基于SCARA机器人的自动取样控制系统及控制方法
技术领域
本申请涉及SCARA机器人及其控制领域，特别是涉及在强辐射环境下密封工作的机械手的全自动取放样系统及控制方法。
背景技术
SCARA机器人是Selective Compliance Assembly Robot Arm的缩写，意思是一种应用于装配作业的机器人手臂，现在普遍意义上的SCARA机器人通常具有3个旋转关节，最适用于平面定位。现有技术中有多种采用SCARA机器人来进行抓取、传递等需要精准定位的操作方式，现有技术中对SCARA机器人的研究主要集中在如何实现高精度定位和轻量化研究的方向，例如，中国专利申请CN111546322A公开了一种定位精度高的SCARA机器人，通过机械臂结构和材料的设计减轻SCARA机器人的整体重量，有效减少SCARA机器人的惯量，便于运动控制，有效提高SCARA机器人的定位精度。又如，中国专利申请CN110948474A公开了一种工业SCARA机器人精度提升装置，通过壳体、电磁铁、定位圈、弹片和转轴的配合减小转轴从工作速度降为静止时所需要的转动行程，从而减小机械手在完全静止下来后的位置和工作人员所设定的位置之间的偏差，增强机器人在工作中的位置精度，提高工作质量，提高机器人的使用效果。上述研究主要致力于提升SCARA机器人的精度控制和传动效率。
实际上，在一些特殊的应用场景下，如果能够采用SCARA机器人（或机械手）等方式进行自动操作，不仅能够减少人力成本，更能够提升操作安全性，例如，乏燃料后处理厂需要通过取样分析及时准确的获取料液运行工艺参数，不仅对取样量和取样代表性有要求，还必须在密闭且具有生物屏蔽的状况下实现取样，再将放射性样品通过气动送样管网远距离运送到分析实验室进行分析，为达到后处理厂对取样效率的要求，还需要保证运行时的可靠性和稳定性以及设备的可维修性，因此，采用SCARA对上述乏燃料后处理厂的料液进行取样装置是一种较佳的方案。
但是，现有技术中将SCARA应用到上述场景会存在以下几方面的问题：（1）SCARA机器人的执行机构和驱动机构一体化，在驱动机构出现问题时，维修比较麻烦，且在放射性环境下，无法长时间进行维修。（2）SCARA机器人作为成熟的产品，无法针对上述环境根据客户的实际情况进行一些定制化的保护措施。（3）在密闭的环境中，需要对实际运行的情况进行实时的监控，SCARA机器人作为第三方的产品，难以实现和周围其他机构相结合并做到实时监控运行和显示，而且辐照环境下的摄像头十分昂贵，且有拍摄的死角，难以做到完全监控。因此，目前市面上没有专门的SCARA机器人针对辐照环境这一特殊的工况设计，其选用的一些零部件尤其是电子元器件在辐照环境下的使用寿命难以保证，直接增加了后期维护的成本和降低整机的使用寿命。
发明内容
本发明提供了一种基于SCARA机器人的自动取样系统及控制方法，以至少解决背景技术中在辐照环境下无法应用SCARA机器人进行自动取放样的问题。
为了上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于SCARA机器人的自动取样控制系统，包括：取样系统和取样装置，其中，所述取样系统包括控制组件、模拟组件和通讯组件，控制组件控制取样装置进行取样操作，模拟组件通过通讯组件和所述控制组件保持通讯并实时对控制组件所控制的取样装置的运行状态进行实时模拟，所述取样装置包括取样机械臂、自动收发机构和取样器组件，所述取样器组件用于承载取样容器和待取样的样品，所述自动收发机构用于容纳待取样和取样后的取样容器，所述取样机械臂用于为样品在自动收发机构和取样器组件之间的移动提供机械传动。
