輻射環(huán)境下自動樣品更換機器人的建模與分析

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)境下自動樣品更換機器人的建模與分析

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樣品的材料、純度、外形等性質(zhì)，需要設(shè)計自動樣品更換機器人來完成樣品的更換工作，實現(xiàn)樣品遠程控制更換或預(yù)設(shè)程序更換——即實現(xiàn)樣品“自動”更換功能。測量完一個樣品后，通過遠程控制將下一個樣品置于測量位置。本課題根據(jù)特定測量樣品的外型尺寸和測量要求，采用機構(gòu)、工藝、控制聯(lián)合建模的設(shè)計方法，對機器人平臺進行了物理特征設(shè)計，并對機械系統(tǒng)的外形尺寸、精度、樣品的更換能力進行了校核，結(jié)果表明，在要求空間下，該平臺可以滿足樣品最大高度可調(diào)；從“平臺”底部至樣品最高處距離可調(diào)；樣品可升降幅度可調(diào)；以及樣品在檢測過程中可以360°旋轉(zhuǎn)等要求。

自動樣品更換；精度；分析

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，輻射環(huán)境下的科學(xué)實驗、裝置大幅增加，實驗人員不能長時間暴露在輻射環(huán)境下。同時在輻射環(huán)境下，輻射源會釋放大量的污染射線，加速密封、潤滑、絕緣等材料的老化和失效，也可以導(dǎo)致機電設(shè)備的傳感器等電子器件和信號傳輸系統(tǒng)瞬間失靈［1］。因此針對具體環(huán)境開發(fā)自動化檢測設(shè)備和平臺就顯得非常重要。輻射環(huán)境下自動樣品更換機器人的研究可以避免輻射環(huán)境對人體的傷害，提高輻射環(huán)境下平臺檢測樣品的能力。輻射環(huán)境下中子衍射樣品自動更換機器人需要實現(xiàn)樣品遠程控制更換或預(yù)設(shè)程序更換 ——即實現(xiàn)樣品“自動 ”更換功能。也就是在測量完某一樣品后，按照預(yù)設(shè)或通過遠程控制將下一樣品置于測量位置，從而實現(xiàn)對測量樣品的更換。

1 輻射環(huán)境下自動樣品更換機器人的機械設(shè)計與建模

自動樣品更換機器人的總體設(shè)計如圖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，該平臺底座固定在導(dǎo)引車或者移動機器人上，可以大大的擴大其工作范圍。

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

圖1 自動樣品更換平臺整體設(shè)計

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，在運動過程中平穩(wěn)度好，任一樣品處于待測位置時其中心偏離理想待測位置中心小于1mm。因此該系統(tǒng)選擇了電控直線絲桿導(dǎo)軌滑臺，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)裝置的作用是步進電機通過傳動機構(gòu)帶動樣品旋轉(zhuǎn)。根據(jù)要求扭矩和整體系統(tǒng)的一致性，本平臺選用了直徑35mm步進電機來帶動樣品托旋轉(zhuǎn)軸。

2 實驗研究及分析

通過精確的理論分析和精密的機械設(shè)計，長時間實驗結(jié)果表明，該平臺完全符合自動化檢測樣品的要求，可以實現(xiàn)如下功能：①平臺各部件平穩(wěn)運行，能按要求完成所要求動作；②樣品托與精密電控平臺不發(fā)生干涉，樣品可升降，且樣品在檢測過程中可以3600旋轉(zhuǎn)，并且轉(zhuǎn)速可以設(shè)置；③平臺整體高度可調(diào)，且空間緊湊；④運動過程變換平穩(wěn)，能滿足設(shè)計的精度要求。

3 試驗結(jié)果分析

在模擬樣品檢測過程中發(fā)現(xiàn)樣品托會有輕微的震動，經(jīng)過觀察和分析認為有如下幾個原因：電控旋轉(zhuǎn)臺內(nèi)部采用了蝸輪蝸桿減速機構(gòu)，蝸輪蝸桿在靜止狀態(tài)下有一定的間隙，所以樣品托在旋轉(zhuǎn)的時候會帶動樣品盤和電控旋轉(zhuǎn)臺發(fā)生輕微震動；直線軸承一般只適用于直線運動，本文中的直線軸承承受了直線運動和旋轉(zhuǎn)運動，樣品托在旋轉(zhuǎn)的過程中與直線軸承的滾珠發(fā)生摩擦產(chǎn)生了震動；本文在樣品托和樣品托驅(qū)動軸之間采用了新型的傳動方式，本質(zhì)上屬于直接傳動，所以步進電機的徑向跳動會直接傳遞到樣品托，使樣品托產(chǎn)生震動；樣品托在旋轉(zhuǎn)過程中，只有底部被直線軸承約束，而樣品托上部沒有約束，所以其他部分的震動會傳遞到樣品托。

4 結(jié)束語

本文基于輻射環(huán)境下樣品檢測的實際工程需求，提出了自動樣品更換機器人的設(shè)計方法，通過創(chuàng)新性的機械設(shè)計和精確的時序控制，實現(xiàn)了全自動化和半自動化兩種工作方式。該機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)；以及樣品在檢測過程中可以3600平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)等要求，完全滿足了設(shè)計要求，創(chuàng)新性地使用直線軸承來同時滿足定位和導(dǎo)航的作用，并取得了理想的實驗結(jié)果。提出并設(shè)計了一種新的傳動方式，樣品托驅(qū)動軸既要推動樣品托一起向上運動又要驅(qū)動樣品旋轉(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的新型平行軸傳動方式。提出并采用了樣品垂直定位裝置，需要檢測樣品時通過樣品垂直定位裝置把樣品推到高于剩余待測樣品平面的位置，避免了檢測樣品時其他樣品阻擋檢測光線的問題。

［1］尹強，林蓉，李芳.輻射環(huán)境下探測機器人的方案設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.計算機與信息技術(shù).2014，（1）：74.

［2］桂宏凡.輻射環(huán)境下自動樣品更換平臺的設(shè)計［D］.長安大學(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：機械自動化控制技術(shù)。