放应力，导致装置的定位精度发生改变。

实施例2

本实施例一种远程球窝自动定位装置，与实施例1相比，其不同之处在于：上层定位共架和下层定位底架的相接处留有间隙，上层定位共架的底面还分布有若干向下凸起的上辅助支撑台12(如图7所示)，各上辅助支撑台的底面与下层定位底架的顶面紧密相接。该结构中，下层定位底架上可不设置下辅助支撑台。

实施例3

本实施例一种远程球窝自动定位装置，与实施例1相比，其不同之处在于：上层定位共架和下层定位底架的相接处留有间隙，下层定位底架的顶面上还分布有两个向上凸起的下辅助支撑台，上层定位共架的底面也分布有两个向下凸起的上辅助支撑台12(如图7所示)，上层定位共架与下层定位底架安装后，上辅助支撑台和下辅助支撑台一一对应且紧密相接。该结构中，位于上层定位共架和下层定位底架中的两个辅助支撑平台和三个锥形球窝组件一一对应，形成配套结构。三个轴承球是完成高精度定位的关键，吊装中的上层球窝定位共架通过锥形球窝在轴承球表面的滑动导向，最终进入设计的位置精度。该结构方式中，采用上辅助支撑台和下辅助支撑台一一对应的成对结构，可避免上辅助支撑台直接与下层定位底架接触或下辅助支撑台与上层定位共架接触，降低上辅助支撑台和下辅助支撑台的表面精度要求，降低其加工难度和加工成本。

实施例4

本实施例一种远程球窝自动定位装置，与实施例1相比，其不同之处在于：如图3所示，下层定位底架的底部也设有设备高度调节垫块，其具体结构与实施例1相同，可用于调节远程球窝自动定位装置及设备的整体高度；下层定位底架的外侧也设有设备水平调节机构，其具体结构与实施例1相同，可用于调节远程球窝自动定位装置及设备的整体水平位置。

实施例5

本实施例一种远程球窝自动定位方法，该方法通过实施例1～4任一实施例所述的装置实现，具体为：设备预先安装于上层定位共架上，并在目标位置上预先安装导向架；下层定位底架先放入目标位置，上层定位共架及设备采用吊装的方式放入目标位置，放入过程中利用导轨沿导向架下滑进行初步定位；当上层定位共架落入至下层定位底架上方时，利用锥形球窝组件进行自动精确定位，使上层定位共架安装于下层定位底架上。

操作时，上层定位共架预先装配有所需设备并准直到设计位置精度，然后工作人员远程操控天车吊装至高辐射区域完成安装。下层定位底架是安装环境未经历辐照前预先安装并准直到设计位置精度。上层定位共架经过导向架初步导向后，位置即可满足球窝自动定位的范围，最终由球窝实现最终自动高精度定位。

在装置使用过程中，下层定位底架放入目标位置后可固定安装，当需要对上层定位共架上的设备进行维护或更换时，将上层定位共架及设备一同吊出后，维护或更换后再重新放入即可。

如上所述，便可较好地实现本实用新型，上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。