（信号与信息处理专业论文）放射性废物桶sgs无损检测自动控制系统研究.pdf

摘要 放射性废物桶s g s 无损检测自动控制系统研究 作者简介：冯怀升，男，1 9 8 5 年1 1 月生，师从成都理工大学庹先国教授， 2 0 11 年6 月毕业于成都理工大学信号与信息处理专业，获得工学硕士学位。 摘要 随着我国核工业的发展，核设施在生产过程中不断积存大量可回收的桶( 或 箱) 装核废物。在对这些核废物进行衡算管理时，要求对桶( 或箱) 内各个关键 点进行实测核查，弄清核废物的核素成份、含量、及在桶( 或箱) 内的分布规律。 由于这些放射性废物大多分布不均匀，若采用取样方式的破坏性分析方法，既耗 费时间，也没有代表性，因此采用非破坏性分析方法对样品进行整体测量是较为 理想的分析技术。 分段y 扫描( s e g m e n t e dg a m m as c a n n e r ，$ 6 s ) 技术是非破坏性分析方法之 一，它可用于分析桶( 或箱) 内中、低密度非均匀分布的核废物。在分析过程中， 它主要依赖于可靠的s 6 s 控制与测量装置，将核废物桶( 或箱) 分为多层进行测 量，并分别计算各层的探测效率和自吸收校正因子，在对核废物桶( 或箱) 逐层 进行扫描后，计算每层的核素，同时求和得到整个被测桶( 或箱) 的核素总量。 这种分析方法既克服了化学破坏分析法取样难的问题，又降低了分析费用和周 期。 由于放射性废物桶( 或箱) 一般体积大、重量大，因此，为保证系统的安全 性、高效性以及测量的稳定性，在采用s g s 分析方法时，必须建立一套完整的机 械控制装置与控制软件来实现对系统的精确控制。本论文在国内外相关研究的基 础上，针对伺服控制系统和控制软件展丌研究。根据前期调研，以放射性废物桶 $ 6 s 无损测量平台为研究对象，结合伺服系统原理、伺服驱动控制技术、通信技 术和计算机技术，研发了一套安全可靠、科学高效的放射性废物桶s g s 无损测量 自动控制软件系统。该系统通过r s 2 3 2 转r s 4 8 5 总线接口以命令转发的方式对相 应的伺服控制器发送指令控制相应伺服电机来完成特定的工作。本论文所作的工 作和取得的成果如下： ( 1 ) 根据s g s 理论，设计系统自动测量流程，即先借助叉车或其它机械将 废物桶放置于旋转平台上( 此时平台处于初始位置) ，然后通过水平传动装置将 废物桶送至“测量中心位置”，此时可校正准直装置，再打开同步升降装置和源 屏蔽装置进行分层扫描，单层扫描时可以利用旋转平台旋转扫描。测量完成后， 再将所有装置复位到初始位置，卸下废物桶准备下一次测量。 成都理i ：人学硕十学位论文 ( 2 ) 针对水平工作台、旋转工作台、屏蔽工作台、同步升降工作台和同步 准直工作台的运行方式，实现了微调、到位、自动和非安全操作等模式，满足了 实际测量的功能需求，具有一定的实用性。 ( 3 ) 在研究伺服系统控制原理的基础上设计完善伺服系统，并提出了在线 控制方案，研究了系统的安全控制机制和通信机制。在安全控制中结合了硬件限 位和软件限位双重检测，具有一定的创新。 ( 4 ) 研究了伺服驱动器控制机能，在此基础上设计并实现了伺服控制接口， 以动态链接库的形式供应用程序调用。 ( 5 ) 基于n e tf r a m e w o r k 平台采用c # 语言设计了系统的功能模块，包括操 作模式、传动控制、安全机制与参数设置等，同时实现了动态控制界面。 ( 6 ) 通过对系统的接口测试、功能测试和性能测试，确保了控制软件正确 实现机械运动的精确控制、系统的逻辑控制、时序控制、扫描工作流程的顺序控 制和系统各部分协调等功能。 总之，放射性废物桶s g s 无损测量自动控制系统的建立，是准确有效地进行 放射性废物桶s g s 无损测量的前提，通过本论文的研究，对我国分段y 扫描无损 测量平台和控制软件的发展具有一定的研究意义和示范作用。 关键词：非破坏性分析分段y 扫描( s g s )伺服系统伺服控制器伺服电 机 a b s t r a c t r e s e a r c ho fb a r r e l e dr a d w a s t ea u t o m a t i o ns y s t e mb a s e do n s g sn o n d e s t r u c t i v ea n a l y s i s i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：f e n g h u a i s h e n g ，m a l e ，w a sb o r ni nn o v e m b e r , 19 8 5 w h o s et u t o rw a sp r o f e s s o rt u o x i a n g u o h eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yi ns i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gm a j o ra n dw a sg r a n t e dt h em a s t e r d e g r e ei nj u n e 2 0 1 1 