托卡馬克是一種受控核聚變技術(shù)研究裝置,其利用磁約束原理將高溫等離子體聚集在裝置內(nèi)部超高真空狀態(tài)的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)中進(jìn)行聚變反應(yīng)相關(guān)的研究實(shí)驗(yàn)。其中,托卡馬克環(huán)形腔內(nèi)側(cè)的第一壁結(jié)構(gòu)在研究實(shí)驗(yàn)中高溫等離子體放電過程的不斷沖擊作用下可能發(fā)生損壞現(xiàn)象,這對(duì)于研究實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行乃至整個(gè)托卡馬克實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安全都是嚴(yán)重威脅。因此,有必要定期在腔內(nèi)高溫等離子體放電實(shí)驗(yàn)的間歇期內(nèi)對(duì)環(huán)形腔第一壁結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行全方位快速檢查,在不破壞腔內(nèi)原有實(shí)驗(yàn)環(huán)境狀態(tài)的前提下完成環(huán)形腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的維護(hù)工作,保證高溫等離子體研究實(shí)驗(yàn)的安全、順利進(jìn)行。本文在已有腔內(nèi)作業(yè)機(jī)械臂方案基礎(chǔ)上,針對(duì)“先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克”腔內(nèi)超大環(huán)形作業(yè)空間的第一壁維護(hù)工作需求提出了一種基于自鋪軌道原理的弧形伸縮大臂結(jié)構(gòu)機(jī)械臂解決方案。機(jī)械臂主要由進(jìn)腔平臺(tái)、套筒式弧形伸縮大臂、平面小臂以及末端執(zhí)行器等四個(gè)部分組成,具有托卡馬克環(huán)形腔狹窄操作窗口的進(jìn)腔能力、腔內(nèi)超大環(huán)形作業(yè)空間的覆蓋能力以及腔內(nèi)D形作業(yè)截面復(fù)雜幾何約束條件的適應(yīng)能力。加工制造了機(jī)械臂原型樣機(jī)并在托卡馬克真實(shí)比例模型腔中進(jìn)行了模擬腔內(nèi)超大環(huán)形作業(yè)空間完整維護(hù)作業(yè)過程的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。針對(duì)機(jī)械臂原型... 

【文章來源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：142 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

托卡馬克環(huán)形腔內(nèi)部和腔內(nèi)作業(yè)機(jī)械臂系統(tǒng)

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文—2—所示），一方面可能會(huì)給實(shí)驗(yàn)過程中的等離子體帶來雜質(zhì)污染影響而導(dǎo)致等離子體熄滅，另一方面可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)形腔外側(cè)更大范圍的托卡馬克結(jié)構(gòu)損傷，破壞托卡馬克裝置的完整性甚至引起更嚴(yán)重的安全事故。因此，有必要定期對(duì)環(huán)形腔內(nèi)部第一壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查維護(hù)以確保其完整性，從而保證腔內(nèi)等離子體實(shí)驗(yàn)過程的順利進(jìn)行乃至整個(gè)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置的安全[8,9]。圖1-2托卡馬克真空腔第一壁磚塊損壞圖例[10]Fig.1-2Thetokamakvacuumvesselfirstwalldamageexamples然而，托卡馬克環(huán)形腔結(jié)構(gòu)中的等離子體放電研究實(shí)驗(yàn)需要在超高潔凈度的真空環(huán)境下進(jìn)行，這種腔內(nèi)狀態(tài)的達(dá)到和維持都需要非常高昂的成本。將環(huán)形腔內(nèi)部環(huán)境恢復(fù)到常溫常壓的普通環(huán)境狀態(tài)以進(jìn)行檢查維護(hù)工作、之后再調(diào)整到實(shí)驗(yàn)需要的超高潔凈度真空環(huán)境狀態(tài)可能需要3-6個(gè)月時(shí)間之久[11,12]。此外，等離子體放電過程中產(chǎn)生的中子會(huì)對(duì)環(huán)形腔壁面材料引起活化效性，導(dǎo)致腔內(nèi)環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間處于危險(xiǎn)的殘留輻射狀態(tài)，整個(gè)輻射消退過程可達(dá)數(shù)月之久�？紤]到托卡馬克裝置的整體復(fù)雜程度，在等離子體放電實(shí)驗(yàn)研究實(shí)際進(jìn)行過程中通過開腔方法，在常溫、常壓、無輻射狀態(tài)來進(jìn)行第一壁結(jié)構(gòu)的人工維護(hù)作業(yè)，將會(huì)嚴(yán)重阻礙其中開展的等離子體放電實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)程。因此，期望在不開腔的狀態(tài)下、在環(huán)形腔內(nèi)部等離子體放電研究實(shí)驗(yàn)的間歇期內(nèi)直接完成對(duì)于第一壁結(jié)構(gòu)的完整性檢查以及進(jìn)一步的維護(hù)操作，比如取樣、拆卸、裝配、搬運(yùn)等——此時(shí)環(huán)形腔內(nèi)部將會(huì)處于一種具有高溫、高真空、強(qiáng)核輻射條件的綜合極端環(huán)境。一種能夠通過托卡馬克裝置內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間快速部署到環(huán)形腔內(nèi)部，能夠適應(yīng)環(huán)形腔內(nèi)部綜合極端工作環(huán)境且不會(huì)影響到腔內(nèi)原有的超高潔凈度真空狀態(tài)，在等離子體放電實(shí)?

