一种模块化重载机械臂关节的制作方法

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，尤其是涉及一种模块化重载机械臂关节。

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。另外，cfetr主要需要维护的部件都集中真空室内部，但是，为了实现一些聚变参数，预留的机械臂进入维护通道往往都很小。而机械臂进入cfetr真空室内部维护之后，机械臂会受到内部的污染，需要在热室内自动化拆装机械臂部件，对其进行清理。这些都给聚变装置内部的部件维护提出了更高的要求。因此，为了维护cfetr内部部件，需要一套重载、结构紧凑、可在辐射环境下工作的机械臂，并且该机械臂还需要有高的可靠性、在部件损伤时容易更换部件。然而，现有的国内机械臂研究中，并没有一套能够满足上述要求的机械臂方案。

目前，对于机械臂关节的研究已经比较成熟，其中不乏大量可靠性高、重载的机械臂关节方案。但是，并没有一套能够同时满足重载、耐辐射、高可靠性、结构紧凑、易于拆装的机械臂关节方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于极端环境下的重载转动关节，它可以解决现有技术机械臂关节无法满足未来大型托卡马克装置内重型部件维护需求的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种模块化重载机械臂关节，包括重载行星减速箱，其特征在于：所述重载行星减速箱包括有壳体，壳体一端固定有输入端端盖，输入端端盖上安装有直交轴行星减速器和至少两个驱动电机，所述直交轴行星减速器上安装有离合机构，离合机构的输入轴与直交轴行星减速器的输出轴传动连接，每个驱动电机上均安装有一一对应的精密减速器，每个精密减速器的输入轴分别与对应驱动电机的输出轴传动连接。

所述壳体中心设有固定在输入端端盖上的过线套筒，所述过线套筒上自内而外依次套装有内齿圈、行星齿轮架一、行星齿轮架二和套筒状的输出端，所述内齿圈、行星齿轮架一和行星齿轮架二依次固定连接为一体，所述输出端与壳体之间为转动连接。每个精密减速器的输出轴外均固定有减速箱输入轴，每个减速箱输入轴均位于壳体内且每个减速箱输入轴上均固定套装有主动小齿轮，每个主动小齿轮均与内齿圈啮合传动；所述离合机构的输出端小齿轮也位于壳体内并也与壳体内的内齿圈啮合传动。

所述行星齿轮架一和行星齿轮架二上转动安装有至少四个齿轮轴，所述齿轮轴沿圆周方向均匀分布在壳体内部；每个齿轮轴上对应行星齿轮架一的部位设有一体的下齿轮，每个下齿轮均与壳体环形内壁的内齿轮啮合传动，所述壳体、下齿轮和齿轮轴组成一级行星齿轮组；每个齿轮轴伸出行星齿轮架二的部位均固定套装有行星轮，每个行星轮均与输出端环形内壁的内齿轮啮合传动，所述齿轮轴、行星轮和输出端组成二级行星齿轮组。

所述输出端的外端口部固定有转动套装在过线套筒上的输出端端盖，输出轴端盖和过线套筒之间安装有旋转变压器，旋转变压器的定子固定在过线套筒上，旋转变压器的转子固定安装在输出端端盖上。

所述的一种模块化重载机械臂关节，其特征在于：所述行星齿轮架一和行星齿轮架二上分别装有轴承一和轴承二，轴承一和轴承二分别安装在齿轮轴的两端；齿轮轴的两端分别装有轴端盖一和轴端盖二。

所述输出端套装在壳体的上口部，输出端和壳体之间重合的部位设有回转支承滚子，所述壳体的口部固定有回转支撑端盖，所述壳体、输出端、回转支承滚子和回转支承端盖组成一个回转支承结构。

所述的一种模块化重载机械臂关节，其特征在于：驱动电机内集成有旋转变压器和制动装置。驱动电机的输出轴与所述的精密减速器输入端连接，两者的壳体固定连接，优选螺栓连接；驱动电机内的制动装置在电机运转时，处于开闸状态，在电机停止运转时，处于抱闸状态，保证整个机械臂关节处于静止状态。所述的驱动电机与精密减速器连接体至少包含两套，其中有一套出现故障的情况下，另一套可以单独驱动机械臂关节运转；

所述的驱动电机可在辐射环境下正常工作，其内部集成的旋转变压器及制动装置均可在辐射环境下工作。

直交轴行星减速器的输出端与离合机构输入端连接，两者的壳体固定连接，优选螺栓连接；所述的离合机构的输出端与所述的重载行星减速箱的一个输入端连接；在关节的电机全部失效情况下，所述的直交轴行星齿轮箱及离合机构组成的系统，可提供系统的救援接口，可由外部转动驱动关节运动；