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n an u c l e a ri n d u s t r y ，t h e r ea r em o r ea n dm o r el a r g e r e c y c l a b l eb a r r e l s ( o rb o x e s ) c r e a t e dd u r i n gt h ep r o d u c t i o no fn u c l e a rf a c i l i t i e s w h e n t r y i n gt of i g u r eu pt h ea c c o u n to ft h i sn u c l e a rw a s t e ，i ti sr e q u i r e dt oc h e c ks o m ek e y f i g u r e so ft h eb a r r e l ( o rb o x e s ) ，a n dt h e nf i g u r eo u tt h en u c l i d ec o m p o s i t i o n ， p e r c e n t a g e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nr u l ei nt h eb a r r e l s ( o rb o x e s ) a sa l lt h en u c l e a rw a s t e i su n e v e n ，i fw eu s ed e s t r u c t i v ea n a l y s i sw h i c hi sb a s e do ns a m p l i n g ，i tw i l lb ev e r y t i m ec o n s u m i n ga n dn o tt y p i c a l h e n c e ，u s i n gn o n - d e s t r u c t i v e a n a l y s i sm e t h o d o l o g yt o d oao v e r a l lm e a s u r e m e n ti sab e t t e rs o l u t i o n s g s ( s e g m e n t e dg a m m as c a n n e r ) t e c h n o l o g yi so n eo ft h ed e s t r u c t i v ea n a l y s i s m e t h o d s ，i t c a l lb eu s e dt o a n a l y z et h e n u c l e a rw a s t ew h i c hi s n o n u n i f o r m d i s t r i b u t i o ni nt h eb a r r e l s ( o rb o x e s ) i nt h ea n a l y t i c a lp r o c e s s ，i tm a i n l yd e p e n d so n r e l i a b l es g sc o n t r o la n dm e a s u r i n gd e v i c e s t h en u c l e a rw a s t e sb a r r e l ( o rb o x ) a r e d i v i d e di n t o m u l t i l a y e r sb e f o r et h em e a s u r i n g ，a n dc a l c u l a t i n gt h ed e t e c t i o n e f f i c i e n c ya n da b s o r p t i o nc a l i b r a t i o nf a c t o ro fe a c hl a y e r a f t e rs c a n n i n ge a c hl a y e ro f t h en u c l e a rw a s t e sb a r r e l ( o rb o x e s ) ，t h en u c l i d eo fe v e r y l a y e ri sc a l c u l a t e d ， m e a n w h i l et h et o t a ln u c l i d eo ft h eb a r r e l s ( o rb o x ) i sm e a s u r e d t h i sa n a l y s i sm e t h o d n o to n l yo v e r c o m e st h ed i f f i c u l tc a u s e db yt h ec h e m i c a ld a m a g ea n a l y s i ss a m p l i n g b u ta l s or e d u c e st h ea n a l y s i se x p e n s e sa n dc y c l e d u et ot h eb i gv o l u m e ，h e a v yw e i g h to ft h er