CFETR包层维护机械臂设计与分析研宄

摘要

　　聚变堆内部环境存在强辐射。高污染、高毒性。需要借助逼操作技术代替人完成维护工作。遥操怍系统已经发展成为未来聚变堆-一个必不可少的子系统。 针对未来中国聚变工程试验堆装置，其包层维护方案采用整体维护设计，需要上部的吊装机构和下部的多功能轉运平台协同完成包层的转运。在转运之前，包层底部和真空室支撑是通过锁紧轴销连接在-起， 因此需要开发一套用于 包层底部锁紧轴销拆装的多功能維护机械臂系统。

　　针对中国未来聚变堆包层底部锁紧轴销的拆装问题，在充分调研国内外托卡马克装置包层模块维护力案设计现状的基础上。设计出了能够拆装锁紧轴销的多功能机械臂的具体结构，并分析了其可行性：解决了冗余设计、狭小运动空间条件下聚变堆包层底部维护机械臂结构设计、运动学、动力学分析及其仿真验证间题。具体工作内容如下。

　　1.通过调研国内外聚变堆当前包层维护的设计方案，分析未来中国聚变工程试验堆包层底部具体的空间尺寸，比较多种结构彩式的机械臂，设计出了三种不同结构的机械臂，对比三种结构的优缺点，最终选撣最合适的关节型坐标结构。

　　结合包层的维护实际工况需求，对机械臂底部增加移动自由度设计：在此基础，上。

　　设计了机械臂的末端执行器、执行器作用对象以及其它相关部件：井基于有限元。

　　软件对机械臂结构强度进行了有限元分析，验证了结构的可靠性。

　　2.通过解析法求解出了机械臂的运动学正。逆解和雅可比矩阵，井基于编程软件编程验证了正、道解的正确性：然后利用运动学的正解。采用蒙特卡洛法得到了机械臂能够到达的工作空间。与包层实际维护空间进行对比，结果满足要求。

　　3.通过揎格朗日法建立了机械臂的动力学模型并求解了动力学方程：基于动力学分析软件对机械臂进行动力学仿真分析，得出机械臂各关节的力和力矩变化曲线，为电机和减速机的选型提供了理论指导，并为未来机械臂的加工制造积累了技术经验。

　　关键词。中国豪变工程试验堆；包层：维护机械臂：结构设计：运动学：动力学

Abstract

　　The eaviroument inside the fusion reactor has strong radiation, high plutio andhigh toricity, s0 it is nesesay to use rermote handling tochnology to replace human tocomplete the mainenance work. Remote handling system bhas been developed into aessential subsystm of the fure fusion reactor. For the CFETR of the future fusionreactor, the owerall maintenance design was adopted into the blanket maintenancescheme.which requires the upper lifing mechanism and the lower multi-functionadtransport platform to jointy complete tbe blanket transport. Prior to transport, thebotom of the blanket is connected to the vacuum vessel support through the lockingpin, so a muli-functioal maintenance manipulator system for the removal of thelocking pin at the botom of the banket neds to be developed.

　　Aiming at the diasembly problem of locking shaft pin at the botom of CFETRblanke, this paper designed the conctete structure of mulifunctional manipulator thatcan disassemble locking shaft pin on the basis of flly ivesigating the status of hemainternanoe scheme design of tokamak device blanket module a domesic andoverscas sand its feasibility was analyzed. The problems of reodundant deaign, structuraldesign, kinecmatics and dyuamics analysis and sinoulatio verification of CFETRbottom maintenance manipulator wee solved under the conditioa of nartow motionspace. The specifice worck content is as fllows.