进一步地，所述取样机械臂包括取样驱动组件、旋转轴、旋转臂和气爪组件，所述取样驱动组件采用外置安装的形式，所述取样机械臂能够在取样驱动组件的驱动下旋转和升降，所述取样机械臂的末端设有气爪，所述气爪能够从自动收发机构中夹取取样容器，并送回自动收发机构。
自动收发机构中设有装置能够容纳取样容器，例如，在本发明中，为了方便取样料液，本发明中的取样容器可以采用取样瓶，取样瓶内为负压，通过压差将料液吸取至取样瓶，吸取完成后，瓶盖上的自密封结构能保证其取样的料液不会流出。
进一步地，所述旋转轴包括驱动部、连接部和执行部，所述驱动部和所述连接部通过旋转轴法兰连接，所述连接部和所述执行部通过万向联轴器连接，所述执行部与旋转臂连接，并通过驱动部的驱动带动其升降和旋转。
进一步地，所述旋转臂采用悬臂结构，所述旋转臂包括机械臂和旋转座，所述机械臂安装在旋转座上，并与所述旋转轴连接，实现升降和旋转动作；所述旋转臂上设有定位销，旋转座上设有与自动收发机构位置对应的定位孔，定位销和定位孔能够配合实现旋转臂在旋转过程中的定位，当旋转臂旋转至定位销与定位孔对齐的位置时，机械臂才能实现下降动作。
进一步地，所述旋转臂包括能够用于夹取取样容器的气爪组件，所述气爪组件包括至少一对夹臂，所述夹臂的夹持形状与取样容器外形匹配。
所述控制组件设置在控制柜中，控制柜通过设置于柜体上的航插引出快换电接头，所述快换电接头连接至所述电磁阀的进气口。
进一步地，所述电磁阀的进气口与快换气接头相连，控制电缆与快换电接头相连。
进一步地，所述自动收发机构包括密封舱，所述密封舱将自动收发机构的组件密封其中，所述密封舱设有能够开启和密封关闭的密封舱舱门，所述自动收发机构外设有外置密封伺服电机，所述外置密封伺服电机用于驱动密封舱舱门的开合。
进一步地，所述自动收发机构包括收发仓、气动送样管道、伺服电机、减速机、丝杆、传感器，其驱动部件贯穿至上箱体后侧面外部。
进一步地，所述取样器组件包括至少两个取样器，所述至少两个取样器沿所述自动取样系统的底部圆周分布。作为取样器组件，通常来说为了提升单个取样器组件的取样容量，应多设置几个取样器，例如在整个取样器组件上设置9个取样器，需要保证取样器之间具有一定的间隙，避免取样器距离太近造成取放样的不便和相邻样品之间的干涉。
另一方面，在上述自动取样系统的基础上，本发明还提供一种基于SCARA机器人的自动取样控制方法，所述控制方法能够控制上述的自动取样系统自动取放样，并包括以下步骤：
（1）所述自动取样系统的控制组件下达至取样信息至控制组件的PLC中，
（2）PLC获取取样信息后设置自动收发机构处于可接收状态，
（3）PLC将自动收发机构处于可接收状态的信号发送至气动送料系统，气动送料系统启动至自动收发机构，准备提取取样容器，
（4）PLC控制自动收发机构的收发仓打开，气动送料系统的取样机械臂从收发仓中夹取取样容器后旋转至对应的工位吸取料液，
（5）料液吸取完成后回旋至自动收发机构所在位置，将取样完成后的取样容器放回收发仓，
（6）自动收发机构回收取样容器后关闭并通知PLC收发完成，
（7）如果本工位的取样数量尚未完成，则通知气动送样系统进行下一轮的送样瓶，如此循环至相同批次的样瓶取料完成，
（8）该批次完成后，进行下批次的取样，直至所有批次取样完成。
相比于现有技术，本发明具有以下优势和特点：
（1）本发明通过驱动机构外置的设计以及内部易损机构快换模块的设计解决了SCARA机器人一旦驱动/执行机构出现问题维修不方便的问题。
（2）在机械结构的基础上，本发明针对性地使用一套保护系统，解决了原有技术上保护不全的问题，确保设备在运行过程的安全性和稳定性。