a d i o a c t i v ew a s t e s b a r r e l s ( o rb o x e s ) ， t h e r e f o r e ，t oe n s u r et h es e c u r i t y ，t h eh i g he f f i c i e n c yo ft h es y s t e ma sw e l la st h e s t a b i l i t yo fm e a s u r e m e n t ，w h e nw eu s et h es g sa n a l y s i sm e t h o d ，i ti sn e c e s s a r yt o e s t a b l i s ha c o m p l e t es e to fm e c h a n i c a lc o n t r o ld e v i c e sa n dc o n t r o ls o f t w a r et or e a l i z e t h ep r e c i s ec o n t r o lo fs y s t e m b a s i n go nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e l e v a n tr e s e a r c h ， t h i sp a p e rs t u d i e st h es a v oc o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o ls o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h e i n v e s t i g a t i o n ，t h ep a p e rt a k e st h er a d i o a c t i v ew a s t e sb a r r e ls g sn o n d e s t r u c t i v e i 成都理i ：人学硕十学位论文 一一 m e a s u n n gp l a t f o r ma st h er e s e a r c ho b j e c t ，c o m b i n e sw i t hs e r v os y s t e mp r i n c i p l e ， s e r v od r i v ec o n t r o l t e c h n o l o g y , t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e r t e c h n o l o g y ，d e v e l o p sas e to fs a f ea n dr e l i a b l e ，s c i e n t i f i ca n de 硒c i e n tr a d i o a c t i v e w a s t e sb a r r e ls g sn o n d e s t r u c t i v em e a s u r e m e n ta u t o m a t i cc o n t r o ls o f t w a r e s y s t e m t h es y s t e ms e n d sc o m m a n d st ot h ec o r r e s p o n d i n gs e r v oc o n t r o l l e r t h r o u g hr s 2 3 2 i n t e r f a c er s 4 8 5b u st ot u mt h ew a yf o r w a r d t oc o n t r o lc o r r e s p o n d i n gs e r v om o t o rt o a c c o m p l i s hap a r t i c u l a rw o r k t h i st h e s i sw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o i l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt os g st h e o r y ，a u t o m a t i cm e a s u r i n gt e c h n o l o g i c a l p r o c e s si s e s t a b l i s h e d b yu t i l i z i n gf o r k l i t lo ro t h e rm a c h i n et op l a c et h ew a s t e sb a r r e lt om e r o t a r ys t a g ew h e nt h es t a g ei sa tt h ei n i t i a lp o s i t i o n t h e nt r a n s p o r tt h ew a s t eb a r r e lt o t h ec e n t e ro fm e s s 。