托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头

1.本发明涉及托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头。


背景技术：

2.托卡马克核聚变装置是利用磁约束来实现受控核聚变的装置。它有诸多优势，是应对未来能源危机的最佳选择。中国现在设计的托卡马克核聚变装置作为演示连续大规模聚变能安全、稳定发电工程可行性的新一代装置，其整体结构、内部构件的尺寸较之前的装置都放大了很多。托卡马克核聚变装置真空室内需要维护的大型部件可达吨级重量。托卡马克核聚变装置运行中也将会带来辐射的问题，在内部维护时人员无法靠近。因此，在托卡马克装置运行一段时间后，需要采用全自动遥操作重载机械臂对内部部件进行维护。在维护过程中，会涉及到切割、焊接、检测、清理等一系列操作。这就要求重载机械臂前端能够部署上述不同类型的维护工具，即需要一套快速更换接头——可自动快速对接部署各种工具，提供电、气对接，并能够承担高负载，可稳定运行于辐射环境下。虽然现有的用于托卡马克装置内遥操作维护机械臂的快换接头(201910985777.0)能够满足用于辐射环境下、提供电气接口、可承载高负载的机械臂快换接头。但是其仍存在原理上无法紧密锁紧、动力传递效率低无法提供更高的锁紧力、连接器两端均浮动存在对不准的风险、机械臂精度低导致快换接头无法使用等问题。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供了一种可实现连接器精度对准、紧密锁紧且动力传递效率高的托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头。本发明的托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头，包括相互配合的锁紧装置和末端执行器对接头，锁紧装置包括锁紧装置本体和锁紧芯机构，所述锁紧芯机构为滚珠丝杠机构，滚珠丝杠机构包括可原位旋转的丝杠螺母和可直线运动的空心丝杠，丝杠螺母连接齿轮盘，齿轮盘由驱动电机带动；空心丝杠包括螺纹段和非螺纹段，所述非螺纹段上设有第一凸台和第二凸台；锁紧装置本体上设有锁紧球和小杠杆；末端执行器对接头上设有锁紧凹槽和导向槽；第一凸台、锁紧球、锁紧凹槽构成配合锁紧动作单元；第二凸台、小杠杆、导向槽构成配合导向动作单元。
4.对于上述所述的托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头，其中，优选的，锁紧装置本体上设有导向锥面，末端执行器对接头上设有导向锥孔，导向锥面与导向锥孔滑动对接。如此设计，可使得锁紧装置与末端执行器对接头在进行对接时，通过锁紧装置整体的动作而实现触碰对接并实现初始对接进程的顺滑导向，从而实现径向导向。
5.对于上述所述的托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头，其中，优选的，所述小杠杆可绕固定在锁紧装置本体上的中心轴转动，小杠杆的两端分别设有滚动体一和滚动体二，滚动体一和滚动体二均具有平滑表面。在上述触碰对接之后，空心丝杠作为锁紧芯机构的轴向动作的主体，继续轴向直线下行，第二凸台作为导向头并与小杠杆的滚动体二触碰，同时，滚动体一也在导向槽内滑动，由于众多小杠杆的平衡力存在，使得第二凸台的导向位
置保持了轴向方向，有效消除了轴向对接误差，保证了锁紧的精密度。
6.对于上述所述的托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头，其中，优选的，所述第一凸台包括第一锥面、小平面、第二锥面。第一锥面用于初步锁紧，第二锥面锁紧到位。但当锁紧球到达第二锥面被锁紧后，如果作用力减若则锁紧球想要松动时，由于小平面结构的存在阻挡了锁紧球的继续动作，从而实现了紧密锁紧以及锁紧的高精度。同时，也防止了动力意外卸载时末端执行器脱落的风险。
7.对于上述所述的托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头，其中，优选的，空心丝杠的下端连接止转环形板，止转环形板边缘设有若干个止转凸出部，锁紧装置本体上设有止转槽，止转凸出部位于止转槽内。止转凸出部被卡在止转槽内只有轴向动作空间却不能旋转动作，可防止空心丝杆的旋转，也能够实现轴向导向作用。考虑到稳定性以及制作成本及复杂度问题，一般设计3个止转凸出部基本可以满足需求。
