牛余朋，路廷鎮(zhèn)，成 曙，張煜東，李 健

（中國人民解放軍96630部隊，北京 102206）

在進行高能X射線照相過程中，膠片盒一般由人工進行更換，加速器每出束拍攝一張膠片，需要操作人員進入檢測現(xiàn)場更換一次膠片盒。理論分析和實際監(jiān)測結果均表明，高能X射線直線加速器停止出束以后，仍然存在一定的殘余射線輻射，它對操作人員身體健康有很大危害，并且防護困難。現(xiàn)在通常采用安全等待的方法解決射線防護問題，即加速器停止出束后，要等待一段安全時間，讓殘余輻射自然衰減到可以接受的水平，再進入檢測現(xiàn)場更換膠片。在一般射線照相劑量下，15MeV系統(tǒng)的安全等待時間為60min。而一般被測工件接受高能X射線照相的出束時間大約是20～30s，安全等待時間遠比出束時間長，顯然整個照相檢測過程非常耗時，因此這也成為提高高能X射線檢測速度的瓶頸。為了解決以上問題，筆者設計了一種高能X射線照相換片機器人。該換片機器人可以一次裝入12張膠片，每照完一張膠片，可以進行自動換片，待12預裝膠片全部照完后再一次性進行更換，從而減少了操作人員進入現(xiàn)場的次數(shù)，降低了輻射風險，同時縮短了檢測時間，提高了工作效率。

1 機械傳動系統(tǒng)設計

機械傳動系統(tǒng)由可移動車體、膠片庫和機械手爪及其運動機構三部分組成。

1.1 可移動車體

如圖1所示，可移動車體底部安裝兩套滾輪組，一套是片庫方向前滾輪組，該組滾輪為單向固定式，不能變向；另一套是電控柜方向后滾輪組，該組滾輪為萬向輪，可以360°轉向。前滾輪組和后滾輪組前后各有兩個。滾輪主體為鋼件，外表面為塑料材質，該結構能夠適應可移動車體在小范圍內(nèi)移動?？梢苿榆圀w底部裝有一套手動液壓千斤頂，前后各兩個支腿，用于定位后固定可移動車體。同時，由于升降運動機構很長，所以為了方便運輸，將升降運動機構設計為可折疊式結構。

圖1 系統(tǒng)總體結構

1.2 膠片庫

膠片庫用于放置多個工業(yè)X射線膠片硬盒，其由防輻射殼體和膠片盒架兩部分組成，結構如圖2（a）所示。其中防輻射殼體用于構成膠片的輻射防護空間，它由內(nèi)、外各5mm的鋼板和100mm的鑄造鉛板組成。膠片庫門采用“迷宮”結構設計，有效防止了X射線直接通過門縫進入片庫內(nèi)。

圖2 片庫和盒架結構示意圖

另外，為了適應某些膠片對“橫片”和“豎片”的照射要求，對膠片盒架作如下設計，如圖2（b）所示，膠片盒架呈長方形，其最下方兩側裝有墊塊，膠片盒架高度略低于膠片盒長度，其長度比膠片盒寬度加兩個墊塊寬度之和略長，墊塊的高度等于膠片盒的長度減去膠片盒的寬度，這樣便可保證橫片和豎片在放置時保持上邊沿高度一致。圖2（b）中虛線表示豎片的放置情況，點劃線表示橫片的放置情況；豎片放置時剛好嵌入到兩個墊塊中間；橫片放置時，由于墊塊的阻擋作用，膠片盒被卡在兩側的墊塊上，從而實現(xiàn)了膠片盒的橫豎兩種放置方式。

1.3 機械手爪及其運動機構

機械手爪是系統(tǒng)的膠片盒抓取執(zhí)行機構，由氣動系統(tǒng)提供抓取動力。

該手爪采用了欠壓保護技術和斷電自鎖保護技術，氣壓低于標準值，氣泵自動充氣；同時，機械手爪還可根據(jù)被抓物體的重量而自適應調(diào)整抓取力量，避免了機械手爪力量過大而損壞膠片盒。當機械手爪在抓取到膠片盒進行工作的過程中，如遇突然斷電，氣動系統(tǒng)會將機械手爪自動鎖死，并將當前狀態(tài)存入永久性存儲器中，待下次來電開機時，會立即給出機械手爪當前的鎖死狀態(tài)提示，提示用戶手動取下膠片盒。

四自由度運動機構包括兩自由度機械臂總成、機械手爪、各方向伺服驅動電機等。其中四個自由度的機構運動成為該系統(tǒng)的核心。

（1）升降運動

升降運動用于實現(xiàn)照相過程中的膠片盒高度定位以及取、放膠片盒的垂直定位等操作。

（2）伸縮運動

伸縮運動用于實現(xiàn)照相過程中的膠片盒水平定位以及取、放膠片盒時的水平定位等操作。

（3）回轉運動

回轉運動用于實現(xiàn)照相過程中的膠片盒角度定位以及取、放膠片盒時的角度定位等操作。

（4）膠片盒進出庫運動

片庫運動是通過片庫伺服電機帶動絲杠繞軸線旋轉，絲杠帶動膠片庫門沿其下方的片庫導軌運動，從而實現(xiàn)膠片盒進／出庫運動。

2 電氣控制系統(tǒng)設計

電控系統(tǒng)完成整機的管理與控制，并向操作者提供一個良好的操作平臺。電氣控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 電控系統(tǒng)原理框圖

