武文廣 宋長(zhǎng)飛 陳明馳

(中國(guó)核電工程有限公司河北分公司 石家莊 050000)

在串列加速器工程中，由回旋加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束打到靶源上產(chǎn)生放射性同位素。由于靶源需要經(jīng)常更換，為了更換、維修方便，將靶源設(shè)計(jì)成幾個(gè)獨(dú)立模塊的組合體[1,2]。

靶源模塊有兩種，形狀不規(guī)則，其中大模塊外形約1000 mm×800 mm×800 mm，重量約2 t，由于模塊本身具有較強(qiáng)的放射性，因此必須置于屏蔽熱室內(nèi)[3]，通過(guò)機(jī)械手和專(zhuān)用工具對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。設(shè)計(jì)目標(biāo)要求模塊工作點(diǎn)的重復(fù)定位精度≤±0.2 mm，模塊能實(shí)現(xiàn)升降和360°旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，滿(mǎn)足試驗(yàn)人員使用機(jī)械手和專(zhuān)用工具遠(yuǎn)程操作，對(duì)靶源模塊進(jìn)行拆卸維護(hù)的使用要求[4]。輻射環(huán)境條件苛刻，被操作件形狀不規(guī)則、外形尺寸大、重量大，定位精度要求高，使裝置研制有較高的難度。

1 模塊支撐旋轉(zhuǎn)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

模塊的支撐旋轉(zhuǎn)裝置主要由模塊支撐結(jié)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)及電器控制等部分組成。根據(jù)模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和操作工藝要求，確定方案為：將模塊從熱室頂部利用吊車(chē)及專(zhuān)用工具將模塊吊運(yùn)至熱室內(nèi)的模塊支撐筒中，支撐筒上部安裝升降螺桿實(shí)現(xiàn)模塊的升降功能。模塊支撐筒支撐在一個(gè)旋轉(zhuǎn)筒中，旋轉(zhuǎn)筒上部的外齒式軸承與減速傳動(dòng)鏈連接，傳動(dòng)鏈末端由驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)模塊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)筒外部設(shè)置位置檢測(cè)及定位機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布置在熱室頂部和操作前區(qū)便于動(dòng)力裝置的維護(hù)，模塊采用懸吊支撐的定位結(jié)構(gòu)便于四周觀測(cè)及模塊零件的拆卸，其原理見(jiàn)圖1。

圖1 原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Elements sketch.

模塊的升降及 360°旋轉(zhuǎn)動(dòng)作均由傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行，保證模塊的準(zhǔn)確定位，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)筒周向轉(zhuǎn)速為0.35 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間約為 3 min。為保證模塊工作點(diǎn)的定位精度，避免由于傳動(dòng)鏈的累積誤差對(duì)模塊定位精度產(chǎn)生影響，從垂直和周向兩個(gè)方向的結(jié)構(gòu)和定位方式上采取了多種技術(shù)措施。

1.2 模塊垂直方向定位方案

1.2.1 合理設(shè)計(jì)升降螺桿

模塊升降靠安裝在支撐筒上部的升降螺桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)靶源模塊的形狀尺寸，合理布局提升機(jī)構(gòu)，支撐筒周向均布置三套升降螺桿。升降螺桿之間共用減速電機(jī)，減速電機(jī)輸出的扭矩通過(guò)傳動(dòng)軸和傘齒輪換向器同步傳遞給三臺(tái)升降機(jī)同步升降，實(shí)現(xiàn)了支撐筒的平穩(wěn)升降。減速電機(jī)功率1.5 kW，輸出轉(zhuǎn)速為20 mm/min，單臺(tái)升降螺桿額定提升負(fù)載50 kN，提升速度3.3 mm/s。模塊上下行程依靠升降螺桿的上下限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止，設(shè)計(jì)中選用機(jī)械滾輪柱塞式限位開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)精度±0.1 mm；并采用限位開(kāi)關(guān)雙備份設(shè)計(jì)，保證了運(yùn)行上下限的安全可靠。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及硬件的可靠性使提升機(jī)構(gòu)安全可靠、維護(hù)方便、具有良好的耐輻照特性，滿(mǎn)足了功能要求(見(jiàn)圖2)。

圖2 升降螺桿布局Fig.2 Layout of lifting screw.