第一章緒論—3—機(jī)械臂（如圖1-3所示），將極大的提升托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際運(yùn)行效率、降低維護(hù)成本。圖1-3腔內(nèi)檢查機(jī)械臂案例：常規(guī)環(huán)境（左）和真空環(huán)境（右）[13]Fig.1-3In-vesselinspectionmanipulatorexmaple:airstate(left)andvacuumstate(right)本文為解決托卡馬克環(huán)形腔內(nèi)部極端環(huán)境下的第一壁結(jié)構(gòu)維護(hù)任務(wù)需求，提出了一種基于自鋪軌道原理的弧形伸縮大臂結(jié)構(gòu)腔內(nèi)作業(yè)機(jī)械臂方案，并完成了原型樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造。采用原型樣機(jī)進(jìn)行了托卡馬克環(huán)形腔作業(yè)模擬實(shí)驗(yàn)，機(jī)械臂作業(yè)過程大臂結(jié)構(gòu)變形研究，以及機(jī)械臂整機(jī)高溫環(huán)境適應(yīng)性研究。針對(duì)機(jī)械臂腔內(nèi)綜合極端環(huán)境作業(yè)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)需求，采用彈性金屬波紋管結(jié)構(gòu)包裹轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)核心伺服驅(qū)動(dòng)元器件的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)于腔內(nèi)綜合極端環(huán)境因素的主動(dòng)防護(hù)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明了防護(hù)方案的有效性和可靠性。1.2課題來源本課題的研究開展得到了以下項(xiàng)目的資助和支持：（1）科技部國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃專項(xiàng)——托卡馬克遙操作柔性內(nèi)窺機(jī)械臂的研究，課題編號(hào)：2012GB102001；（2）國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，面向托卡馬克腔內(nèi)維護(hù)作業(yè)的自鋪軌道式機(jī)械臂宏動(dòng)平臺(tái)剛度優(yōu)化及動(dòng)態(tài)構(gòu)型控制，課題編號(hào)：51275286；（3）國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，飛機(jī)復(fù)合材料裝配中協(xié)調(diào)形變與內(nèi)應(yīng)力耦合作用機(jī)理和工藝控制研究，課題編號(hào)：51775350。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀核聚變是一種清潔的可再生能源利用形式，將有望替代核裂變反應(yīng)堆以解決目前核能利用過程中的潛在核污染危害[14-16]。目前人類在受控核聚變技術(shù)上的研究依