u n dk o n t r o l l p l a t t et h r o wh o r i z o n t a lt r a n s m i s s i o n d e v i c ef t h e a l i g n m e n td e v i c ec a nb ec a l i b r a t e d n o w ) s t i l l ，l a y e r e ds c a n n i n gi sr e a l i z e db v o p e n i n gs y n c h r o l i f t i n gl i f t i n gd e v i c ea n ds o u r c es h i e l d i n gd e v i c e w h i l e s i n g l es l i c e m o d ei sr e a l i z e d b yr o t a r ys t a g e sr o t a t i n gs c a n n i n g w h e nm e a s u r e m e n tw o r k f i n i s h e d ，r e s e ta l lo ft h ed e v i c e sa n du n l o a dw a s t e sb a r r e lf o rf u r t h e rm e a s u r 锄e n t ( 2 ) o na c c o u n to ft h em e t h o do fo p e r a t i o no fl e v e lw o r k b e n c h ，s h i e l d i n g w o r k b e n c h ，s y n c h r o n i z e dh o i s t a b l ep l a t f o r ma n ds y n c h r o n i z e da l i g n m e n tw o r k b e n c h ， t h eo p e r a t i o nm o d eo ff i n ea d j u s t m e n t ，r e s e t ，a u t o m a t i ca n du n s a f eo p e r a t i o nw 雒 r e a l i z e d ，w h i c he x a c t l ym e e t st h er e q u i r e m e n to fm e a s u r e m e n tf u n c t i o na n di so f p r a c t i c a lu s e ( 3 ) o nt h eb a s i so fs a v os y s t e md o m i n a t i o np r i n c i p l e ，t h es e r v os y s t e mi s s u c c e s s f u l l yd e s i g n e da n dp e r f e c t e d a l s o ，o n 1 i n ec o n t r o ls c h e m ei si f u l o v a t i v e l yp u t f o r w a r d t h u s ，s y s t e m a t i cs a f e t yc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nm e c h 锄i s ms t u d vc a nb e s m o o t h l yr e a l i z e d s p e c i a l l y ，d o u b l ec h e c k i n gi ns a f e t yc o n t r o li s i n n o v a t i v e l v r e a l i z e db yc o m b i n i n gh a r d w a r el i m i t i n ga n ds o f t w a r e l i m i t i n g ( 4 ) b a s e do nt h er e s e a r c ho ff u n c t i o n so ft h es a v oc o n t r o l l e r t h es e l v oc o n 仃d l i n t e r f a c ew h i c hw a si n v o k e da saw a yo fd y n a m i cl i n kl i b r a r yb ya p p l i c a t i o nw a s d e s i g n e da n dr e a l i z e d ( 5 ) s y s t e mf u n c t i o nm o d u l ew a sd e s i g n e db yc 撑l a n g u a g eb a s e do n n e t f r a m e w o r k p l a t f o r m ，i n c l u d i n go p e r a t i o nm o d e ，t r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 s e c u r i t y m e c h a n i s