輻射環(huán)境下自動(dòng)樣品更換機(jī)器人的建模與分析

桂宏凡，曹 藝

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000）

輻射環(huán)境下自動(dòng)樣品更換機(jī)器人的建模與分析

桂宏凡1，曹 藝2

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000）

在輻射環(huán)境下，為了利用中子束檢測(cè)樣品的材料、純度、外形等性質(zhì)，需要設(shè)計(jì)自動(dòng)樣品更換機(jī)器人來(lái)完成樣品的更換工作，實(shí)現(xiàn)樣品遠(yuǎn)程控制更換或預(yù)設(shè)程序更換——即實(shí)現(xiàn)樣品“自動(dòng)”更換功能。測(cè)量完一個(gè)樣品后，通過(guò)遠(yuǎn)程控制將下一個(gè)樣品置于測(cè)量位置。本課題根據(jù)特定測(cè)量樣品的外型尺寸和測(cè)量要求，采用機(jī)構(gòu)、工藝、控制聯(lián)合建模的設(shè)計(jì)方法，對(duì)機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行了物理特征設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的外形尺寸、精度、樣品的更換能力進(jìn)行了校核，結(jié)果表明，在要求空間下，該平臺(tái)可以滿足樣品最大高度可調(diào)；從“平臺(tái)”底部至樣品最高處距離可調(diào)；樣品可升降幅度可調(diào)；以及樣品在檢測(cè)過(guò)程中可以360°旋轉(zhuǎn)等要求。

自動(dòng)樣品更換；精度；分析

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，輻射環(huán)境下的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、裝置大幅增加，實(shí)驗(yàn)人員不能長(zhǎng)時(shí)間暴露在輻射環(huán)境下。同時(shí)在輻射環(huán)境下，輻射源會(huì)釋放大量的污染射線，加速密封、潤(rùn)滑、絕緣等材料的老化和失效，也可以導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備的傳感器等電子器件和信號(hào)傳輸系統(tǒng)瞬間失靈［1］。因此針對(duì)具體環(huán)境開(kāi)發(fā)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備和平臺(tái)就顯得非常重要。輻射環(huán)境下自動(dòng)樣品更換機(jī)器人的研究可以避免輻射環(huán)境對(duì)人體的傷害，提高輻射環(huán)境下平臺(tái)檢測(cè)樣品的能力。輻射環(huán)境下中子衍射樣品自動(dòng)更換機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)樣品遠(yuǎn)程控制更換或預(yù)設(shè)程序更換 ——即實(shí)現(xiàn)樣品“自動(dòng) ”更換功能。也就是在測(cè)量完某一樣品后，按照預(yù)設(shè)或通過(guò)遠(yuǎn)程控制將下一樣品置于測(cè)量位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量樣品的更換。

1 輻射環(huán)境下自動(dòng)樣品更換機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與建模

自動(dòng)樣品更換機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，基本功能分為：樣品水平定位功能、樣品垂直定位功能和樣品旋轉(zhuǎn)功能。另外，在輻射環(huán)境下，該平臺(tái)底座固定在導(dǎo)引車或者移動(dòng)機(jī)器人上，可以大大的擴(kuò)大其工作范圍。

樣品水平定位裝置的關(guān)鍵是選擇合適的電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)。為了消除累積誤差，平臺(tái)需要有復(fù)位功能，為此，這里選擇了精密電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)并安裝了零位開(kāi)關(guān)傳感器［2］。

圖1 自動(dòng)樣品更換平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

樣品垂直定位裝置的作用是在垂直方向上把樣品托和樣品送到指定位置，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)度好，任一樣品處于待測(cè)位置時(shí)其中心偏離理想待測(cè)位置中心小于1mm。因此該系統(tǒng)選擇了電控直線絲桿導(dǎo)軌滑臺(tái)，其結(jié)構(gòu)緊湊，定位精度較高，方便安裝樣品旋轉(zhuǎn)裝置。

