面向托卡马克环形腔维护任务的机械臂关键技术研究

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托卡马克是一种受控核聚变技术研究装置,其利用磁约束原理将高温等离子体聚集在装置内部超高真空状态的环形腔结构中进行聚变反应相关的研究实验。其中,托卡马克环形腔内侧的第一壁结构在研究实验中高温等离子体放电过程的不断冲击作用下可能发生损坏现象,这对于研究实验的顺利进行乃至整个托卡马克实验系统的安全都是严重威胁。因此,有必要定期在腔内高温等离子体放电实验的间歇期内对环形腔第一壁结构的完整性进行全方位快速检查,在不破坏腔内原有实验环境状态的前提下完成环形腔内部结构的维护工作,保证高温等离子体研究实验的安全、顺利进行。本文在已有腔内作业机械臂方案基础上,针对“先进实验超导托卡马克”腔内超大环形作业空间的第一壁维护工作需求提出了一种基于自铺轨道原理的弧形伸缩大臂结构机械臂解决方案。机械臂主要由进腔平台、套筒式弧形伸缩大臂、平面小臂以及末端执行器等四个部分组成,具有托卡马克环形腔狭窄操作窗口的进腔能力、腔内超大环形作业空间的覆盖能力以及腔内D形作业截面复杂几何约束条件的适应能力。加工制造了机械臂原型样机并在托卡马克真实比例模型腔中进行了模拟腔内超大环形作业空间完整维护作业过程的验证实验。针对机械臂原型样机腔内作业过程中遇到的弧形伸缩大臂结构变形问题,确立了机械臂结构柔性变形和套筒式伸缩臂关节间隙两种主要变形来源,分别使用有限元分析法和含间隙关节误差模型法研究了机械臂作业过程中弧形伸缩大臂结构末端位置的两种变形结果。通过机械臂原型样机的实际测试实验验证了机械臂变形分析的有效性,并针对机械臂变形引起的弧形伸缩大臂结构末端位置竖直方向偏移提出了一种基于离线位姿误差数据的补偿方法。针对机械臂腔内综合极端环境因素中高温因素的适应需求,分析了机械臂高温环境作业过程中可能受到的具体影响以及机械臂内部热量传递情况,为腔内作业机械臂提出了一种以主动循环冷却系统为核心的高温环境适应方案。在机械臂原型样机上进行了模拟腔内高温环境作业过程的测试实验,验证了机械臂主动循环冷却系统设计的有效性,并利用测试实验中循环冷却系统的反馈数据建立了机械臂高温环境作业过程的热量传递模型。针对机械臂腔内综合极端环境因素的全面适应需求,以独立关节模块为研究载体,分析了真空、高温、辐射三种主要极端环境因素对于机器人关节正常运行的具体影响,提出了以弹性金属波纹管结构包裹转动关节的腔内综合极端环境适应方案。加工制造了关节模块原型样机并对其进行了三种极端环境因素下的测试实验,验证了关节模块极端环境因素防护设计的有效性以及弹性金属波纹管结构包裹转动关节运动方式的可行性。
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