CN104103327A - 一种反应堆用样品抓具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反应堆用样品抓具，该装置由取放装置、快速解体机构，取放装置支架、定位机构、控制系统组成。取放装置包含支撑、锁紧机构，其支撑部分包括用于为定位机构提供安装位置，驱动锁紧机构完成位置调整和作业。定位机构用于为样品取放过程提供位置信息。快速解体机构用于在设备使用过程中如果发生故障，可由快速解体机构将设备解体，终止当前操作内容，避免设备无法退出工作状态导致使被操作实验样品长时间暴露且无法回到初始状态的问题出现。取放装置支架3用于为取放装置提供支撑，并可为取放装置提供整体上下移动的自由度。本发明实现了对反应堆实验样品的可靠抓取，具有结构可靠、定位效率高、远程操作方便的特点。

Description

一种反应堆用样品抓具

技术领域

本发明涉及一种反应堆用样品抓具。 

背景技术

反应堆辐照实验常使用滤束装置，实验样品放置于滤束装置内。由于辐照实验后，实验样品及滤束装置均带有很强放射性，人员直接近距离操作会造成辐射伤害，需要加工专用遥控取放设备以实现实验样品的远程取放操作。 

为保证实验精度，实验过程中需要以某种方式将样品固定于滤束装置内某确定位置，因此要求取样过程严格定位，并根据定位结果调整取样设备姿态以及驱动设备完成动作。 

样品取放过程均由滤束装置上部进行，用以固定实验样品的样品支架与滤束装置内部间隙很小，必须将其竖直提升出滤束装置后才可以进行横移等操作。 

滤束装置的位置不固定，因此取放设备工作时需要适应现场情况，以实际情况调整设备姿态，取放设备需要能够远程观察并进行必要的姿态调整。 

对于长行程竖直向上运行机构，易出现准直度随着运行距离的增加发生变化，且取样机构进入滤束装置内部时，由于装置遮挡已无法观察，需要解决长行程严格对正的问题必须在某位置进行姿态确认及调整，然后进行最后动作，由定位装置配合机构自动完成。 

需要为其设计可用的精确定位装置，该装置要求便于人员通过监视器进行远程可靠控制，在因为结构件遮挡无法观察的区域由定位装置给出位置信息，实现设备末端自主作业。 

在放射性环境下进行样品取放作业时，若取放设备出现故障，有可能导致放射性物质长时间暴露，人员现场长时间抢修势必会对工作人员造成多度辐射伤害，因此应尽可能回避辐射环境下进行现场抢修。解决的办法之一是设计可以快速拆解的取放设备，设备经快速拆解使实验设备复位，现场环境恢复到安全状态。 

由于现场为放射性环境，若电子设备长时间暴露在放射环境下势必会缩短设备寿命，影响设备可靠性。为此，需要对电子设备进行保护。 

发明内容

本发明的目的是为反应堆实验样品取放提供高可靠性的取放设备，为实验样品取放动作提供必须自由度，保证样品取放过程能够精确、高效、可靠完成。设备在作业时发生故障可以快速拆解，恢复实验环境。设计可靠的控制系统，使其可靠性能满足当前环境下设备控制的要求。 

本发明的具体技术方案如下： 

一种反应堆用样品抓具，其特殊之处在于：包括取放装置、快速解体机构、取放装置支架、控制系统； 

所述取放装置包括支撑部分、安全锁紧机构、定位机构； 

所述支撑部分包括水平平移机构、提升机构、水平旋转机构； 

所述水平平移机构包括外框34、两个水平滑轨30、水平丝杠29、减速电机35、平移平台33和限位开关26；所述减速电机35固定在外框34上，所述水平丝杠29由减速电机35驱动；所述两个水平滑轨30固定在外框34内；所述平移平台33设置在水平滑轨上并在水平丝杠29驱动下沿水平滑轨30往返运动；所述限位开关26分别设置在外框34的内部两侧用于敏感平移平台33的位置； 

所述水平旋转机构包括减速电机25、驱动齿轮18、从动齿轮19、挡片37；所述平移平台33上设置有平台通孔，所述挡片37和从动齿轮19分别位于平台通孔的上下两侧且固连在一起构成旋转平台，所述旋转平台可绕平台通孔的中心轴自转；所述减速电机25固定在平移平台33上并依次通过驱动齿轮18、从动齿轮19驱动旋转平台转动； 