樣品旋轉(zhuǎn)裝置的作用是步進(jìn)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)樣品旋轉(zhuǎn)。根據(jù)要求扭矩和整體系統(tǒng)的一致性，本平臺(tái)選用了直徑35mm步進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)樣品托旋轉(zhuǎn)軸。

2 實(shí)驗(yàn)研究及分析

通過(guò)精確的理論分析和精密的機(jī)械設(shè)計(jì)，長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)完全符合自動(dòng)化檢測(cè)樣品的要求，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：①平臺(tái)各部件平穩(wěn)運(yùn)行，能按要求完成所要求動(dòng)作；②樣品托與精密電控平臺(tái)不發(fā)生干涉，樣品可升降，且樣品在檢測(cè)過(guò)程中可以3600旋轉(zhuǎn)，并且轉(zhuǎn)速可以設(shè)置；③平臺(tái)整體高度可調(diào)，且空間緊湊；④運(yùn)動(dòng)過(guò)程變換平穩(wěn)，能滿足設(shè)計(jì)的精度要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在模擬樣品檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)樣品托會(huì)有輕微的震動(dòng)，經(jīng)過(guò)觀察和分析認(rèn)為有如下幾個(gè)原因：電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部采用了蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿在靜止?fàn)顟B(tài)下有一定的間隙，所以樣品托在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)帶動(dòng)樣品盤和電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生輕微震動(dòng)；直線軸承一般只適用于直線運(yùn)動(dòng)，本文中的直線軸承承受了直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，樣品托在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中與直線軸承的滾珠發(fā)生摩擦產(chǎn)生了震動(dòng)；本文在樣品托和樣品托驅(qū)動(dòng)軸之間采用了新型的傳動(dòng)方式，本質(zhì)上屬于直接傳動(dòng)，所以步進(jìn)電機(jī)的徑向跳動(dòng)會(huì)直接傳遞到樣品托，使樣品托產(chǎn)生震動(dòng)；樣品托在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，只有底部被直線軸承約束，而樣品托上部沒(méi)有約束，所以其他部分的震動(dòng)會(huì)傳遞到樣品托。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于輻射環(huán)境下樣品檢測(cè)的實(shí)際工程需求，提出了自動(dòng)樣品更換機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)創(chuàng)新性的機(jī)械設(shè)計(jì)和精確的時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化和半自動(dòng)化兩種工作方式。該機(jī)器人在要求的工作空間內(nèi)，可以滿足樣品最大高度可調(diào)；樣品可升降幅度可調(diào)；以及樣品在檢測(cè)過(guò)程中可以3600平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)等要求，完全滿足了設(shè)計(jì)要求，創(chuàng)新性地使用直線軸承來(lái)同時(shí)滿足定位和導(dǎo)航的作用，并取得了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。提出并設(shè)計(jì)了一種新的傳動(dòng)方式，樣品托驅(qū)動(dòng)軸既要推動(dòng)樣品托一起向上運(yùn)動(dòng)又要驅(qū)動(dòng)樣品旋轉(zhuǎn)，還要保證二者之間方便分離和嚙合，創(chuàng)新性地提出了一種類似齒輪傳動(dòng)的新型平行軸傳動(dòng)方式。提出并采用了樣品垂直定位裝置，需要檢測(cè)樣品時(shí)通過(guò)樣品垂直定位裝置把樣品推到高于剩余待測(cè)樣品平面的位置，避免了檢測(cè)樣品時(shí)其他樣品阻擋檢測(cè)光線的問(wèn)題。

［1］尹強(qiáng)，林蓉，李芳.輻射環(huán)境下探測(cè)機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)與信息技術(shù).2014，（1）：74.

［2］桂宏凡.輻射環(huán)境下自動(dòng)樣品更換平臺(tái)的設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

TL13

A

1671-3818（2016）10-0214-01

桂宏凡（1989-），男，湖北孝感人，碩士，助教，研究方向：機(jī)械自動(dòng)化控制技術(shù)。