高能工業(yè)X射線照相自動(dòng)換片機(jī)器人設(shè)計(jì)

牛余朋，路廷鎮(zhèn)，成 曙，張煜東，李 健

（中國(guó)人民解放軍96630部隊(duì)，北京 102206）

在進(jìn)行高能X射線照相過(guò)程中，膠片盒一般由人工進(jìn)行更換，加速器每出束拍攝一張膠片，需要操作人員進(jìn)入檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)更換一次膠片盒。理論分析和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明，高能X射線直線加速器停止出束以后，仍然存在一定的殘余射線輻射，它對(duì)操作人員身體健康有很大危害，并且防護(hù)困難?，F(xiàn)在通常采用安全等待的方法解決射線防護(hù)問(wèn)題，即加速器停止出束后，要等待一段安全時(shí)間，讓殘余輻射自然衰減到可以接受的水平，再進(jìn)入檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)更換膠片。在一般射線照相劑量下，15MeV系統(tǒng)的安全等待時(shí)間為60min。而一般被測(cè)工件接受高能X射線照相的出束時(shí)間大約是20～30s，安全等待時(shí)間遠(yuǎn)比出束時(shí)間長(zhǎng)，顯然整個(gè)照相檢測(cè)過(guò)程非常耗時(shí)，因此這也成為提高高能X射線檢測(cè)速度的瓶頸。為了解決以上問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種高能X射線照相換片機(jī)器人。該換片機(jī)器人可以一次裝入12張膠片，每照完一張膠片，可以進(jìn)行自動(dòng)換片，待12預(yù)裝膠片全部照完后再一次性進(jìn)行更換，從而減少了操作人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的次數(shù)，降低了輻射風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)縮短了檢測(cè)時(shí)間，提高了工作效率。

1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由可移動(dòng)車體、膠片庫(kù)和機(jī)械手爪及其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成。

1.1 可移動(dòng)車體

如圖1所示，可移動(dòng)車體底部安裝兩套滾輪組，一套是片庫(kù)方向前滾輪組，該組滾輪為單向固定式，不能變向；另一套是電控柜方向后滾輪組，該組滾輪為萬(wàn)向輪，可以360°轉(zhuǎn)向。前滾輪組和后滾輪組前后各有兩個(gè)。滾輪主體為鋼件，外表面為塑料材質(zhì)，該結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)可移動(dòng)車體在小范圍內(nèi)移動(dòng)?？梢苿?dòng)車體底部裝有一套手動(dòng)液壓千斤頂，前后各兩個(gè)支腿，用于定位后固定可移動(dòng)車體。同時(shí)，由于升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)很長(zhǎng)，所以為了方便運(yùn)輸，將升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為可折疊式結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 膠片庫(kù)

膠片庫(kù)用于放置多個(gè)工業(yè)X射線膠片硬盒，其由防輻射殼體和膠片盒架兩部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。其中防輻射殼體用于構(gòu)成膠片的輻射防護(hù)空間，它由內(nèi)、外各5mm的鋼板和100mm的鑄造鉛板組成。膠片庫(kù)門采用“迷宮”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效防止了X射線直接通過(guò)門縫進(jìn)入片庫(kù)內(nèi)。

圖2 片庫(kù)和盒架結(jié)構(gòu)示意圖

另外，為了適應(yīng)某些膠片對(duì)“橫片”和“豎片”的照射要求，對(duì)膠片盒架作如下設(shè)計(jì)，如圖2（b）所示，膠片盒架呈長(zhǎng)方形，其最下方兩側(cè)裝有墊塊，膠片盒架高度略低于膠片盒長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度比膠片盒寬度加兩個(gè)墊塊寬度之和略長(zhǎng)，墊塊的高度等于膠片盒的長(zhǎng)度減去膠片盒的寬度，這樣便可保證橫片和豎片在放置時(shí)保持上邊沿高度一致。圖2（b）中虛線表示豎片的放置情況，點(diǎn)劃線表示橫片的放置情況；豎片放置時(shí)剛好嵌入到兩個(gè)墊塊中間；橫片放置時(shí)，由于墊塊的阻擋作用，膠片盒被卡在兩側(cè)的墊塊上，從而實(shí)現(xiàn)了膠片盒的橫豎兩種放置方式。

1.3 機(jī)械手爪及其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

機(jī)械手爪是系統(tǒng)的膠片盒抓取執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由氣動(dòng)系統(tǒng)提供抓取動(dòng)力。

