工業(yè)機器人在放射源裝卸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

雷綠銀 陳 雄 李紅剛 劉 君 楊海麗

(川慶鉆探工程有限公司測井公司 重慶)

0 引 言

隨著石油測井技術(shù)的快速發(fā)展，放射性物質(zhì)由于其特殊性質(zhì)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到油氣田的勘探和開發(fā)，醫(yī)療器械和軍事武器等方面。放射源(鈷-60、銥-192、銫-137、碘-131 等)在衰變過程中會產(chǎn)生具有一定能量的輻射線，它可以破壞人體的正常組織和細胞，引起細胞染色體的畸變和基因突變，對人體健康造成危害。放射源對人體的危害與受輻射線的劑量有關(guān)，一次劑量在50 德拉以下的輻射線對人體造成永久性傷害的可能性極小，但是超劑量輻射會導(dǎo)致人體產(chǎn)生嘔吐、惡心、腹瀉、貧血等機體受損癥狀，情況嚴重時可能導(dǎo)致死亡。因此測井探針放射源人工裝卸過載過程中測井人員都有可佩戴的防輻射器具和隔離防護的保護措施，但是仍然不能從根本上解決輻射線對測井人員身體有害的問題［1］。

工業(yè)機器人是一種面向工業(yè)領(lǐng)域的靠自身動力和控制能力來完成一些重復(fù)性和危險性工作的機器裝置。為了解決測井探針放射源裝卸過程中輻射線對測井人員身體的危害和人工裝卸效率低的問題，文章中設(shè)計了一種基于工業(yè)機器人的放射源裝卸控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)測井探針放射源自動化快速裝卸與監(jiān)控，從根本上解決測井探針放射源裝卸過程中輻射線對測井人員身體的傷害，改善了測井作業(yè)的工作環(huán)境，提高了放射源裝卸效率，對測井技術(shù)的長遠發(fā)展具有重要意義［2］。

1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖

本系統(tǒng)以六自由度工業(yè)機器人DENSO 機械手為核心，包括上位機、RC7M 控制器、機器視覺、驅(qū)動電路、抓取和卸載工具等幾個部分。系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖1 所示。為了避免放射源裝卸過程中產(chǎn)生的輻射線對測井人員身體造成傷害，上位機控制軟件與DENSO 機械手之間采用遠距離以太網(wǎng)通信技術(shù)，操作人員根據(jù)機器視覺判斷機械手運行狀態(tài)并控制機械手完成測井探針放射源的裝卸過程。RC7M 控制器完成上位機軟件控制指令的接收與解析，直接驅(qū)動機械手運動，控制器I/O 口的輸入輸出開關(guān)量信號經(jīng)外部驅(qū)動電路控制機械手末端電機的運轉(zhuǎn)和電機運行狀態(tài)的檢測。機械手接收控制器指令后吸合卸載工具打開測井探針容器艙門，換抓取工具抓取放射源放入測井探針容器，最后吸合卸載工具關(guān)閉測井探針艙門，完成放射源的裝入，反之為放射源的卸載過程。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

測井探針放射源裝卸控制系統(tǒng)是基于機器視覺的上位機軟件控制半自動裝卸方案，整個放射源裝卸過程包括抓取工具、抓取放射源、裝卸放射源、替換工具和機械手復(fù)位等幾個步驟。機械手裝卸放射源工作原理圖如圖2 所示。放射源裝入流程是機械手末端吸合開關(guān)艙工具，打開測井探針容器艙門，替換抓取工具后抓取放射源放入測井探針容器，最后機械手末端吸合開關(guān)艙工具關(guān)閉測井探針艙門，完成測井探針放射源的裝入過程。放射源卸載流程與放射源裝載流程相反，機械手末端吸合開關(guān)艙工具，打開測井探針容器艙門，替換抓取工具后從測井探針容器取出放射源并存入專用放射源存儲容器，最后吸合機械手末端吸合開關(guān)艙工具關(guān)閉測井探針艙門，完成測井探針放射源的取出過程。

圖2 放射源裝卸工作原理圖

2 系統(tǒng)的通信

ORIN 是一種獨立于設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用程序的開放式標準數(shù)據(jù)交換接口，包括標準程序接口CAO、標準網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CAP 和標準數(shù)據(jù)模式CRD 三個部分。ORIN 將相互獨立的應(yīng)用層和設(shè)備層抽象化，提供一個標準的數(shù)據(jù)交換接口給應(yīng)用層和設(shè)備層，應(yīng)用層操作的實際對象是經(jīng)ORIN 抽象化后的虛擬設(shè)備層。系統(tǒng)的通信連接圖如圖3 所示。NetwoRC 協(xié)議完成了上位機軟件和RC7M 控制器之間通信數(shù)據(jù)的接口定義與數(shù)據(jù)包的封裝，上位機與RC7M 控制器之間數(shù)據(jù)傳輸是基于TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)通信技術(shù)。

圖3 系統(tǒng)的通信連接圖

上位機軟件調(diào)用ORIN 中的CAO 組件對象模型生成NetwoRC 專有通信數(shù)據(jù)包(RoboTALK)，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸?shù)綑C械手控制器RC7M，控制器中運行的特殊功能程序RobSlave 完成與上位機的通信握手，上位機軟件ORIN 中CAO 組件對象模型完成控制器內(nèi)的變量訪問和機械手初始化。通信連接建立之后，RC7M 控制器置于自動運行模式并運行特殊程序RobSlave，上位機軟件發(fā)送的控制指令數(shù)據(jù)包由特殊程序RobSlave 完成控制指令解析，控制器直接驅(qū)動機械手運動［3］。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 電機控制電路設(shè)計

