一种靶件准直定位模组、装置及打靶系统

本发明涉及磁场束流技术领域，具体涉及一种靶件准直定位模组、装置及打靶系统。

背景技术：

核能作为低碳、环保、安全高效的基荷能源在能源转型的进程中发挥着巨大推力。物质自身与粒子束及辐射场的集体相互作用作为核能利用的典型代表具有深远的前景。针对在强束流、强磁场、高辐射环境的打靶试验，考虑到在狭长空间靶系统准直难甚至无法准直的问题，需要利用机械结构实现准直目标；针对强束流能量大、功率高、电流大、束团时间短的特点，对靶件的机械结构及调节精度具有极高的要求；同时考虑到实验的可重复性，还要保证靶件的精准复位目的；由于实验过程中靶材料活化会对实验人员带来不便，也要尽可能实现对靶件拆换及运输的全自动化。

针对以上问题，有必要设计一套基于机械设备及控制系统的装置，以确保整个打靶系统的可靠运行。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提供一种靶件准直定位模组、装置及打靶系统，以解决靶件在狭长空间的准直及高精度定位功能，进而以全面实现拆换靶和精准复位等过程的自动化，充分应对可能出现的靶材料活化对于人工操作带来的不便。

本发明首先提出一种靶件准直定位模组，所述模组包括：

准直导轨，其穿过靶件所在磁体的内腔，所述准直导轨的两端可调位置地固定于所述磁体沿与束流平行方向的两端；

滑轨，所述滑轨与所述准直导轨配合，所述滑轨被配置为沿平行束流的方向滑动设置于所述准直导轨上，其上能放置所述靶件。

根据本发明的一种实施方式，所述准直导轨的两端各自包括安装耳，所述安装耳设有腰孔，所述模组还包括螺钉，所述准直导轨通过所述螺钉与腰孔配合以可调固定位置地与所述磁体连接。

根据本发明的一种实施方式，每端所述安装耳包括一组间隔设置的腰孔，该组腰孔沿水平方向间隔设置，在高度方向上错落布置。

根据本发明的一种实施方式，所述腰孔为弧形长槽孔或矩形长槽孔。

根据本发明的一种实施方式，所述准直导轨的下底面与磁体的内腔面相配合，所述下底面与所述内腔面为相拟合面。比如，磁体为圆柱体，则内表面为柱面，则导轨的下底面也为与该柱面相匹配的柱面。

根据本发明的一种实施方式，考虑到多场集体作用，所述准直导轨的材质为非磁性抗活化材料。

根据本发明的一种实施方式，所述准直导轨包括矩形上凹槽，所述滑轨包括底部和顶部，所述底部与所述凹槽间隙配合，所述顶部呈燕尾凸起，该燕尾凸起被配置为与所述靶件连接。

本发明还提出一种靶件准直定位装置，主要包括传动系统和所述的靶件准直定位模组，所述传动系统连接所述滑轨，以带动所述滑轨滑动。

根据本发明的一种实施方式，所述传动系统包括交流伺服电机。考虑到多场集体作用的实验具备可重复性，须在每次实验时将靶件精确地推送到打靶位置，故选用具有较宽的调速范围、线性的机械特性、低噪声，无“自转”现象和快速响应的性能的交流伺服电机来实现该功能。

优选地，靶件准直定位装置还包括屏蔽系统和激光测距仪，所述屏蔽系统设于所述滑轨的尾端，其被配置为屏蔽多余的束流；所述激光测距仪被配置为测量所述滑轨的滑动距离。

本发明还提出一种打靶系统，包括自动换靶装置和所述的靶件准直定位装置，所述自动换靶装置主要包括摆靶机械手、换靶机械手、agv小车；所述摆靶机械手通过plc系统结合粗定位装置完成所述靶件的取、拿及摆放的功能；所述agv小车被配置为将所述靶件从靶库运输到指定位置并通过升降机构调整到指定高度；所述换靶机械手通过plc系统结合精确定位及力传感器，将已打靶件从所述靶件准直定位装置拆下放至靶件托盘上，再将待打靶件安装到指定位置，以完成靶件的拆换功能。