該手爪采用了欠壓保護(hù)技術(shù)和斷電自鎖保護(hù)技術(shù)，氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)值，氣泵自動(dòng)充氣；同時(shí)，機(jī)械手爪還可根據(jù)被抓物體的重量而自適應(yīng)調(diào)整抓取力量，避免了機(jī)械手爪力量過(guò)大而損壞膠片盒。當(dāng)機(jī)械手爪在抓取到膠片盒進(jìn)行工作的過(guò)程中，如遇突然斷電，氣動(dòng)系統(tǒng)會(huì)將機(jī)械手爪自動(dòng)鎖死，并將當(dāng)前狀態(tài)存入永久性存儲(chǔ)器中，待下次來(lái)電開(kāi)機(jī)時(shí)，會(huì)立即給出機(jī)械手爪當(dāng)前的鎖死狀態(tài)提示，提示用戶手動(dòng)取下膠片盒。

四自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括兩自由度機(jī)械臂總成、機(jī)械手爪、各方向伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。其中四個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)成為該系統(tǒng)的核心。

（1）升降運(yùn)動(dòng)

升降運(yùn)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)照相過(guò)程中的膠片盒高度定位以及取、放膠片盒的垂直定位等操作。

（2）伸縮運(yùn)動(dòng)

伸縮運(yùn)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)照相過(guò)程中的膠片盒水平定位以及取、放膠片盒時(shí)的水平定位等操作。

（3）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)照相過(guò)程中的膠片盒角度定位以及取、放膠片盒時(shí)的角度定位等操作。

（4）膠片盒進(jìn)出庫(kù)運(yùn)動(dòng)

片庫(kù)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)片庫(kù)伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠繞軸線旋轉(zhuǎn)，絲杠帶動(dòng)膠片庫(kù)門沿其下方的片庫(kù)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)膠片盒進(jìn)／出庫(kù)運(yùn)動(dòng)。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)完成整機(jī)的管理與控制，并向操作者提供一個(gè)良好的操作平臺(tái)。電氣控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 電控系統(tǒng)原理框圖

在該系統(tǒng)的硬件控制中，采用兩級(jí)主從式PLC作為控制核心，以交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以觸摸屏（PWS1711）作為操作和顯示平臺(tái)。遠(yuǎn)控端PLC控制器以RS485通訊方式與現(xiàn)場(chǎng)的主控PLC控制器相連接。無(wú)論是遠(yuǎn)程還是本地操作，其信號(hào)均通過(guò)本地PLC控制器輸出給電磁閥，從而控制手爪的抓緊與松開(kāi)，實(shí)現(xiàn)膠片換片的一系列動(dòng)作；輸出信號(hào)給各伺服驅(qū)動(dòng)器，控制各向電機(jī)，從而控制各自由度機(jī)械運(yùn)動(dòng)。同時(shí)各路檢測(cè)傳感器、各軸零位開(kāi)關(guān)、各自由度限位開(kāi)關(guān)、手動(dòng)急停等外圍設(shè)備的反饋信號(hào)傳送給PLC，再由PLC控制本地／遠(yuǎn)程人機(jī)界面的顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件工作模式

系統(tǒng)軟件的運(yùn)行方式設(shè)計(jì)為三種方式，分別為手動(dòng)方式、自動(dòng)方式和示教方式。

（1）手動(dòng)方式：該方式可以對(duì)各軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行獨(dú)立控制（包括高速、低速、正向、反向運(yùn)動(dòng)）。其主要用于設(shè)備的調(diào)試和維修。

（2）自動(dòng)方式：系統(tǒng)可以為用戶存儲(chǔ)多個(gè)工藝流程，操作人員可以按工藝要求直接調(diào)用程序，按自動(dòng)運(yùn)行鍵后，系統(tǒng)就周而復(fù)始地工作。

（3）示教方式：該方式是利用機(jī)器人技術(shù)完成各軸運(yùn)動(dòng)位置的示教控制。其主要用于確定或修改工藝時(shí)使用。

3.2 軟件工作流程

下面分別以示教方式和自動(dòng)方式介紹軟件設(shè)計(jì)流程。

3.2.1 示教方式

（1）取示教片。下述所謂發(fā)送某某指令，意為軟件中按動(dòng)某按鍵。

手動(dòng)給系統(tǒng)發(fā)送“取示教片”指令，機(jī)械手爪在初始位置下降至第一張膠片位置，通過(guò)安裝在機(jī)械手爪正下方的紅外接近開(kāi)關(guān)自動(dòng)感應(yīng)并確定機(jī)械手爪是否到位；到位后，機(jī)械手爪自動(dòng)抓取第一張膠片，并再次返回初始位，取示教片結(jié)束。

（2）動(dòng)作（路徑）示教。手動(dòng)給系統(tǒng)發(fā)送“開(kāi)始示教”指令，此時(shí)以手動(dòng)方式操作各軸，使機(jī)械手爪運(yùn)行到照相位置。例如，先發(fā)送“上升”指令，升高手抓；再發(fā)“回轉(zhuǎn)”指令，回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手爪旋轉(zhuǎn)90°；再發(fā)送“伸出”指令，通過(guò)伸縮伺服電機(jī)帶動(dòng)手抓將膠片伸出。

