高能工业X射线照相自动换片机器人设计

牛余朋，路廷镇，成 曙，张煜东，李 健

（中国人民解放军96630部队，北京 102206）

在进行高能X射线照相过程中，胶片盒一般由人工进行更换，加速器每出束拍摄一张胶片，需要操作人员进入检测现场更换一次胶片盒。理论分析和实际监测结果均表明，高能X射线直线加速器停止出束以后，仍然存在一定的残余射线辐射，它对操作人员身体健康有很大危害，并且防护困难。现在通常采用安全等待的方法解决射线防护问题，即加速器停止出束后，要等待一段安全时间，让残余辐射自然衰减到可以接受的水平，再进入检测现场更换胶片。在一般射线照相剂量下，15MeV系统的安全等待时间为60min。而一般被测工件接受高能X射线照相的出束时间大约是20～30s，安全等待时间远比出束时间长，显然整个照相检测过程非常耗时，因此这也成为提高高能X射线检测速度的瓶颈。为了解决以上问题，笔者设计了一种高能X射线照相换片机器人。该换片机器人可以一次装入12张胶片，每照完一张胶片，可以进行自动换片，待12预装胶片全部照完后再一次性进行更换，从而减少了操作人员进入现场的次数，降低了辐射风险，同时缩短了检测时间，提高了工作效率。

1 机械传动系统设计

机械传动系统由可移动车体、胶片库和机械手爪及其运动机构三部分组成。

1.1 可移动车体

如图1所示，可移动车体底部安装两套滚轮组，一套是片库方向前滚轮组，该组滚轮为单向固定式，不能变向；另一套是电控柜方向后滚轮组，该组滚轮为万向轮，可以360°转向。前滚轮组和后滚轮组前后各有两个。滚轮主体为钢件，外表面为塑料材质，该结构能够适应可移动车体在小范围内移动。可移动车体底部装有一套手动液压千斤顶，前后各两个支腿，用于定位后固定可移动车体。同时，由于升降运动机构很长，所以为了方便运输，将升降运动机构设计为可折叠式结构。

图1 系统总体结构

1.2 胶片库

胶片库用于放置多个工业X射线胶片硬盒，其由防辐射壳体和胶片盒架两部分组成，结构如图2（a）所示。其中防辐射壳体用于构成胶片的辐射防护空间，它由内、外各5mm的钢板和100mm的铸造铅板组成。胶片库门采用“迷宫”结构设计，有效防止了X射线直接通过门缝进入片库内。

图2 片库和盒架结构示意图

另外，为了适应某些胶片对“横片”和“竖片”的照射要求，对胶片盒架作如下设计，如图2（b）所示，胶片盒架呈长方形，其最下方两侧装有垫块，胶片盒架高度略低于胶片盒长度，其长度比胶片盒宽度加两个垫块宽度之和略长，垫块的高度等于胶片盒的长度减去胶片盒的宽度，这样便可保证横片和竖片在放置时保持上边沿高度一致。图2（b）中虚线表示竖片的放置情况，点划线表示横片的放置情况；竖片放置时刚好嵌入到两个垫块中间；横片放置时，由于垫块的阻挡作用，胶片盒被卡在两侧的垫块上，从而实现了胶片盒的横竖两种放置方式。

1.3 机械手爪及其运动机构

机械手爪是系统的胶片盒抓取执行机构，由气动系统提供抓取动力。

该手爪采用了欠压保护技术和断电自锁保护技术，气压低于标准值，气泵自动充气；同时，机械手爪还可根据被抓物体的重量而自适应调整抓取力量，避免了机械手爪力量过大而损坏胶片盒。当机械手爪在抓取到胶片盒进行工作的过程中，如遇突然断电，气动系统会将机械手爪自动锁死，并将当前状态存入永久性存储器中，待下次来电开机时，会立即给出机械手爪当前的锁死状态提示，提示用户手动取下胶片盒。

四自由度运动机构包括两自由度机械臂总成、机械手爪、各方向伺服驱动电机等。其中四个自由度的机构运动成为该系统的核心。

（1）升降运动

升降运动用于实现照相过程中的胶片盒高度定位以及取、放胶片盒的垂直定位等操作。

（2）伸缩运动

伸缩运动用于实现照相过程中的胶片盒水平定位以及取、放胶片盒时的水平定位等操作。

（3）回转运动

回转运动用于实现照相过程中的胶片盒角度定位以及取、放胶片盒时的角度定位等操作。

（4）胶片盒进出库运动

片库运动是通过片库伺服电机带动丝杠绕轴线旋转，丝杠带动胶片库门沿其下方的片库导轨运动，从而实现胶片盒进／出库运动。

2 电气控制系统设计

电控系统完成整机的管理与控制，并向操作者提供一个良好的操作平台。电气控制系统原理框图如图3所示。

图3 电控系统原理框图

在该系统的硬件控制中，采用两级主从式PLC作为控制核心，以交流伺服电机作为执行机构，以触摸屏（PWS1711）作为操作和显示平台。远控端PLC控制器以RS485通讯方式与现场的主控PLC控制器相连接。无论是远程还是本地操作，其信号均通过本地PLC控制器输出给电磁阀，从而控制手爪的抓紧与松开，实现胶片换片的一系列动作；输出信号给各伺服驱动器，控制各向电机，从而控制各自由度机械运动。同时各路检测传感器、各轴零位开关、各自由度限位开关、手动急停等外围设备的反馈信号传送给PLC，再由PLC控制本地／远程人机界面的显示。