所述提升机构包括线性步进电机32、立式丝杠27、两个立式滑轨28；所述线性步进电机32固定在旋转平台的挡片37上，其驱动立式丝杠27穿过旋转平台的中心螺纹孔；所述旋转平台上设置有两个上下贯通的线性轴承，所述两个立式滑轨28分别穿过两个线性轴承；所述安全锁紧机构包括安装平台21、左右两个安全锁紧单元；所述安全锁紧单元包括减速电机41、圆盘22、推杆20、弹簧23、两个连接杆42、两个插销40、限位开关24；所述两个插销40平伸出安装平台21，并可在连接杆42的驱动下收缩；所述弹簧23的一端固定在圆盘的推杆上，其另一端固定在连接杆上；所述减速电机41固定在安装平台21上，所述减速电机依 次驱动圆盘22的推杆20转动、弹簧23伸缩、连接杆42和插销40伸缩；所述限位开关24设置于安装平台21下端面靠近锁紧机构边缘处，由连接杆碰触动作，用于对安全锁紧机构进行限位，给出锁紧执行到位信号； 

所述立式丝杠27的下端部活动连接在安装平台21上，所述两个立式滑轨28的下端部固定连接在安装平台21上； 

所述定位机构包括激光发射器38、反射式光电开关36、机械式行程开关39、变焦摄像头31；所述机械式行程开关39设置在安装平台21上且向外伸出，用于限制安装平台21向下移动，移动到位时该行程开关与实验装置边沿碰触送出到位信号；所述激光发射器38用于投射向下光线，使操作人员根据光线判断安装平台21与实验装置的相对位置；所述反射式光电开关36用于判断安装平台21上端面与实验装置上端面相对距离是否达到要求，达到要求则锁定；所述变焦摄像头31用于监控安全锁紧机构的动作； 

所述取放装置支架包括抓具悬挂机构9、抓具检修悬挂机构10、第一支架臂8、拉杆7、前拉杆连接器6、后拉杆连接器11、电动纵向推杆12、两个平行的第二上支架臂13、两个平行的第二下支架臂5，第三支架臂14、滑块15、电动水平推杆16、底座17； 

所述底座17由两根滑轨构成； 

所述抓具悬挂机构9为“U”型结构，其“U”型后端中心位置与前拉杆连接器6刚性连接，其“U”型前端开口的两个上表面开槽，所述取放装置1的外框34伸出部分可从开槽上部嵌入槽中以使取放装置1自然下垂； 

所述抓具检修悬挂机构10为“U”型结构，其后端与第一支架臂8刚性连接，且连接支点不在其后端中心位置； 

所述后拉杆连接器11包括上通轴和前通轴及后通轴；所述上通轴、前轴及后通轴构成倒置丁字形结构； 

所述第一支架臂8前端与前拉杆连接器6的下通轴连接，其中部与纵向推杆12的伸出杆铰接，其后端与后拉杆连接器11的前通轴连接；所述纵向推杆12的筒部与第三支架臂14的前端铰接； 

所述拉杆7前端与前拉杆连接器6的上通轴连接，其后端与后拉杆连接器11 的上通轴连接； 

所述第一支架臂8、拉杆7、前拉杆连接器6、后拉杆连接器11构成平行四连杆机构； 

所述第二上支架臂13上端与后拉杆连接器11的下通轴连接，其中部与第三支架臂14中部以通轴连接，其下端与底座17以通轴连接； 

所述第二下支架臂上端与后拉杆连接器11的后通轴连接，其下端与底座17以通轴连接； 

所述第二上支架臂13、后拉杆连接器11、第二下支架臂、底座17构成平行四连杆机构； 

所述水平推杆的筒部与底座17连接，其伸出杆与滑块15连接，所述滑块15可在底座17的滑轨上滑动，所述第三支架臂14的下端与滑块15铰接； 

所述水平推杆16与纵向推杆12同步运行。 

本发明具有以下的有益效果： 

1、本发明为多自由度样品取放抓具，以双层结构、长行程丝杠导轨结构实现实验样品的取放，结构简单，成本低，性能可靠，结构灵活，可用于类似性质工作。 

2、本发明以确定位置进行位置标定以及设备行程末端自适应的方法解决了设备长行程运行过程中因形变导致末端位置随着运行产生其他方向位移的问题，实现了位移的补偿。 

3、本发明可以快速拆解，达到快速解体，使实验设备恢复到安全状态的功能。 

4、本发明控制系统可靠，双路的信息采集与保护措施可确保状态信息的可靠采集以及保护动作的可靠实现。本发明采用可靠的位置探测手段，探测设备简单，维护简便。 

附图说明

图1是本发明抓具示意图； 

图2和3是本发明取放装置示意图； 

图4是控制电路示意图。 

具体实施方式

如图所示，该装置由取放装置1、快速解体机构4、取放装置支架3、控制系统、定位机构组成2。取放装置1包括支撑、锁紧机构，支撑部分由水平平移机构、提升机构、水平旋转机构组成。定位机构2包括激光发射器38、反射式光电开关36、机械式行程开关39、变焦摄像头31。 