1.2.2 消除升降螺桿停止時(shí)慣性位移影響

升降螺桿下降到下限位置時(shí)，極限開(kāi)關(guān)動(dòng)作，螺旋升降機(jī)停止驅(qū)動(dòng)。由于慣性作用，螺桿及支撐筒仍將繼續(xù)下移一定距離，如不采取措施，升降螺桿的推力及支撐筒(含模塊)重力將作用到支撐筒上，對(duì)支撐筒和螺桿造成損壞。為此，在滿(mǎn)足工藝要求前提下，將旋轉(zhuǎn)筒的上支撐面設(shè)置為模塊垂直方向的工作點(diǎn)，即支撐筒與旋轉(zhuǎn)筒的接觸面為支撐筒的下限。旋轉(zhuǎn)筒的支撐面和支撐筒設(shè)計(jì)有足夠剛性；并專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了緩沖結(jié)構(gòu)，將特制的連接螺栓擰緊固定于模塊支撐筒面上，法蘭端面與模塊支撐筒上平面留5 mm的間隙。此間隙可避免停止時(shí)因慣性位移而沖擊旋轉(zhuǎn)筒(見(jiàn)圖3)。

圖3 升降螺桿法蘭連接結(jié)構(gòu)Fig.3 Joint structure of lift screw flange.

1.3 模塊周向方向定位方案

旋轉(zhuǎn)筒外側(cè)設(shè)計(jì)氣缸定位結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)到工作點(diǎn)位置時(shí)，氣缸動(dòng)作使氣缸定位銷(xiāo)打入到旋轉(zhuǎn)筒上的定位孔內(nèi)。旋轉(zhuǎn)筒外周設(shè)計(jì)位置檢測(cè)傳感器，當(dāng)模塊轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)位置時(shí)傳感器發(fā)出提示信號(hào)，確認(rèn)氣缸銷(xiāo)對(duì)準(zhǔn)氣缸定位銷(xiāo)孔。

1.3.1 氣缸定位銷(xiāo)與氣缸定位塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣缸定位銷(xiāo)與氣缸定位孔合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是保證氣缸定位銷(xiāo)順利打入定位孔的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，定位銷(xiāo)頭部采用球形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，定位塊內(nèi)部采用方形孔，垂直方向無(wú)約束，定位銷(xiāo)與定位孔之間為徑向線接觸，對(duì)正后可保證順暢導(dǎo)入。

1.3.2 位置傳感器的設(shè)置

氣缸動(dòng)作前，需確認(rèn)氣缸銷(xiāo)與氣缸銷(xiāo)定位孔是否對(duì)正。為此采用了紅外光電位置傳感器，該傳感器利用擋片對(duì)光束的遮擋產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，響應(yīng)誤差0.05 mm，精度高、抗干擾性好[5]。

由于傳感器存在響應(yīng)誤差，單套光電傳感器在大于響應(yīng)誤差值情況下均會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，無(wú)法確認(rèn)定位點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。因此專(zhuān)門(mén)設(shè)置了兩套傳感器，兩套傳感器的安裝間距可調(diào)，調(diào)整傳感器位置使一套傳感器在剛到達(dá)擋片的左側(cè)邊緣時(shí)發(fā)出信號(hào)，同時(shí)另一套傳感器剛到達(dá)該擋片的右側(cè)邊緣并發(fā)出信號(hào)，保證兩套傳感器同時(shí)發(fā)出信號(hào)，即確認(rèn)氣缸銷(xiāo)與氣缸銷(xiāo)定位孔此時(shí)刻已對(duì)正(見(jiàn)圖4)。

為進(jìn)一步提高可靠性，避免誤操作，設(shè)置一套接觸式傳感器對(duì)氣缸銷(xiāo)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)氣缸銷(xiāo)插入定位塊孔中接觸式傳感器發(fā)出信號(hào)，表明氣缸定位銷(xiāo)入孔，此信號(hào)與旋轉(zhuǎn)筒聯(lián)鎖，禁止旋轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 位置傳感器遮擋示意圖Fig.4 Principle sketch of location sensor.