所述的输入端端盖与所述的壳体固定连接，优选螺栓连接；所述的精密减速器与输入端端盖壳体固定连接，优选螺栓连接；所述的输入轴与精密减速器的输出端固定连接，优选螺栓连接；所述的主动小齿轮与输入轴固定连接，优选键连接，输入轴和主动小齿轮与精密减速器一一对应；所述的内齿圈与主动小齿轮啮合，将几个驱动电机的动力协调传递到内齿圈上；内齿圈与行星齿轮架一固定连接，优选螺栓连接；所述的行星齿轮架一与行星齿轮架二固定连接，在两个行星齿轮架上分别装有轴承一和轴承二；所述的轴承一和轴承二上分别安装在齿轮轴的两端；所述的齿轮轴一端固定连接行星轮，优选键连接，齿轮轴的两端分别装有轴端盖一和轴端盖二，限制轴承一和行星轮沿着齿轮轴轴向移动；所述的齿轮轴、轴承一、轴承二、行星轮、轴端盖一和轴端盖二组成以及行星齿轮组，一级行星齿轮组中齿轮轴上的下齿轮均与壳体上的内齿轮啮合，行星轮与输出端的内齿轮啮合；为了实现重载要求，重载行星齿轮箱中至少包含4组行星轮组，并沿圆周均匀分布在壳体内部；

所述的壳体、输出端、回转支承滚子和回转支承端盖组成一个回转支承结构，这种回转支承结构既可以保证输出端相对于壳体在重载下转动，又能够限制输出端相对壳体的轴向运动。

所述的输出端端盖与输出端固定连接，优选螺栓连接；所述的过线套筒与输入端端盖固定连接，优选螺栓连接；输出端端盖与过线套筒之间安装有轴承三，轴承盖固定安装在输出端端盖上，优选螺栓连接；

所述的旋转变压器安装在过线套筒与输出端端盖之间，其中：旋转变压器的定子通过键固定连接在过线套筒上，旋转变压器的转子通过螺栓安装在输出端端盖上；旋转变压器可以测出机械臂关节输出端相对于壳体的位置及转动速度，并可以在托卡马克的辐射环境下工作；

优选的，所述的壳体上的内齿轮的齿数大于所述的输出端的内齿轮的齿数，但两者的齿数差不大于10。

优选的，所述的齿轮轴上的外齿轮的齿数大于所述的行星轮的齿数，但两者的齿数差不大于10；

所述的重载行星减速箱减速比范围在50-1000之间，优选200-1000，以实现大的输出负载。

本发明的有益效果在于：

1.本发明将驱动电机与减速箱集成在一起，结构紧凑，模块化设计可有效降低驱动关节的重量，并可实现驱动关节的快速更换。

2.本发明采用多个电机同时驱动的冗余驱动方式，可在其中一个电机失效的情况下，其余电机继续驱动机械臂关节运转，防止机械臂在极端环境中出现故障而无法收回维修，增加了本发明关节在极端环境中的适用性。

3.本发明设置了救援接口，可在机械臂关节内部冗余电机全部失效的情况下，部署其他机械臂在人员无法接近的环境中对故障的关节进行救援，进一步增加了本发明关节在极端环境中的适用性。

4.本发明采用中空两级行星齿轮驱动，取消了常规行星齿轮箱的太阳轮结构，既在关节中心预留了布线空间，又能够传递重型负载和满足传动结构紧凑的需求。

附图说明

图1是本发明的模块化重载机械臂关节的立体结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图2的a-a剖视图。

图4是图3的b-b剖视图。

图5是图3的c-c剖视图。

附图标记说明

1——精密减速器

2——驱动电机

3——直交轴行星减速器

4——离合机构

5——重载行星减速箱

5-1——输入端端盖

5-2——输入轴

5-3——小齿轮

5-4——内齿圈

5-5——轴端盖一

5-6——轴承一

5-7——行星齿轮架一

5-8——齿轮轴

5-9——壳体

5-10——轴承二

5-11——行星齿轮架二

5-12——行星轮

5-13——回转支承滚子

5-14——回转支承端盖

5-15——轴端盖二

5-16——输出端

5-17——输出端端盖

5-18——轴承三

5-19——轴承盖

5-20——旋转变压器

5-21——过线套筒

具体实施方式

如图1-图5所示，一种模块化重载机械臂关节，包括精密减速器1、驱动电机2、直交轴行星减速器3、离合机构4和重载行星减速箱5。其中，重载行星减速箱5包括输入端端盖5-1、减速箱输入轴5-2、主动小齿轮5-3、内齿圈5-4、轴端盖一5-5、轴承一5-6、行星齿轮架一5-7、齿轮轴5-8、壳体5-9、轴承二5-10、行星齿轮架二5-11、行星轮5-12、回转支承滚子5-13、回转支承端盖5-14、轴端盖二5-15、输出端5-16、输出端端盖5-17、轴承三5-18、轴承盖5-19、旋转变压器5-20和过线套筒5-21。