　　1. By investigating the current desigm scheme of blanket maintenance for fusiondevice at domestic and abroad, the specifc space size at the bottom of the blanket ofCFETR was analyzed, and vanious manipulator with dfferent structures was compared.Three manipulasors with different structures were designed, the advantages anddisadvantages of the three structures were compared, and he most appropriate jointcoordinate structure wa slected finally. Acording妇the sctual required workingcondition of the blanket, the design of increasing the mobile fredom at the bottom ofthe manipulator ws erried out. On this basis, be ed-fetore,p ffcer objects andother related components of the manipulator were designed. Based on finite elementsoftware, the finite element analysis of the manipulator structure strangth is crried outto verily the rliability of the structure.

　　2. Tbe forvard and inverse kinematics solutions and Jacobian matix of the manipulator were solved by analytical method, and tbe corctnes of the forward andinverse soluions was verifed by progranming software. Then, the working space thatthe manipulator can reach was obtained by Monte Carlo method using the kimematicspositive solution. Compared with tbe acual maintenance space of the blanker, theresults meet the requirements.

　　3. The dynamie modeal of the manipulator was establisbed by Lagrange methodand the dynamie equation was solwed. Based on the dynanic analysis sotware, thedynamie simulation analysis of the manipulator was carried out The variation curve offorce and torque of each joint of the manipulator were obaimed, which providedtheoretical guidance for the seltio of moor and reducer, and accumulaes tchnicalexperience for the fure processing and manufacturing of the manipulator for tokamakreactor.

　　Key Words: CFETR; Blanket; Msinenance manpulaor; Stuctural design; Kinematic;Dynamie

目录

　　1绪论

　　随着人类社会的不断发展，不可再生能源的不断消耗与其产生的环境污染，世界各国逐渐认识到清洁能源才是未来的理想能源。也是未来最有可能解决能源问题的方式之一1.

　　我国在很早就意识到这一点，从上世纪60年代开始研究核聚变能四。之后又积极参与国际热核聚变反应堆ITERE（Intemational Thermonusclear ExperimentalReactor）的研究工作。从90年代开始研究托卡马克41 （Tokamak）。经过多年发展。

　　目前由中国科学院等离子体物理研究所承担的中国聚变工程试验堆CFETRIB-N（China Fusion Enginering Test Reactor）项目正在积极开展，其目的就是缩短与ITER和欧洲示范堆DEMO （ European Demonstration Power Plant） 之间的差距1别，然后建立我们自己的聚变反应装置从而获得聚变能。

　　CFETR在运行过程中，堆芯部件1013会受到高温等高子体的轰击",严重时会损坏堆芯部件，在对其维护时需要借助遥操作RHI4I （Remote Handling）维护系统。遥操作维护系统主要是通过机器人代替人去完成- -些部件的检查、拆卸、装配、烨接等工作从而避免聚变堆中有害有毒物质对操作人员的伤害1".

　　其中，堆芯部件包层模块1-16）底部的多功能维护机械臂7是遥操作维护系统的一个部分，它的主要作用就是拆除包层底部锁紧轴销，使包层模块能够顺利转运出真空室4.但是，由于聚变堆真空室内郁的空间十分有限，而多功能机槭臂在维护时通常需要通过复杂的流程才能完成任务，所以对机械臂本身的结构、大小运动规划有着非常严格的要求。这也是在设计机械臂时需要解决的难点问题。

　　1.1 课题研究来源、 背景

　　1.1.1课题来源

　　课题所研究的内容基于国家大科学装置项目，中国核聚变堆主机关键系统综合研究设施：研究内容来自于《国家重大科技基础设施建设"十三五"规划》大科学工程项目：聚变堆主机关键系统综合研究设施-遥操作维护平台。

　　1.1.2课题背景

　　世界不可再生能源日益紧缺的情况下，国际上- -致认为聚变能是未来的理想能源，所以世界上有实力的大国都积极投入聚变装置的研究中。中国聚变工程实验堆，是我国自主设计和研制并联合国际合作的重大的科学工程91.其目的旨在缩短我国聚变能研究领域与ITER和DEMO的差距，早日实现聚变能商用。

