辐射环境下自动样品更换机器人的建模与分析

桂宏凡，曹 艺

（湖北职业技术学院，湖北 孝感 432000）

辐射环境下自动样品更换机器人的建模与分析

桂宏凡1，曹 艺2

（湖北职业技术学院，湖北 孝感 432000）

在辐射环境下，为了利用中子束检测样品的材料、纯度、外形等性质，需要设计自动样品更换机器人来完成样品的更换工作，实现样品远程控制更换或预设程序更换——即实现样品“自动”更换功能。测量完一个样品后，通过远程控制将下一个样品置于测量位置。本课题根据特定测量样品的外型尺寸和测量要求，采用机构、工艺、控制联合建模的设计方法，对机器人平台进行了物理特征设计，并对机械系统的外形尺寸、精度、样品的更换能力进行了校核，结果表明，在要求空间下，该平台可以满足样品最大高度可调；从“平台”底部至样品最高处距离可调；样品可升降幅度可调；以及样品在检测过程中可以360°旋转等要求。

自动样品更换；精度；分析

随着全球经济的快速发展，辐射环境下的科学实验、装置大幅增加，实验人员不能长时间暴露在辐射环境下。同时在辐射环境下，辐射源会释放大量的污染射线，加速密封、润滑、绝缘等材料的老化和失效，也可以导致机电设备的传感器等电子器件和信号传输系统瞬间失灵［1］。因此针对具体环境开发自动化检测设备和平台就显得非常重要。辐射环境下自动样品更换机器人的研究可以避免辐射环境对人体的伤害，提高辐射环境下平台检测样品的能力。辐射环境下中子衍射样品自动更换机器人需要实现样品远程控制更换或预设程序更换 ——即实现样品“自动 ”更换功能。也就是在测量完某一样品后，按照预设或通过远程控制将下一样品置于测量位置，从而实现对测量样品的更换。

1 辐射环境下自动样品更换机器人的机械设计与建模

自动样品更换机器人的总体设计如图1所示，基本功能分为：样品水平定位功能、样品垂直定位功能和样品旋转功能。另外，在辐射环境下，该平台底座固定在导引车或者移动机器人上，可以大大的扩大其工作范围。

样品水平定位装置的关键是选择合适的电控旋转台。为了消除累积误差，平台需要有复位功能，为此，这里选择了精密电控旋转台并安装了零位开关传感器［2］。

图1 自动样品更换平台整体设计

样品垂直定位装置的作用是在垂直方向上把样品托和样品送到指定位置，在运动过程中平稳度好，任一样品处于待测位置时其中心偏离理想待测位置中心小于1mm。因此该系统选择了电控直线丝杆导轨滑台，其结构紧凑，定位精度较高，方便安装样品旋转装置。

样品旋转装置的作用是步进电机通过传动机构带动样品旋转。根据要求扭矩和整体系统的一致性，本平台选用了直径35mm步进电机来带动样品托旋转轴。

2 实验研究及分析

通过精确的理论分析和精密的机械设计，长时间实验结果表明，该平台完全符合自动化检测样品的要求，可以实现如下功能：①平台各部件平稳运行，能按要求完成所要求动作；②样品托与精密电控平台不发生干涉，样品可升降，且样品在检测过程中可以3600旋转，并且转速可以设置；③平台整体高度可调，且空间紧凑；④运动过程变换平稳，能满足设计的精度要求。

3 试验结果分析

在模拟样品检测过程中发现样品托会有轻微的震动，经过观察和分析认为有如下几个原因：电控旋转台内部采用了蜗轮蜗杆减速机构，蜗轮蜗杆在静止状态下有一定的间隙，所以样品托在旋转的时候会带动样品盘和电控旋转台发生轻微震动；直线轴承一般只适用于直线运动，本文中的直线轴承承受了直线运动和旋转运动，样品托在旋转的过程中与直线轴承的滚珠发生摩擦产生了震动；本文在样品托和样品托驱动轴之间采用了新型的传动方式，本质上属于直接传动，所以步进电机的径向跳动会直接传递到样品托，使样品托产生震动；样品托在旋转过程中，只有底部被直线轴承约束，而样品托上部没有约束，所以其他部分的震动会传递到样品托。

4 结束语

本文基于辐射环境下样品检测的实际工程需求，提出了自动样品更换机器人的设计方法，通过创新性的机械设计和精确的时序控制，实现了全自动化和半自动化两种工作方式。该机器人在要求的工作空间内，可以满足样品最大高度可调；样品可升降幅度可调；以及样品在检测过程中可以3600平稳旋转等要求，完全满足了设计要求，创新性地使用直线轴承来同时满足定位和导航的作用，并取得了理想的实验结果。提出并设计了一种新的传动方式，样品托驱动轴既要推动样品托一起向上运动又要驱动样品旋转，还要保证二者之间方便分离和啮合，创新性地提出了一种类似齿轮传动的新型平行轴传动方式。提出并采用了样品垂直定位装置，需要检测样品时通过样品垂直定位装置把样品推到高于剩余待测样品平面的位置，避免了检测样品时其他样品阻挡检测光线的问题。

［1］尹强，林蓉，李芳.辐射环境下探测机器人的方案设计及关键技术研究［J］.计算机与信息技术.2014，（1）：74.

［2］桂宏凡.辐射环境下自动样品更换平台的设计［D］.长安大学，2015.

TL13

A

1671-3818（2016）10-0214-01

桂宏凡（1989-），男，湖北孝感人，硕士，助教，研究方向：机械自动化控制技术。