驱动电机2内部集成了旋转变压器及制动装置，旋转变压器可以在托卡马克的辐射环境下使用，并监控、反馈电机的输出速度；驱动电机2内的制动装置在电机运转时，处于开闸状态，在电机停止运转时，处于抱闸状态，保证整个机械臂关节处于静止状态。驱动电机2的输出轴与精密减速器1的输入端连接，两者的壳体用螺栓固定连接；驱动电机2与精密减速器1的连接体至少包含两套，其中有一套出现故障的情况下，另一套可以单独驱动机械臂关节运转；

驱动电机2可在辐射环境下正常工作，其内部集成的旋转变压器及制动装置均可在辐射环境下工作。

直交轴行星减速器3的输出端与离合机构4的输入端连接，两者的壳体采用螺栓固定连接；离合机构4的输出端小齿轮与重载行星减速箱5的内齿圈5-4啮合连接；直交轴行星减速器3及离合机构4组成机械臂关节的救援系统，直交轴行星减速器3的输入端作为救援系统的输入接口。在系统的驱动电机2正常工作时，离合机构4处于脱离状态，救援机构与机械臂关节转动部件脱离；在系统的驱动电机2失效，并且冗余电机驱动力矩不足以驱动机械臂关节时，离合机构4接合，可由外部施加转动力矩给救援系统接口，通过救援系统驱动重载行星减速箱5转动，将机械臂回收到托卡马克装置外维修。

输入端端盖5-1与壳体5-9采用螺栓固定连接；精密减速器1与输入端端盖5-1壳体采用螺栓固定连接；减速箱输入轴5-2与精密减速器1的输出端采用螺栓固定连接；主动小齿轮5-3与减速箱输入轴5-2之间采用键连接，减速箱输入轴5-2和主动小齿轮5-3与精密减速器1一一对应；内齿圈5-4与主动小齿轮5-3啮合，将几个驱动电机2的动力协调传递到内齿圈5-4上；内齿圈5-4与行星齿轮架一5-7采用螺栓固定连接；行星齿轮架一5-7与行星齿轮架二5-11固定连接，在两个行星齿轮架上分别装有轴承一5-6和轴承二5-10；轴承一5-6和轴承二5-10上分别安装在齿轮轴5-8的两端；齿轮轴5-8一端通过键连接行星轮5-12；齿轮轴5-8的两端分别装有轴端盖一5-5和轴端盖二5-15，用以限制轴承一5-6和行星轮5-12沿着齿轮轴5-8轴向移动；齿轮轴5-8、轴承一5-6、轴承二5-10、行星轮5-12、轴端盖一5-5和轴端盖二5-15组成行星轮组，每一组行星轮组的齿轮轴5-8上齿轮与壳体5-9上的内齿轮啮合，行星轮5-12与输出端5-16的内齿轮啮合；为了实现重载要求，重载行星齿轮箱中至少包含4组行星轮组，并沿圆周均匀分布在壳体内部；由图4、图5所示的b-b剖面图和c-c剖面图，这里选择6组行星轮组。

壳体5-9、输出端5-16、回转支承滚子5-13和回转支承端盖5-14组成一个回转支承结构，这种回转支承结构既可以保证输出端5-16相对于壳体5-9在重载下转动，又能够限制输出端5-16相对壳体5-9的轴向运动。

输出端端盖5-17与输出端5-16采用螺栓固定连接；过线套筒5-21与输入端端盖5-1采用螺栓固定连接；输出端端盖5-17与过线套筒5-21之间安装有轴承三5-18，轴承盖5-19用螺栓固定安装在输出端端盖5-17上；

旋转变压器5-20安装在过线套筒5-21与输出端端盖5-17之间，其中：旋转变压器5-20的定子通过键连接固定在过线套筒5-21上，旋转变压器5-20的转子通过螺栓安装在输出端端盖5-17上；旋转变压器5-20可以测出机械臂关节输出端5-16相对于壳体5-9的位置及转动速度，并可以在托卡马克的辐射环境下工作。