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]我國(guó)空調(diào)與熱泵的能效和標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與分析[J]. 王派,李敏霞,馬一太,王飛波.  制冷學(xué)報(bào). 2018(03)
[2]提高機(jī)器人結(jié)構(gòu)剛度及關(guān)節(jié)精度的方法[J]. 房立金,孫龍飛,許繼謙.  航空制造技術(shù). 2018(04)
[3]基于機(jī)械關(guān)節(jié)反饋的機(jī)器人精度補(bǔ)償技術(shù)[J]. 劉雙龍,田威,何曉煦,譚紅,廖文和,張霖.  航空制造技術(shù). 2018(04)
[4]空間機(jī)械臂間隙影響分析[J]. 張玉翠,劉峰,張暉輝.  空間控制技術(shù)與應(yīng)用. 2017(06)
[5]耀起東方——記世界上首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克（EAST）東方超環(huán)裝置[J]. 涂興佩.  中國(guó)科技獎(jiǎng)勵(lì). 2017(08)
[6]典型γ輻射劑量計(jì)算方法[J]. 甘業(yè)福.  科技創(chuàng)新與應(yīng)用. 2017(21)
[7]鈷源輻照室防護(hù)屏蔽計(jì)算方法的比較研究[J]. 李春松,姜文華,廖愛蓮.  輻射研究與輻射工藝學(xué)報(bào). 2017(03)
[8]EAST真空室內(nèi)巡視系統(tǒng)的真空性能研究分析[J]. 徐烈志,姚達(dá)毛,周自波,曹磊,余耀偉,杜亮,EAST團(tuán)隊(duì).  核聚變與等離子體物理. 2017(02)
[9]柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模理論與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J]. 谷勇霞,張玉玲,趙杰亮,閻紹澤.  中國(guó)機(jī)械工程. 2016(12)
[10]機(jī)械臂D-H參數(shù)和減速比幾何標(biāo)定及誤差補(bǔ)償[J]. 劉輝,李斌,張國(guó)偉,梁志達(dá),常健.  計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制. 2016(01)

博士論文
[1]面向EAST第一壁石墨瓦快速更換的遙操作機(jī)器人柔順控制系統(tǒng)研究[D]. 潘洪濤.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017
[2]EAST托卡馬克的破裂數(shù)據(jù)分析研究[D]. 王勃.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2016
[3]適用于核聚變反應(yīng)艙的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 武遵.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2016
[4]EAST紅外可見集成診斷系統(tǒng)建立及其實(shí)驗(yàn)研究[D]. 仰振東.東華大學(xué) 2016
[5]HT-7U超導(dǎo)托卡馬克氦制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析及設(shè)計(jì)研究[D]. 白紅宇.中國(guó)科學(xué)院研究生院（等離子體物理研究所） 2002

碩士論文
[1]60Co-γ輻照裝置源排列和劑量場(chǎng)的模擬計(jì)算與測(cè)量[D]. 唐輝.成都理工大學(xué) 2016
[2]玻璃纖維織物熱傳遞的數(shù)值模擬研究[D]. 張玉雙.天津工業(yè)大學(xué) 2016
[3]面向托卡馬克的維護(hù)機(jī)械臂作業(yè)研究[D]. 郁萬濤.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2015
[4]高熱流器件真空散熱措施研究[D]. 賈京.北京工業(yè)大學(xué) 2014
[5]高溫機(jī)械臂冷卻技術(shù)的研究[D]. 李法設(shè).上海交通大學(xué) 2014
[6]輕型柔性機(jī)械臂的誤差分析與辨識(shí)[D]. 伍小凱.大連理工大學(xué) 2013
[7]面向托卡馬克腔第一壁維護(hù)的遙操作機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析[D]. 何強(qiáng).上海交通大學(xué) 2013
[8]真空環(huán)境下專用操作機(jī)械手的設(shè)計(jì)研究[D]. 孟東東.重慶大學(xué) 2012
[9]適于太空環(huán)境的驅(qū)動(dòng)裝置的研制[D]. 王延超.北京交通大學(xué) 2011
[10]套筒式伸展臂的設(shè)計(jì)與分析[D]. 鐘博文.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2008



本文編號(hào)：3331202