CN104400276A - 一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构，包括运动在真空室内部轨道上基座、运动在基座的直线导轨上的多自由度的机械臂、能切换不同工具的前端执行器以及多种管路操作工具等，多自由度的机械臂与前端执行器连接，根据实际需求切换不同的管路操作工具，能够实现在遥操作控制下快速对真空室内部部件的管路实现切割、焊接等。本发明的机构通过直接送入真空室内部，有效地解决了目前真空室内部部件管道切割的低效率和高难度等问题。本发明的机构结构简单，机械臂短，能够快速切换不同的工具，快速运动到指定位置，效率高，稳定性好；且本发明不长时间占用真空室维护窗口，能够提高整个系统的维护效率。

Description

一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构

技术领域：

本发明涉及核聚变反应堆工程技术领域，特别涉及一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构，具体的说是为核聚变装置提供一种能够快速对内部部件的管路切割、焊接等操作的机构。

背景技术：

聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。可控磁约束核聚变作为自然科学研究中一个有重大意义的研究领域，其研究是实现聚变能商业化的必不可少的一步。ITER计划作为目前世界上大型的由主要大国合作的可控磁约束核聚变研究项目，其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性，并建立起核聚变实验堆。聚变堆真空室内部部件（包层、偏滤器等）作为聚变装置的核心部件，在运行时其工况复杂，易损坏，因此必须定期对内部部件进行维护。在真空室内部部件的维护之前，由于内部部件有许多管路（包层冷却管路、氚提取管路等），其数量可达数百之多，这些管路需要被切断（或焊接），以完成内部部件维护的准备工作。聚变反应会产生伽马射线、氚和活化的粉尘等，因此真空室内部部件管路的切焊操作必须是远程遥控完成。现有的这种管路遥操作设备均是由窗口直接伸入机械手，利用机械手来完成管路操作。这种机械手需要很长的机械臂才能运动到指定的地方，过长的机械臂带来了机械结构的稳定性控制、机械臂振动控制、机械臂前端负载能力低等高技术难题；同时由于管路操作需要多种工具（管径、管类型不同需要不同型号的工具），这种机械手必须要退出真空室才能切换切焊工具，这就使得管路操作十分复杂，消耗时间过多，增加了整个内部部件的维护时间，从而降低了堆运行的效率；而且管路操作时，机械手需要占用维护窗口，这对于维护窗口数量有限的聚变堆来说是不利的。针对这些问题，需要设计一种能快速进入真空室、快速执行管路操作、快速切换不同的工具、稳定简单、不占用维护窗口的机构来实现快速完成聚变堆真空室内部管路的操作，以解决目前机械手长机械臂稳定性控的技术难题，提高内部部件整体的维护效率，从而能有效提高整个聚变堆的运行效率。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构，能够在核聚变堆停堆后，进入真空室内部，运行在真空室内部的轨道上，对内部部件的管路进行快速地切割和焊接等操作，解决了现有机械手对内部部件管路的操作带来的低效率、控制难度高的技术难题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构, 包括有位于真空室内部的真空室环形轨道，所述真空室环形轨道上滚动配合有可环向运动的基座，所述基座上设置有直线导轨，直线导轨上滑动配合有可来回滑动的机械臂基座，机械臂基座上安装有多自由度的机械臂，所述机械臂的前端安装有前端执行器；所述直线导轨的后端固定有工具机构，工具机构包括有工具架基座，工具架基座上设置有多个工具存储盒，每个工具存储盒上分别安装有用于真空室内部管路切焊的管路操作工具，所述管路操作工具通过前端执行器控制运作。

一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构,其特征在于：所述前端执行器包括有执行器本体，所述执行器本体上设置有控制接口一、导向定位销、旋转锁紧机构和定位销，所述旋转锁紧机构包括有旋转锁紧电机和旋转锁紧杆，所述旋转锁紧杆固定在旋转锁紧电机的输出轴上；每个管路操作工具的背面均设有与控制接口一配合的控制接口二、与导向定位销配合的导向定位孔、与旋转锁紧机构配合的锁紧孔以及与定位销配合的定位孔。

一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构,其特征在于：所述基座包括有基座主体，基座主体底部安装有基座传动轮和多个与真空室环形轨道直接接触的滚轮组；真空室环形轨道的内侧壁上设有环向轨道齿条，所述基座传动轮与环形轨道齿条啮合传动；所述基座传动轮通过基座电机控制转动。

一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构,其特征在于：所述基座主体的底部设有凸台，所述基座传动轮安装于凸台部位；所述滚轮组上的滚轮分别位于真空室环形轨道的上表面上滚动。

一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构,其特征在于：所述基座顶面上位于直线导轨的一侧设有直线齿条；所述机械臂基座前部安装有机械臂驱动机构，机械臂驱动机构包括有通过驱动电机控制传动的传动齿轮组，传动齿轮组的输出齿轮与所述的直线齿条啮合传动。

