面向托卡马克环形腔维护任务的机械臂关键技术研究
发布时间：2021-08-09 02:44
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...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
托卡马克环形腔内部和腔内作业机械臂系统
上海交通大学博士学位论文—2—所示），一方面可能会给实验过程中的等离子体带来杂质污染影响而导致等离子体熄灭，另一方面可能会导致环形腔外侧更大范围的托卡马克结构损伤，破坏托卡马克装置的完整性甚至引起更严重的安全事故。因此，有必要定期对环形腔内部第一壁结构进行全面检查维护以确保其完整性，从而保证腔内等离子体实验过程的顺利进行乃至整个托卡马克实验装置的安全[8,9]。图1-2托卡马克真空腔第一壁砖块损坏图例[10]Fig.1-2Thetokamakvacuumvesselfirstwalldamageexamples然而，托卡马克环形腔结构中的等离子体放电研究实验需要在超高洁净度的真空环境下进行，这种腔内状态的达到和维持都需要非常高昂的成本。将环形腔内部环境恢复到常温常压的普通环境状态以进行检查维护工作、之后再调整到实验需要的超高洁净度真空环境状态可能需要3-6个月时间之久[11,12]。此外，等离子体放电过程中产生的中子会对环形腔壁面材料引起活化效性，导致腔内环境长时间处于危险的残留辐射状态，整个辐射消退过程可达数月之久。考虑到托卡马克装置的整体复杂程度，在等离子体放电实验研究实际进行过程中通过开腔方法，在常温、常压、无辐射状态来进行第一壁结构的人工维护作业，将会严重阻碍其中开展的等离子体放电实验研究进程。因此，期望在不开腔的状态下、在环形腔内部等离子体放电研究实验的间歇期内直接完成对于第一壁结构的完整性检查以及进一步的维护操作，比如取样、拆卸、装配、搬运等——此时环形腔内部将会处于一种具有高温、高真空、强核辐射条件的综合极端环境。一种能够通过托卡马克装置内部复杂结构空间快速部署到环形腔内部，能够适应环形腔内部综合极端工作环境且不会影响到腔内原有的超高洁净度真空状态，在等离子体放电实?
第一章绪论—3—机械臂（如图1-3所示），将极大的提升托卡马克实验装置的实际运行效率、降低维护成本。图1-3腔内检查机械臂案例：常规环境（左）和真空环境（右）[13]Fig.1-3In-vesselinspectionmanipulatorexmaple:airstate(left)andvacuumstate(right)本文为解决托卡马克环形腔内部极端环境下的第一壁结构维护任务需求，提出了一种基于自铺轨道原理的弧形伸缩大臂结构腔内作业机械臂方案，并完成了原型样机的设计和制造。采用原型样机进行了托卡马克环形腔作业模拟实验，机械臂作业过程大臂结构变形研究，以及机械臂整机高温环境适应性研究。针对机械臂腔内综合极端环境作业的关节驱动需求，采用弹性金属波纹管结构包裹转动关节核心伺服驱动元器件的方式实现了对于腔内综合极端环境因素的主动防护设计，现场实验测试结果表明了防护方案的有效性和可靠性。1.2课题来源本课题的研究开展得到了以下项目的资助和支持：（1）科技部国际热核聚变实验堆（ITER）计划专项——托卡马克遥操作柔性内窥机械臂的研究，课题编号：2012GB102001；（2）国家自然科学基金项目，面向托卡马克腔内维护作业的自铺轨道式机械臂宏动平台刚度优化及动态构型控制，课题编号：51275286；（3）国家自然科学基金项目，飞机复合材料装配中协调形变与内应力耦合作用机理和工艺控制研究，课题编号：51775350。1.3国内外研究现状核聚变是一种清洁的可再生能源利用形式，将有望替代核裂变反应堆以解决目前核能利用过程中的潜在核污染危害[14-16]。目前人类在受控核聚变技术上的研究依
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国空调与热泵的能效和标准现状与分析[J]. 王派,李敏霞,马一太,王飞波. 制冷学报. 2018(03)
[2]提高机器人结构刚度及关节精度的方法[J]. 房立金,孙龙飞,许继谦. 航空制造技术. 2018(04)
[3]基于机械关节反馈的机器人精度补偿技术[J]. 刘双龙,田威,何晓煦,谭红,廖文和,张霖. 航空制造技术. 2018(04)
[4]空间机械臂间隙影响分析[J]. 张玉翠,刘峰,张晖辉. 空间控制技术与应用. 2017(06)