值得說(shuō)明的是，由于示教過(guò)程中系統(tǒng)采用了“路徑自動(dòng)矢量計(jì)算技術(shù)”，在示教過(guò)程中，對(duì)于某個(gè)運(yùn)動(dòng)路線，重復(fù)或反復(fù)路徑，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行矢量計(jì)算，不必為準(zhǔn)確定位時(shí)而進(jìn)行的反復(fù)運(yùn)動(dòng)擔(dān)心。例如，手抓上升50cm，下降10cm，上升5cm，右旋20°，左旋60°。該路徑在示教結(jié)束后的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中等效于下列運(yùn)動(dòng)：手抓上升45cm，左旋40°。

手動(dòng)給系統(tǒng)發(fā)送“結(jié)束示教”指令，示教過(guò)程結(jié)束，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)結(jié)果。

3.2.2 自動(dòng)方式

本系統(tǒng)的換片方式有手動(dòng)換片和自動(dòng)換片兩種工作方式，兩者的區(qū)別在于手動(dòng)方式實(shí)際上是一種“點(diǎn)動(dòng)”模式，而自動(dòng)方式是一種“連續(xù)”模式，但是對(duì)于膠片換片時(shí)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和路徑實(shí)際上是一致的，因此下述針對(duì)膠片的三種動(dòng)作對(duì)上述兩種方式是一致的，為便于敘述，以自動(dòng)模式為例進(jìn)行介紹。

（1）取片 膠片盒架內(nèi)膠片盒的序號(hào)編址號(hào)碼從左向右依次為：01，02，03…。手動(dòng)給系統(tǒng)輸入“取片號(hào)碼”，并發(fā)送“取片”指令后，機(jī)械手爪按示教軌跡逆序運(yùn)行到膠片庫(kù)指定膠片正上方，取出膠片。再按示教軌跡運(yùn)動(dòng)至照相位，膠片庫(kù)門關(guān)閉。

（2）放片 當(dāng)機(jī)械手爪內(nèi)抓有膠片盒時(shí)，手動(dòng)給系統(tǒng)發(fā)送“放片”指令后，機(jī)械手爪將當(dāng)前照相位置的膠片按示教軌跡反序運(yùn)行，膠片庫(kù)門打開(kāi)，按當(dāng)前膠片的號(hào)碼放入片庫(kù)的相應(yīng)位置后，膠片庫(kù)門關(guān)閉，機(jī)械手爪返回初始位。

（3）換片 當(dāng)機(jī)械手爪處于照相位置時(shí)，手動(dòng)給系統(tǒng)發(fā)送“換片”指令后，機(jī)械手爪將當(dāng)前照相位置的膠片按示教軌跡反序運(yùn)行，以當(dāng)前膠片的號(hào)碼放入片庫(kù)，并將下一張膠片取出，按示教軌跡運(yùn)行到照相位置，最后關(guān)閉膠片庫(kù)門。

4 系統(tǒng)射線檢測(cè)應(yīng)用

以某型固體導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)為例，說(shuō)明該換片機(jī)器人在射線檢測(cè)方面的實(shí)際應(yīng)用。

4.1 透照布置方式

固體發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部質(zhì)量缺陷主要有界面脫粘（分層）、裂紋、氣孔或夾雜等，脫粘（分層）一般采用切向照相方式檢測(cè)，其它缺陷一般采用徑向照相方式檢測(cè)。

4.1.1 切向照相方式

如圖4所示，切向照相方式是固體發(fā)動(dòng)機(jī)射線照相檢測(cè)的一種透照布置方式，射線束與燃燒室或推進(jìn)劑藥柱截面圓相切，主要用于檢測(cè)固體發(fā)動(dòng)機(jī)界面脫粘或材料分層。采用適當(dāng)工藝，當(dāng)脫粘出現(xiàn)在切點(diǎn)位置時(shí)，能發(fā)現(xiàn)0.05mm寬的小脫粘缺陷。

圖4 切線照相方式

4.1.2 徑向照相方式

如圖5所示，徑向照相方式是將膠片放在燃燒室后面，利用射線從發(fā)動(dòng)機(jī)軸線穿透進(jìn)行成像的一種透照布置方式，主要用于推進(jìn)劑的裂紋、氣孔或夾雜等缺陷的檢測(cè)。目前，高能X射線照相檢測(cè)技術(shù)可達(dá)到1%甚至更好的對(duì)比靈敏度。在這種靈敏度下很容易檢測(cè)出諸如氣孔、夾雜等缺陷。

圖5 徑向照相方式

5 結(jié)語(yǔ)

高能X射線照相自動(dòng)換片系統(tǒng)的研制成功，改變了傳統(tǒng)的人工換片方法，縮短了射線照相過(guò)程中更換膠片的時(shí)間，降低了射線輻射風(fēng)險(xiǎn)，從而較大地提高了工作效率。

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