　　過操作技术又被公认为是通往商用托卡马克聚变堆之路上必须要解决的关键问题之-川。遥操作之所以如此重要，是因为它可以代替人去完成-些比较危险且难以完成的工作。遥操作是一一个与多学科对接并且很复杂的系统工程，涉及机。

　　器人、运动学分析、工作空间分析、动力学分析、路径规划等。

　　包层模块是聚变能走向商用的核心载体，正因为是核心载体，所以在聚变装置运行时，它的损耗也是最大的，有一套完 善的包层過操作维护系统显然很重要。

　　包层遥操作系统又分为包层吊装系统、环向驱动系统、径向转运系统、环向多功能维护平台及维护工具、包层朕部冗余设计多功能机械臂。液压抬升系统等组成。

　　其中包层朕部的多功能维护机械臂置于环向多功能维护平台上，主要负责拆装包层模块底部的锁紧柏销，是本文主要的研究内容。

　　1.2国内外研究动态

　　托卡马克（Tokamak）， 是前苏联科学家在上世纪50年代提出的，利用醞场来约束等离子体，井加热至较高的温度使其发生聚变{.经过几十年的发展，托卡马克装置的研究工作取得了较大的进展。目前关注度较高的是ITER、DEMO、我国的CFETR.同时伴随着托卡马克装置成长的还有其维护系统-聚变堆包层遥操作维护系统的研究同样取得较大进展。

　　1.2.1 ITER 包层维护现状

　　国际热核聚变实验堆ITER是世界上几个大国共同参与建设的、最大的托卡马克装置，其包层遥操作维护系统如图1所示。

　　整个包层维护系统主要包括环向轨道、能在环向轨道上移动的机械臂、环向轨道的支撑装置。在对包层模块进行维护时，首先打开装置的中窗口叫，装载着轨道和移动机械臂的CASK12沿着底部的导轨从中窗口进入装置内部。如图2所示，环形轨道一共12节，中间通过特殊的连接机构连接。不用时可以折叠，存放在转运小车CASK中使用时可以组成- - 个环彩，连接后通过支撑装置支撑起来，此时移动机械臂可以沿着轨道360度移动。机械臂的前端装有一个执行器，可以抓取需要维护的包层。再通过环向轨道将其转运出真空室。

　　如图3所示，是维护机械臂抓取包层模块的实物图。机械臂通过执行器抓起包层，然后沿着环向轨道移动，再通过机械臂尾部的旋转关节调节机械臂的位姿，将包层转运到合适的位置，放置于专门的维护工具上，如图4所示。

　　1.2.2 DEMO 包层维护现状

　　欧洲的DEMO是在ITER的基础上建立的-一个商用示范堆，目前仍处于概念设计阶段，其包层维护系统设计与ITER有所不同。

　　如图5所示，包层上部连接有各种管道，维护时需要先切除管道，下部是偏滤器1242），维护时需要先将偏滤器移出真空室。

　　如图6和图7所示，包层维护系统分两个部分，上部的 吊装机构和下部维护机械臂。维护时吊装机构连接包层上部，维护机械臂负责支撑拆卸和顶住包层底部，与吊装机构协同工作，最后由吊裴机构将包层吊出真空室放置包层维护室中。

　　其中底部多功能机械臂安装于多功能平台上，-共三个自由度，加上多功能平台的环向移动一共四个自 由度。工作时先拆除偏滤器，然后通过下窗口将多功能平台移入，机械臂开始拆除包层底部的一些连接装置， 同时上部吊装机构开始工作，于包层上部连接，准备起吊。然后多功能机械臂顶住包层底部，与吊装机构协同控制将包层转运至上窗口下方。

　　1.2.3 CFETR 包层维护现状

　　CFETR是我国下一-阶段的核聚变装置，是聚变能实现商用的重要-步，目前处于概念设计的后期阶段。它的包层维护系统也是经过一代又- -代的设计与改进，总体维护策略并没有大的改变，都是通过上部吊装机构和底部多功能平台及机械臂协同控制来完成维护。

