Rapporto sulla progettazione del sistema di manipolazione remota

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1 Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie, l Energia e lo Sviluppo Economico Sostenibile RICERCA DI SISTEMA EETTRICO Rapporto sulla progettazione del sistema manipolazione remota Gioacchino Miccichè, uciano orenzelli Report RdS/211/384

2 Rapporto sulla progettazione del sistema manipolazione remota Gioacchino Miccicchè, uciano orenzelli (ENEA) Novembre 211 Report Ricerca Sistema Elettrico Accordo Programma Ministero dello Sviluppo Economico ENEA Area: Governo, gestione e sviluppo del sistema elettrico nazionale Progetto: Fusione nucleare: Attività fisica e tecnologia della fusione complementari ad ITER, denominate Broader Approach Responsabile Progetto: Aldo Pizzuto, ENEA

3 Sigla identificazione 1 21 Titolo Rapporto sulla progettazione del sistema manipolazione remota Descrittori Tipologia del documento: Deliverable Collocazione contrattuale: Accordo programma ENEA-MSE Argomenti trattati: Progettazione del sistema manipolazione remota Sommario Questo documento descrive il progetto del sistema manipolazione remotizzata per la validazione delle operazioni manutenzione per il riconzionamento del Target IFMIF. In particolare viene descritto il progetto un nuovo braccio robotico antropomorfo che sarà installato nel laboratorio DRP dell ENEA Brasimone. Note Copia n. In carico a: 2 NOME FIRMA NOME FIRMA 1 EMISSIONE NOME 3/11/211 G. Miccichè A. Aiello P. Agostini FIRMA REV. DESCRIZIONE DATA REDAZIONE CONVAIDA APPROVAZIONE

4 Sigla identificazione Sommario 1. INTRODUZIONE TARGET E TEST CE DI IFMIF DESCRIZIONE DEA TARGET E TEST FACIITY OPERAZIONI DI MANUTENZIONE DE TARGET DI IFMIF DISPOSITIVI PER A MANUTENZIONE REMOTIZZATA DE TA DI IFMIF BRACCI ROBOTICI PER E OPERAZIONI DI MANUTENZIONE MODIFICA DE BRACCIO ROBOTICO ESISTENTE FANGE PER I CAMBIO RAPIDO DEI TERMINAI ROBOTICI PROGETTAZIONE E REAIZZAZIONE DE NUOVO BRACCIO ROBOTICO INTEGRAZIONE DE NUOVO BRACCIO IN SAA CONTROO CONCUSIONI... 21

5 Sigla identificazione 1. INTRODUZIONE International Fusion Materials Irraation Facility (IFMIF) è un impianto che sarà realizzato per lo stuo dei materiali che saranno impiegati nei futuri reattori a fusione nucleare. In particolare questo impianto permetterà testare il comportamento dei materiali fino a una dose cumulata danneggiamento neutronico 12 dpa in 4 anni. Esso fa parte dei progetti sulla fusione nucleare inseriti nell accordo internazionale tra Europa e Giappone conosciuto come Broader Approach agreement. In tale contesto l ENEA è responsabile delle attività progettazione del Target Assembly (TA) e dello stuo e della validazione delle operazioni manutenzione da eseguire per il riconzionamento del target stesso. Il TA IFMIF è un target a litio che a seguito della reazione stripping D + - i crea il necessario flusso neutronico ad alta energia (14 MeV) per il test dei materiali. ambiente in cui questo componente si trova ad operare è considerato molto critico, sia durante la fase operazione per l irraggiamento dei materiali sia durante la fase in cui l impianto è fermo per la manutenzione preventiva. In particolare il valore dose gamma atteso durante la fase manutenzione nella zona in cui il target è installato è 1 5 Sv/h. Con questi valori attività gamma ogni operazione manutenzione con metodo manuale è proibita e l unica alternativa per l esecuzione tali operazioni è quella usare spositivi comandabili da remoto. Questo documento descrive la progettazione e la realizzazione del braccio robotico per l esecuzione tali operazioni manutenzione remotizzata per il riconzionamento del TA IFMIF. 2. TARGET E TEST CE DI IFMIF 2.1 DESCRIZIONE DEA TARGET E TEST FACIITY Il TA IFMIF è installato all interno della test cell IFMIF. a target e test cell (TTC) IFMIF rappresenta, insieme all acceleratore, la parte principale dell impianto. In essa, infatti, sono installatati i tre moduli, ad alto, meo e basso flusso neutronico, che portano i campioni dei materiali da testare e il TA a lito che fornisce il richiesto flusso neutronico ad alta energia 14 MeV. Diverse geometrie TTC sono state stuate con l obiettivo ottimizzare il progetto tenendo conto sia delle conzioni operative sia della semplificazione delle operazioni manutenzione da eseguire per tutti i componenti presenti all interno della TTC stessa. Esse fferiscono principalmente per la forma, che può essere a base circolare o