1.3.3 粗定位與精確定位設(shè)計(jì)

為保證準(zhǔn)確定位及運(yùn)行的絕對(duì)安全可靠，旋轉(zhuǎn)筒的周向定位設(shè)置粗定位和精確定位兩個(gè)階段。在模塊大角度轉(zhuǎn)動(dòng)階段，利用操作前區(qū)傳動(dòng)鏈末端的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在操作前區(qū)設(shè)計(jì)了一套行程開(kāi)關(guān)作為粗定位。當(dāng)旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)位置接近傳感器感應(yīng)位置時(shí)，傳動(dòng)桿上的滑塊提前觸發(fā)操作前區(qū)的行程開(kāi)關(guān)切斷旋轉(zhuǎn)裝置段電源。

粗定位實(shí)現(xiàn)后，轉(zhuǎn)為利用手動(dòng)微調(diào)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊的準(zhǔn)確定位。在傳動(dòng)鏈末端設(shè)計(jì)了一套手輪微調(diào)結(jié)構(gòu)，手輪處設(shè)置微調(diào)刻度盤(pán)，手輪每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刻度旋轉(zhuǎn)裝置僅轉(zhuǎn)動(dòng)0.02 mm，這樣可以利用微調(diào)手輪手動(dòng)調(diào)整，直到兩個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的指示燈同時(shí)發(fā)出信號(hào)，表明定位銷(xiāo)與定位孔實(shí)現(xiàn)對(duì)正，然后定位銷(xiāo)插入完成旋轉(zhuǎn)筒的周向定位。

電動(dòng)粗定位與手動(dòng)精確定位相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高效操作，并且絕對(duì)安全可靠(見(jiàn)圖5)。

圖5 粗定位與精定位結(jié)構(gòu)Fig.5 Organ of cursory and precise locate.

1.3.4 模塊支撐筒與旋轉(zhuǎn)筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]

模塊置于支撐旋轉(zhuǎn)部件的內(nèi)部，支撐筒與旋轉(zhuǎn)筒的結(jié)構(gòu)對(duì)模塊的準(zhǔn)確定位非常重要。支撐筒部件的主要功能是實(shí)現(xiàn)支撐、準(zhǔn)確定位模塊。上部用兩塊 30 mm圓形鋼板焊接于裝置側(cè)板上，側(cè)板厚度16 mm，兩圓形鋼板中間焊接加強(qiáng)筋以保證提升機(jī)構(gòu)與模塊支撐裝置的剛度。側(cè)板下部用50 mm的鋼板作為模塊支撐板，通過(guò)螺栓連接在裝置的底板上，便于加工并保證支撐板的平面度及定位銷(xiāo)孔的位置度。支撐筒上面的兩圓形板兩側(cè)開(kāi)有鍵槽，用以提升時(shí)導(dǎo)向作用。支撐筒下面的圓形鋼板上是兩個(gè)定位銷(xiāo)孔，用于旋轉(zhuǎn)筒與支撐筒下部支撐板的定位銷(xiāo)定位。

旋轉(zhuǎn)筒筒體上部的圓盤(pán)側(cè)面加工一溝槽，作為電纜的卷筒。旋轉(zhuǎn)筒外圈是外齒式軸承，與減速器連接。旋轉(zhuǎn)筒下部的支撐板用螺栓與轉(zhuǎn)筒的側(cè)壁端面連接。這樣既方便加工，又可以保證支撐板的平面度。旋轉(zhuǎn)筒最大外徑Φ1900 mm，旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)徑Φ1400 mm。在旋轉(zhuǎn)筒側(cè)面設(shè)計(jì)了導(dǎo)向鍵，支撐筒上的導(dǎo)向鍵槽與導(dǎo)向鍵配合使支撐筒進(jìn)入旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)。導(dǎo)向鍵與模塊支撐筒鍵槽配合間隙為變化的，上大下小，既保證了最終的定位精度又大大降低了支撐筒導(dǎo)向鍵槽的制造難度。

2 提升機(jī)構(gòu)供電解決方案

轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上部驅(qū)動(dòng)升降螺桿的電機(jī)要在裝置旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下供電。由于設(shè)備轉(zhuǎn)速較低，且不是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)方案中采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的電纜卷筒。卷筒帶有卷簧，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，卷筒釋放電纜，電纜卷在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)筒的槽中。設(shè)計(jì)電纜最大繞圈角度為±270°，滿(mǎn)足工藝使用要求。

操作前區(qū)用于粗定位的滑塊裝在一個(gè)刻度罩中，當(dāng)滑塊到達(dá)刻度罩上下極限位置時(shí)，則旋轉(zhuǎn)裝置不能再轉(zhuǎn)動(dòng)，可避免電纜旋轉(zhuǎn)超行程被扯斷。

3 電氣聯(lián)鎖控制要求

為保證模塊支撐旋轉(zhuǎn)裝置安全、可靠的使用，在電氣控制方面設(shè)計(jì)了如下聯(lián)鎖功能[7]：

(1)當(dāng)提升螺桿上任何一個(gè)限位開(kāi)關(guān)接通時(shí)，提升電機(jī)立即停止。且觸發(fā)上限位開(kāi)關(guān)(上極限位置)后，上升按鈕失效，只能下降；觸發(fā)下限位開(kāi)關(guān)(下極限位置)后，下降按鈕失效，只能上升。

