一種用于高真空、核聚變環(huán)境下的機(jī)械臂偏航驅(qū)動(dòng)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核輻射環(huán)境下遙操作機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)計(jì)一種用于高真空、核聚變環(huán)境下的機(jī)械臂偏航驅(qū)動(dòng)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]EAST是我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，聚變反應(yīng)主要發(fā)生在EAST的環(huán)狀真空室內(nèi)部。隨著裝置運(yùn)行參數(shù)的不斷提升，在裝置運(yùn)行期間，真空室內(nèi)壁長(zhǎng)期處于高溫高真空的復(fù)雜環(huán)境中，很容易發(fā)生損傷。研究用于托克馬克真空環(huán)境中的維護(hù)機(jī)器人成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，要求機(jī)器人能夠在高真空(16)Pa和耐150°C環(huán)境下工作，同時(shí)伴隨著核聚變環(huán)境下的劇烈輻射，這些因素都是制約機(jī)器人工作的不利因素。
[0003]傳統(tǒng)的維護(hù)技術(shù)是打開(kāi)EAST真空室，由維修人員穿戴防護(hù)服進(jìn)入托克馬克真空室內(nèi)部進(jìn)行人工維護(hù)。這一方面影響修復(fù)的效率，降低了寶貴了實(shí)驗(yàn)有效運(yùn)行時(shí)間，以EAST上的經(jīng)驗(yàn)為例，即使是少量的更換維護(hù)，從打開(kāi)真空室到最終恢復(fù)到原實(shí)驗(yàn)所要求的超高真空狀態(tài)，一般至少要花費(fèi)10天時(shí)間；另一方面，真空室內(nèi)部惡劣的工作條件，例如高溫，有毒物質(zhì)污染，輻射等諸多不利因數(shù)對(duì)工人的生命和安全造成嚴(yán)重威脅。因此目前在維護(hù)EAST裝置的過(guò)程中，為防止上述污染輻射危害操作人員的健康，操作人員不準(zhǔn)靠近現(xiàn)場(chǎng)，操作也受到影響?；谏鲜鲈?，對(duì)EAST真空室內(nèi)部部件進(jìn)行裝配、維護(hù)等操作的時(shí)候，需要借助一種遙控的機(jī)械手來(lái)協(xié)助完成，同是能夠?qū)φ婵帐覂?nèi)壁進(jìn)行近距離觀測(cè)。
[0004]研究多關(guān)節(jié)柔性機(jī)械臂成為未來(lái)聚變裝置內(nèi)部維護(hù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)于托卡馬克真空室的高溫高真空并且?guī)缀慰臻g有限等環(huán)境特點(diǎn)，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和維護(hù)的多關(guān)節(jié)柔性機(jī)械臂需要滿足重量輕，靈活性好，工作范圍大，徑向尺寸小，前端可達(dá)目標(biāo)范圍足夠等要求。
[0005]國(guó)內(nèi)對(duì)核環(huán)境中的維護(hù)機(jī)械臂研究起步較晚，大多數(shù)研究成果僅僅停留在概念設(shè)計(jì)或者實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，真正能在核環(huán)境下工作的機(jī)器人寥寥無(wú)幾。例如上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研發(fā)大型冗余度機(jī)械臂，主要用于石油化工，核電站內(nèi)部維護(hù)作業(yè)，該機(jī)械臂展開(kāi)長(zhǎng)度4.4m，共有7個(gè)自由度，開(kāi)發(fā)了冗余自由度，使其工作范圍比較大，一次性最大可以抓去30kg的重物；中國(guó)科學(xué)院成都光機(jī)所研發(fā)并制造出的核電站水下機(jī)器人，主要用于核電站停堆大修期間關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的監(jiān)測(cè)及維護(hù)。