[5]耀起东方——记世界上首个全超导托卡马克（EAST）东方超环装置[J]. 涂兴佩. 中国科技奖励. 2017(08)
[6]典型γ辐射剂量计算方法[J]. 甘业福. 科技创新与应用. 2017(21)
[7]钴源辐照室防护屏蔽计算方法的比较研究[J]. 李春松,姜文华,廖爱莲. 辐射研究与辐射工艺学报. 2017(03)
[8]EAST真空室内巡视系统的真空性能研究分析[J]. 徐烈志,姚达毛,周自波,曹磊,余耀伟,杜亮,EAST团队. 核聚变与等离子体物理. 2017(02)
[9]柔性机械臂动力学建模理论与实验研究进展[J]. 谷勇霞,张玉玲,赵杰亮,阎绍泽. 中国机械工程. 2016(12)
[10]机械臂D-H参数和减速比几何标定及误差补偿[J]. 刘辉,李斌,张国伟,梁志达,常健. 计算机测量与控制. 2016(01)
博士论文
[1]面向EAST第一壁石墨瓦快速更换的遥操作机器人柔顺控制系统研究[D]. 潘洪涛.中国科学技术大学 2017
[2]EAST托卡马克的破裂数据分析研究[D]. 王勃.中国科学技术大学 2016
[3]适用于核聚变反应舱的多关节机械臂关键技术研究[D]. 武遵.中国科学技术大学 2016
[4]EAST红外可见集成诊断系统建立及其实验研究[D]. 仰振东.东华大学 2016
[5]HT-7U超导托卡马克氦制冷系统热力学分析及设计研究[D]. 白红宇.中国科学院研究生院（等离子体物理研究所） 2002
硕士论文
[1]60Co-γ辐照装置源排列和剂量场的模拟计算与测量[D]. 唐辉.成都理工大学 2016
[2]玻璃纤维织物热传递的数值模拟研究[D]. 张玉双.天津工业大学 2016
[3]面向托卡马克的维护机械臂作业研究[D]. 郁万涛.哈尔滨工业大学 2015
[4]高热流器件真空散热措施研究[D]. 贾京.北京工业大学 2014
[5]高温机械臂冷却技术的研究[D]. 李法设.上海交通大学 2014
[6]轻型柔性机械臂的误差分析与辨识[D]. 伍小凯.大连理工大学 2013
[7]面向托卡马克腔第一壁维护的遥操作机械臂机构设计及分析[D]. 何强.上海交通大学 2013
[8]真空环境下专用操作机械手的设计研究[D]. 孟东东.重庆大学 2012
[9]适于太空环境的驱动装置的研制[D]. 王延超.北京交通大学 2011
[10]套筒式伸展臂的设计与分析[D]. 钟博文.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3331202
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
托卡马克环形腔内部和腔内作业机械臂系统
上海交通大学博士学位论文—2—所示），一方面可能会给实验过程中的等离子体带来杂质污染影响而导致等离子体熄灭，另一方面可能会导致环形腔外侧更大范围的托卡马克结构损伤，破坏托卡马克装置的完整性甚至引起更严重的安全事故。因此，有必要定期对环形腔内部第一壁结构进行全面检查维护以确保其完整性，从而保证腔内等离子体实验过程的顺利进行乃至整个托卡马克实验装置的安全[8,9]。图1-2托卡马克真空腔第一壁砖块损坏图例[10]Fig.1-2Thetokamakvacuumvesselfirstwalldamageexamples然而，托卡马克环形腔结构中的等离子体放电研究实验需要在超高洁净度的真空环境下进行，这种腔内状态的达到和维持都需要非常高昂的成本。将环形腔内部环境恢复到常温常压的普通环境状态以进行检查维护工作、之后再调整到实验需要的超高洁净度真空环境状态可能需要3-6个月时间之久[11,12]。此外，等离子体放电过程中产生的中子会对环形腔壁面材料引起活化效性，导致腔内环境长时间处于危险的残留辐射状态，整个辐射消退过程可达数月之久。考虑到托卡马克装置的整体复杂程度，在等离子体放电实验研究实际进行过程中通过开腔方法，在常温、常压、无辐射状态来进行第一壁结构的人工维护作业，将会严重阻碍其中开展的等离子体放电实验研究进程。因此，期望在不开腔的状态下、在环形腔内部等离子体放电研究实验的间歇期内直接完成对于第一壁结构的完整性检查以及进一步的维护操作，比如取样、拆卸、装配、搬运等——此时环形腔内部将会处于一种具有高温、高真空、强核辐射条件的综合极端环境。一种能够通过托卡马克装置内部复杂结构空间快速部署到环形腔内部，能够适应环形腔内部综合极端工作环境且不会影响到腔内原有的超高洁净度真空状态，在等离子体放电实?