本发明为保证靶件中心在强磁场中与束流中心保持同轴心，且由于本身靶件系统较为复杂且不通透，通过现有的基于激光跟踪仪准直方法无法实现靶件在磁场内部的准直目标，故通过设置准直导轨和滑轨，利用可调位置的结构设计将准直导轨固定于磁体两端，能够较好进行微调，从而使得滑轨上的靶件能够被精准准直及定位，而且也便于实现机械化或自动化，可免除人工操作带来的对人员的健康损害。

本发明的打靶系统能够实现自动摆靶、送靶、换靶，如摆靶机械手可通过plc系统结合粗定位装置完成靶件的取、拿及摆放等功能，agv小车能将靶件从靶库运输到指定位置并调整到指定高度，换靶机械手可通过plc系统结合精确定位及力传感器，完成靶件的拆换功能，因此提高了系统的自动化，且避免了靶材料活化对于人工的辐射。

总之，本发明解决了靶系统在狭长空间的准直及高精度定位功能，全面实现了拆换靶和精准复位等过程的自动化，能够充分应对可能出现的靶材料活化对于人工操作带来的不便。

附图说明

图1a为本发明一实施例靶件准直定位模组结构示意图；

图1b为图1a本发明一实施例靶件准直定位模组剖面结构示意图；

图2为图1a本发明一实施例准直导轨与定位滑轨的装配右视结构示意图；

图3a为本发明一实施例靶件准直定位模组及定位支架结构示意图；

图3b为图3a本发明一实施例冷却系统的局部放大结构示意图；

图3c为图3a本发明一实施例屏蔽系统及底座支撑座的局部放大结构示意图；

图4是本发明一实施例自动换靶装置结构示意图；

图5是本发明一实施例agv小车结构示意图；

附图标号：

1.准直导轨；2.滑轨；3.磁铁；4.靶件；5.滑块；6.支架；7.冷却系统；8.激光测距仪；9.屏蔽系统；91底座支撑座；10.传动机构；11.靶库；12.待打靶件；13.摆靶机械手；14.agv小车(自动导航装置)；15.换靶机械手；16.已打靶件；17.其他设备；110.安装耳，111.腰孔，112.螺钉，141.状态检测仪；142.ccd摄像头；143.wifi天线；144.剂量检测仪；145.靶件托盘；146.升降机构；147.防碰撞装置。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

由于本身靶件系统较为复杂且不通透，通过现有的基于激光跟踪仪准直方法无法实现靶件在磁场内部的准直目标，本发明为保证靶件中心在强磁场中与束流中心保持同轴心，通过设置准直导轨和滑轨，利用可调位置的结构设计将准直导轨固定于磁体两端，能够较好进行微调，从而使得滑轨上的靶件能够被精准定位。

本发明的打靶系统通过设置全自动换靶装置能够实现自动摆靶、送靶、换靶等操作。

如图1a、1b所示，本发明首先提出一种靶件准直定位模组，所述模组包括：

准直导轨1，其穿过靶件4所在磁体3的内腔，准直导轨1的两端可调位置地固定于磁体3沿与束流平行方向的两端；

滑轨2，所述滑轨2与所述准直导轨1配合，所述滑轨2被配置为沿平行束流的方向滑动设置于所述准直导轨1上，其上能放置所述靶件4。

准直导轨1既可调整靶件沿高度方向的精度，又可起到支撑靶件的作用，而且沿磁体轴向长度设置，其可使得支撑力更均匀。

滑轨2可以方便地将靶件送入磁体的内腔指定位置。

靶件4可通过滑块5与滑轨2连接。

根据本发明的一种实施方式，所述准直导轨1的两端各自包括安装耳110，所述安装耳110设有腰孔111，所述模组还包括螺钉112，所述准直导轨1通过螺钉112与腰孔111配合，以便可调固定位置地与磁体3连接。也就是说，该固定处使得可以调整准直导轨与磁体的相对位置，主要实现轨道上表面高度位置的调节，待位置调好后，再进行固定连接。

