核燃料芯塊自動裝載系統的研制

廖賓， 付豪

（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓 644000）

0 引言

自動裝載系統廣泛運用于軍事[1]、礦山[2]及粉末冶金領域[3]，對于重復繁重的任務，自動裝載系統能極大節省人力資源，減輕工作人員的勞動強度，提高產品質量。目前自動裝載系統主要研究方向在于機械結構的開發及控制系統的開發上，采用基于ARM、拓展總線技術及PLC控制[4]的控制系統已具有良好的普適性，然而對于不同領域，其機械結構需要重新設計以滿足不同行業、不同產品的需求。

由于行業特殊性，目前還沒有一套自動裝載系統運用于核燃料芯塊[5-7]的生產中。在芯塊的生產過程中，壓制出的生坯在進入下一工序前要進行裝載。自動裝載是實現系統與整個生產線“無縫”連接的過程。在生產過程中，可對生產現場的工藝參數進行采集、監視和記錄，為提高產品的質量、降低成本提供信息和依據。目前芯塊生產均采用豎立燒結的方式，芯塊豎立在鉬隔板上，層與層之間用鉬隔板分開。芯塊橫置燒結[8]是在鉬舟底部放置一塊波紋形鉬板，芯塊橫放在波紋形鉬板上，然后上層芯塊直接累放在下層芯塊上，層與層之間沒有鉬隔板。由于芯塊橫置燒結在層與層之間沒有鉬隔板，在相同容積的條件下，可以提高芯塊的裝料量，有效地提高燒結爐的單產，緩解芯塊車間的生產壓力，因此必須研制一套自動裝載系統將壓機出來的芯塊橫置自動裝入鉬舟。

1 自動裝載系統的結構設計

1.1 輸送機構

輸送機構的主要作用是將從壓機內豎立出來的芯塊生坯放倒，輸送到準備轉移到鉬舟的位置。整個輸送機構主要由分離裝置、慢速輸送裝置、計數分離裝置等3部分組成，如圖1所示。

圖1 輸送機構的外形

1.1.1 分離裝置

分離裝置是將豎立出來的芯塊生坯放倒，并將芯塊相互分離的裝置。此外，還有一個廢料通道安裝在壓機的出口處，用于分離操作人員判廢的芯塊，這些廢塊會通過一個滑道進入廢料盒。

1）芯塊分離的設計。裝置的前端是一個U形槽與壓機的出料端銜接，槽的寬度大約12 mm，槽被修成倒角，槽底略低于壓機出口以便能夠順利地通過芯塊。分離裝置的動力來自慢速輸送裝置，驅動輪上安裝有雙膠帶，膠帶比U形槽槽底略低，雙膠帶的線速度大于芯塊倒下的理論線速度，通過這樣的設計可以使豎直芯塊在速度和高度的作用下100%地倒下。

膠帶的線速度設定為2倍的芯塊輸出速度[9]：

式中：V為膠帶的線速度；V1為壓機的工作速度，設最高為250 塊/min；L為芯塊生坯的長度，L=16 mm。

2)廢料通道。在調機的過程中必然會產生少量的廢生坯塊，為避免這些廢料進入鉬舟，在與壓機的銜接口設計了一個廢料通道。廢料通道由氣缸、滑塊、滑槽組成。由操作人員人工方式控制，氣缸帶動滑塊，這樣在芯塊的輸送道上形成一個空陷，芯塊直接落下從滑槽進入廢料盒，從而達到收集廢料的目的。

1.1.2 慢速輸送裝置

慢速輸送裝置如圖2所示，慢速輸送裝置的動力由一臺伺服電動機提供，主要結構是伺服電動機驅動的主動皮帶輪和帶有雙膠帶的V形槽，用于支撐和驅動芯塊。慢速輸送裝置的主要作用是芯塊在雙膠帶上形成首尾相接的排列，為芯塊進入前端的定量裝置做好準備，雙膠帶的線速度與前端分離裝置的膠帶速度一致。