3 系统软件设计

3.1 软件工作模式

系统软件的运行方式设计为三种方式，分别为手动方式、自动方式和示教方式。

（1）手动方式：该方式可以对各轴的运动进行独立控制（包括高速、低速、正向、反向运动）。其主要用于设备的调试和维修。

（2）自动方式：系统可以为用户存储多个工艺流程，操作人员可以按工艺要求直接调用程序，按自动运行键后，系统就周而复始地工作。

（3）示教方式：该方式是利用机器人技术完成各轴运动位置的示教控制。其主要用于确定或修改工艺时使用。

3.2 软件工作流程

下面分别以示教方式和自动方式介绍软件设计流程。

3.2.1 示教方式

（1）取示教片。下述所谓发送某某指令，意为软件中按动某按键。

手动给系统发送“取示教片”指令，机械手爪在初始位置下降至第一张胶片位置，通过安装在机械手爪正下方的红外接近开关自动感应并确定机械手爪是否到位；到位后，机械手爪自动抓取第一张胶片，并再次返回初始位，取示教片结束。

（2）动作（路径）示教。手动给系统发送“开始示教”指令，此时以手动方式操作各轴，使机械手爪运行到照相位置。例如，先发送“上升”指令，升高手抓；再发“回转”指令，回转伺服电机带动机械手爪旋转90°；再发送“伸出”指令，通过伸缩伺服电机带动手抓将胶片伸出。

值得说明的是，由于示教过程中系统采用了“路径自动矢量计算技术”，在示教过程中，对于某个运动路线，重复或反复路径，系统将自动进行矢量计算，不必为准确定位时而进行的反复运动担心。例如，手抓上升50cm，下降10cm，上升5cm，右旋20°，左旋60°。该路径在示教结束后的机器人运动过程中等效于下列运动：手抓上升45cm，左旋40°。

手动给系统发送“结束示教”指令，示教过程结束，系统自动存储结果。

3.2.2 自动方式

本系统的换片方式有手动换片和自动换片两种工作方式，两者的区别在于手动方式实际上是一种“点动”模式，而自动方式是一种“连续”模式，但是对于胶片换片时机械的运动状态和路径实际上是一致的，因此下述针对胶片的三种动作对上述两种方式是一致的，为便于叙述，以自动模式为例进行介绍。

（1）取片 胶片盒架内胶片盒的序号编址号码从左向右依次为：01，02，03…。手动给系统输入“取片号码”，并发送“取片”指令后，机械手爪按示教轨迹逆序运行到胶片库指定胶片正上方，取出胶片。再按示教轨迹运动至照相位，胶片库门关闭。

（2）放片 当机械手爪内抓有胶片盒时，手动给系统发送“放片”指令后，机械手爪将当前照相位置的胶片按示教轨迹反序运行，胶片库门打开，按当前胶片的号码放入片库的相应位置后，胶片库门关闭，机械手爪返回初始位。

（3）换片 当机械手爪处于照相位置时，手动给系统发送“换片”指令后，机械手爪将当前照相位置的胶片按示教轨迹反序运行，以当前胶片的号码放入片库，并将下一张胶片取出，按示教轨迹运行到照相位置，最后关闭胶片库门。

4 系统射线检测应用

以某型固体导弹发动机为例，说明该换片机器人在射线检测方面的实际应用。

4.1 透照布置方式

固体发动机内部质量缺陷主要有界面脱粘（分层）、裂纹、气孔或夹杂等，脱粘（分层）一般采用切向照相方式检测，其它缺陷一般采用径向照相方式检测。

4.1.1 切向照相方式

如图4所示，切向照相方式是固体发动机射线照相检测的一种透照布置方式，射线束与燃烧室或推进剂药柱截面圆相切，主要用于检测固体发动机界面脱粘或材料分层。采用适当工艺，当脱粘出现在切点位置时，能发现0.05mm宽的小脱粘缺陷。

图4 切线照相方式

4.1.2 径向照相方式

如图5所示，径向照相方式是将胶片放在燃烧室后面，利用射线从发动机轴线穿透进行成像的一种透照布置方式，主要用于推进剂的裂纹、气孔或夹杂等缺陷的检测。目前，高能X射线照相检测技术可达到1%甚至更好的对比灵敏度。在这种灵敏度下很容易检测出诸如气孔、夹杂等缺陷。

图5 径向照相方式

5 结语

高能X射线照相自动换片系统的研制成功，改变了传统的人工换片方法，缩短了射线照相过程中更换胶片的时间，降低了射线辐射风险，从而较大地提高了工作效率。

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