（3）本发明针对无人的工作环境，采用配套的VR系统，实现对整体设备的实时运行状态进行监控，解决了SCARA机器人作为第三方产品难以实现和设备内其他机构结合并实时监控运行状态的问题。
（4）在材料和选型方面，本发明针对辐照环境内元器件的选型尽量采用耐辐照的元器件，或者尽量选用机械式元器件，减少了辐照环境对各种元器件使用寿命的影响，减少后期维护方面的投入，提高了整机的使用寿命。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。在附图中：
图1是本发明的取样装置的结构功能框图。
图2是本发明的自动取样控制方法的整体流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所做出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块（单元）的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
实施例1，参照附图1。
如图1所示，本发明提供一种基于SCARA机器人的自动取样系统，包括控制装置和取样装置，其中，所述控制装置包括控制组件、模拟组件和通讯组件，控制组件控制取样装置进行取样操作，模拟组件通过通讯组件和所述控制组件保持通讯并实时对控制组件所控制的取样装置的运行状态进行实时模拟，控制组件包括PLC和驱动电机，模拟组件包括VR系统，为了提升稳定性，控制组件可以选用倍福PLC，驱动器和电机可以选用桢正，通过倍福PLC和VR系统进行通讯，VR系统通过采集PLC系统中的信息，生成取样装置在生产过程中的实时运行状况，通过监控VR系统可以实时查看设备的运行状态，无需至实地查看，最大程度地避免了操作人员与辐照环境的接触。
在控制系统方面，在保证基本生产任务的基础上，为了保证整个设备运动的安全性和稳定性，特此设计了一套的保护系统，包括转矩保护模块、位置保护模块、误触碰保护模块和安全复位保护模块等。其中，转矩保护模块通过大量数据分析，得到趋近的额定转矩，在此基础上按分析逻辑增加转矩限制，确保设备安全，转矩保护模块可通过设置触摸屏上相应的电机的限制转矩实现，这样即使发生碰撞时，也能最大限度保护机械机构不会损坏。位置保护模块则最大限度限定各个轴的运行轨迹，一旦不在条件范围内，则提示报错，之后可以根据提示快速恢复至正确的运动轨迹，位置保护模块通过位置传感器和电机编码器互为冗余，保证设备运动的位置。操作保护模块在自动程序启动状态下，部分触屏功能失效，仅用于监视，仅当自动程序停止才能对其进行编辑，一方面防止了操作时误触碰，同时也限定各个按键的操作条件，在条件不满足时，则禁用按钮功能，确保了操作不规范导致误动作的发生。安全复位保护模块的功能是：按下急停按钮后，系统不能自动复位，需要恢复急停按钮，并按下复位按钮后，系统才能够正常使用，通过安全复位保护模块确保了在人为确认安全后才能复位，确保了操作的安全性。
在本发明的自动取样系统中，所述取样装置1包括取样机械臂2、自动收发机构3和取样器组件4，其中，所述取样器组件4用于承载取样容器和待取样的样品，所述自动收发机构用于容纳待取样和取样后的取样容器，所述取样机械臂用于为样品在自动收发机构和取样器组件之间的移动提供机械传动。