　　如图8所示，CFETR包层维护系统包括顶部和底部转运平台、能够提供环向移动的轨道式环向支撑、顶部的吊装系统。

　　如图9所示，是一个完整的包层吊装的过程。上 部的吊装机构与包层上部连接，底部的多功能平台与包层底部连接。通过协同控制先将包层环向移动至吊装窗口下方，然后沿着多功能平台径向移动至合适位置，吊装机构将包层通过上窗口吊装至维护室进行维护。

　　如图10所示，是一个由四个液压支撑组成的包层顶升机械臂。维护时机械臂顶部顶起包层并通过底部的径向和环向轨道将机械臂调整至合适位置，再由上部；吊装机构将包层吊出真空室。之后的研究中将这- -步进行 了改进，如图11所示，将底部装置整合到-一个维护平台上，机槭臂只负责拆除包层底部支撑，增加了液压抬升机构，主要负责顶升包层。

　　1.3存在的问题

　　在CFETR包层遥操作维护这一领域，由于聚变堆内部的空间异常狭小，针对包层底部锁紧轴销拆装的维护机械臂设计与分析问题，目前仍然没有解决，所以本文自在解决冗余设计、运动空间狭小条件下的包层维护机械臂结构设计与运动分析问题。

　　1.4 研究内容及章节安排

　　课题所研究内容如图12所示，围绕CFETR遥操作维护系统包层底部多功能机械臂的结构设计与运动控制，在调研和分析的基础上，根据托卡马克装置独特的应用环境需求，首先通过概念设计出多功能机械臂，绘制三维模型，并对其进行有限元分析，根据分析的结果判断零件是否需要结构优化1291;然后建立维护机械臂运动学模型与动力学模型，运用MATLAB及ADAMS软件进行仿真，根据仿真结果分析机械臂的合理性与可行性。

　　本文内容-共有五章，具体章节的研究内容安排如下，（1）第一章介绍课题来源、背景和研究目的，梳理了国内外聚变装置包层维护的现状，并指出了CFETR包层维护的难点，然后引出本文研究的主要内容及章节安排。

　　（2）第二章主要介绍维护机械臂具体的结构形式，包括电机和减速机的选型，以及一些机械臂相关部件的结构设计：然后对机械臂的结构强度进行有限元分析，确保所设计的机械臂结构能够满足设计要求。

　　（3）第三章主要利用解析法对多功能机械臂分别进行正、逆运动学分析，然后利用MATLAB软件对运动学结果进行验算，目的是验证模型合理性：在此基；础上，对机械臂工作空间进行仿真，将仿真结果与实际维护所需空间做-一个对比，验证机械臂可操作性。

　　（4）第四章主要对维护机械臂进行动力学分析，规划出机械臂末端执行器的运动轨迹，然后利用ADAMS软件对机械臂进行动力学仿真，以此得出机械臂各关节的驱动力和力矩，与第二章所选电机和减速机型号对比，验证选型是否合理。