所述基座上有一个直线导轨，直线导轨上设置有一个多自由度的机械臂，所述的多自由度机械臂包6个关节，具有7个自由度，能适应真空室内部的复杂空间环境；机械臂前端设置有能切换不同工具的前端执行器，直线导轨上设置有包括多种管路操作工具的工具机构，前端执行器在机械臂的作用下，通过锁紧机构的快速锁紧和解锁，能快速对管路工具进行对接锁紧和卸载，从而快速完成不同管路操作工具的切换。所述的管路操作工具包括管路切割和焊接工具（各自又分为外管工具和内管工具）。所述的前端执行器能够在直线导轨、多自由度机械臂、轨道基座的联合作用下被送达切管/焊管位置，已完成管路的切焊等操作。

本发明工作时，直接由真空室下部窗口送入到真空室内部的轨道上，通过遥控操作，基座能够快速运动到真空室内部指定部件的位置，通过调整多自由度的机械臂的姿态，能够使前端执行器所携带的管路工具运动到指定部件的管路操作位置，从而对管路进行操作。当管路操作工具需要切换时，前端执行器快速更换不同的管路工具，从而提高了管路操作的效率。

本发明的有益效果在于：

本发明能够快速进入到真空室内部对内部部件进行切割、焊接等操作，能够沿真空室内部轨道快速运动到指定内部部件附件，能够快速切换不同的操作工具，管路操作的效率得到大大提高。

本发明的结构简单，机械臂长度较现有方案相比大大缩短，提高了整个系统的可靠性和稳定性。

本发明的机构只需要通过窗口送入真空室内部轨道上，在维护时不长时间占用维护窗口，能够有效提高维护窗口的使用效率，从而能够提高整个维护流程的效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明机械臂驱动示意图。

图3为本发明的基座结构示意图。

图4（a）为本发明的基座与真空室环向轨道啮合示意图。

图4（b）为本发明的基座与真空室环向轨道啮合仰视图。

图5为前端执行器结构原理示意图。

图6为管路工具结构原理示意图。

图7为前端执行器与管路工具对接示意图。

图8为工具架结构示意图。

图9为本发明在真空室内部工作示意图。

具体实施方式：

一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构,包括有真空室环形轨道1，所述真空室环形轨道1上滚动配合有可环向运动的基座2，所述基座2的顶面上设置有直线导轨3，直线导轨3上滑动配合有可来回滑动的机械臂基座4，机械臂基座4上安装有多自由度的机械臂6，所述机械臂6的前端安装有前端执行器7；所述前端执行器7包括有执行器本体24，所述执行器本体24上设置有控制接口一19、导向定位销20、旋转锁紧机构和定位销，所述旋转锁紧机构包括有旋转锁紧电机21和旋转锁紧杆22，所述旋转锁紧杆22固定在旋转锁紧电机21的输出轴上；所述直线导轨3的后端固定有工具机构，工具机构包括有工具架基座9，工具架基座9上设置有工具存储盒31、33，工具存储盒31、33上分别安装有管路操作工具30、32；管路操作工具30、32的背面均设有与控制接口一19配合的控制接口二25、与导向定位销20配合的导向定位孔26、与旋转锁紧机构配合的锁紧孔27以及与定位销23配合的定位孔28。

基座2包括有基座主体17，基座主体17底部安装有基座传动轮16和多个与真空室环形轨道1直接接触的滚轮组14；真空室环形轨道的内侧壁上设有环向轨道齿条18，所述基座传动轮16与环形轨道齿条18啮合传动；所述基座传动轮16通过基座电机15控制转动。

基座主体17的底部设有凸台，所述基座传动轮16安装于凸台部位；所述滚轮组14上的滚轮分别位于真空室环形轨道1的上表面上滚动。

基座2顶面上位于直线导轨的一侧设有直线齿条13；所述机械臂基座前部安装有机械臂驱动机构5，机械臂驱动机构5包括有通过驱动电机控制传动的传动齿轮组11，传动齿轮组11的输出齿轮12与所述的直线齿条13啮合传动。

如图1所示。一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构，包括机构运行的真空室环形轨道1和机构的基座2；基座2上设置有直线导轨3，机械臂基座4，以及工具架基座9；直线导轨3通过螺栓固定在基座2上；机械臂基座4上设置有多自由度的机械臂6和前端执行器7，机械臂基座4是通过机械臂驱动装置5的驱动在直线导轨3上往复运动；工具架基座9上设置有多种管路工具8。

如图2所示。机械臂驱动装置5内设置有驱动电机10，传动齿轮组11，啮合齿轮12。基座2上设置有直线齿条13。驱动电机10通过传动齿轮组11控制啮合齿轮12与直线齿条13的啮合运动，从而实现驱动装置5在基座2上的运动。

如图3、图4(a)(b)所示。基座2底部包括与真空室环形轨道上的直接接触的多个滚轮组14，基座的动力系统15，传动齿轮16以及基座主体17。基座通过滚轮组14在真空室环形轨道1上滚动，并在动力系统驱动传动齿轮16与真空室环形轨道1上的齿条18相互啮合的作用下，实现本发明在真空室环形轨道1上的环向运动。