圖2 芯塊慢速輸送裝置

1.1.3 計數分離裝置

本系統采取的是單排芯塊抓取轉運的技術，因此每一次抓取的芯塊的數量就非常重要，設計中采用的芯塊計數的技術并非常用的定長度，而是定塊數的方式。我們首先根據鉬舟的寬度確定每一次抓取的芯塊數量。

式中：S為每一行芯塊的數量；L為鉬舟內框的長度，L=264 mm；L1為鉬舟兩端空出的間隙，L1=10 mm；L2為芯塊生坯的長度，mm。

計數分離裝置包含夾料器、雙膠帶輸送快速輸送裝置、計數器等裝置。計數分離裝置的工作原理是利用雙膠帶輸送快速輸送裝置和前端慢速輸送裝置的速度差（速度相差1倍左右）將慢速輸送裝置上的芯塊之間拉開距離，通過安裝在前端的光纖傳感器進行計數計算通過的芯塊數量，當計數有15顆芯塊通過時，夾料器夾緊使前后輸送裝置斷開，15顆芯塊呈緊密排列進入抓取區準備等待被抓取，在抓取時快速輸送裝置的驅動伺服電動機停轉。后端的光纖傳感器作用是對芯塊數量進行復核，如果發現多出一顆芯塊就會在下一次計數中減少一顆。芯塊定位氣缸的作用是對芯塊進入的前一點進行定位，并且在吸走之前氣缸活塞會回位，避免芯塊側面受力。

圖3 芯塊計數分離裝置

夾料器的設計如圖4所示，它是利用連桿的杠桿作用原理，通過氣缸的上下移動帶動夾頭左右移動，從而起到夾緊作用。為避免夾緊時對芯塊生坯的損傷，夾頭采用了較軟的材料，在夾緊時有緩沖作用。

圖4 芯塊夾料器

1.2 芯塊吸盤裝置的設計

芯塊吸取的核心裝備是真空泵、真空吸盤、電磁閥和過濾器。真空吸盤選用瑞典PIAB公司產品，真空吸盤結構堅固，經久耐用，能保證對芯塊的穩定抓取，型號選擇是B8，吸力達到1.6 N，遠遠大于每一顆芯塊的質量7.4 g。真空泵采用德國貝克公司的產品，能夠提供強大的吸氣能力，使得吸取工件速度極快，保證較短工作周期。在真空發生器與吸盤之間裝電磁閥和過濾器，用于通斷真空和收集粉塵，一方面通斷真空以保證芯塊被可靠地釋放，另一方面降低粉末損失和防止粉末堵塞真空泵，延長設備使用壽命，提高設備可靠性。

真空吸盤安裝在一塊扁平裝置的頂部，另一側安裝在機器人的手臂上，扁平裝置的內部布有氣道，用于給吸盤提供真空。裝置的高度和寬度主要取決于鉬舟和芯塊的尺寸。吸盤裝置結構如圖5所示。機器人[10]選用在高速、高精度方面具有明顯優勢的G6系列機器人，G6是4軸機器人，型號為G6-553C，能滿足壓機250塊/min的生產速度。機器人的運行速度可以保證在0.36 s的時間內完成水平移動300 mm,垂直移動25 mm，它還適合在有粉塵環境下工作。

圖5 吸盤裝置結構

1.3 裝料平臺和轉運小車

轉運小車的主要作用是轉運空舟和裝滿芯塊的舟，每一輛小車上可以裝4個底板8個舟，呈一條直線分布。轉運小車的工作方式是：一輛滿載芯塊的鉬舟的小車裝入燒結爐回轉軌道，通過燒結爐連續出舟將滿舟送入軌道臺，同時將空舟送入小車，再將小車移出軌道臺。運轉小車從兩個方向與裝料平臺對接，通過鎖死機構將小車固定。由氣缸驅動空舟從運轉小車傳送到裝料平臺，裝滿芯塊后再傳送到另外一臺運轉小車。小車在裝好裝滿生坯塊的鉬舟后又運到燒結爐回轉軌道，將裝滿生坯塊的鉬舟轉入軌道臺。小車內采用無動力輥輪傳輸，與鉬舟接觸材料采用鍍鉻處理，提高耐磨性。