根据本发明的一种实施方式，每端所述安装耳110包括一组间隔设置的腰孔111，该组腰孔111沿水平方向间隔设置，在高度方向上错落布置，如图2所示。

根据本发明的一种实施方式，所述腰孔111为弧形长槽孔或矩形长槽孔。

腰孔111优选为弧形长槽孔，其方便加工且可与螺栓配合实现沿圆周方向的调节作用。

根据本发明的一种实施方式，圆弧形腰孔既可以配合磁铁沿圆周方向的丝孔实现沿着圆周方向的调整又可以沿轴心方向进行微调。

腰孔排布形式不局限于环形，视磁体的形状而定(磁体一般为通电螺线管，呈圆柱形)。

准直导轨1的两端可调位置地固定于所述磁体的两端，除了采用腰孔的连接方式，也可采用别的固定结构与方式，比如导轨的两端采用调整垫片的方式与磁体的两端固定连接。当然，比较而言，采用腰孔调整的结构，可以做到更精细的数值连续的调节，精度会更高。

进一步的，准直导轨1在磁铁空间内与磁铁3的内腔通过面接触(磁铁内腔形式不限)，准直导轨1与滑轨2通过间隙配合实现准直功能。

根据本发明的一种实施方式，所述准直导轨1的下底面与磁体3的内腔面相配合，所述下底面与所述内腔面为相拟合面。比如，磁体3为圆柱体，则内表面为柱面，则导轨的下底面也为与该柱面相匹配的柱面。

根据本发明的一种实施方式，考虑到多场集体作用，所述准直导轨1的材质为非磁性抗活化材料。

根据本发明的一种实施方式，如图2所示，所述准直导轨1包括矩形上凹槽，所述滑轨2包括底部和顶部，所述底部与所述凹槽间隙配合，所述顶部呈燕尾凸起，该燕尾凸起被配置为与所述靶件连接。当然该种连接包括与靶件的直接接触连接，也包括通过其他结构件与靶件4连接。

如图3a所示，本发明还提出一种靶件准直定位装置，主要包括传动系统10和所述的靶件准直定位模组，所述传动系统10连接所述滑轨2，以带动所述滑轨2滑动。

根据本发明的一种实施方式，所述传动系统10包括交流伺服电机。考虑到多场集体作用的实验具备可重复性，须在每次实验时将靶件精确地推送到打靶位置，故选用具有较宽的调速范围、线性的机械特性、低噪声、无“自转”现象和快速响应的性能的交流伺服电机来实现该功能。

根据本发明的一种实施方式，整个靶件的推送过程可分为两个阶段，粗定位与精确定位阶段，粗定位阶段，采用较大的脉冲当量如1mm/步或者更高。精确定位阶段一般为整个行程的五十分之一左右，为保证定位精度，换用较小的脉冲当量如0.01mm/步或者更小(0.001mm/步)，既保证了定位的精度又保证了定位的速度。减速机可根据粗定位阶段与精确定位阶段的脉冲当量计算有效的减速比。

优选地，靶件准直定位装置还包括屏蔽系统9和激光测距仪8，所述屏蔽系统9位于滑轨2的尾端，其主要包括底座与绝缘体靶，主要用于吸收多余的束流，避免束流轰击其他设备，起防护屏蔽作用。可选地，靶体材料视束流的种类而定。屏蔽系统9可采用现有技术实现，此处不再赘述。

如图3c所示，所述激光测距仪8被配置为测量所述滑轨2的滑动距离，其设置在屏蔽系统的底座支撑座91上，随着定位滑轨2运动，达到实时监测滑轨的滑动距离，其可采用现有技术实现，此处不再赘述。

本发明为保证靶件中心在强磁场中与束流中心保持同轴心，且由于本身靶件系统较为复杂且不通透，通过现有的基于激光跟踪仪准直方法无法实现靶件在磁场内部的准直目标，故通过设置准直导轨和滑轨，利用可调位置的结构设计将准直导轨固定于磁体两端，能够较好进行微调，从而使得滑轨上的靶件能够被精准定位。

