阅读说明：本技术 一种用于托卡马克装置内遥操作维护机械臂的快换接头 (Quick-change connector for teleoperation maintenance mechanical arm in tokamak device ) 是由 程羊 宋云涛 潘洪涛 程勇 陈思 赵文龙 杨松竹 张宇 郝志伟 姚智鑫 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于托卡马克装置内遥操作维护机械臂的快换接头,结合钢球锁紧与圆柱限制接头位置,结构紧凑,在满足重载需求的情况下可有效降低连接接头的重量；采用双电机同时驱动方式,冗余电机可保证连接接头在托卡马克装置内复杂环境下出现单个电机失效时,继续驱动连接接头完成前端负载的回收,提升了本发明连接接头在托卡马克装置内的适用性；集成了机械臂前端负载所需的所有电、气、液接头,并可完成同时对接,降低系统运行对接时的复杂度；在驱动电机输出端布置了可由外部设备驱动的救援接口,保证连接接头驱动电机同时失效时,可由外部驱动救援接口完成连接接口的回收,进一步提升托卡马克装置内本发明的适用性。(The invention provides a quick-change connector for remotely operating and maintaining a mechanical arm in a Tokamak device, which combines steel ball locking and cylindrical limiting connector positions, has a compact structure, and can effectively reduce the weight of a connecting connector under the condition of meeting heavy load requirements; by adopting a double-motor simultaneous driving mode, the redundant motor can ensure that the connecting joint is continuously driven to complete the recovery of the front-end load when a single motor fails in a complex environment in the Tokamak device, so that the applicability of the connecting joint in the Tokamak device is improved; all electric, gas and liquid joints required by the front end load of the mechanical arm are integrated, and the simultaneous butt joint can be completed, so that the complexity of the system during operation butt joint is reduced; the rescue interface which can be driven by external equipment is arranged at the output end of the driving motor, so that when the driving motor of the connecting joint fails simultaneously, the recovery of the connecting interface can be completed by the external driving rescue interface, and the applicability of the invention in the Tokamak device is further improved.)

一种用于托卡马克装置内遥操作维护机械臂的快换接头

技术领域

本发明涉及托卡马克核聚变实验装置维护用机械臂技术领域，尤其是涉及一种重载机械臂快换接头。

背景技术

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CFETR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。CFETR真空室内需要维护的大型部件可达吨级重量。CFETR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。

目前，电接头、气接头以及电气复合接头都很成熟，其中很多产品都能提供稳定可靠的电气对接。但是并没有一套能够同时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。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于托卡马克装置内遥操作维护机械臂的快换接头，以实现未来大型托卡马克装置内部多种维护工具的快速可靠更换。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用于托卡马克装置内遥操作维护机械臂的快换接头，包括公接头和母接头；

所述公接头包括有公接头连接法兰，公接头连接法兰的圆柱面上均匀分布有若干位于同一环形面上的锥形孔，每个锥形孔中均布置有锁定钢球；

所述公接头连接法兰的口部转动安装有通过电机控制转动的驱动环，所述驱动环的内圈上设有圆柱形凸台，所述圆柱形凸台的圆柱轴线垂直于该内圈表面；

所述驱动环中转动套装有开口朝上的筒状的活塞环，活塞环的上部外圈上设有一段螺旋状凹槽，所述圆柱形凸台嵌入对应的螺旋状凹槽中并能沿着螺旋状凹槽滑动；

所述活塞环下部外圈与公接头连接法兰的法兰盘内圈相互贴合，公接头连接法兰的法兰盘内圈设有纵向导槽，活塞环下部外圈设有嵌装入纵向导槽内并可在纵向导槽中来回滑动的导向块；

所述驱动环外圈上对应锥形孔的部位设有锥形面，当驱动环转动时通过圆柱形凸台和螺旋状凹槽驱动活塞环轴向移动时，锥形面向上或向下移动并作用于锁定钢球使锁定钢柱推入或退出对应的锥形孔中；