水平平移机构用于横移安全锁紧机构，进行水平方向位置调整。提升机构用于竖直方向移动安全锁紧机构，使安全锁紧机构就位进行动作或将定位机构2送到位，获取位置信号并依此对安全锁紧机构进行调姿。水平旋转机构用于驱动安全锁紧机构进行水平转动，使安全锁紧机构与实验样品对正。定位机构用于获取设备位置信息，将其反馈给操作人员进行控制。 

水平平移机构由外框34、滑轨30、丝杠29、减速电机35、平台33、限位开关组成，外框34与滑轨30刚性连接，外框34为铝合金材质，滑轨30为两根实心不锈钢钢棒，丝杠29与减速电机35轴刚性连接，丝杠29与电机35配合实现平台33沿滑轨30左右移动。外框34内部左侧及右侧分别设置限位开关26，均由平台33两侧挤压触发。 

水平旋转机构由从动齿轮19，驱动齿轮18、减速电机25、挡片37组成。从动齿轮19一面掏空，以其圆心为中心对称位置开四个通孔，两个用于与挡片37以螺丝固定，另外两个用于使提升机构所用滑轨28通过。水平平移机构平台33上安装驱动齿轮18及减速电机25，中心开孔，从两面安装从动齿轮18及挡片33。挡片33为铝合金材质，挡片33上开盲孔、攻丝，用于固定线性步进电机32，中心开通孔与从动齿轮19及线性步进电机32轴向通孔对应，用于丝杠27通过，开通孔并安装线性轴承用于固定提升机构滑轨28。 

提升机构由线性步进电机32、丝杠27、滑轨28、限位开关组成。丝杠27穿过步进电机32与滑轨28平行布置，滑轨28穿过挡片33上的线性轴承，上端与丝杠同高并固定，下端固定于安全锁紧机构上端面。线性步进电机32上端面固定限位开关，限位开关由上部挤压触发。 

安全锁紧机构由减速电机41、圆盘22、推杆20、连接杆42、插销40、安装平台21、限位开关组成。安装平台21上部开盲孔、攻丝，用以固定减速电机41、限位开关，竖直方向开通孔用以使减速电机41轴通过。圆盘22由安装平台21下 部经通孔与减速电机41连接，圆盘22上开通孔、攻丝，用于与推杆20连接。推杆20经弹簧机构23与连接杆42柔性连接，与插销40刚性连接。安装平台21底端水平方向开通孔，安装线性轴承，插销40经由线性轴承实现动作。安装平台21下部设置限位开关，由连接杆42挤压实现触发。 

安全锁紧机构推杆20上的弹簧机构23与连杆42柔性连接，可在锁紧状态下手动压迫连杆42实现插销离开锁紧位置，在无法通过电机驱动解锁的情况下由人工手动完成解锁。 

取放装置支架3由抓具悬挂机构9、抓具检修悬挂机构10、支架臂、拉杆、前拉杆连接器6、后拉杆连接器11、电动推杆、滑块15、底座17组成。抓具悬挂机构9前部为“U”型，铝合金材质，由方料切割并拼接构成，其后端与前拉杆连接器6刚性连接。与取放装置1连接部分纵向开槽，取放装置1外框34伸出部分可从上部嵌入槽中，自然下垂，如此可自动补偿运行过程中设备垂直方向的偏差，同时具备快速使取放装置1与其支架3分离的能力，达到快速分解的目的。抓具检修悬挂机构10基本结构与抓具悬挂机构9一致，其后端与第一支架臂8刚性连接，且连接支点不在其后端中心位置。支架臂均为铝合金方料，相互间以不锈钢通轴连接。第一支架臂前端与前拉杆连接器9连接，中间通过电动推杆12与第三支架臂14连接，后端与第二支架臂13连接，其连接用通轴亦与后拉杆连接器10连接，第二支架臂13与第三支架臂14中部以通轴连接第二上支架臂13下端与底座17以不锈钢通轴连接，该轴亦与水平推杆16连接。第三支架臂14上端与纵向电动推杆12连接，下端与滑块15连接，滑块15亦与水平推杆16另一端连接，由水平推杆16推动。底座17由两根滑轨构成，滑轨由铝合金方料开槽形成。水平推杆16与纵向推杆12同步运行实现抓具上端面的上下运动。拉杆用于连接各拉杆连接器和滑块15，通过调整长短可对支架姿态进行调整。 