8.对于上述所述的托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头，其中，优选的，锁紧装置本体上设有导向销钉，末端执行器对接头上设有导向销钉孔。该设计可避免连接器在对接过程中出现旋转的问题。
9.对于上述所述的托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头，其中，优选的，锁紧装置本体上设有连接器公头，末端执行器对接头上设有连接器母头。本发明的锁紧装置本体并非活动端，而连接器公头设计在锁紧装置本体上，所以连接器公头引接的电缆线不会被频繁拉动，使得电连接更可靠。
10.本发明采用中空的大直径的滚珠丝杠作为动力源，效率更高，输出轴向力更大，锁紧更可靠；锁紧装置既保证了紧密锁紧的效果，又能防止丝杠动力意外卸载时末端执行器脱落的风险；通过锁紧装置和末端执行器对接头的配合能实现大的浮动量，从而消除两对接装置在对接前存在较大的误差。通过两组机构-锁紧装置和末端执行器对接头-的配合，轴向上实现先导向后锁紧的功能，在径向通过锥孔进行导向，轴向、径向均有很大的容差。
附图说明
11.图1为本发明锁紧装置与末端执行器对接头的分开结构立体示意图。
12.图2为锁紧装置的剖视立体结构示意图。
13.图3为锁紧装置的剖视结构示意图(锁紧装置处于初始未锁状态)。
14.图4为锁紧装置与末端执行器对接头完成对接后的结构剖视示意图。
15.图5为锁紧装置与末端执行器对接头的分体结构示意图(锁紧装置处于锁紧状态)。
16.图6为第一凸台结构示意图。
17.图中：100、锁紧装置；200、末端执行器对接头；1、驱动电机；2、锁紧装置本体；3、滚珠丝杠机构；31、空心丝杠；32、丝杠螺母；4、小杠杆；41、滚动体一；42、滚动体二；5、导向锥面；6、导向锥孔；7、锁紧凹槽；8、导向槽；9、止转环形板；91、止转凸出部；92、止转槽；10、锁紧球；11、连接器母头；12、齿轮盘；13、第一凸台；14、第二凸台；15、导向销钉；16、导向销钉孔；17、锁紧球滚动槽；18、滚动轴承；19、小平面；20、第二锥面；21、连接器公头；22、第二锥面。
具体实施方式
18.下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
19.如图1-5所示，本发明托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头，包括相互配合的锁紧装置100和末端执行器对接头200，锁紧装置100包括锁紧装置本体2和锁紧芯机构，所述锁紧芯机构为滚珠丝杠机构3，滚珠丝杠机构3包括可原位旋转的丝杠螺母31和可直线运动的空心丝杠32，空心丝杠32具有中空的大直径；丝杠螺母31连接齿轮盘12并由其带动旋转，齿轮盘12通过滚动轴承18安装在锁紧装置本体2上，齿轮盘12由驱动电机1带动；空心丝杠32包括螺纹段和非螺纹段，所述非螺纹段上设有若干个第一凸台13和若干个第二凸台14，螺纹段与丝杠螺母31形成滚珠丝杠机构，使得丝杠螺母原地旋转时，空心丝杠直线运动而不旋转。
20.锁紧装置本体2上设有导向锥面5，末端执行器对接头200上设有导向锥孔6，导向锥孔6在对接初期与锁紧装置本体2滑动对接，起到初步径向导向作用，最终导向锥面5与导向锥孔6滑动对接。锁紧装置与末端执行器对接头在进行对接时，通过锁紧装置整体的动作而实现触碰对接并实现初始对接进程的顺滑导向，从而实现径向导向。
21.锁紧装置本体2上设有若干个锁紧球10和若干个小杠杆4；末端执行器对接头200上设有与锁紧球10位置对应的锁紧凹槽7以及与小杠杆4位置对应的导向槽8；第二凸台14、小杠杆4、导向槽8构成配合导向动作单元。第二凸台14随空心丝杠的轴向运动，不断触动小杠杆4，使其旋转，而小杠杆4可绕固定在锁紧装置本体2上的中心轴转动，且小杠杆的两端分别设有滚动体一41和滚动体二42，滚动体一41和滚动体二42均具有平滑表面；
