核燃料芯塊自動(dòng)裝載系統(tǒng)的研制

廖賓， 付豪

（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓 644000）

0 引言

自動(dòng)裝載系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于軍事[1]、礦山[2]及粉末冶金領(lǐng)域[3]，對(duì)于重復(fù)繁重的任務(wù)，自動(dòng)裝載系統(tǒng)能極大節(jié)省人力資源，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前自動(dòng)裝載系統(tǒng)主要研究方向在于機(jī)械結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)及控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上，采用基于ARM、拓展總線技術(shù)及PLC控制[4]的控制系統(tǒng)已具有良好的普適性，然而對(duì)于不同領(lǐng)域，其機(jī)械結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計(jì)以滿足不同行業(yè)、不同產(chǎn)品的需求。

由于行業(yè)特殊性，目前還沒(méi)有一套自動(dòng)裝載系統(tǒng)運(yùn)用于核燃料芯塊[5-7]的生產(chǎn)中。在芯塊的生產(chǎn)過(guò)程中，壓制出的生坯在進(jìn)入下一工序前要進(jìn)行裝載。自動(dòng)裝載是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與整個(gè)生產(chǎn)線“無(wú)縫”連接的過(guò)程。在生產(chǎn)過(guò)程中，可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低成本提供信息和依據(jù)。目前芯塊生產(chǎn)均采用豎立燒結(jié)的方式，芯塊豎立在鉬隔板上，層與層之間用鉬隔板分開(kāi)。芯塊橫置燒結(jié)[8]是在鉬舟底部放置一塊波紋形鉬板，芯塊橫放在波紋形鉬板上，然后上層芯塊直接累放在下層芯塊上，層與層之間沒(méi)有鉬隔板。由于芯塊橫置燒結(jié)在層與層之間沒(méi)有鉬隔板，在相同容積的條件下，可以提高芯塊的裝料量，有效地提高燒結(jié)爐的單產(chǎn)，緩解芯塊車間的生產(chǎn)壓力，因此必須研制一套自動(dòng)裝載系統(tǒng)將壓機(jī)出來(lái)的芯塊橫置自動(dòng)裝入鉬舟。

1 自動(dòng)裝載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 輸送機(jī)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)的主要作用是將從壓機(jī)內(nèi)豎立出來(lái)的芯塊生坯放倒，輸送到準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移到鉬舟的位置。整個(gè)輸送機(jī)構(gòu)主要由分離裝置、慢速輸送裝置、計(jì)數(shù)分離裝置等3部分組成，如圖1所示。

圖1 輸送機(jī)構(gòu)的外形

1.1.1 分離裝置

分離裝置是將豎立出來(lái)的芯塊生坯放倒，并將芯塊相互分離的裝置。此外，還有一個(gè)廢料通道安裝在壓機(jī)的出口處，用于分離操作人員判廢的芯塊，這些廢塊會(huì)通過(guò)一個(gè)滑道進(jìn)入廢料盒。

1）芯塊分離的設(shè)計(jì)。裝置的前端是一個(gè)U形槽與壓機(jī)的出料端銜接，槽的寬度大約12 mm，槽被修成倒角，槽底略低于壓機(jī)出口以便能夠順利地通過(guò)芯塊。分離裝置的動(dòng)力來(lái)自慢速輸送裝置，驅(qū)動(dòng)輪上安裝有雙膠帶，膠帶比U形槽槽底略低，雙膠帶的線速度大于芯塊倒下的理論線速度，通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)可以使豎直芯塊在速度和高度的作用下100%地倒下。

膠帶的線速度設(shè)定為2倍的芯塊輸出速度[9]：

式中：V為膠帶的線速度；V1為壓機(jī)的工作速度，設(shè)最高為250 塊/min；L為芯塊生坯的長(zhǎng)度，L=16 mm。

2)廢料通道。在調(diào)機(jī)的過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生少量的廢生坯塊，為避免這些廢料進(jìn)入鉬舟，在與壓機(jī)的銜接口設(shè)計(jì)了一個(gè)廢料通道。廢料通道由氣缸、滑塊、滑槽組成。由操作人員人工方式控制，氣缸帶動(dòng)滑塊，這樣在芯塊的輸送道上形成一個(gè)空陷，芯塊直接落下從滑槽進(jìn)入廢料盒，從而達(dá)到收集廢料的目的。