這兩種機(jī)器人的研制和應(yīng)用為我國(guó)開(kāi)展聚變堆遙操作維護(hù)研究工作奠定了重要的基礎(chǔ)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)這些機(jī)械臂很難滿足類似于托卡馬克聚變堆中的長(zhǎng)懸臂(總長(zhǎng)度8m以上)、多自由度(自由度6-10個(gè))，高真空(10 6)和徑向尺寸限制(直徑160_以下)的工作要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)一種用于高真空、核聚變環(huán)境下的機(jī)械臂偏航驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置的主要特點(diǎn)是各個(gè)部件之間連接緊湊，徑向尺寸小，可以更好的滿足EAST真空室惡劣環(huán)境(高真空、核環(huán)境和工作范圍狹小)下的工作需求，為后續(xù)EAST真空室的維護(hù)工作提供了保障。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種用于高真空、核聚變環(huán)境下的機(jī)械臂偏航驅(qū)動(dòng)裝置，包括有U形夾接頭一、滑輪、U形夾接頭二、偏航驅(qū)動(dòng)盒、U形夾連接軸、機(jī)械臂筒體，機(jī)械臂筒體與U形夾接頭一固定連接，偏航驅(qū)動(dòng)盒與U形夾接頭二固定連接，U形夾接頭一與U形夾接頭二之間用U形夾連接軸連接，U形夾連接軸上面裝有滑輪，滑輪固定在U形夾接頭二上，偏航驅(qū)動(dòng)盒與滑輪之間通過(guò)鋼絲繩一、二連接；偏航驅(qū)動(dòng)盒通過(guò)驅(qū)動(dòng)兩根運(yùn)動(dòng)方向不同的鋼絲繩一、二帶動(dòng)與U形夾接頭一相連的機(jī)械臂筒體進(jìn)行偏航運(yùn)行。
[0008]所述的一種用于高真空、核聚變環(huán)境下的機(jī)械臂偏航驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于:所述的U形夾接頭一、滑輪、U形夾接頭二、偏航驅(qū)動(dòng)盒、U形夾連接軸、機(jī)械臂筒體均采用鈦合金TC4加工制造。
[0009]所述的一種用于高真空、核聚變環(huán)境下的機(jī)械臂偏航驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于:所述的偏航驅(qū)動(dòng)盒包括有外殼，外殼的一端設(shè)有密封固定板，外殼的另一端設(shè)有前、后固定板，外殼的內(nèi)部對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)滾柱絲杠導(dǎo)槽，兩個(gè)滾柱絲杠導(dǎo)槽的兩端分別與密封固定板、前固定板固定連接，密封固定板的外側(cè)設(shè)有兩個(gè)鋼絲繩導(dǎo)槽，兩個(gè)鋼絲繩導(dǎo)槽分別與兩個(gè)滾柱絲杠導(dǎo)槽相通，兩個(gè)滾柱絲杠導(dǎo)槽中分別設(shè)有左、右旋滾柱絲杠，左、右旋滾柱絲杠上分別旋合有左、右旋絲杠螺母；兩個(gè)滾柱絲杠導(dǎo)槽之間設(shè)有電機(jī)以及與電機(jī)相連接的電機(jī)剎車、減速器，減速器固定在減速器安裝法蘭上，減速器安裝法蘭固定在前固定板上，前、后固定板之間固定安裝有齒輪一 23，齒輪一的兩端安裝在前、后固定板的內(nèi)孔中，所述內(nèi)孔中裝有一對(duì)深溝球軸承一 37，減速器插在齒輪一的內(nèi)孔中；齒輪一的兩邊分別與齒輪二、三20、26嚙合，齒輪二、三的內(nèi)孔中分別開(kāi)有鍵槽并通過(guò)鍵與左、右旋絲杠螺母連接，齒輪二、三的兩端安裝在前、后固定板的內(nèi)孔中，所述內(nèi)孔中裝有深溝球軸承二 35 ;左、右旋絲杠螺母的兩端分別安裝有一個(gè)推力滾針軸承34 ;左、右旋滾柱絲杠22、24 —端分別通過(guò)銷軸18與一個(gè)滑塊33、39連接，兩滑塊33、39另一端分別連接有一個(gè)鋼絲繩接頭32，滑塊33、39分別與密封固定板11之間焊接有波紋管16實(shí)現(xiàn)滾柱絲杠的動(dòng)密封；銷軸18伸出端裝有深溝球軸承三17，深溝球軸承三17外殼安裝在滾柱絲杠導(dǎo)槽15內(nèi)，兩鋼絲繩接頭分別與鋼絲繩一、二連接，鋼絲繩一、二分別貫穿滾柱絲杠導(dǎo)槽、鋼絲繩導(dǎo)槽與滑輪連接。
[0010]所述的一種用于高真空、核聚變環(huán)境下的機(jī)械臂偏航驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于:所述的U形夾接頭一和U形夾接頭二的頂端分別設(shè)有兩個(gè)軸孔，U形夾接頭一、二的軸孔43、44中分別裝有一對(duì)向心滾針軸承和推力滾針軸承，U形夾接頭一^^在U形夾接頭二上且對(duì)應(yīng)的四個(gè)軸孔同軸，U形夾連接軸插在U形夾接頭一、二的軸孔中，U形夾接頭一可繞U形夾連接軸5旋轉(zhuǎn)，偏航驅(qū)動(dòng)盒4驅(qū)動(dòng)鋼絲繩12、13 一進(jìn)一退，從而使滑輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，由于滑輪2與U形夾接頭3固定在一起，進(jìn)而推動(dòng)U形夾接頭3偏航運(yùn)動(dòng)。
