一種聚變堆用內窺機械臂結構設計

金翰揚，崔小龍，葉子安，陳源源，丁 翔，張善文

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127 )

0 引言

隨著化石能源的日益消耗和環境污染的日益嚴重，我們已將目光投向了清潔環保的聚變能[1-2]。核聚變過程會產生穿透性較強的高能中子，進而造成核聚變裝置內部一些零件無法正常工作，因此必須對裝置中遭受破壞的零部件進行定期維護。由于裝置D型環內部環境極端惡劣[3]，高溫、高輻射、高真空，工作人員不能直接對損壞的零部件進行維護，所以需要采用機械臂對聚變堆內部進行檢查和維護[4-5]。本文考慮到觀察范圍、工作穩定性和效率，設計了一種軌道式內窺機械臂，并對其結構和工作原理進行了介紹。

1 機械臂結構設計

該機械臂主要由軌道、小車和傳動機構三大部分組成，其總體結構如圖1所示。

1-底座；2-連接桿；3-大軌道；4-中軌道；5-小軌道；6-小車

1.1 軌道設計

如圖1所示，軌道結構中包括底座1、連接桿2、大軌道3、中軌道4和小軌道5。底座1與連接桿2相連，用銷將連接桿2的前端與大軌道3連接，在大軌道3中依次套入中軌道4和小軌道5。軌道采用對稱結構，左右小軌道5對接處通過凹凸結構進行連接。

1.2 小車設計

圖2為小車6的結構示意圖。小車結構中包括滑動導輪組7、車身8、伸縮架9、伸縮桿10和攝像頭11。具有對稱結構的兩個車身通過銷將伸縮架夾在其中，伸縮架可繞車身旋轉?；瑒訉л喗M固定在車身下方，在電動機的驅動下可以使小車在軌道上逐級移動。蝸輪蝸桿將伸縮架與伸縮桿連接，并驅動伸縮桿上下移動。攝像頭固定在伸縮桿頂端。

7-滑動導輪組；8-車身；9-伸縮架；10-伸縮桿；11-攝像頭

1.3 傳動設計

本設計采用2種傳動方式：齒輪齒條傳動和蝸輪蝸桿傳動。中軌道相對于大軌道的運動、小軌道相對于中軌道的運動、小車相對于三個軌道的運動、伸縮架及其上的零部件相對于車身的轉動均通過齒輪齒條傳動實現。伸縮桿的伸縮運動通過蝸輪蝸桿傳動實現。

2 機械臂工作過程

聚變堆環形腔體形狀為圓環型，在外圓上設有多個窗口。內窺機械臂內部結構如圖3所示，其具體工作過程如下：①小軌道5與中軌道4都移動到大軌道3內部，大軌道3與連接桿2保持直線狀態,通過電機驅動16調整軌道長度，然后伸入窗口；②大軌道3伸入窗口后，通過電機驅動15調整與連接桿2的角度；③將中軌道4通過電機驅動14移出，然后將小軌道5移出，左右小軌道5對接處通過凹凸結構進行連接；④小車6通過三級電機驅動17實現其在每一級軌道上的自由移動。小車6上的伸縮架9通過電機驅動13實現自由旋轉，伸縮桿10通過蝸輪蝸桿的電機驅動12上下移動。伸縮桿10頭部安裝的攝像頭11通過軌道、小車、伸縮架和伸縮桿的協同作用，可以實現360°全方位觀察。

12，13，14，15，16，17-電機驅動

3 結束語

為了對聚變堆內部進行定期檢查和維護，設計了一種軌道式內窺機械臂，對其結構及工作原理進行了介紹。該機械臂主要由軌道、小車和傳動機構三大部分組成，具有結構簡單、操作方便、工作范圍廣、觀察穩定、效率高等優點。