1.1.2 慢速輸送裝置

慢速輸送裝置如圖2所示，慢速輸送裝置的動(dòng)力由一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)提供，主要結(jié)構(gòu)是伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)皮帶輪和帶有雙膠帶的V形槽，用于支撐和驅(qū)動(dòng)芯塊。慢速輸送裝置的主要作用是芯塊在雙膠帶上形成首尾相接的排列，為芯塊進(jìn)入前端的定量裝置做好準(zhǔn)備，雙膠帶的線速度與前端分離裝置的膠帶速度一致。

圖2 芯塊慢速輸送裝置

1.1.3 計(jì)數(shù)分離裝置

本系統(tǒng)采取的是單排芯塊抓取轉(zhuǎn)運(yùn)的技術(shù)，因此每一次抓取的芯塊的數(shù)量就非常重要，設(shè)計(jì)中采用的芯塊計(jì)數(shù)的技術(shù)并非常用的定長(zhǎng)度，而是定塊數(shù)的方式。我們首先根據(jù)鉬舟的寬度確定每一次抓取的芯塊數(shù)量。

式中：S為每一行芯塊的數(shù)量；L為鉬舟內(nèi)框的長(zhǎng)度，L=264 mm；L1為鉬舟兩端空出的間隙，L1=10 mm；L2為芯塊生坯的長(zhǎng)度，mm。

計(jì)數(shù)分離裝置包含夾料器、雙膠帶輸送快速輸送裝置、計(jì)數(shù)器等裝置。計(jì)數(shù)分離裝置的工作原理是利用雙膠帶輸送快速輸送裝置和前端慢速輸送裝置的速度差（速度相差1倍左右）將慢速輸送裝置上的芯塊之間拉開(kāi)距離，通過(guò)安裝在前端的光纖傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)計(jì)算通過(guò)的芯塊數(shù)量，當(dāng)計(jì)數(shù)有15顆芯塊通過(guò)時(shí)，夾料器夾緊使前后輸送裝置斷開(kāi)，15顆芯塊呈緊密排列進(jìn)入抓取區(qū)準(zhǔn)備等待被抓取，在抓取時(shí)快速輸送裝置的驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。后端的光纖傳感器作用是對(duì)芯塊數(shù)量進(jìn)行復(fù)核，如果發(fā)現(xiàn)多出一顆芯塊就會(huì)在下一次計(jì)數(shù)中減少一顆。芯塊定位氣缸的作用是對(duì)芯塊進(jìn)入的前一點(diǎn)進(jìn)行定位，并且在吸走之前氣缸活塞會(huì)回位，避免芯塊側(cè)面受力。

圖3 芯塊計(jì)數(shù)分離裝置

夾料器的設(shè)計(jì)如圖4所示，它是利用連桿的杠桿作用原理，通過(guò)氣缸的上下移動(dòng)帶動(dòng)夾頭左右移動(dòng)，從而起到夾緊作用。為避免夾緊時(shí)對(duì)芯塊生坯的損傷，夾頭采用了較軟的材料，在夾緊時(shí)有緩沖作用。

圖4 芯塊夾料器

1.2 芯塊吸盤裝置的設(shè)計(jì)

芯塊吸取的核心裝備是真空泵、真空吸盤、電磁閥和過(guò)濾器。真空吸盤選用瑞典PIAB公司產(chǎn)品，真空吸盤結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，經(jīng)久耐用，能保證對(duì)芯塊的穩(wěn)定抓取，型號(hào)選擇是B8，吸力達(dá)到1.6 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于每一顆芯塊的質(zhì)量7.4 g。真空泵采用德國(guó)貝克公司的產(chǎn)品，能夠提供強(qiáng)大的吸氣能力，使得吸取工件速度極快，保證較短工作周期。在真空發(fā)生器與吸盤之間裝電磁閥和過(guò)濾器，用于通斷真空和收集粉塵，一方面通斷真空以保證芯塊被可靠地釋放，另一方面降低粉末損失和防止粉末堵塞真空泵，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備可靠性。