6 Sigla identificazione quadrata, per la sposizione dei spositivi accessori all interno della cella stessa, come i supporti dei moduli, per la posizione delle linee gas, dei connettori dei segnali e per gli spazi sponibili. a Fig. 1 mostra due dei modelli TTC stuati per le future attività progettazione. Fig. 1 Modelli 3D della TTC Dei due concetti quello che prevede una TTC a base quadrata è stato selezionato per il proseguimento delle attività perché offre maggiori vantaggi in termini alloggiamento dei spositivi favorendo la mantenibilità dei componenti e riducendo la durata della manutenzione stessa. Attualmente si stanno sviluppando due concetti TA: il cosi detto TA integrale (IT) sviluppato in Giappone dal JAEA e il TA a baionetta sviluppato in Europa dall ENEA. I due concetti, identici dal punto vista funzionale, fferiscono per il sistema connessione del target con l impianto a litio e con il beam dell acceleratore e la concezione del bersaglio (backplate) esposto al flusso neutronico. Nel caso dell IT la Backplate è parte integrante del target stesso essendo essa stessa saldata alla restante parte della struttura, mentre il concetto target europeo è stato segnato con una backplate rimovibile e che può quin essere sostituita. In questo documento è descritto solamente il TA a baionetta. Il target a baionetta è illustrato in fig. 2.

7 Sigla identificazione Back Plate a Baionetta Fig. 2 Vista generale del concetto Europeo del Target Assembly per IFMIF. Tale concetto, conosciuto come target a baionetta, comprende il corpo del target e la backplate rimovibile. Esso è connesso alla restante parte dell impianto a litio e con l acceleratore per mezzo sistemi a flangia provvisti un sistema chiusura/apertura delle connessioni a ridotto numero viti manovra. Il corpo del target a sua volta è costituito dalla tubazione adduzione del litio (inlet pipe), dal raddrizzatore flusso (flow straightner), dall ugello (nozzle) e dalla tubazione uscita che convoglia il flusso litio nella Quench tank. a parte innovativa del progetto questo target è costituita dal concetto backplate a baionetta. Sviluppato agli inizi degli anni 2, con lo specifico scopo : 1) semplificare le operazioni manutenzione; 2) ridurre la quantità materiale attivato da smaltire, e 3) allungare il tempo vita del TA, l attuale concetto target è stato ulteriormente migliorato nel sistema chiusura per sigillare la camera del corpo del target e nel sistema connessione tra il TA, l impianto a litio e l accelleratore.

8 Sigla identificazione e caratteristiche del target assembly sono elencate nella tabella seguente: Materiale TA Peso totale TA Caratteristica Valore Eurofer ~ 85 Kg Peso bersaglio a baionetta ~85 Tipo Tenuta Guarnizione metallica: Helicoflex HNV2- Soft Iron/Inconel 75x/ss34 Tasso perta ammesso 1-1 Pa m 3 /s Pressione interna al target Pressione esterna Tipo bersaglio (backplate) 1-3 Pa 2*1 3 Pa Rimovibile a baionetta Connessione Corpo TA con Sistema a pattini + bulloni Bersaglio Connessione TA con altri Flange con sistema attacco sistemi rapido Tempertaura funzioanamento 25 C Temperatura litio 25 C in ingresso 3 C in uscita Isolamento Temperatura esterna < 5 C 2.2 OPERAZIONI DI MANUTENZIONE DE TARGET DI IFMIF Uno dei requisiti fondamentali tutta l attività d ingegneria per la progettazione del TA IFMIF è progettarlo in modo da garantire la sua mantenibilità. In questo caso per mantenibilità del componente si intende: 1) consentire revisionare il target stesso sostituendo le eventuali parti oramai a fine vita ; 2) consentire il rimpiazzo dell intero componente con uno nuovo.