m ，p a r a m e t e rs e t t i n gm o d u l ea n ds of o r t h i nt h em e a n t i m e ，d y n a m i cc o n t r o l i n t e r f a c ew a sr e a l i z e d ( 6 ) b yi n t e r f a c et e s t i n g , f u n c t i o nt e s ta n dp e r f o r m a n c et e s to ft h es y s t e m c a n a n s u r et h a ts o f t w a r e a c c u r a t e l y r e a l i z e db e l o w f u n c t i o n s ：p r e c i s e l yc o n t r o lo f i v a b s t r a c t m e c h a n i c a lm o v e m e n t ，s y s t e ml o g i cc o n t r o l ，s e q u e n t i a lc o n t r o l ，s c a n n i n gt h ew o r k i n g p r o c e d u r eo fs e q u e n c ec o n t r o la n ds y s t e mc o o r d i n a t e d g e n e r a l l y ，t h ee s t a b l i s h m e n to fb a r r e l e dr a d w a s t ea u t o m a t i o ns y s t e mb a s e do n s g sn o n d e s t r u c t i v ea n a l y s i si st h ep r e m i s eo fa c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l yr e a l i z i n g n o n d e s t r u c t i v em e a s u r e m e n to fw a s t e sb a r r e l a f t e rr e s e a r c h i n gf o rt h i sp a p e r ，i ti so f i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ea n dm o d e le f f e c tt ot h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs g s n o n d e s t r u c t i v ea n a l y s i sp l a t f o r ma n dt h ec o n t r o ls o f t w a r ei no u r c o u n t r y k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v ea n a l y s i s ，s e g m e n t e dg a m m as c a n n e r ( s g s ) ， s e r v o s y s t e m ，s e r v oc o n t r o l l e r ， s e r v om o t o r v 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 在当今世界，无论是核武器还是核电站，各种核能设施已经深入人类社会。 在人类和平丌发利用核能的过程中，不可避免地会产生核废料。各种核废物的 大量产生和堆积，已成为威胁人类生存，阻碍核事业发展的一大隐患。因此，必 须及时对这些废物进行妥善处置。在处置这些废物之前，必须对其准确鉴别与测 量，获得废物中所含核素及其含量，以便对沾污程度进行评估，制定相应措施对 其进行处置。这些测量结果不仅用于核废物的管理，还被用于核材料衡算和核临 界安全管理。在核废物的检测与管理方面，一些核国家己建立了先进的检测系统 和较为完善的管理制度。 为了履行协定和实施核材料有效管制，我国对核设施的核材料实行衡算管理 制度。根据核材料衡算管理制度的要求，对核设施内各个关键测量点要进行实测 核查，每种物料都必须有分析测量数据。然而，要做好这项工作有一定的难度。 因为，几十年来，随着我国核工业的发展，核设施在生产过程中积存了大量可回 收的核废料以及核废物。 由于这类放射性废物分布的不均匀性，采用取样的破坏性分析方法既耗费时 间，也没有代表性。而较为理想的测量技术是非破坏性分析( n o n d e s t r u c t i r e a n a l y s i s n d a ) 。分段y 扫描( s g s ) 技术是非破坏性分析方法之一，它主要用于 分析中、低密度非均匀分布介质中的核材料心1 。测量时，该方法通过对被测样品 纵向分层、横向旋转测量，并与特定的数学计算模型和分析方法相结合，得到样 品中特定放射性物质的含量阳儿钔。这种分析方法既克服了化学破坏分析法取样难 的问题，又具有测量费用低、测量周期短等特点。