圖6 裝料平臺（左）和轉運小車（右）

1.4 自動裝載系統控制原理

自動裝載系統控制方式為PLC控制除裝載以外的所有電氣動作，如使用氣缸推動空舟框移動、打開真空泵、伺服電動機的啟停等，RC180控制器控制G6系列機器人完成裝載進程。兩部分互相配合，完成工作任務。

1）芯塊從成型壓機中生產出來后，經過坡道滑落后，從直立狀態變為橫置狀態，通過PLC控制的2臺伺服電動機帶動的傳送帶，傳送到V形槽上，當V形槽上的芯塊數量達到系統設定的數量后，PLC發出指令，使夾緊氣缸夾緊，伺服電動機停止，后續芯塊暫時不繼續進入V形槽，同時PLC輸出信號到RC180控制器的in1：plc_ready（生產線準備好），RC180準備執行裝載進程。

2）RC180檢測到in1為on后，開始裝載計數循環，計數循環使用變量T作為循環控制值，T從1開始至循環值結束。

3）在裝載循環中，RC180首先對當前T值進行比較，判斷當前是否正在執行裝第一舟第一層第一列，若是，則調用zhou_teaching_1函數，zhou_teaching_1函數的作用是：在新裝每一舟時，因為外圍電氣氣缸推進的原因，可能造成每一舟的定位位置有少許誤差，如不修正誤差，將造成機器人在裝載進程中碰撞舟框，損壞機器人或舟框，zhou_teaching_1 函數的作用就是對舟框的位置重新定位，將實測坐標值與保存在RC180控制器中的坐標值進行修正，保證裝載進程的順利安全。

4）機器人跳轉到P0點（RC180控制器保存的坐標文件中的一個坐標點，現將P0點設置為芯塊V形槽上方10 mm處），檢測到in1為on后，RC180打開Out:8：suction（真空吸料），真空發生器開啟。

5）機器人在P0點下移10 mm，停住0.2 s，吸取芯塊。

6）RC180對當前T值檢測，判斷當前正在吸取的芯塊是否屬于第一舟（或第二舟），若是，則調用Point_data_1函數，以此確定芯塊P(T)坐標點，準確將芯塊放置到所需要的位置。

7）RC180將芯塊放置到舟框內之后，機器人跳轉回P0點。

8）變量T值加1，繼續進行下一列的裝載。

9）當需要的裝載列數完成后，RC180打開Out2：complete（裝載完成信號），PLC控制外圍電氣執行更替空舟框的過程，直到舟框就位后，啟動新的一輪自動裝載進程。

2 系統穩定性驗證

為驗證該系統運用于實際生產中的穩定性，將該系統投放于大規模生產中，并對其生產穩定性進行驗證。

從表1看出，芯塊幾何尺寸穩定、波動性、滿足要求,說明自動裝載系統不會對芯塊幾何尺寸造成影響。

表1 芯塊幾何尺寸

系統投入前后芯塊成品率如表2所示，各試驗條件下磨削成品率均能達到85%以上，且投入前后芯塊外觀良好，成品率無明顯變化，缺陷類型也無明顯變化，這說明核燃料芯塊自動裝載系統研制成功。

表2 外觀及成品率

3 結語

1）自動裝載系統采用雙膠帶實施芯塊倒下的裝置，本文對此裝置進行了詳細的方案論證，真空吸取控制系統在滿足功能的前提下，選用可靠、耐用、優質的吸盤，所設計的固定裝置可靠、耐用。芯塊計數排行選用可靠的光電計數器可實現準確計數，分離裝置穩定、可靠。

2）芯塊橫置燒結所產燒結塊外觀良好，燒結塊直徑均滿足磨削需要且無明顯大小頭；磨削塊外觀良好，磨削塊幾何尺寸均滿足要求，與堆垛豎置燒結芯塊幾何尺寸比較沒有顯著變化；磨削成品率均在87%以上。

3）該套系統在生產過程中運行正常、穩定，裝載效果良好，使用該系統能夠提高勞動效率，降低因人工操作不慎而損壞芯塊的概率，提高芯塊產品質量，提升核燃料生產線的技術裝備水平和自動化程度，減少環境污染和勞動強度，滿足現代工業化生產及現場輻射衛生要求。