所述活塞环的中心圆盘上布置有一圈均匀分布的电接头公头和一圈气、液接头公头；

所述母接头包括有开口朝上的筒状的母接头连接法兰，所述母接头连接法兰套在公接头连接法兰外；母接头连接法兰的圆柱部分的环形内壁上对应锁定钢球的部位设有一一对应的环形槽，当公、母接头连接法兰完全套合时，锁定钢球嵌入对应的环形槽中；所述母接头连接法兰的中心圆盘上布置有与电接头公头一一对应配合的电接头母头以及和气、液接头公头一一对应配合的气、液接头母头。

所述公、母接头连接法兰的法兰盘上均设置有若干一一对应的螺栓孔，公、母接头连接法兰的法兰盘对合后通过螺栓与机械臂本体连接。

所述公接头连接法兰的法兰盘上设有对接圆柱，母接头连接法兰的法兰盘上设有与对接圆柱对应的对接孔，所述对接圆柱***到对应的对接孔后，电接头公接头和电接头母接头之间以及气、液接头公头和气、液接头公头之间位置依次对应。

所述连接头连接法兰的顶面安装有驱动环驱动机构，驱动环驱动结构包括有电机，电机的输出轴上固定套装有主动齿轮，所述驱动环的外圈上设有外齿轮，所述主动齿轮和外齿轮之间通过传动齿轮组啮合传动。

所述驱动环驱动机构包括有两组。

所述传动齿轮组包括2至4个依次啮合的齿轮；传动齿轮组上设置有内六角驱动接口。

所述锥形孔的数量为15-40个。

所述电接头公、母头的数量均为1-30个；所述气、液接头公头和气、液接头母头的数量均为1-10个。

所述的对接圆柱固定在公接头连接法兰上，数量为2，两个对接圆柱关于公接头连接法兰中心对称布置；对接圆柱主体部分为圆柱形，其末端为锥形。

所述的驱动电机安装在公接头连接法兰上，并通过键与传动齿轮组连接，驱动电机的数量为2，其中一套为冗余设计，在托卡马克装置内其中一套出现失效时，另一套可单独驱动整个系统运转；所述的传动齿轮组数量与驱动电机相匹配，每组由2至4个依次啮合的齿轮组成，优选2个齿轮；所述的驱动环在外圈上设置了一段外齿轮，在内圈上设置圆柱形凸台，其中，外齿轮与传动齿轮组的最后一级齿轮啮合，驱动电机的转动可通过传动齿轮组与驱动环上的外齿轮使驱动环转动；所述的活塞环在其外圈设置一段螺旋状凹槽，该螺旋状凹槽位置与驱动环内圈设置的圆柱形凸台位置匹配，驱动环的转动改变圆柱形凸台与螺旋状凹槽的接触位置，从而驱动活塞环在轴向的移动；所述的活塞环外圈也设置了一段锥形面，该锥形面的位置与锁定钢球及公接头连接法兰上设置的锥形孔位置相匹配，活塞环沿着轴向的移动，改变活塞环上锥形面与锁定钢球接触位置，从而驱动锁定钢球推入或退出公接头连接法兰上的锥形孔；所述的活塞环中心圆盘上布置有标准的电接头公头和气、液接头公头，活塞环沿轴向移动时，也驱动电接头公头和气、液接头公头移动；所述的电接头公头采用可在托卡马克装置内使用的标准电接头，其数量为1-30，根据前端负载需要确定所需数量；所述的气、液接头公头采用可在托卡马克装置内使用的标准气、液接头，其数量为1-10，根据前端负载需要确定所需数量；