因此，对不均匀分布的可回收 的核废料和待处置的核废物样品，s g s 非破坏分析方法是目前最经济有效的分析 手段。 目前随着我国核工业的发展，核设施在生产过程中积存了大量的可回收核废 物急需最经济、最有效、最实用的分析手段来处理。因此，在我国开展s g s 非破坏分析方法研究，研制高性能的、安全高效的、实用的s g s 装置和机械控制 系统具有十分重要的意义。 在采用s g s 非破坏分析方法时，必须首先建立一套完整的机械控制系统与控 制软件来实现对系统的精确控制。针对放射性废物包装体体积大、重量大的特点， 为确保系统的安全性、高效性以及测量的稳定性，本论文在国内外相关研究的基 础上，针对伺服控制系统，以放射性废物桶s g s 无损测量平台为研究对象，结合 成都理i ：人学硕十学位论文 伺服系统原理、伺服驱动控制技术、通信技术和计算机技术开展放射性废物桶 s g s 无损检测自动控制系统研究，并研发一套安全、可靠、科学、高效、准确和 操作简便的自动控制软件系统，从而为s g s 无损测量奠定基础。通过本论文的研 究对我国分段y 扫描无损测量平台和控制软件的发展具有一定的研究意义和示 范作用。 1 2 研究现状 1 9 7 7 年e r m a r t i n 等设计了分段y 扫描装置( s g s ) 瞄1 以后，世界核能发达 国家开始研制高分辨率y 射线扫描装置，通过2 0 多年的应用研究，s g s 已逐渐 成为核材料和核废料非破坏性分析的重要工具之一。 二十世纪七十年代初，美国洛斯阿拉莫斯实验室( l o sa l a m o sn a t i o n a l l a b o r a t o r y ，l a n l ) 的p a r k e r 等人研究和开发了分段y 扫描( s e g m e n t e dg a m m a s c a n n e r ，s g s ) 测量技术，该测量技术主要用于定量测量非均匀分布低、中密度 介质中的放射性核素及其含量，并研制了基于s g s 的n d a 测量装置口6 1 。2 0 世 纪9 0 年代，美国洛斯阿拉莫斯国立试验室与国家标准局合作研制了专用于s g s 可读的铀标样和钵标样心3 。 1 9 9 4 年中国原子能研究院研制了我国第一台大型高分辨率分段y 扫描仪盯1 。 分段y 扫描仪主要包括投射源屏蔽体、旋转和提升扫描平台、y 射线准直和h p g e 探测器平台三大部分。其部件进一步可分为样品旋转和升降平台、投射源屏蔽体、 各种准直器、步进马达、伺服驱动器、探测器及计算机等。 到目前为止，我国自行研制的商品化的非破坏性分析桶装废物成套仪器数量 不多，在用设备几乎全是进口的。国外几个老牌的核仪器公司均可生产s g s 检测 桶装废物成套仪器及控制和分析软件。其中，在中国开办销售服务最具影响的有 美国o r t e c 公司、c a n b e r r a 公司、法国的e u r i s y sm e s u r e s 公司和英国的o x f o r d 公司8 j 。 国外生产的设备均配有自主研制的控制和分析软件，国内生产的大型高分辨 率分段y 扫描仪也建立了自己的计算机软件，可以完成自动操作各部件，实现相 互配合达到全程扫描，使多道数据获取、数据处理自动化的目的阳。基于s g s 装 置的控制软件多采用c 、v b 、v c 等语言开发，并且具有较强的针对性，与测量装 置和数据处理模块紧密集成，但都大同小异。 1 3 研究内容及主要成果 本论文以现有的s g s 废物桶无损测量平台为研究对象，开展伺服电机控制与 第1 章引言 上位机软件控制关键技术研究。主要分为以下内容： ( 1 ) 研究伺服控制系统 研究伺服系统控制机理，采用半闭环控制系统。基于现有的多套伺服控制器 展丌研究，选用合理的控制模式，分析并实验伺服系统的控制机能，结合伺服外 部信号控制和上位机软控制，确保运行中机械控制设备的安全，保障上位机软件 的各个控制模式和功能可靠实现。 ( 2 ) 研究实现伺服控制接口 基于半闭环伺服控制系统和伺服控制器机能，以面向对象的思想，设计实现 电机控制库，设计伺服控制接口和安全控制策略。 ( 3 ) 研发s g s 废物桶无损测量自动控制软件系统 在以上研究基础上，根据实际测量需求，实现系统功能模块设计( 控制模式 与运动方式等) 、用户接口设计和控制界面设计，实现控制模式与运动方式的多 样性，研发s g s 废物桶无损测量自动控制软件系统。 通过本论文的研究，取得了以下成果： ( 1 ) 实现了各伺服电机的单机控制、同步控制及联动自动控制方式。 ( 2 ) 通过微调、到位、自动和非安全模式下的控制，实现了对各工作台的 灵活控制，具有一定的实用性。 ( 3 ) 结合硬件接近丌关和软件限位控制，实现了伺服电机的安全控制，确 保了设备和人员的安全。 ( 4 ) 基于伺服控制机能，以面向对象的思想设计实现了电机控制库( 包括 属性和接口设计) ，并以动态链接库封装供应用程序调用，具有高效和扩展性高 等优点。 ( 5 ) 通过线程和异步机制，在控制电机的同时实时同步界面和跟踪状态， 实现了实时动态界面和状态显示，从而使软件直观便于控制。 ( 6 ) 通过模块测试和系统性能测试，确保控制软件满足了实际测量需求。 