真空吸盤安裝在一塊扁平裝置的頂部，另一側(cè)安裝在機(jī)器人的手臂上，扁平裝置的內(nèi)部布有氣道，用于給吸盤提供真空。裝置的高度和寬度主要取決于鉬舟和芯塊的尺寸。吸盤裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。機(jī)器人[10]選用在高速、高精度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)的G6系列機(jī)器人，G6是4軸機(jī)器人，型號(hào)為G6-553C，能滿足壓機(jī)250塊/min的生產(chǎn)速度。機(jī)器人的運(yùn)行速度可以保證在0.36 s的時(shí)間內(nèi)完成水平移動(dòng)300 mm,垂直移動(dòng)25 mm，它還適合在有粉塵環(huán)境下工作。

圖5 吸盤裝置結(jié)構(gòu)

1.3 裝料平臺(tái)和轉(zhuǎn)運(yùn)小車

轉(zhuǎn)運(yùn)小車的主要作用是轉(zhuǎn)運(yùn)空舟和裝滿芯塊的舟，每一輛小車上可以裝4個(gè)底板8個(gè)舟，呈一條直線分布。轉(zhuǎn)運(yùn)小車的工作方式是：一輛滿載芯塊的鉬舟的小車裝入燒結(jié)爐回轉(zhuǎn)軌道，通過(guò)燒結(jié)爐連續(xù)出舟將滿舟送入軌道臺(tái)，同時(shí)將空舟送入小車，再將小車移出軌道臺(tái)。運(yùn)轉(zhuǎn)小車從兩個(gè)方向與裝料平臺(tái)對(duì)接，通過(guò)鎖死機(jī)構(gòu)將小車固定。由氣缸驅(qū)動(dòng)空舟從運(yùn)轉(zhuǎn)小車傳送到裝料平臺(tái)，裝滿芯塊后再傳送到另外一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)小車。小車在裝好裝滿生坯塊的鉬舟后又運(yùn)到燒結(jié)爐回轉(zhuǎn)軌道，將裝滿生坯塊的鉬舟轉(zhuǎn)入軌道臺(tái)。小車內(nèi)采用無(wú)動(dòng)力輥輪傳輸，與鉬舟接觸材料采用鍍鉻處理，提高耐磨性。

圖6 裝料平臺(tái)（左）和轉(zhuǎn)運(yùn)小車（右）

1.4 自動(dòng)裝載系統(tǒng)控制原理

自動(dòng)裝載系統(tǒng)控制方式為PLC控制除裝載以外的所有電氣動(dòng)作，如使用氣缸推動(dòng)空舟框移動(dòng)、打開(kāi)真空泵、伺服電動(dòng)機(jī)的啟停等，RC180控制器控制G6系列機(jī)器人完成裝載進(jìn)程。兩部分互相配合，完成工作任務(wù)。

1）芯塊從成型壓機(jī)中生產(chǎn)出來(lái)后，經(jīng)過(guò)坡道滑落后，從直立狀態(tài)變?yōu)闄M置狀態(tài)，通過(guò)PLC控制的2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的傳送帶，傳送到V形槽上，當(dāng)V形槽上的芯塊數(shù)量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)量后，PLC發(fā)出指令，使夾緊氣缸夾緊，伺服電動(dòng)機(jī)停止，后續(xù)芯塊暫時(shí)不繼續(xù)進(jìn)入V形槽，同時(shí)PLC輸出信號(hào)到RC180控制器的in1：plc_ready（生產(chǎn)線準(zhǔn)備好），RC180準(zhǔn)備執(zhí)行裝載進(jìn)程。

2）RC180檢測(cè)到in1為on后，開(kāi)始裝載計(jì)數(shù)循環(huán)，計(jì)數(shù)循環(huán)使用變量T作為循環(huán)控制值，T從1開(kāi)始至循環(huán)值結(jié)束。