9 Sigla identificazione Il TA IFMIF, cosi come gli altri componenti installati all interno della TTC, è soggetto ad un ciclo manutenzione preventiva annuale. Come anticipato a causa dell alto livello dose gamma attesa nella TTC (1 5 Sv/h) tutte le operazioni manutenzione devono essere eseguite per mezzo sistemi robotici comandati in modo remotizzato. e principali operazioni manutenzione da eseguire sono elencate nella tabella seguente: Componente Operazione manutenzione Frequenza Attesa Mesi (*) Criticità (Bassa,Mea, Alta) Target Assembly Rimpiazzo Bersaglio 11 Mea/Alta Rimozione litio solido dalle superfici 11 Mea/Alta Ispezione visiva 11 Mea Connessione/Disconnessio ne agnostica e cavi 11 Alta Apertura sistemi connessione tra target e i loop Solo se richiesta la rimozione del target Mea Rimpiazzo target Se richiesto Alta Test del Target 11 Mea (*) stima della frequenza attesa per la manutenzione preventiva. Il grado criticità, incata in tabella, è normalmente determinato considerando ad esempio: la limitata accessibilità del componente da mantenere; la durata dell operazione, o la necessità dover sviluppare un nuovo spositivo per l esecuzione dell operazione manutenzione stessa. Questo approccio è stato anche utilizzato per il target IFMIF esecuzione queste operazioni manutenzione richiede l uso dei seguenti spositivi:

10 Sigla identificazione 1) Sistema manipolazione (braccio robotico); 2) Dispositivi avvitamento svitamento; 3) Dispositivo pulizia del litio; 4) Dispositivi d ispezione. Di seguito viene presentato solamente il nuovo sistema manipolazione. 3. DISPOSITIVI PER A MANUTENZIONE REMOTIZZATA DE TA DI IFMIF 3.1 BRACCI ROBOTICI PER E OPERAZIONI DI MANUTENZIONE e operazioni manutenzione remotizzata del target IFMIF richiedono l impiego un braccio robotico avente un alto numero gra libertà, per garantire la raggiungibilità delle varie posizioni in cui i tools devono operare, e una buona capacità carico per permettere la rimozione del bersaglio. Coniugare queste esigenze in un unico braccio robotico, dovendo anche contenere i costi, non è semplice. Il laboratorio manutenzione remotizzata del brasimone era già fornito un braccio robotico avente una buona capacità carico e 6 gra libertà. Ma le mensioni dei vari giunti del braccio non consentivano un agevole manovrabilità attorno al TA stesso. Per superare questo problema il braccio robotico esistente è stato moficato per consentire anche l impiego un braccio robotico avente una maggiore destrezza e in grado gestire piccoli spositivi. 3.2 MODIFICA DE BRACCIO ROBOTICO ESISTENTE idea realizzata sostanzialmente consiste nell avere moficato il braccio originariamente presente nel laboratorio trasformandolo in un nuovo sistema integrato basato su flange ad attacco rapido che consentono sostituire il terminale del braccio in funzione dei task previsti. In pratica in questo modo sfruttando le strutture esistenti si hanno a sposizione due sistemi inpendenti, che fferiscono solamente per gli end effectors, che coprono tutte le esigenze del laboratorio e quelle per il riconzinamentodel TA. e due configurazioni sono illustarate nelle figure 3,4. In Fig. 3 è schematizzata la configurazione del braccio originale il quale presenta una capacità carico 1Nm e 4 gra libertà ( roll, pitch, pitch, roll). Mentre in fig. 4 è illustratata l integrazione del nuovo braccio con quello esistente nel laboratorio. Il sistema integrato presenta una capacità carico 15Nm (misurati dal centro pinza) e 7 gra libertà (roll, pitch, pitch, roll, pitch, pitch, roll). Occorre inoltre considerare che il sistema robotico, in entrambe le configurazioni, viene mosso

11 Sigla identificazione all interno dell area manovra dal carroponte che aggiunge i gra libertà spaziali (X,Y e Z). In totale quin si ha a sposizione un sistema ridondante avente un numero massimo 1 gra libertà. Parte comune Fig. 3 Mofica del braccio robotico esistente

12 Sigla identificazione Nuovo Braccio Parte comune Fig. 4 Braccio robotico esistente integrato con il nuovo braccio adozione questa soluzione presenta i seguenti vantaggi: 1) Riduzione dei costi: è utilizzata una parte del manipolatore già presente; 2) Facile estenbilità del sistema: possono essere inseriti nuovi end effectors (l interfaccia è già definita); 3) a connessione e la sconnessione degli end effectors viene eseguita automaticamente da postazione remota; 4) Il sistema integrato può arrivare ad avere un numero massimo 1 gra libertà. Inoltre tutte le funzionalità del braccio robotico esistente vengono mantenute. Il braccio robotico esistente è illustrato in figura 4. a mofica ha richiesto l esecuzione delle seguenti operazioni: 1) Smontaggio del polso del braccio robotico (ve linea rossa in figura 5); 2) Installazione flangia adattamento sul gomito del braccio; 3) Connessione della flangia maschio ad attacco rapido SCHUNK SWS 15 alla flangia adattamento; 4) Connessione della flangia femmina ad attacco rapido tipo SCHUNK sul polso del braccio robotico.