在該系統(tǒng)的硬件控制中，采用兩級主從式PLC作為控制核心，以交流伺服電機作為執(zhí)行機構，以觸摸屏（PWS1711）作為操作和顯示平臺。遠控端PLC控制器以RS485通訊方式與現(xiàn)場的主控PLC控制器相連接。無論是遠程還是本地操作，其信號均通過本地PLC控制器輸出給電磁閥，從而控制手爪的抓緊與松開，實現(xiàn)膠片換片的一系列動作；輸出信號給各伺服驅動器，控制各向電機，從而控制各自由度機械運動。同時各路檢測傳感器、各軸零位開關、各自由度限位開關、手動急停等外圍設備的反饋信號傳送給PLC，再由PLC控制本地／遠程人機界面的顯示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件工作模式

系統(tǒng)軟件的運行方式設計為三種方式，分別為手動方式、自動方式和示教方式。

（1）手動方式：該方式可以對各軸的運動進行獨立控制（包括高速、低速、正向、反向運動）。其主要用于設備的調(diào)試和維修。

（2）自動方式：系統(tǒng)可以為用戶存儲多個工藝流程，操作人員可以按工藝要求直接調(diào)用程序，按自動運行鍵后，系統(tǒng)就周而復始地工作。

（3）示教方式：該方式是利用機器人技術完成各軸運動位置的示教控制。其主要用于確定或修改工藝時使用。

3.2 軟件工作流程

下面分別以示教方式和自動方式介紹軟件設計流程。

3.2.1 示教方式

（1）取示教片。下述所謂發(fā)送某某指令，意為軟件中按動某按鍵。

手動給系統(tǒng)發(fā)送“取示教片”指令，機械手爪在初始位置下降至第一張膠片位置，通過安裝在機械手爪正下方的紅外接近開關自動感應并確定機械手爪是否到位；到位后，機械手爪自動抓取第一張膠片，并再次返回初始位，取示教片結束。

（2）動作（路徑）示教。手動給系統(tǒng)發(fā)送“開始示教”指令，此時以手動方式操作各軸，使機械手爪運行到照相位置。例如，先發(fā)送“上升”指令，升高手抓；再發(fā)“回轉”指令，回轉伺服電機帶動機械手爪旋轉90°；再發(fā)送“伸出”指令，通過伸縮伺服電機帶動手抓將膠片伸出。

值得說明的是，由于示教過程中系統(tǒng)采用了“路徑自動矢量計算技術”，在示教過程中，對于某個運動路線，重復或反復路徑，系統(tǒng)將自動進行矢量計算，不必為準確定位時而進行的反復運動擔心。例如，手抓上升50cm，下降10cm，上升5cm，右旋20°，左旋60°。該路徑在示教結束后的機器人運動過程中等效于下列運動：手抓上升45cm，左旋40°。

手動給系統(tǒng)發(fā)送“結束示教”指令，示教過程結束，系統(tǒng)自動存儲結果。

3.2.2 自動方式

本系統(tǒng)的換片方式有手動換片和自動換片兩種工作方式，兩者的區(qū)別在于手動方式實際上是一種“點動”模式，而自動方式是一種“連續(xù)”模式，但是對于膠片換片時機械的運動狀態(tài)和路徑實際上是一致的，因此下述針對膠片的三種動作對上述兩種方式是一致的，為便于敘述，以自動模式為例進行介紹。

（1）取片 膠片盒架內(nèi)膠片盒的序號編址號碼從左向右依次為：01，02，03…。手動給系統(tǒng)輸入“取片號碼”，并發(fā)送“取片”指令后，機械手爪按示教軌跡逆序運行到膠片庫指定膠片正上方，取出膠片。再按示教軌跡運動至照相位，膠片庫門關閉。

（2）放片 當機械手爪內(nèi)抓有膠片盒時，手動給系統(tǒng)發(fā)送“放片”指令后，機械手爪將當前照相位置的膠片按示教軌跡反序運行，膠片庫門打開，按當前膠片的號碼放入片庫的相應位置后，膠片庫門關閉，機械手爪返回初始位。

（3）換片 當機械手爪處于照相位置時，手動給系統(tǒng)發(fā)送“換片”指令后，機械手爪將當前照相位置的膠片按示教軌跡反序運行，以當前膠片的號碼放入片庫，并將下一張膠片取出，按示教軌跡運行到照相位置，最后關閉膠片庫門。

4 系統(tǒng)射線檢測應用

以某型固體導彈發(fā)動機為例，說明該換片機器人在射線檢測方面的實際應用。

4.1 透照布置方式

固體發(fā)動機內(nèi)部質量缺陷主要有界面脫粘（分層）、裂紋、氣孔或夾雜等，脫粘（分層）一般采用切向照相方式檢測，其它缺陷一般采用徑向照相方式檢測。

4.1.1 切向照相方式

如圖4所示，切向照相方式是固體發(fā)動機射線照相檢測的一種透照布置方式，射線束與燃燒室或推進劑藥柱截面圓相切，主要用于檢測固體發(fā)動機界面脫粘或材料分層。采用適當工藝，當脫粘出現(xiàn)在切點位置時，能發(fā)現(xiàn)0.05mm寬的小脫粘缺陷。

圖4 切線照相方式

4.1.2 徑向照相方式

如圖5所示，徑向照相方式是將膠片放在燃燒室后面，利用射線從發(fā)動機軸線穿透進行成像的一種透照布置方式，主要用于推進劑的裂紋、氣孔或夾雜等缺陷的檢測。目前，高能X射線照相檢測技術可達到1%甚至更好的對比靈敏度。在這種靈敏度下很容易檢測出諸如氣孔、夾雜等缺陷。

圖5 徑向照相方式

5 結語

高能X射線照相自動換片系統(tǒng)的研制成功，改變了傳統(tǒng)的人工換片方法，縮短了射線照相過程中更換膠片的時間，降低了射線輻射風險，從而較大地提高了工作效率。

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