(2)旋轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)與提升機(jī)構(gòu)的提升電機(jī)之間聯(lián)鎖，即兩電機(jī)不能同時(shí)工作。

(3)在熱室頂部，有兩個(gè)傳感器用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)筒的位置，當(dāng)兩個(gè)傳感器同時(shí)接通時(shí)燈亮，表明定位銷(xiāo)與定位孔實(shí)現(xiàn)對(duì)正，此時(shí)按下氣缸伸動(dòng)作按鈕才有效。

(4)當(dāng)氣缸位置傳感器處于接通狀態(tài)時(shí)，旋轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)不能動(dòng)作，表明定位銷(xiāo)處于伸出狀態(tài)。

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

裝置完成裝配后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了提升、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作調(diào)試試驗(yàn)及精度測(cè)量，對(duì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)電氣聯(lián)鎖控制功能進(jìn)行驗(yàn)證[8]。

第一步進(jìn)行垂直方向的動(dòng)作調(diào)試，驗(yàn)證提升螺桿運(yùn)行是否平穩(wěn)，螺桿上下限位開(kāi)關(guān)的可靠性及模塊降至下限位置時(shí)的重復(fù)定位精度。經(jīng)過(guò)20次的升降試驗(yàn)，提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)、提升螺桿上下限位開(kāi)關(guān)均能及時(shí)響應(yīng)，螺桿停止動(dòng)作。模塊垂直定位位置精度如圖6所示，20組數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度要求，而且75%點(diǎn)分布在±0.1 mm范圍，達(dá)到了目標(biāo)要求。

圖6 垂直定位精度曲線圖Fig.6 Curve picture on uprightness precision.

第二步進(jìn)行周向方向動(dòng)作試驗(yàn)及精度測(cè)量，驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性、周向定位機(jī)構(gòu)的可靠性和準(zhǔn)確性。旋轉(zhuǎn)部件經(jīng)過(guò)20次正反旋轉(zhuǎn)動(dòng)作試驗(yàn)，運(yùn)行平穩(wěn)、傳動(dòng)部件無(wú)爬行現(xiàn)象，在到達(dá)設(shè)定點(diǎn)位置傳感器均能及時(shí)響應(yīng)、旋轉(zhuǎn)筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)。周向定位精度如圖7所示，20組數(shù)據(jù)均能滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求，80%的點(diǎn)分布在±0.1 mm范圍。

圖7 周向定位精度曲線圖Fig.7 Curve picture on circle precision.

第三步模擬傳感器出現(xiàn)誤差，定位銷(xiāo)不入孔狀態(tài)下，驗(yàn)證手輪微調(diào)機(jī)構(gòu)的可靠性。在定位銷(xiāo)接近定位孔前停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用手輪微調(diào)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)正反兩個(gè)方向的多次驗(yàn)證，定位銷(xiāo)均順利打入到定位孔中，定位銷(xiāo)結(jié)構(gòu)的傳感器指示燈亮。驗(yàn)證了手輪微調(diào)機(jī)構(gòu)的合理性和可靠性。

最后針對(duì)電氣聯(lián)鎖控制要求進(jìn)行了各種狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，聯(lián)鎖控制均能準(zhǔn)確響應(yīng)，效果良好，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)靶源模塊試驗(yàn)維護(hù)的特殊需求，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)筒、支撐筒結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足靶源模塊提升及旋轉(zhuǎn)功能需要；合理布置螺桿提升裝置，采用旋轉(zhuǎn)筒接觸面為下限定位面，并設(shè)計(jì)軸向緩沖間隙，實(shí)現(xiàn)了升降功能及精確定位；周向采用電動(dòng)粗定位及手動(dòng)精確定位相結(jié)合，既高效又能精確定位；采用雙傳感器位置檢測(cè)，氣缸定位銷(xiāo)設(shè)計(jì)方案，措施安全可靠。經(jīng)試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足目標(biāo)要求，驗(yàn)證了裝置設(shè)計(jì)方案的合理性和可靠性。該設(shè)計(jì)技術(shù)可應(yīng)用于加速器、熱室、反應(yīng)堆等放射性場(chǎng)所，進(jìn)行遠(yuǎn)程屏蔽操作、檢修維護(hù)或試驗(yàn)，具有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

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