圖4 電機控制電路圖

RC7M 控制器IO 口輸出開關(guān)量信號控制機械臂末端電機的運轉(zhuǎn)，但控制器IO 口輸出的開關(guān)量信號驅(qū)動能力有限。文章采用光耦隔離、三極管放大和繼電器驅(qū)動的方案控制電機運行。電機控制電路圖如圖4 所示。RC7M 控制器IO 口輸出的開關(guān)量信號輸入光耦二極管負極，光耦的輸出通斷控制三極管導(dǎo)通與截止，從而驅(qū)動繼電器控制電機的運轉(zhuǎn)。當(dāng)控制器IO 口輸出高電平時，光耦的輸出關(guān)斷使Q2 基極輸入高電平，三極管進入導(dǎo)通放大狀態(tài)且繼電器線圈通電使常開觸點吸合，無刷直流電機得電轉(zhuǎn)動。當(dāng)控制器IO 口輸出低電平時，光耦的輸出導(dǎo)通使Q2 基極輸入低電平，三極管進入截止區(qū)域且繼電器斷電使常開觸點斷開，無刷直流電機停止轉(zhuǎn)動。繼電器兩端并聯(lián)反向二極管在繼電器斷電瞬間起續(xù)流作用，防止感性負載斷電瞬間反向電流對電路的沖擊［4］。

3.2 電機過載檢測電路設(shè)計

機械手末端電機運行過程中需要檢測電機的運行狀態(tài)，防止電機出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)而損壞。文章采用電壓比較器LM311P 和光耦隔離的方案檢測電機的堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。電機過載檢測電路圖如圖5 所示。調(diào)節(jié)可變電阻器R2在電壓比較器LM311P 引腳3 輸入電機出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的參考電壓，無刷直流電機運行時驅(qū)動器輸出對應(yīng)運行狀態(tài)的電壓輸入電壓比較器的引腳2。當(dāng)電機正常運行時，電壓比較器引腳2 輸入電壓低于堵轉(zhuǎn)參考電壓，電壓比較器輸出的高電平輸入光耦二極管負極，光耦的輸出關(guān)斷使Vout 輸出的高電平反饋輸入RC7M 控制器IO 口，上位機檢測到無刷直流電機正常運行。當(dāng)電機運行出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時，電壓比較器引腳2 輸入電壓高于堵轉(zhuǎn)參考電壓，電壓比較器輸出的低電平輸入光耦二極管負極，光耦的輸出導(dǎo)通使Vout 輸出的低電平反饋輸入RC7M 控制器IO 口，上位機檢測到無刷直流電機堵住運行，控制器IO 口控制無刷電機停轉(zhuǎn)，從而達到保護電機的目地［5］。

圖5 電機過載檢測電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 機械手控制初始化

上位機和機械手控制器之間建立通信連接需要初始化，創(chuàng)建CAO Engine 對象、CaoWorkspace 對象、Cao-Controller 對象和CaoVariables 對象，系統(tǒng)通信連接建立后，上位機軟件中CaoVariables 對象訪問RC7M 控制器內(nèi)變量，CaoRobot 對象初始化機械手運動，機械手控制初始化完成。

系統(tǒng)的初始化代碼如下:

4.2 控制系統(tǒng)應(yīng)用測試

上位機軟件設(shè)計以Microsoft Visual Studio 2008 為平臺，采用基于MFC 對話框開發(fā)的圖形界面軟件，軟件的整體界面包括視覺顯示和功能按鈕兩個主要部分，軟件的整體界面圖如圖6 所示。視覺顯示區(qū)域為操作人員手動控制機械手提供實時三維動態(tài)圖像參考以及機械手運行狀態(tài)的監(jiān)控，功能按鈕區(qū)域完成機械手裝卸放射源過程中的機械手的運動控制和末端工具切換。

圖6 放射源裝卸流程圖

實踐測試結(jié)果表明基于工業(yè)機器人的放射源裝卸控制系統(tǒng)能夠快速高效的完成測井探針放射源的裝入與取出，解決了測井公司放射源裝配效率低和對操作人員身體危害大的問題，同時該系統(tǒng)具有無輻射、性能穩(wěn)定，實用性強等優(yōu)點，在測井探針放射源裝配領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。

5 結(jié)束語

工業(yè)機器人在測井探針放射源裝配中的應(yīng)用，既改善了測井人員的工作環(huán)境，使操作人員擺脫了放射性物質(zhì)對身體的危害，又可以確保測井作業(yè)的安全生產(chǎn)，滿足了測井作業(yè)高效安全的生產(chǎn)需求。本文設(shè)計的基于工業(yè)機器人的放射源裝配控制系統(tǒng)具有操作簡單、界面友好和維護方便等特點，該系統(tǒng)的成功應(yīng)用提高了測井作業(yè)的自動化生產(chǎn)水平和測井探針放射源裝配效率，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，增強了企業(yè)的市場競爭力，對測井技術(shù)的發(fā)展具有重要意義［6］。

［1］王振玉，宋 黎，楊 斌，等. 放射源取樣機的研制與應(yīng)用［J］. 機械設(shè)計與制造，2012，(6)

［2］萬 釗，耿南平. 放射源庫機械手的應(yīng)用［J］. 武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1998，20(2)

［3］NetworRC provider DENSO Robot.［DB/OL］. http://www.densorobot.com/，2012-07-17

［4］康華光，陳大欽，張 林. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.北京:高等教育出版社，2006

［5］張 兵. 直流無刷電機的建模與辨識［D］. 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010

［6］陳立新，郭文彥. 工業(yè)機器人在沖壓自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用［J］. 機械工程與自動化，2010，(3)