所述取样机械臂2包括取样驱动组件、旋转轴、旋转臂和气爪组件，所述取样驱动组件采用外置安装的形式，所述取样机械臂能够在取样驱动组件的驱动下旋转和升降，所述取样机械臂的末端设有气爪，所述气爪能够从自动收发机构中夹取取样容器，并送回自动收发机构。所述旋转轴包括驱动部、连接部和执行部，所述驱动部和所述连接部通过旋转轴法兰连接，所述连接部和所述执行部通过万向联轴器连接，所述执行部与旋转臂连接，并通过驱动部的驱动带动其升降和旋转。所述旋转臂采用悬臂结构，所述旋转臂包括机械臂和旋转座，所述机械臂安装在旋转座上，并与所述旋转轴连接，实现升降和旋转动作；所述旋转臂上设有定位销，旋转座上设有与自动收发机构位置对应的定位孔，定位销和定位孔能够配合实现旋转臂在旋转过程中的定位，当旋转臂旋转至定位销与定位孔对齐的位置时，机械臂才能实现下降动作。所述旋转臂包括能够用于夹取取样容器的气爪组件，所述气爪组件包括至少一对夹臂，所述夹臂的夹持形状与取样容器外形匹配。所述气爪组件采用气缸驱动；控制气爪的电磁阀设于气爪组件内部，通过气管与气爪相连。所述电磁阀的进气口与快换气接头相连，控制电缆与快换电接头相连。通过快换电接头的设置，可以实现快速拆卸更换，一旦结构或者电气出现问题，能够方便地进行更换和维修。
本发明的自动收发机构3包括密封舱，所述密封舱将自动收发机构的组件密封其中，所述密封舱设有能够开启和密封关闭的密封舱舱门，所述自动收发机构外设有外置密封伺服电机，所述外置密封伺服电机用于驱动密封舱舱门的开合。所述自动收发机构包括收发仓、气动送样管道、伺服电机、减速机、丝杆、传感器，其驱动部件贯穿至上箱体后侧面外部。
本发明的取样器组件4包括至少两个取样器，所述至少两个取样器沿所述自动取样系统的底部圆周分布。作为取样器组件，通常来说为了提升单个取样器组件的取样容量，应多设置几个取样器，例如在整个取样器组件上设置9个取样器，需要保证取样器之间具有一定的间隙，避免取样器距离太近造成取放样的不便和相邻样品之间的干涉。
自动收发机构中设有装置能够容纳取样容器，例如，在本发明中，为了方便取样料液，本发明中的取样容器可以采用取样瓶。
实施例2，参照附图2。
在上述自动取样系统的基础上，本发明还提供一种基于SCARA机器人的自动取样控制方法，如图2所示，所述控制方法能够控制上述的自动取样系统自动取放样，并包括以下步骤：
步骤S1，总控系统下达至“取样”信号至取样系统，并指定取样工位，即取样器所在的位置；
步骤S2，系统发送“取样”信号给气动送样系统；
步骤S3，被指定的取样工位对应的料液循环电磁阀打开；
步骤S4，系统监控料液循环阀的电磁阀位并将阀位信号反馈给总控系统；
步骤S5，系统发送“可接收”信号给气动送样系统；
步骤S6，气动送样系统将取样瓶发送至自动收发机构；
步骤S7，总控系统给出取样器组件的液位信号，取样系统可以根据该信号决定是否再次开启电磁阀以添加料液，液位信号满足时则无需继续添加；
步骤S8，自动收发机构打开，送出取样瓶；
步骤S9，取样机械臂动作，抓取取样瓶送至指定取样工位进行取样；
步骤S10，取样完成后，取样机械臂将样品送回自动收发机构；
步骤S11，自动收发机构关闭；
在单批次中，重复步骤S4-至步骤S11在同一工位多次取样直至同批次中所有取样瓶的取样完成；
步骤S12，系统发送“可发送”信号给气动送样系统；
步骤S13，气动送样系统将载有样品的取样瓶发送给分析系统进行分析；
步骤S14，气动送样系统给出“已送达”信号；
在不同批次的情况下，重复步骤S2至步骤S14，直至所有料液的取样任务完成；
步骤S15，分析系统将分析数据发送至总控系统。
分析系统可以采用乏燃料处理厂现有的或者另行开发的分析系统，本发明不需要对分析系统做出改进，只是为分析系统提供分析素材。
此外，在本发明中所涉及的总控系统、取样系统和气动送样系统的关系为：取样系统是气动送样系统里面取样装置的控制系统，气动送样系统包含送样系统和取样系统，而总控系统则包含送样系统、取样系统、以及料液区域的料液循环系统。
本领域的技术人员应该明白，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