第一章绪论—3—机械臂（如图1-3所示），将极大的提升托卡马克实验装置的实际运行效率、降低维护成本。图1-3腔内检查机械臂案例：常规环境（左）和真空环境（右）[13]Fig.1-3In-vesselinspectionmanipulatorexmaple:airstate(left)andvacuumstate(right)本文为解决托卡马克环形腔内部极端环境下的第一壁结构维护任务需求，提出了一种基于自铺轨道原理的弧形伸缩大臂结构腔内作业机械臂方案，并完成了原型样机的设计和制造。采用原型样机进行了托卡马克环形腔作业模拟实验，机械臂作业过程大臂结构变形研究，以及机械臂整机高温环境适应性研究。针对机械臂腔内综合极端环境作业的关节驱动需求，采用弹性金属波纹管结构包裹转动关节核心伺服驱动元器件的方式实现了对于腔内综合极端环境因素的主动防护设计，现场实验测试结果表明了防护方案的有效性和可靠性。1.2课题来源本课题的研究开展得到了以下项目的资助和支持：（1）科技部国际热核聚变实验堆（ITER）计划专项——托卡马克遥操作柔性内窥机械臂的研究，课题编号：2012GB102001；（2）国家自然科学基金项目，面向托卡马克腔内维护作业的自铺轨道式机械臂宏动平台刚度优化及动态构型控制，课题编号：51275286；（3）国家自然科学基金项目，飞机复合材料装配中协调形变与内应力耦合作用机理和工艺控制研究，课题编号：51775350。1.3国内外研究现状核聚变是一种清洁的可再生能源利用形式，将有望替代核裂变反应堆以解决目前核能利用过程中的潜在核污染危害[14-16]。目前人类在受控核聚变技术上的研究依
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国空调与热泵的能效和标准现状与分析[J]. 王派,李敏霞,马一太,王飞波. 制冷学报. 2018(03)
[2]提高机器人结构刚度及关节精度的方法[J]. 房立金,孙龙飞,许继谦. 航空制造技术. 2018(04)
[3]基于机械关节反馈的机器人精度补偿技术[J]. 刘双龙,田威,何晓煦,谭红,廖文和,张霖. 航空制造技术. 2018(04)
[4]空间机械臂间隙影响分析[J]. 张玉翠,刘峰,张晖辉. 空间控制技术与应用. 2017(06)
[5]耀起东方——记世界上首个全超导托卡马克（EAST）东方超环装置[J]. 涂兴佩. 中国科技奖励. 2017(08)
[6]典型γ辐射剂量计算方法[J]. 甘业福. 科技创新与应用. 2017(21)
[7]钴源辐照室防护屏蔽计算方法的比较研究[J]. 李春松,姜文华,廖爱莲. 辐射研究与辐射工艺学报. 2017(03)
[8]EAST真空室内巡视系统的真空性能研究分析[J]. 徐烈志,姚达毛,周自波,曹磊,余耀伟,杜亮,EAST团队. 核聚变与等离子体物理. 2017(02)
[9]柔性机械臂动力学建模理论与实验研究进展[J]. 谷勇霞,张玉玲,赵杰亮,阎绍泽. 中国机械工程. 2016(12)
[10]机械臂D-H参数和减速比几何标定及误差补偿[J]. 刘辉,李斌,张国伟,梁志达,常健. 计算机测量与控制. 2016(01)
博士论文
[1]面向EAST第一壁石墨瓦快速更换的遥操作机器人柔顺控制系统研究[D]. 潘洪涛.中国科学技术大学 2017
[2]EAST托卡马克的破裂数据分析研究[D]. 王勃.中国科学技术大学 2016
[3]适用于核聚变反应舱的多关节机械臂关键技术研究[D]. 武遵.中国科学技术大学 2016
[4]EAST红外可见集成诊断系统建立及其实验研究[D]. 仰振东.东华大学 2016
[5]HT-7U超导托卡马克氦制冷系统热力学分析及设计研究[D]. 白红宇.中国科学院研究生院（等离子体物理研究所） 2002
硕士论文
[1]60Co-γ辐照装置源排列和剂量场的模拟计算与测量[D]. 唐辉.成都理工大学 2016
[2]玻璃纤维织物热传递的数值模拟研究[D]. 张玉双.天津工业大学 2016
[3]面向托卡马克的维护机械臂作业研究[D]. 郁万涛.哈尔滨工业大学 2015
[4]高热流器件真空散热措施研究[D]. 贾京.北京工业大学 2014
[5]高温机械臂冷却技术的研究[D]. 李法设.上海交通大学 2014
[6]轻型柔性机械臂的误差分析与辨识[D]. 伍小凯.大连理工大学 2013
[7]面向托卡马克腔第一壁维护的遥操作机械臂机构设计及分析[D]. 何强.上海交通大学 2013
[8]真空环境下专用操作机械手的设计研究[D]. 孟东东.重庆大学 2012
[9]适于太空环境的驱动装置的研制[D]. 王延超.北京交通大学 2011
[10]套筒式伸展臂的设计与分析[D]. 钟博文.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3331202
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