快速解体机构主要涉及3个部位，包括安全锁紧机构推杆20、抓具悬挂机构9、抓具检修悬挂机构10。安全锁紧机构推杆20外套有压力弹簧23，弹簧23压迫连杆42，正常情况下连杆42被压迫至推杆20末端，若在安全锁紧情况下需要释放样品，只需手工压迫两个连杆，即可将插销40复位，实现快速释放实验样品的功能。抓具悬挂机构9为“U”形，两边中部开槽，取放装置1外框嵌入其中， 除实现取样抓具可依重力自然下垂以外，使抓具具备了一定自适应能力，样品部放位置不正、取放装置位置不正以及取样过程中出现的设备横向位移均可以在一定程度上实现自适应，无需人为干预。若作业过程中出现电气系统失效等紧急情况，必须释放实验样品使实验设备复位，则可以通过压迫安全锁紧机构连杆42使抓具解锁，同时垂直向上将取样机构1自抓具悬挂机构9提出，悬挂至抓具检修悬挂机构10，此时取放装置经解体已不会对实验样品的其他操作构成影响，实验系统可复位至安全状态。 

控制系统主要由遥控器、接收机、控制器、驱动电路、限位开关、视频传送及接收设备、监视器、配电设备组成。限位开关及定位机构向控制器及驱动电路同步送出位置信息，控制器采集相关信息，若到达预定位置或采集到限位信号，则触发相关动作。驱动电路接收控制器送出的动作指令，结合限位开关及定位机构采集到的相关位置信息执行驱动及保护动作。遥控器向接收机发出动作指令、接收机向控制器送出动作指令，指令经处理后，满足条件则由驱动电路驱动设备实现。视频传送设备用于以无线的方式将定位机构采集到的现场视频数据传出，接收设备负责接收视频数据并将其最终显示到监视器上，操作人员根据视频信息使用遥控器实现设备控制。控制系统朝向作业方向设置铅屏蔽层，用于遮挡射线，保护电子设备。配电设备为48VDC供电，经DC/DC转换为24V及12V。 

下面给出本发明的具体实施例： 

线性步进电机为57步进电机，丝杠总长600mm，最大作业行程为450mm，提升力为30Kg，丝杠直径10mm，提升用导轨总长600mm，导轨直径100mm，横移行程为左右各100mm，横移用导轨总长400mm，直径10mm，安全锁紧机构旋转角度为左右各180°，插销行程为30mm，水平平移机构外框为400×300×40mm。支架臂1长为2000mm，支架臂2长1000mm，支架臂3长为900mm，纵向推杆行程250mm，推力75Kg，水平推杆行程400mm，推力50Kg铅屏蔽层5mm，视频传输设备功率1.5W，频率2.4G，传输距离500m，遥控器有效距离300m，控制系统供电48VDC，转换电压及最大电流负荷24VDC/30A及12VDC/16A。本发明已经成功用于反应堆实验样品取放作业。 

作业过程中，该设备前端抓取机构伸入实验装置，暴露于辐射环境下，若此时 设备发生故障，将使得当前工作无法进行，同时，实验装置因为该设备的存在无法回收，必须将设备快速解体，使得该设备前端与实验装置干涉部分能够拆除并离开实验装置，尽可能减少工作人员在拆解过程中暴露于辐射环境的时间。 

快速解体机构的意义就在于快速拆解，故障状态下快速脱离实验装置，减少拆解过程工作人员所受照射。 

Claims (1)

1.一种反应堆用样品抓具，其特征在于：包括取放装置、快速解体机构、取放装置支架、控制系统；

所述取放装置包括支撑部分、安全锁紧机构、定位机构；

所述支撑部分包括水平平移机构、提升机构、水平旋转机构；

所述水平平移机构包括外框(34)、两个水平滑轨(30)、水平丝杠(29)、减速电机(35)、平移平台(33)和限位开关(26)；所述减速电机(35)固定在外框(34)上，所述水平丝杠(29)由减速电机(35)驱动；所述两个水平滑轨(30)固定在外框(34)内；所述平移平台(33)设置在水平滑轨上并在水平丝杠(29)驱动下沿水平滑轨(30)往返运动；所述限位开关(26)分别设置在外框(34)的内部两侧用于敏感平移平台(33)的位置；