成都理工大学硕士学位论文 第2 章无损检测平台 2 1 平台结构与设计 如图2 1 和图2 2 所示，放射性废物桶s g g 无损检测平台的结构组成与c t ， t g s ( 层析y 扫描) 组成类似，主要由机械传动装置、样品定位扫描系统、自动 测量控制系统三部分组成。 废物桶 样品定位扫描 系统 h p g e 探测器系统 【屏蔽体一 堕i 型兰i 、 t _ ；：= = = = = = = = _ _ - i _ _ _ _ _ _ o 1 屏蔽体l _ 眄囊沥丽写甄 i 据获取系统 一一仨二士 【 f 2 2 = l ! ! ! 【 测量控制系统 和计算机系统 图2 1 放射性废物桶$ g s 无损检测系统示意图 图2 - 2 放射性废物桶s g s 无损检测平台实物图 4 第2 章无损检测平台 2 1 1 机械装置 如图2 3 所示，机械装置主要由废物桶水平传动部分、废物桶旋转支撑部分、 透射源及探测器同步升降部分、源屏蔽传动部分、准直平板传动部分、控制电机 和整体框架等部分组成。 图2 3 放射性废物桶s g s 无损检测系统装置图 ( 1 ) 水平传动部分 如图2 4 所示，水平传动部分主要由基座、传动导轨、滑块、丝杆、轴承、 接近开关和水平传动电机等几部分组成，主要用于传动和定位，即将废物桶传送 到指定的测量位置。 ( 2 ) 旋转支撑部分 如图2 4 所示，旋转支撑部分主要由基座、蜗轮、蜗杆、载物台和旋转传动 电机等几部分组成，主要用于承载废物桶，并按测量要求旋转和定位。 ( 3 ) 透射源及探测器同步升降部分 如图2 5 所示，透射源及探测器同步升降部分主要由基座、传动导轨、丝杆、 轴承、接近开关和两台升降传动电机等部分组成，主要用于透射源及探测器及相 应的辅助部件( 如准直器、屏蔽体和冷却装置等) 的固定和同步升降。 与 成都理工大学硕士学位论文 图2 - 4 水平传动及旋转支撑部分图2 - 5 同步升降部分 ( 4 ) 源屏蔽传动部分 源屏蔽传动部分位于其中一个同步升降台上，主要由透射源、屏蔽体、传动 装置、接近开关和源屏蔽传动电机等部分组成，用于移动源屏蔽体以屏蔽放射源 和打开放射源屏蔽。 ( 5 ) 准直平板传动部分 准直平板传动部分位于另一个同步升降台上，主要由准直平板、探测器、支 撑架、接近开关和两台准直传动电机等部分组成，用于调整准直间距以减少对探 测器接收干扰数据。 2 1 2 定位扫描系统 s g s 无损检测平台自动控制系统共计7 台伺服控制器和7 台步进伺服电机， 伺服控制器通过接受上位机指令驱动伺服电机运动。伺服电机的控制要求有手动 控制和微机控制，即离线在线控制。定位扫描系统通过微机控制伺服驱动器， 以完成在线控制电机，从而使s g s 机械传动装置实现三维高精度运动。如图2 3 所示，各传动部分的伺服电机运动方式及功能如下： # 1 号水平传动电机负责载物平台的前后水平运动和定位； # 2 号旋转传动电机负责载物平台的旋转运动； # 3 、# 4 号同步升降电机负责屏蔽和准直平台的垂直升降运动； # 5 号平板准直电机负责探测器准直间距调整； # 6 、# 7 号源屏蔽伺服电机负责放射源屏蔽装置前后运动。 手动离线控制即直接手动操作伺服驱动器，不通过微机通信方式。 重 第2 章无损检测平台 2 1 3 自动测量控制系统 自动测量控制系统基于定位扫描系统，为s o s 无损测量平台提供全自动化控 制与测量功能，实现对整个测量过程中机械运动的精确控制、系统的逻辑控制、 时序控制、扫描工作流程的顺序控制和系统各部分协调等功能，同时确保系统的 安全有效性。 2 2 机械运动流程 放射性废物桶传送至检测平台进行测量，以及测量后将桶装废物从检测平台 传送回来的过程示意图分别如图2 - 6 和图2 - 7 所示。 丛 丛 图2 - 6 废物桶入检测平台示意图 图2 - 1 废物桶出检测平台示意图 流程说明： 位置1 ：使用叉车等将废物桶放置到称重装置上进行称重； 位置2 ：从位置1 将废物桶传动到检测平台的“废物桶吊装位置”： 位置3 ：利用水平传动装置将废物桶从位置2 送到“检测中心位置，( 1 ) 开启废物桶旋转台：以指定的转速旋转指定的角度或圈数。( 2 ) 打开源屏蔽装 置：在测量时自动控制丌启透射源屏蔽盖。( 3 ) 开始密度扫描分层测量：开始 7 成都理i ：人学硕十学位论文 密度扫描分层测量前进行步进高度( a m ) 、步进次数及测量时间( 分钟) 等参数 设置，然后根据设定的测量参数和废物桶高度( 例如8 0 c m ) 自动计算出密度扫 描层数并开始测量，测量示意图如图2 8 所示。 图2 - 8 分层测量示意图 位置4 ：测量完毕后，由用户控制自动复位，将废物桶复归到检测平台的“废 物桶吊装位置”，其他传动装置亦自动复归。 位置5 ：一次测量完成，卸下废物桶，准备下次测量。 2 3 系统设计指标 系统各平台的运行方式和要求如下： ( 1 ) 水平工作台 有效运行范围可调； 前后微调( 速度l 2 0 n n n s ，微调范围1 l o o m m ，微调误差 = 1 m ) ； 前后到位( 速度l 2 0 m m s ，误差 = l 咖) ； 可载重废物桶稳定运行。 ( 2 ) 旋转工作台 圈数和角度可调： 运行时间和速度可调； 可载重废物桶进行顺时针和逆时针旋转( 速度l 、5 r p m ，误差 = l 。) 。 ( 3 ) 同步升降工作台 有效运行范围可调； 8 第2 章无损检测平台 可进行同步控制和单独控制： 上下微调( 速度1 2 0 m m s ，微调范围1 l o o m m ，微调误差 = l m m ) ： 上下到位( 速度1 2 0 m m s ，误差 = l m m ) 。 ( 4 ) 同步准直工作台 准直板间距和运行速度可调： 准直板可进行相向和反向运行。 ( 5 ) 屏蔽工作台 屏蔽点位置可调； 屏蔽电机运行速度可调； 可进行屏蔽和丌屏蔽操作。 9 成都理i ：人学硕十学位论文 3 1 伺服系统原理 第3 章控制系统设计 伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位 置、速度及动力输出的自动控制系统。绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能， 机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和 动力的重要环节旧1 ，伺服控制系统已广泛应用于机械设备的位置和速度控制，如 数控机床、自动化控制、装备和测量设备等领域n0 。 伺服系统的结构类型繁多，一般来说，其基本组成包括控制器、功率放大器、 执行机构和检测装置等四大部分。如图3 - 1 所示n 。 硼”八1 口 1 坎止i i 盟 叫功率放大 一执行结构 硎u i jk 7 l 1 工叩y 由盯 i 七冬泪“爿。i ：! 娶 i 伍j ! j ! u 教甫 图3 - 1 伺服系统的组成 ( 1 ) 控制器 控制器是伺服系统的关键所在n 引，其主要任务是根据输入信号和反馈信号决 定控制策略。常用的控制算法有p i d ( 比例、积分、微分) 控制和最优控制等。 控制器通常由电子线路或计算机组成。 ( 2 ) 功率放大器 伺服系统中功率放大器的作用是将信号进行放大，并用来驱动执行机构完成 某种操作。在现代机电一体化系统中的功率放大装置，主要采用各种电力电子器 件组成。 ( 3 ) 执行机构 执行机构主要由伺服电动机或液压伺服机构和机械传动装置组成。目前，执 行机构广泛的采用伺服电动机作为执行元件，目前常用的是交流伺服电动机或直 流无刷伺服电动机引。 ( 4 ) 检测装置 检测装置的任务是测量被控制量( 即输出量) 以实现反馈控制。 伺服系统的种类很多，本课题就采用的电气伺服系统做简单介绍。电气伺服 1 0 第3 章控制系统设计 系统包括直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统。按其结构形式划分，可 分为丌环、闭环和半闭环伺服系统。设计中常按后者分类方法进行研究川。 ( 1 ) 丌环伺服系统卅 开环伺服系统是指不带反馈装置的控制系统。典型的丌环伺服系统如图3 - 2 所示，由步进电机驱动线路和步进电机组成。步进电机每接收一个指令脉冲，电 机轴就转动相应的角度，驱动工作台移动。工作台移动的位移和指令脉冲的数量 成正比，移动速度和指令脉冲的频率成正比。 图3 - 2 开环伺服系统图 由于不带反馈装置，开环系统的精度完全依赖于步进电机的步距精度和机械 系统的传动精度，对工作台的实际位移量是不进行检测的，因而不能进行运动误 差的校正和补偿，造成精度不太高，但因其结构简单和价格低廉等优点，常用于 中等以下精度的机械系统。 ( 2 ) 闭环伺服系统n 3 儿 在开环系统的输出端和输入端之间加入反馈测量回路就构成了闭环伺服系 统，典型方案如图3 - 3 中实线部分所示。 涸节运锝h d a h 功放 l t 对臌电机 图3 - 3 闭环半闭环伺服系统图 f 嗲台线位移鬣测元件 闭环伺服系统在工作台上直接装有直线位置检测装置，可以随时测量工作台 的实际位移，进而将实际测定位移值反馈到控制器的比较器中，与输入的原指令 位移值进行比较，并用比较后的差值控制伺服电动机进行位移补偿，直到差值消 除时才停止移动，从而达到精确定位。 闭环控制系统的主要优点是将机械传动链的全部环节都纳入了闭环控制范 。、i ， 测 瞥舭游 ，化， 鳓 实际化移 盟 插一 成都理i ：人学硕+ 学位论文 围之内，因而从理论上讲，闭环控制的运动精度主要取决于检测装置的精度，而 与机械传动链内由于制造精度、刚度、间隙、惯性及摩擦等造成的各种误差无关， 从而提高系统的运动精度。但是这类系统是靠偏差进行控制的，因此在整个控制 过程中始终存在着偏差；由于元件存在惯性( 如负载的惯性) ，若参数配置不当， 易引起振荡，使系统不稳定甚至无法工作。 ( 3 ) 半闭环伺服系统“们 半闭环伺服系统与闭环系统的区别在于检n 反馈装置不是安放在工作台 上，而是在滚珠丝杠或伺服电动机的端部装有角位移检测装置，通过检测传动装 置的滚珠丝杠转角间接检测工作台的位移，然后反馈到控制器的比较器中与原输 入指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，补偿工作台位移值，直到差 值消除为止。 半闭坏伺服系统并没有将工作台的机械传动链包括在闭环控制之内，因此无 法校j 下或消除机械传动链的误差，但由于目前广泛采用的滚珠丝杠螺母机构具有 很好的精度和精度保持性，而且采用了可靠的消除反向运动间隙的结构，完全可 以满足绝大多数的应用需要。另外，半闭环伺服系统的检测反馈装置