如图5、图6、图7所示。机械臂的前端执行器7包括控制接口一19，导向定位销20，旋转锁紧电机21，旋转锁紧杆22，定位销23和执行器本体结构24；控制接口一19可以和管路工具8上面的控制接口二25连接，实现对管路工具8上各机构进行控制；导向定位销20通过前端的锥形结构能够快速进行前端执行器7和管路工具8的导向定位孔26对接，并在旋转锁紧杆22对管路工具8进行连接锁紧后与定位销23和定位孔28配合实现限制前端执行器7与管路工具的相对转动。

如图8所示。工具架基座9上设置有多种管路操作工具30（32），放置管路操作工具的工具存储盒31（33），以及运行在直线导轨3上的工具架基座34。工具架基座9直接固定在直线导轨3上。

本发明中，机构的基座2包括本体结构13，多个滚动轮组14，动力系统15和传动齿轮16，基座2通过传动齿轮16与真空室环形轨道1上的齿条18的啮合运动来实现相对运动。基座2的作用是实现机构在真空室轨道1上的环向运动，将多自由度机械臂6和管路操作工具8转运到真空室内部的制定管路操作位置附近。

管路操作的主要机构包括多自由度机械臂6，机械臂基座4，机械臂驱动5，前端执行器7和管路操作工具8。机械臂基座4在机械臂驱动5的驱动下在基座2上的直线导轨3上实现往复运动，多自由度机械臂6能够在空间复杂的真空室内部进行姿态调整，从而能够达到各种位置的管路操作接口；

前端执行器7包括控制接口一19，导向定位销20，旋转锁紧电机21，旋转锁紧杆22，定位销23和执行器本体结构24。前端执行器7通过多自由度机械臂6的运动能够到达固定在直线导轨3上的工具架的对应管路操作工具8的位置，通过导向定位销20和导向销定位孔26的配合实现与管路操作工具8的对接，旋转锁紧电机21驱动旋转锁紧杆22旋转90度，实现锁紧杆22和管路工具上的锁紧结构27的锁定，从而实现前端执行器7和管路操作工具8的锁紧。

如图9所示。本发明工作时，在真空室38内部的环形轨道1上，本发明通过基座2下部的动力系统15和传动齿轮16与环形轨道1上的齿条18的啮合作用，运动到指定的内部部件35附近，多自由度机械臂6和机械臂基座4在机械臂驱动5的作用下实现姿态调整，前端执行器7装上对应的管路操作工具30（32），并运动到内部部件背板36下部的管路接头（操作位置）37处，实现对管路的切割或焊接的操作。需要切换操作工具时，机械臂6进行姿态调整，使得前端执行器7运动到工具架基座9的位置，并对管路操作工具32（30）进行切换。管路操作完成后，本发明机构在基座2的运动下离开操作位置37，从而完成了对真空室内部部件管路切焊的快速操作。

Claims (5)

1.一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构,其特征在于：包括有位于真空室内部的真空室环形轨道，所述真空室环形轨道上滚动配合有可环向运动的基座，所述基座上设置有直线导轨，直线导轨上滑动配合有可来回滑动的机械臂基座，机械臂基座上安装有多自由度的机械臂，所述机械臂的前端安装有前端执行器；所述直线导轨的后端固定有工具机构，工具机构包括有工具架基座，工具架基座上设置有多个工具存储盒，每个工具存储盒上分别安装有用于真空室内部管路切焊的管路操作工具，所述管路操作工具通过前端执行器控制运作。

2.根据权利要求1所述的一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构,其特征在于：所述前端执行器包括有执行器本体，所述执行器本体上设置有控制接口一、导向定位销、旋转锁紧机构和定位销，所述旋转锁紧机构包括有旋转锁紧电机和旋转锁紧杆，所述旋转锁紧杆固定在旋转锁紧电机的输出轴上；每个管路操作工具的背面均设有与控制接口一配合的控制接口二、与导向定位销配合的导向定位孔、与旋转锁紧机构配合的锁紧孔以及与定位销配合的定位孔。

3. 根据权利要求1所述的一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构,其特征在于：所述基座包括有基座主体，基座主体底部安装有基座传动轮和多个与真空室环形轨道直接接触的滚轮组；真空室环形轨道的内侧壁上设有环向轨道齿条，所述基座传动轮与环形轨道齿条啮合传动；所述基座传动轮通过基座电机控制转动。

4.根据权利要求3所述的一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构,其特征在于：所述基座主体的底部设有凸台，所述基座传动轮安装于凸台部位；所述滚轮组上的滚轮分别位于真空室环形轨道的上表面上滚动。

5.根据权利要求1所述的一种用于核聚变装置真空室内部管路遥操作切焊的机构,其特征在于：所述基座顶面上位于直线导轨的一侧设有直线齿条；所述机械臂基座前部安装有机械臂驱动机构，机械臂驱动机构包括有通过驱动电机控制传动的传动齿轮组，传动齿轮组的输出齿轮与所述的直线齿条啮合传动。