13 Sigla identificazione Flangia Schunk Fig. 5 Braccio Robotico esistente prima e dopo la mofica 3.3 FANGE PER I CAMBIO RAPIDO DEI TERMINAI ROBOTICI operazione cambio rapido dei due terminali robotici viene eseguita per mezzo flange commerciali SCHUNK moficate per permettere lo stoccaggio dei terminali quando non sono in uso, ve fig. 6. Barre per lo stoccaggio su rastrelliera Flangia Schunk Fig 6 Flangia Schunk

14 Sigla identificazione e fange sono state equipaggiate con connettori per l alimentazione elettrica potenza e per i segnali controllo e acquisizione, e in particolare: 1) Un connettore maschio avente 19 pin, 25V/5A ( Schunk G19), viene usato per ripristinare le connessioni elettriche per il braccio originale, che nella sua configurazione iniziale usava una connessione seriale a 9 pin. 2) Un connettore maschio a 8 pin, 25 V/ 3 A ( schunk MT) che viene utilizzato per la connessione del nuovo braccio( 2 fili a 24 V e 5A per la connessione can bus standard). Appositi pin sulle flange permettono il riconoscimento del terminale connesso con il braccio. Questo tipo segnale è utile ai fini della gestione remota del spositivo. 3.4 PROGETTAZIONE E REAIZZAZIONE DE NUOVO BRACCIO ROBOTICO Il nuovo braccio robotico è stato progettato in modo da sodsfare tutti i requisiti per la manutenzione del TA. e principali specifiche del nuovo spositivo sono riportate nella tabella seguente. Caratteristica Gra libertà Gra libertà del sistema integrato Specifica 4 (roll, pitch, pitch, roll) Capacità carico >7,5 Kg (peso del Dispositivo più pesante da manovrare.) Buona capacità ripetibilità <.2 mm unghezza Max braccio robotico Velocità rotazione assi Velocità inclinazione 9 mm (lunghezza del terminale esistente) 5 /s 5 /s Pinza robot Interfacciabile con spositivi presenti nel laboratorio.

15 Sigla identificazione Per definire le specifiche tecniche che il progetto del braccio doveva sodsfare sono state eseguite verse simulazioni grafiche delle operazioni manutenzione e una stima dei pesi dei spositivi da utilizzare. In particolare sono state simulate le operazioni per il rimpiazzo della backplate rimovibile perché ritenuta l operazione più critica tra quelle da eseguire: essa richiede l uso del spositivo avvitamento che deve raggiungere versi bulloni posizionati in un spazio molto limitato. e figure 7,8 e 9 mostrano alcune queste simulazioni. Fig. 7 Simulazione rimozione Backplate Fig. 8 simulazione rimozione Backplate

16 Sigla identificazione Fig. 9 Simulazione rimozione Backplate e simulazioni effettuate hanno anche permesso definire le mensioni utili ogni singolo asse del braccio nuovo robotico. Il braccio realizzato ha quin le seguenti specifiche tecniche: 1) 4 gra libertà in configurazione( roll, pitch, pitch, roll) 2) Zero giochi meccanici su tutti gli assi del robot per garantire una buona ripetibilità posizionamento automatico. A tal fine la spalla e il gomito del robot sono stati rispettivamente equipaggiati con sistemi riduzione armonica HFUC-2UH/25-16 ed HFUC-2UH/2-16 entrambi prodotti dalla Harmonic Drive System GmbH ( angen- Germania); 3) imitatori corrente per controllo del carico applicato; 4) Uso sensori posizione assoluti (tipo magnetici e ottici. Precisione posizionamento ±,3 ). impiego tali sensori, con memoria, evita dover referenziare gli assi tutte le volte che il nuovo braccio è connesso al sistema esistente. 5) Gli assi sono comandati da motori Brushless mod. G2,3,4 prodotti da Moog-Casella-Italia, controllati localmente meante moduli EMO WHISTE SO-WHI-2/5. Tali controllori sono collegati lungo la dorsale CAN ognuno in grado controllare il rispettivo motore e il freno sicurezza acquisendo i tre fferenti encoder per ogni giunto ( encoder magnetico 24 ppt, encoder ottico 15 ppt e trasduttore posizione assoluto dell uscita dell asse); 6) a pinza, a comando pneumatico, tipo SCHUNK PGN +8/1 con 16 mm corsa utile è stata progettata in modo da interfacciarsi