　　（S）第五章是结论和展望，主要对本文研究内容做-一个总结，找出不足点，针对不足点做下一-步展望。

　　1.5 本章小结

　　本章介绍了课题的研究来源、背景，同时综述了国内外在托卡马克装置包层。

　　迅操作维护技术的现状，最后对包层底部维护机器人的发展进行了分析与展望，同时介绍了本文所要研究的主要内容

　　2维护机械臂设计

　　2.1引言

　　2.2机器人本体设计

　　2.2.1关键技 术指标

　　2.2.2机械臂总体构型分析，

　　2.2.3机器人部件设计

　　2.2.4驱动系统选型

　　2.3机械臂有限元分析

　　3机械臂运动学 分析

　　3.1运动学概述，

　　3.2刚体位姿描述

　　3.2.1 D-H 参数法

　　3.2.2机械臂 运动学模型

　　3.3机械臂 正运动学求解

　　3.4机械臂逆运动学求解…

　　3.4.1求解过程

　　3.5.1 微分运动与雅可比矩阵

　　3.5.2求解雅可比

　　3.6运动学MATLAB仿真分析

　　3.6.1 验证正运动学

　　3.6.2验证逆运动学

　　3.6.3工作空间分析

　　3.7 本章小结

　　4机械臂动力学分析

　　4.1动力学概述

　　4.2动力学方程的建立

　　4.2.1动力学分析方法

　　4.2.2拉格朗日法…

　　4.2.3连杆 上任意点的速度

　　4.2.4系统的动能

　　4.2.5系统的势

　　4.2.6拉格朗日方程

　　4.2.7动力学方程

　　4.3基于ADAMS的动力学仿真

　　4.3.1伤真的前处理

　　4.3.2仿真的结果分析 .

　　5结论与展望

　　5.1 全文总结

　　本文针对CFETR包层遢操作维护系统，查阅了国际上核聚变裴置包层维护这一领域的相关文献，总结相关设计的优缺点，根据CFETR前人设计的基础，基于概念设计、拓扑优化设计的方法，运用D-H矩阵法、解析法、蒙特卡洛法、拉格朗日法，设计出了包层底部多功能维护机械臂，分析了机械臂的运动学、工作空间、动力学、运动轨迹。

　　本文主要研究内容总结如下：

　　1.在查阅大量文献，充分了解国内外聚变装置包层遥操作维护系统研究动态的前提下，基于CFETR包层维护目前研究现状，通过对比分析，设计了包层底部的多功能维护机械臂、机械臂的末端执行器、执行器作用对象以及机械臂相关的其他部件，并对机械臂做了ANSYS有限元分析，保证了机械臂的结构强度。

　　2.使用 D-H参数法建立了机械臂的坐标系，并验证了其正确性：使用解析法计算出了机械臂的运动学正、逆解和雅可比矩阵，利用MATLAB软件对运动学的计算结果做了验算；同时根据运动学正解，基于MATLAB,使用蒙特卡洛法仿真了机械臂的工作空间，井与实际维护所需工作空间进行对比，结果正确。

　　3.使用拉格 朗日法建立了机械臂的动力学方程，先通过计算机械臂连杆某一 点的动能和势能，然后推出机械臂的的动能和势能，进而求解出动力学方程：

　　在此基础上，基于ADAMS软件，对机械臂进行了动力学分析仿真和运动规划，得出了机械臂各关节的力和力矩，为电机和减速器的选型提供了理论依据。

　　5.2创新点研究内容依托于CFETR工程项目，通过对未来聚变堆包层底部多功能维护机械臂的设计和运动学、工作空间、动力学、运动轨迹分析研究，解决了冗余设计、狭小运动空间条件下聚变堆包层底部维护机械臂机构设计、运动学、动力学分析及其仿真验证问题。

　　5.3研究展望

　　本文虽然设计出了包层底部维护机械臂并分析了其结构可行性和可靠性，但由于各种原因，还有很多工作没有完善。

　　在机械臂精度与稳定性方面，由于CFETR包层采用大模块整体设计，单个模块体积和重量都较大，在维护过程中稍有偏差，包层会发生倾斜或者更为严重的侧翻，将会给聚变堆带来不可想象的严重后果，所以机械臂操作精度方面要求很高，这一点需要进一步研究。

　　在机械臂维护的具体流程方面，机械臂是集成在多功能平台上，多功能平台和机械臂是- -个整体，本文只是对机械臂本体进行研究，下一 步需要结合多功能平台进行综合考虑：同时，机械臂的末端执行工具不止一种，在工作时需要更换不同的执行器，更换下来的执行器如何安放以便于维护操作也将详细规划。

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