3）在裝載循環(huán)中，RC180首先對(duì)當(dāng)前T值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前是否正在執(zhí)行裝第一舟第一層第一列，若是，則調(diào)用zhou_teaching_1函數(shù)，zhou_teaching_1函數(shù)的作用是：在新裝每一舟時(shí)，因?yàn)橥鈬姎鈿飧淄七M(jìn)的原因，可能造成每一舟的定位位置有少許誤差，如不修正誤差，將造成機(jī)器人在裝載進(jìn)程中碰撞舟框，損壞機(jī)器人或舟框，zhou_teaching_1 函數(shù)的作用就是對(duì)舟框的位置重新定位，將實(shí)測(cè)坐標(biāo)值與保存在RC180控制器中的坐標(biāo)值進(jìn)行修正，保證裝載進(jìn)程的順利安全。

4）機(jī)器人跳轉(zhuǎn)到P0點(diǎn)（RC180控制器保存的坐標(biāo)文件中的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，現(xiàn)將P0點(diǎn)設(shè)置為芯塊V形槽上方10 mm處），檢測(cè)到in1為on后，RC180打開(kāi)Out:8：suction（真空吸料），真空發(fā)生器開(kāi)啟。

5）機(jī)器人在P0點(diǎn)下移10 mm，停住0.2 s，吸取芯塊。

6）RC180對(duì)當(dāng)前T值檢測(cè)，判斷當(dāng)前正在吸取的芯塊是否屬于第一舟（或第二舟），若是，則調(diào)用Point_data_1函數(shù)，以此確定芯塊P(T)坐標(biāo)點(diǎn)，準(zhǔn)確將芯塊放置到所需要的位置。

7）RC180將芯塊放置到舟框內(nèi)之后，機(jī)器人跳轉(zhuǎn)回P0點(diǎn)。

8）變量T值加1，繼續(xù)進(jìn)行下一列的裝載。

9）當(dāng)需要的裝載列數(shù)完成后，RC180打開(kāi)Out2：complete（裝載完成信號(hào)），PLC控制外圍電氣執(zhí)行更替空舟框的過(guò)程，直到舟框就位后，啟動(dòng)新的一輪自動(dòng)裝載進(jìn)程。

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證

為驗(yàn)證該系統(tǒng)運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中的穩(wěn)定性，將該系統(tǒng)投放于大規(guī)模生產(chǎn)中，并對(duì)其生產(chǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。

從表1看出，芯塊幾何尺寸穩(wěn)定、波動(dòng)性、滿足要求,說(shuō)明自動(dòng)裝載系統(tǒng)不會(huì)對(duì)芯塊幾何尺寸造成影響。

表1 芯塊幾何尺寸

系統(tǒng)投入前后芯塊成品率如表2所示，各試驗(yàn)條件下磨削成品率均能達(dá)到85%以上，且投入前后芯塊外觀良好，成品率無(wú)明顯變化，缺陷類型也無(wú)明顯變化，這說(shuō)明核燃料芯塊自動(dòng)裝載系統(tǒng)研制成功。

表2 外觀及成品率

3 結(jié)語(yǔ)

1）自動(dòng)裝載系統(tǒng)采用雙膠帶實(shí)施芯塊倒下的裝置，本文對(duì)此裝置進(jìn)行了詳細(xì)的方案論證，真空吸取控制系統(tǒng)在滿足功能的前提下，選用可靠、耐用、優(yōu)質(zhì)的吸盤，所設(shè)計(jì)的固定裝置可靠、耐用。芯塊計(jì)數(shù)排行選用可靠的光電計(jì)數(shù)器可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，分離裝置穩(wěn)定、可靠。

2）芯塊橫置燒結(jié)所產(chǎn)燒結(jié)塊外觀良好，燒結(jié)塊直徑均滿足磨削需要且無(wú)明顯大小頭；磨削塊外觀良好，磨削塊幾何尺寸均滿足要求，與堆垛豎置燒結(jié)芯塊幾何尺寸比較沒(méi)有顯著變化；磨削成品率均在87%以上。

3）該套系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)行正常、穩(wěn)定，裝載效果良好，使用該系統(tǒng)能夠提高勞動(dòng)效率，降低因人工操作不慎而損壞芯塊的概率，提高芯塊產(chǎn)品質(zhì)量，提升核燃料生產(chǎn)線的技術(shù)裝備水平和自動(dòng)化程度，減少環(huán)境污染和勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)輻射衛(wèi)生要求。