本发明的打靶系统能够实现自动摆靶、送靶、换靶，如摆靶机械手可通过plc系统结合粗定位装置完成靶件的取、拿及摆放等功能，agv小车能将靶件从靶库运输到指定位置并调整到指定高度，换靶机械手可通过plc系统结合精确定位及力传感器，完成靶件的拆换功能，因此提高了系统的自动化，且避免了靶材料活化对于人工的辐射。

以下结合附图做进一步详述：

如图1a至图5所示，一种物质与粒子在强磁场、高辐射、狭长空间环境的靶件准直、准精定位及全自动换靶的装置，粒子束与多场集体作用环境至少包括强束流、强磁场及高辐射。强束流的特点为能量大、功率高、电流大、束团时间短。强磁场为可产生3t以上的高均匀度磁场的磁铁3形成。高辐射环境的电磁辐射频率在3mhz以上。

一种靶件的准直定位方案，其中，准直定位装置包括准直导轨1、滑轨2、屏蔽系统9、靶系统的传动系统10。

使用时，将准直导轨1与磁铁3的内腔配合，准直导轨1的前端与尾端分别通过位置调整进行准直工作，滑轨2与准直导轨1通过间隙配合滑动，完成靶件4的准直目标，靶件的传动机构10结合激光测距仪8将滑轨2沿着准直导轨1的轴向方向推送至指定位置。该方法通过机械手段解决了狭长空间准直难或者无法准直的问题。

打靶系统包括自动换靶装置和上述的准直定位装置。如图4所示，自动换靶装置主要置包括摆靶机械手13、agv小车14、换靶机械手15，其工作主要包括：摆靶、送靶、换靶。靶库11主要存放待打靶件12以及用于后续测量的已打靶件16，摆靶机械手13由plc系统结合粗定位装置完成靶件的取、拿及摆放的功能。agv小车14负责将靶件从靶库运输到指定位置并由升降机构146调整到指定高度。换靶机械手15由plc系统结合精确定位及力传感器，先将已打靶件16拆下放至靶件托盘145上，再将待打靶件12安装到指定位置，完成靶件的拆换功能。该换靶装置，全面实现了靶件拆换的自动化，解决了材料活化在实验过程中对工作人员带来的不便。agv小车14还可进行其他设备17的操作或运输。agv小车可实现全自动路径规划也可人为遥操，可以为现场运输各类运输能力之内的产品。

所述的摆靶机械手13可由液压缸驱动，通过plc系统控制注入各液压缸液压油的速度或流量实现对靶件的取、拿及摆放的功能。

所述的agv小车14可由抗辐射材料制备，通过图像获取、wifi天线传输、防碰撞装置147、升降装置、运行状态监测以及辐照监测完成靶件的精确运输功能。

所述的换靶机械手15可由液压缸驱动，通过plc系统结合精确定位及力传感器，完成靶件的拆换功能。

可选地，升降装置为具备一定高程余量的升降机构146。

准直定位装置可通过支架6安装。准直导轨1可进一步包括连接底座，以便于与支架6连接。

可选地，准直定位装置的支架6、准直导轨1、准直导轨1的连接底座皆可为非磁性铝合金材料。屏蔽系统材料可视粒子类型定。

根据上述装置或系统进行精确定位的方法，其可基于电机驱动靶件系统沿进给方向运动时要经历升速、恒速与减速过程，为保证电机在不失步与过冲前提下用最快的速度将靶件系统精确地移动到指定位置，利用直线升降频方法，以恒定的加速度升降运行频率，能够简单可靠地完成启动速度较大的快速精确定位。