[0011]本發(fā)明的工作原理是:
(I)電機(jī)為直流無(wú)刷伺服電機(jī)，通過(guò)減速器進(jìn)行力矩輸出，減速機(jī)通過(guò)減速器安裝法蘭用螺釘直接安裝在偏航驅(qū)動(dòng)盒的前固定板上。
[0012](2)齒輪一為主動(dòng)齒輪、齒輪二、三為兩個(gè)被動(dòng)齒輪，各個(gè)齒輪統(tǒng)一與其傳動(dòng)軸做成空心齒輪軸，其中兩個(gè)被動(dòng)齒輪參數(shù)完全相同，同時(shí)兩個(gè)滾柱絲杠參數(shù)也完全相同，但旋向相反。所述的主動(dòng)齒輪連接到減速器輸出軸上，主動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)直接傳遞到兩個(gè)被動(dòng)齒輪。被動(dòng)齒輪通過(guò)平鍵和兩個(gè)滾柱絲杠螺母直接相連，由螺母驅(qū)動(dòng)其相配套的滾柱絲杠運(yùn)動(dòng)，其中一個(gè)滾柱絲杠伸長(zhǎng)，另外一個(gè)絲杠以相同的速度進(jìn)行縮短。由兩個(gè)滾柱絲杠的相反運(yùn)動(dòng)通過(guò)末端滑塊帶動(dòng)鋼絲繩一伸一縮，完成機(jī)械臂偏航運(yùn)動(dòng)。
[0013](3)兩滑塊上均設(shè)有一個(gè)銷軸，銷軸末端裝有深溝球軸承，深溝球軸承外殼直接與滾柱絲杠導(dǎo)槽接觸，而滾柱絲杠導(dǎo)槽焊接在偏航驅(qū)動(dòng)盒的密封固定板和前固定板之間。銷軸一方面可以防止絲杠在摩擦力作用下旋轉(zhuǎn)，另一方面可以做為絲杠運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向裝置。
[0014](4)所述的兩個(gè)U形夾接頭分別焊接在機(jī)械臂筒體和偏航驅(qū)動(dòng)盒上，U形夾接頭的末端部開(kāi)有軸孔，軸孔中分別裝有向心滾針軸承和推力滾針軸承，軸承內(nèi)孔中間插有一個(gè)銷軸，使其中一個(gè)U形夾接頭能繞著銷軸偏航轉(zhuǎn)動(dòng)。銷軸的最外面還有一個(gè)套筒軸，用于安裝固定繩索的導(dǎo)線輪，套筒軸上端安裝在U形夾接頭的軸孔中，兩條鋼絲繩索端分別固定在滑輪線槽里，而整個(gè)滑輪又通過(guò)螺釘固定在其中的一個(gè)U形夾接頭內(nèi)部的一個(gè)凸臺(tái)上。當(dāng)一條鋼絲繩在滾柱絲杠的作用力下伸長(zhǎng)，另外一條鋼絲繩相應(yīng)的縮短，從而帶動(dòng)U形夾接頭偏航運(yùn)動(dòng)。
[0015]本發(fā)明中密封驅(qū)動(dòng)裝置極限運(yùn)行環(huán)境:100°C，10 6Pa的真空核聚變環(huán)境下。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明的可以更好的保證核聚變環(huán)境下機(jī)械臂穩(wěn)定可靠工作，保證在不破壞托克馬克真空環(huán)境條件下，機(jī)械臂可以更好的完成其真空室部件的維護(hù)工作；機(jī)械臂偏航驅(qū)動(dòng)密封裝置通過(guò)內(nèi)部合理緊湊的空間布置，解決了機(jī)械臂在狹小空間運(yùn)動(dòng)，且要求運(yùn)動(dòng)范圍大的難題；密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將其工作環(huán)境與外部的真空環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)，有效的保證托克馬克真空室不受污染。
[0017]
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖2為本發(fā)明所述的俯仰驅(qū)動(dòng)盒外觀軸測(cè)圖。
[0020]圖3為本發(fā)明所述的俯仰驅(qū)動(dòng)盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖4為本發(fā)明所述的俯仰驅(qū)動(dòng)盒剖視圖。
[0022]圖5為本發(fā)明U形夾接頭一的結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖6為本發(fā)明U形夾接頭二的結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖中標(biāo)號(hào):U形夾接頭1、滑輪2、U形夾接頭3、偏航驅(qū)動(dòng)盒4、U形夾連接軸5、機(jī)械臂筒體6、外殼10、密封固定板11、鋼絲繩12、鋼絲繩13、鋼絲繩導(dǎo)槽14、滾柱絲杠導(dǎo)槽15、波紋管16、深溝球軸承17、銷軸18、前固定板19、齒輪20、后固定板21、左旋滾柱絲杠22、齒輪23、右旋滾柱絲杠24、連接螺栓25、齒