一种聚变堆用内窥机械臂结构设计

2018-11-01金翰扬崔小龙叶子安陈源源张善文

机械工程与自动化 2018年5期

金翰扬，崔小龙，叶子安，陈源源，丁翔，张善文

(扬州大学机械工程学院，江苏扬州 225127 )

0 引言

随着化石能源的日益消耗和环境污染的日益严重，我们已将目光投向了清洁环保的聚变能[1-2]。核聚变过程会产生穿透性较强的高能中子，进而造成核聚变装置内部一些零件无法正常工作，因此必须对装置中遭受破坏的零部件进行定期维护。由于装置D型环内部环境极端恶劣[3]，高温、高辐射、高真空，工作人员不能直接对损坏的零部件进行维护，所以需要采用机械臂对聚变堆内部进行检查和维护[4-5]。本文考虑到观察范围、工作稳定性和效率，设计了一种轨道式内窥机械臂，并对其结构和工作原理进行了介绍。

1 机械臂结构设计

该机械臂主要由轨道、小车和传动机构三大部分组成，其总体结构如图1所示。

1-底座；2-连接杆；3-大轨道；4-中轨道；5-小轨道；6-小车

1.1 轨道设计

如图1所示，轨道结构中包括底座1、连接杆2、大轨道3、中轨道4和小轨道5。底座1与连接杆2相连，用销将连接杆2的前端与大轨道3连接，在大轨道3中依次套入中轨道4和小轨道5。轨道采用对称结构，左右小轨道5对接处通过凹凸结构进行连接。

1.2 小车设计

图2为小车6的结构示意图。小车结构中包括滑动导轮组7、车身8、伸缩架9、伸缩杆10和摄像头11。具有对称结构的两个车身通过销将伸缩架夹在其中，伸缩架可绕车身旋转。滑动导轮组固定在车身下方，在电动机的驱动下可以使小车在轨道上逐级移动。蜗轮蜗杆将伸缩架与伸缩杆连接，并驱动伸缩杆上下移动。摄像头固定在伸缩杆顶端。

7-滑动导轮组；8-车身；9-伸缩架；10-伸缩杆；11-摄像头

1.3 传动设计

本设计采用2种传动方式：齿轮齿条传动和蜗轮蜗杆传动。中轨道相对于大轨道的运动、小轨道相对于中轨道的运动、小车相对于三个轨道的运动、伸缩架及其上的零部件相对于车身的转动均通过齿轮齿条传动实现。伸缩杆的伸缩运动通过蜗轮蜗杆传动实现。

2 机械臂工作过程

聚变堆环形腔体形状为圆环型，在外圆上设有多个窗口。内窥机械臂内部结构如图3所示，其具体工作过程如下：①小轨道5与中轨道4都移动到大轨道3内部，大轨道3与连接杆2保持直线状态,通过电机驱动16调整轨道长度，然后伸入窗口；②大轨道3伸入窗口后，通过电机驱动15调整与连接杆2的角度；③将中轨道4通过电机驱动14移出，然后将小轨道5移出，左右小轨道5对接处通过凹凸结构进行连接；④小车6通过三级电机驱动17实现其在每一级轨道上的自由移动。小车6上的伸缩架9通过电机驱动13实现自由旋转，伸缩杆10通过蜗轮蜗杆的电机驱动12上下移动。伸缩杆10头部安装的摄像头11通过轨道、小车、伸缩架和伸缩杆的协同作用，可以实现360°全方位观察。