22.在上述触碰对接之后，空心丝杠32作为锁紧芯机构的轴向动作的主体，继续轴向直线下行，第二凸台14作为导向头并与小杠杆4的滚动体二42触接，同时，滚动体一41也在导向槽8内滑动，也即当锁紧球10位于凹槽17与第三凸台15之间时，小杠杆11的滚动体二被锁紧体9抵压向下动作，而滚动体一41则抵压导向槽8向上动作。由于众多小杠杆的平衡力存在，使得第二凸台的导向位置保持了轴向方向，有效消除了轴向对接误差，保证了锁紧的精密度。
23.第一凸台13、锁紧球10、锁紧凹槽7构成配合锁紧动作单元。驱动电机1带动齿轮盘12转动，齿轮盘12带动丝杠螺母31旋转，滚珠丝杠原理，空心丝杠32直线轴向运动，第一凸台13随空心丝杠32轴向运动，不断挤压锁紧球，直至锁紧球10被抵压在第一凸台13与锁紧凹槽17之间的位置，从而形成锁紧状态，锁紧装置本体上设有用于容纳锁紧球10的锁紧球孔。
24.如图6，第一凸台13设计有第一锥面22、小平面19、第二锥面20。随着空心丝杠继续轴向下行时，第一凸台13、锁紧球10、锁紧凹槽7构成配合锁紧动作单元，锁紧球10被抵压在第一凸台13与锁紧凹槽7之间，如果第一凸台只是常规的球面或弧面或圆柱面，那么一旦抵压力不足，被抵压的锁紧球很容易松动，从而导致锁紧不紧密的问题，锁紧精度低。而本发明当锁紧球受力不足想要松动时，由于小平面结构的存在却阻挡了锁紧球的继续动作，从而实现了紧密锁紧以及锁紧的高精度。同时，也防止了动力意外卸载时末端执行器脱落的风险。
25.锁紧装置本体2上设有止转槽92，空心丝杠32的下端连接止转环形板9，止转环形板9边缘设有止转凸出部91，止转凸出部91设置于止转槽92内。如此设计，因为空心丝杠是由丝杠螺母的旋转而带动直线运动的，空心丝杠也有可能会被带动产生些许旋转趋势动作，为防止空心丝杆的旋转，在空心丝杠的下端连接止转环形板，止转环形板的外周边缘设有止转凸出部，当空心丝杠下行时，止转凸出部可随着下行，但止转凸出部被卡在止转槽内却不能旋转，从而避免了空心丝杠的旋转动作。另一方面，止转凸出部被卡在止转槽内只有轴向动作空间却不能旋转动作，也能够实现一定的轴向导向作用。
26.本发明中，轴向动作(活动端)的主体是空心丝杠，而连接器公头设计在锁紧装置本体上，锁紧装置本体并非活动端，所以连接器公头引接的电缆线不会被频繁拉动，使得电连接更可靠。而通常设计中，连接器公头是安装在活塞环上的，活塞环是活动端，活动时必然导致连接器公头引接的电缆线频繁晃动，从而容易导致故障，影响使用寿命。同时，本发明的连接器公头与连接器母头基本保持相对应的位置，没有浮动，对接精准。
27.本发明的工作过程：初步对接，末端执行器对接头200的导向锥孔6与锁紧装置的末端接触，实现径向导向，在机械臂(带动锁紧装置本体2)作用下，两对接机构部分沿着轴向和径向逐步靠近，在考虑到机械臂精度的情况下，靠近到机械臂无法靠近的程度。此时，在轴向导向销钉导向保护下，连接器已经初步对接轴向拉进，机械臂位置固定，在驱动电机1带动下，空心丝杆32向对接界面移动，先用端面第二凸台14推动小杠杆4旋转，进而使得锁紧装置靠近末端执行器对接头，逐步拉进(该逐步拉进的过程具有一定导向作用，同时也使得轴向的浮动容差增大，有利于重载需要长程的对接机构的对接)，连接器逐步对接，锁紧，到锁紧球10作用范围内，锁紧球10与第一锥面22初步锁紧，后与小平面19接触，然后第二锥面20锁死。本发明通过两组机构-锁紧装置和末端执行器对接头-的配合，轴向上实现先导向后锁紧的功能，在径向通过锥孔进行导向；采用中空的大直径的滚珠丝杠作为动力源，效率更高，输出轴向力更大，锁紧更可靠；本发明的锁紧装置既保证了紧密锁紧的效果，又能防止丝杠动力意外卸载时末端执行器脱落的风险；通过锁紧装置和末端执行器对接头的配合能实现大的浮动量，从而消除两对接装置在对接前存在较大的误差。本发明的快换接头可实现紧密锁紧，动力传递效率高、连接器对准精度高，同时导向容差大，适用于托卡马克装置内遥操作维护机械臂的快换。
28.应当说明的是，本发明的上述所述之技术内容仅为使本领域技术人员能够获知本发明技术实质而进行的解释与阐明，故所述之技术内容并非用以限制本发明的实质保护范围。本发明的实质保护范围应以权利要求书所述之为准。本领域技术人员应当知晓，凡基于本发明的实质精神所作出的任何修改、等同替换和改进等，均应在本发明的实质保护范围之内。