为实现精确定位，要获得较高的定位速度的同时获得较高的定位精度，将整个进给过程划分为粗定位与精确定位两个阶段。所述的粗定位阶段，采用较大的脉冲当量如1mm/步或者更高。所述的精确定位阶段一般为整个行程的五十分之一左右，为保证定位精度，换用较小的脉冲当量如0.01mm/步或者更小，既保证了定位的精度又保证了定位的速度。所述的减速机可根据粗定位阶段与精确定位阶段的脉冲当量计算有效的减速比，根据传动比选取或者设计合适的单击或二级减速器。

机械设备与高精度激光测距仪在plc系统控制下的结合使用进一步保证了靶件的定位精度与复位问题，也保证了实验的可重复性。

进一步地，打靶系统还包括冷却系统7。冷却系统7如图3a、3b所示。

考虑到打靶环境的不同，所述的冷却系统包括密闭真空环境的水循环制冷以及敞口环境与空气换热制冷方案，该系统可保护设备的安全可靠运行。

在打靶实验过程中，靶件受束流轰击会产生大量的热致使靶件的机械结构及材料的力学性能发生变化，进而影响实验结果，故需要对靶件进行冷却。

通常，在工程实际中最常用的冷却方式是通过流体介质利用热传导现象带走结构本身的热量，其中，热传导是介质内无宏观运动时依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热传递现象，而流体即使处于静止状态，其中也会由于温度梯度所造成的密度差而产生自然对流，因此，针对打靶试验，主要包括两种重要的冷却方式：敞口环境的空气换热制冷方案和真空环境中的水循环冷却方案。

如果靶件受轰击产生的热量较低，且整个打靶环境处于空气中时，利用靶件结构的壁面与空气的自然对流换热将靶件结构的温度降低，即敞口环境的空气换热制冷方案。

若靶件受轰击产生的热量较高且靶系统处于真空密闭环境时，利用空气冷却的方案无法实施，故需要比热容较大的流体(水)通过循环流动主动将靶件的热量带走，达到给靶件降温的目的，即真空环境中的水循环冷却方案。

冷却系统的结构设置，在敞口环境下与空气直接进行自然对流换热时，不需要特定结构；而在热量大的真空环境中，需要对靶件结构进行特殊处理，即在靶件上预留水路，该水路与磁铁内腔的循环水路直接连接(一进一出)，再将磁铁内腔的循环水路与实验现场的水循环主管道相连接，实现靶件的闭环的循环制冷目标。

考虑到已打靶件具有放射性，故靶库进行屏蔽处理。

agv小车14配备剂量监测仪144可实时监测辐照环境的剂量，通过wifi天线143可实现数据的实时传递，工作人员可通过状态监测仪141完成对小车工作状态的实时监测。行进间，agv小车利用ccd摄像头142获取图像，通过标定小车的实时位置与行进方向的道路位置，先将识别到的道路特征进行预处理，通过启发式搜索算法规划最优路径并最终精确到达指定换靶区域。同时，agv小车14的防碰撞装置147保证了小车行进件间的安全。该小车能够全面实现现场环境与工作人员的人机交换，同时在一定程度上能保证自身的可靠运行。

与传统的的打靶实验装置的实施方案相比较，传统的实施方式皆为手动驱动，即靶件沿束流方向的运动靠手轮与丝杠配合，定位采用激光跟踪仪，且靶件的拆换运输皆需要人工操作，这就导致靶材料的活化会对实验人员的健康产生损伤，同时由于拆换靶过程中存在的不可避免的人为误差会破环重复实验的环境，在一定程度上会影响实验结果的准确性。

本发明的打靶系统，通过plc系统结合各类传感器，可将实验环境的一致性大大提高，提高了实验结果的准确性。同时基于物联网的agv小车的加入会解决靶件在实验现场的运输作用，同时具备一定高程可调的运输托盘可以在一定程度上适应复杂地形。

总之，本发明解决了靶系统在狭长空间的准直及高精度定位功能，全面实现了拆换靶和精准复位等过程的自动化，能够充分应对可能出现的靶材料活化对于人工操作带来的不便，该装置的实现是对传统实验装置弊端的改革，具有很高的工程价值。

需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，各实施方式都可根据需要进行组合或删减，附图中并非所有部件都是必要设置，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。