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1、第19卷第8期强激光与粒子束Vol.19,No.82007年8月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug.,2007文章编号:100124322(2007)08213032053ICF靶支撑定位机器人系统研究111122孙立宁,刘彦武,曲东升,李长峰,冯斌,王礼权(1.哈尔滨工业大学机器人研究所,哈尔滨150080;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900)摘要:在对惯性约束核聚变(ICF)靶支撑定位功能分析的基础上,设计并制造了一套用于靶精密定位机器人系统,主要包括靶库机构、换靶机构、送靶机构和6自由度精密并联机器人机构,论述了各部分的工作原理和
2、组成。系统在末端采用并联机器人来实现对靶的精密定位,测试了靶场环境下系统的运动指标。测试结果显示:系统可在真空条件下实现对靶的精确定位、换靶、送靶工作,靶定位精度达到μm级,定位时间随精度的提高而延长。关键词:ICF;靶;定位;并联;机器人中图分类号:TP242.3文献标识码:A在惯性约束核聚变(ICF)装置运行过程中,需要靶支撑定位装置将标准靶精确定位到真空靶室中心附近一个很小的范围内,建立靶室基准。靶的形状不同,被调整自由度也不同,要求靶支撑定位装置有多维精密调[1][2]整自由度。阮丽江等人设计了一套五自由度模拟靶定位工件台,共有4个精密小行程平动自由度和1个[3]转动自由度。Roche
3、ster大学LLE实验室研究了一种用于OMEGA装置的靶定位装置,具有3个精密小行程平动自由度,1个转动自由度,1个大范围平动自由度,还有2个可选的转动自由度模块。Livermore实验室[4](LLNL)研究了一种用于NIF装置的靶定位装置,共有3个平动自由度,2个回转自由度。这些靶支撑定位装置一般有5到7个自由度,结构都采用了串联式结构,这会造成运动过程中的误差逐级积累。本文设计的新型多自由度靶支撑定位装置,将并联结构引入靶支撑定位,用6自由度并联机器人实现靶的6维精密定位,避免了各自由度运动误差积累,同时具有运动部件质量轻、惯量小、刚度高的特点;设计了一套3自由度换靶机械手,一个带隔离舱
4、的1自由度旋转靶库,用于在真空条件下换靶,系统安装调试完成后,对系统进行了测试及实验。1靶支撑定位装置主要功能精密定位功能。在打靶之前,靶支撑定位装置需要将靶按照预定姿态定位在靶室中心附近。为了实现靶的全方位定位,靶支撑定位装置必须至少有6个自由度,即3个平动自由度,3个转动自由度,且各运动自由度相互独立,有足够的定位精度或运动分辨率,一般要求3维平动精度达到μm级,3维转动调整精度小于1mrad。由于每次装靶都存在一定的位置不确定性,同时靶的大小不一,为了适应各种靶型,靶支撑定位装置各自由度还需要达到一定运动范围。送靶功能。由于打靶是在一个封闭的真空靶室内实现,在实验过程中操作人员不能进入靶
5、室,将靶安装在靶支撑定位装置上,所以靶支撑定位装置必须有送靶功能,在实验前将靶送到靶室中心附近,实验完成后再将靶退出靶室。换靶功能。在打靶之前,需要对整个靶室抽取真空,当真空度到达一定值之后,才可以打靶。抽真空是一个缓慢过程,需要很长时间,因此如果一次只能装一个靶,那么打完后必须放掉真空,再装入下一发靶,重新抽取真空并进入新的打靶流程,这样系统的运行效率将很低。所以靶支撑装置应该有换靶功能,一次可装入多个靶,并可在不破坏真空条件下完成换靶。本系统用一套多自由度机器人系统实现了对靶的精密定位、送靶和换靶等功能。2系统设计2.1总体设计靶支撑定位机器人位于靶室赤道面上,通过法兰安装在真空靶室上,在
6、监测传感器配合下完成对靶的μm3收稿日期:2006209222;修订日期:2007205215基金项目:教育部机器人及机电一体化技术创新团队计划项目资助课题作者简介:孙立宁(1964—),男,教授,博士生导师,主要从事微操作机器人、并联机器人、机电一体化方面研究;lnsun@hit.edu.cn。1304强激光与粒子束第19卷级定位。靶支撑定位机器人和其它装置位置关系如图1所示,靶安装在6自由度精密并联机器人前端,传感器安装在靶支撑机器人对面。靶定位时装有标准靶或实验靶的6自由度精密并联机器人运动到靶室内部,由监测传感器通过CCD图像测量出靶的当前位姿,计算出位姿偏差,发送给控制系统,控制6自
7、由度精密并联机器人的运动,完成对靶位姿的闭环控制。经过多次调整,将靶定位到最终姿态,完成靶定位过程。打靶完成后,送靶机构将6自由度精密并联机器人退出靶室,在真空条件下换靶并进入下一个打靶流程。靶支撑机器人采用水平支撑方式,共有12个运动自由度。精密Fig.1Positionoftargetpositioningrobot图1靶支撑定位机器人位置关系定位功能由一套并联机器人完成,有6个定位自由度,可