所述的母接头连接法兰在其法兰盘设置螺栓孔，可通过螺栓与机械臂前端负载连接；在母接头连接法兰上也设置了与公接头上的对接圆柱位置相对应的对接孔，对接孔一段为锥形孔，有利于对接圆柱的对准，另一段为圆柱孔，与对接圆柱的圆柱部分直径相同，在公接头与母接头完全对接时，承载传递扭转力矩；母接头连接法兰圆柱部分内表面在与锁定钢球相对应位置设置环形槽，在公接头与母接头完全对接时，锁定钢球嵌入环形槽中，从而承载传递弯矩力和轴向力；所述的母接头连接法兰的中心圆盘上布置电接头母头和气、液接头母头，其数量和位置分别与电接头公头和气、液接头公头一致。

所述的驱动电机驱动驱动环转动，从而带动活塞环沿着轴向移动，进一步驱动锁定钢球进入母接头上的环形槽内使公接头、母接头相互锁定同时驱动电接头公头和气、液接头公头分别与相应的电接头母头和气、液接头母头对接，在锁定钢球完全与环形槽接触时，电、气、液接头也刚好完全对接；在公接头与母接头分离时，与上述过程相反，驱动电机驱动驱动环反转，锁定钢球与环形槽脱离的同时，电、气、液接头也相互脱离。

所述的传动齿轮组上设置了内六角驱动接口，在两组驱动电机同时失效的情况下，可以通过外部驱动设置与内六角驱动接口对接，从而驱动驱动环的转动，实现公接头与母接头的对接与脱离。

本发明的有益效果在于：

1.本发明结合钢球锁紧与圆柱限制接头位置，结构紧凑，在满足重载需求的情况下可有效降低连接接头的重量。

2.本发明采用双电机同时驱动方式，冗余电机可保证连接接头在托卡马克装置内复杂环境下出现单个电机失效时，继续驱动连接接头完成前端负载的回收，提升了本发明连接接头在托卡马克装置内的适用性。

3.本发明集成了机械臂前端负载所需的所有电、气、液接头，并可完成同时对接，降低系统运行对接时的复杂度。

4.本发明在驱动电机输出端布置了可由外部设备驱动的救援接口，保证连接接头驱动电机同时失效时，可由外部驱动救援接口完成连接接口的回收，进一步提升托卡马克装置内本发明的适用性。

附图说明

图1是本发明的机械臂快换接头的立体结构示意图；

图2是本发明的机械臂快换接头公接头的立体结构示意图；

图3是本发明的机械臂快换接头母接头的立体结构示意图；

图4是图1的俯视图；

图5是图4的A-A剖视图。

附图标记说明：

1 公接头

2 母接头

1-1 驱动电机

1-2 传动齿轮组

1-3 公接头连接法兰

1-4 对接圆柱

1-5 驱动环

1-6 活塞环

1-7 气、液接头公头

1-8 锁定钢球

1-9 电接头公头

1-10 圆柱形凸台

1-11 导向块

2-1 母接头连接法兰

2-2 气、液接头母头

2-3 电接头母头

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1-图5所示，一种用于托卡马克装置内的机械臂快换接头，包括公接头1和母接头2。

公接头1包括公接头连接法兰1-3、驱动电机1-1、传动齿轮组1-2、对接圆柱1-4、驱动环1-5、活塞环1-6、锁定钢球1-8、电接头公头1-9、圆柱形凸台1-10、导向块1-11及气、液接头公头1-7。

公接头连接法兰1-3在其法兰盘设置多个螺栓孔，在对接圆柱1-4的公接头连接法兰1-3的圆柱面上均匀设置30个锥形孔，其中，可通过螺栓与机械臂本体连接，锥形孔内布置30个锁定钢球1-8。