所述水平旋转机构包括减速电机(25)、驱动齿轮(18)、从动齿轮(19)、挡片(37)；所述平移平台(33)上设置有平台通孔，所述挡片(37)和从动齿轮(19)分别位于平台通孔的上下两侧且固连在一起构成旋转平台，所述旋转平台可绕平台通孔的中心轴自转；所述减速电机(25)固定在平移平台(33)上并依次通过驱动齿轮(18)、从动齿轮(19)驱动旋转平台转动；

所述提升机构包括线性步进电机(32)、立式丝杠(27)、两个立式滑轨(28)；所述线性步进电机(32)固定在旋转平台的挡片(37)上，其驱动立式丝杠(27)穿过旋转平台的中心螺纹孔；所述旋转平台上设置有两个上下贯通的线性轴承，所述两个立式滑轨(28)分别穿过两个线性轴承；所述安全锁紧机构包括安装平台(21)、左右两个安全锁紧单元；所述安全锁紧单元包括减速电机(41)、圆盘(22)、推杆(20)、弹簧(23)、两个连接杆(42)、两个插销(40)、限位开关(24)；所述两个插销(40)平伸出安装平台(21)，并可在连接杆(42)的驱动下收缩；所述弹簧(23)的一端固定在圆盘的推杆上，其另一端固定在连接杆上；所述减速电机(41)固定在安装平台(21)上，所述减速电机依次驱动圆盘(22)的推杆(20)转动、弹簧(23)伸缩、连接杆(42)和插销(40)伸缩；所述限位开关(24)设置于安装平台(21)下端面靠近锁紧机构边缘处，由连接杆碰触动作，用于对安全锁紧机构进行限位，给出锁紧执行到位信号；

所述立式丝杠(27)的下端部活动连接在安装平台(21)上，所述两个立式滑轨(28)的下端部固定连接在安装平台(21)上；

所述定位机构包括激光发射器(38)、反射式光电开关(36)、机械式行程开关(39)、变焦摄像头(31)；所述机械式行程开关(39)设置在安装平台(21)上且向外伸出，用于限制安装平台(21)向下移动，移动到位时该行程开关与实验装置边沿碰触送出到位信号；所述激光发射器(38)用于投射向下光线，使操作人员根据光线判断安装平台(21)与实验装置的相对位置；所述反射式光电开关(36)用于判断安装平台(21)上端面与实验装置上端面相对距离是否达到要求，达到要求则锁定；所述变焦摄像头(31)用于监控安全锁紧机构的动作；

所述取放装置支架包括抓具悬挂机构(9)、抓具检修悬挂机构(10)、第一支架臂(8)、拉杆(7)、前拉杆连接器(6)、后拉杆连接器(11)、电动纵向推杆(12)、两个平行的第二上支架臂(13)、两个平行的第二下支架臂(5)，第三支架臂(14)、滑块(15)、电动水平推杆(16)、底座(17)；

所述底座(17)由两根滑轨构成；

所述抓具悬挂机构(9)为“U”型结构，其“U”型后端中心位置与前拉杆连接器(6)刚性连接，其“U”型前端开口的两个上表面开槽，所述取放装置(1)的外框(34)伸出部分可从开槽上部嵌入槽中以使取放装置(1)自然下垂；

所述抓具检修悬挂机构(10)为“U”型结构，其后端与第一支架臂(8)刚性连接，且连接支点不在其后端中心位置；

所述后拉杆连接器(11)包括上通轴和前通轴及后通轴；所述上通轴、前轴及后通轴构成倒置丁字形结构；

所述第一支架臂(8)前端与前拉杆连接器(6)的下通轴连接，其中部与纵向推杆(12)的伸出杆铰接，其后端与后拉杆连接器(11)的前通轴连接；所述纵向推杆(12)的筒部与第三支架臂(14)的前端铰接；

所述拉杆(7)前端与前拉杆连接器(6)的上通轴连接，其后端与后拉杆连接器(11)的上通轴连接；

所述第一支架臂(8)、拉杆(7)、前拉杆连接器(6)、后拉杆连接器(11)构成平行四连杆机构；

所述第二上支架臂(13)上端与后拉杆连接器(11)的下通轴连接，其中部与第三支架臂(14)中部以通轴连接，其下端与底座(17)以通轴连接；

所述第二下支架臂上端与后拉杆连接器(11)的后通轴连接，其下端与底座(17)以通轴连接；

所述第二上支架臂(13)、后拉杆连接器(11)、第二下支架臂、底座(17)构成平行四连杆机构；

所述水平推杆的筒部与底座(17)连接，其伸出杆与滑块(15)连接，所述滑块(15)可在底座(17)的滑轨上滑动，所述第三支架臂(14)的下端与滑块(15)铰接；

所述水平推杆(16)与纵向推杆(12)同步运行。