17 Sigla identificazione anche con lo standard d interfaccia dei spositivi già presenti in ENEA. 7) Il collegamento del braccio al sistema supervisione è garantito da una dorsale CAN che collega la scheda IXXAT CAN/BUS del PC, installato nella consolle comando, con un modulo I/O Weidmuller posto sul braccio prima della flangia ad attacco rapido. Quando il braccio è nella configurazione originale, il BUS CAN è terminato subito a valle del connettore. e mensioni rilevanti del TA 4-4 sono riportate nella figura 1: 1) unghezza totale 782,2 mm 2) arghezza max 33,45 mm 3) unghezza asse pinza 272 mm 4) unghezza totale pinza 85 mm I ranges corsa dei vari assi del TA 4-4 sono: 1) Rotazione spalla: ± 13 2) Inclinazione spalla: ± 135 3) Rotazione spalla: ± 115 4) Inclinazione gomito: ± 15 I ranges velocità dei vari assi del TA 4-4 sono: 1) Rotazione spalla: 5 /s 2) Inclinazione spalla: 5 /s 3) Rotazione spalla: 5 /s 4) Inclinazione gomito: 5 /s Il nuovo braccio robotico realizzato è illustrato in Fig. 11, mentre la Fig. 12 mostra il nuovo braccio robotico connesso con quello esistente meante la flangia ad attacco rapido della schunk.

18 Sigla identificazione Fig. 1 Disegno del nuovo braccio robotico da integrare con quello esistente in DRP

19 Attacco rapido Schunk Fig. 11 Nuovo Braccio Fig. 12 Integrazione nuovo braccio 3.5 INTEGRAZIONE DE NUOVO BRACCIO IN SAA CONTROO Il nuovo sistema modulare integrato sul braccio DRP è basato su una flangia a cambio rapido che consente sostituire il terminale del braccio in funzione dei task previsti. Il quadro coman manuali del braccio DRP, presente originariamente sul pannello comando in sala controllo è stato sostituito da un PC touch screen provvisto d interfaccia CANopen. Una dorsale CAN collega una scheda IXXAT CAN/USB, installata sul PC supervisione e controllo della DRP con: il PC sul pannello comando, un modulo IO Weidmuller posto sul braccio DRP prima della flangia a cambio rapido e, quando collegato, con gli azionamenti stribuiti nel braccio modulare TA 4-4; Gli IO del PC sono collegati meante un modulo a relé agli ingressi/uscite originariamente previsti nel pannello per il controllo dei singoli movimenti del braccio DRP (i pulsanti ad azione mantenuta sono stati rimossi integrando le medesime funzioni su apposite schermate del SW del PC). Il pannello moficato è mostrato in fig.13

20 Sigla identificazione Fig. 13 Mofica pannello locale sala Controllo Il modulo IO Weidmuller gestisce:1) l azionamento della flangia a cambio rapido (meante una valvola FESTO CP1 4/2); 2) la pinza pneumatica posta sul polso del braccio modulare TA4-4 (meante una valvola FESTO CP1 5/3); e 3) il riconoscimento del tipo terminale connesso con la flangia. Il comando dei due ultimi assi del braccio esistente della DRP (wrist roll e chiusura/apertura pinza) sono stati ripristinati meante un connettore G19 che collega i motori e i freni del braccio al quadro comando del DRP. Dal PC posto sul quadro è possibile: Selezionare la modalità controllo OCAE/PC del sistema (in modalità OCAE la comunicazione del PC verso il braccio DRP sul bus CAN è inibita); Collegare/scollegare la flangia cambio rapido; Azionare i singoli giunti del braccio nelle due configurazioni TA e DRP. a gestione dei sistemi connessi sul bus CAN può essere fatta rettamente dal PC (quando la comunicazione è opportunamente settata dal pannello controllo locale) meante un applicazione software, ve fig. 14, che consente l accesso a tutti i registri del braccio TA ed al modulo IO Weidmuller.

21 Sigla identificazione Fig. 14 Software per la gestione remota del nuovo braccio 4. CONCUSIONI a soluzione adottata per avere la sponibilità un sistema con alta destrezza e buona capità carico ha portato alla realizzazione un sistema modulare che integra le due fuunzioni. Tale soluzione permette raggiungere un grado elevato flessibilità con un budget tutto sommato accettabile. Inoltre questo approccio permette la estenbilità del sistema con l integrazione nuovi spositivi limitando le mofiche d apportare al sistema esistente.