驱动电机1-1安装在公接头连接法兰1-3上，驱动电机1-1输出轴通过键与传动齿轮组1-2连接，驱动电机的数量为2，其中一套为冗余设计，在托卡马克装置内其中一套出现失效时，另一套可单独驱动整个系统运转；传动齿轮组1-2数量与驱动电机1-1的数量相匹配，每组由2个依次啮合的齿轮组成；驱动环1-5在外圈上设置了一段外齿轮，所述驱动环1-5的内圈上设有圆柱形凸台1-10，圆柱形凸台共2个，环向均布在驱动环1-5的内表面上，圆柱形凸台1-10的圆柱轴线与驱动环1-5的内表面垂直；其中，外齿轮与传动齿轮组1-2的最后一级齿轮啮合，驱动电机1-1的转动可通过传动齿轮组1-2与驱动环1-5上的外齿轮啮合，使驱动环1-5转动；活塞环1-6在其外圈设置一段螺旋状凹槽，该螺旋状凹槽位置与驱动环1-5内圈设置的圆柱形凸台位置匹配，驱动环1-5的转动改变圆柱形凸台与螺旋状凹槽的接触位置，从而驱动活塞环1-6在轴向的移动；活塞环1-6下部外圈与公接头连接法兰1-3的法兰盘内圈相互贴合，公接头连接法兰1-3的法兰盘内圈设有纵向导槽，活塞环1-6下部外圈设有嵌装入纵向导槽内并可在纵向导槽中来回滑动的导向块1-11；活塞环1-6外圈也设置了一段锥形面，该锥形面的位置与锁定钢球1-8及公接头连接法兰1-3上设置的锥形孔位置相匹配，活塞环1-6沿着轴向的移动，改变活塞环1-6上锥形面与锁定钢球1-8接触位置，从而驱动锁定钢球1-8推入或退出公接头连接法兰1-3上的锥形孔；活塞环1-6中心圆盘上布置有标准的电接头公头1-9和气、液接头公头1-7，活塞环1-6沿轴向移动时，也驱动电接头公头1-9和气、液接头公头移动1-7；电接头公头1-9采用可在托卡马克装置内使用的标准电接头，其数量为18；气、液接头公头1-7采用可在托卡马克装置内使用的标准气、液接头，其数量为6。

对接圆柱1-4固定在公接头连接法兰1-3上，数量为2，两个对接圆柱关于公接头连接法兰1-3中心对称布置；对接圆柱1-4主体部分为圆柱形，其末端为锥形。

母接头2由母接头连接法兰2-1、电接头母头2-3及气、液接头母头2-2组成。

母接头连接法兰2-1在其法兰盘设置螺栓孔，可通过螺栓与机械臂前端负载连接；在母接头连接法兰2-1上也设置了与公接头1上的对接圆柱1-4位置相对应的对接孔，对接孔一段为锥形孔，有利于对接圆柱1-4的对准，另一段为圆柱孔，与对接圆柱的圆柱部分直径相同，在公接头1与母接头2完全对接时，承载传递扭转力矩；母接头连接法兰2-1圆柱部分内表面在与锁定钢球1-8想对应位置设置环形槽，在公接头1与母接头2完全对接时，锁定钢球1-8嵌入环形槽中，从而承载传递弯矩力和轴向力；母接头连接法兰2-1的中心圆盘上布置电接头母头2-3和气、液接头母头2-2，其数量和位置分别与电接头公头和气、液接头公头一致。

驱动电机1-1驱动驱动环1-5转动，从而带动活塞环1-6沿着轴向移动(移动范围可受到圆柱形凸台1-10和活塞环1-6的螺旋凹槽尺寸限制)，进一步驱动锁定钢球1-8进入母接头2上的环形槽内使公接头1、母接头2相互锁定同时驱动电接头公头1-9和气、液接头公头1-7分别与相应的电接头母头2-3和气、液接头母头2-2对接，在锁定钢球1-8完全与环形槽接触时，电、气、液接头也刚好完全对接；在公接头1与母接头2分离时，与上述过程相反，驱动电机1-1驱动驱动环1-5反转，锁定钢球1-8与环形槽脱离的同时，电、气、液接头也相互脱离。

传动齿轮组1-2上设置了内六角驱动接口(图4中1-2标示位置的孔就是为内六角结构)，在两组驱动电机1-1同时失效的情况下，可以通过外部驱动设置与内六角驱动接口对接，从而驱动驱动环的转动，实现公接头1与母接头2的对接与脱离。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。