基于ansys托卡马克内窥机器人伸缩臂的分析与设计论文

毕毕 业业 设设 计计 设计题目设计题目 基于基于 ANSYSANSYS 托卡马克内窥机器人伸缩臂的分析与托卡马克内窥机器人伸缩臂的分析与 设计设计 学生姓名学生姓名 祝敏祝敏 学学 号号 20090750 专业班级专业班级 机械机械设计设计制造及其自制造及其自动动化化 09-10 班班 指导教师指导教师 陈长陈长琦琦 院系名称院系名称 机械与汽机械与汽车车工程学院工程学院 2013 年年 6 月月 3 日日 目录 中文摘要 1 Abstract2 1绪论 3 1.1 课题背景 3 1.2 本文主要任务 6 2 模块的总体设计.6 2.1 伸缩杆机构总体设计内容.6 2.2 关键部位方案确定 7 2.3 本章小结 .10 3 机构与零件的设计、选取与校核11 3.1 联轴器的选择 .11 3.2 电动机的选择 .12 3.3 螺旋副的计算与校核 .14 3.3 螺母周向固定键的设计计算 .17 3.4 导向装置的选取与设计 .18 3.5 角接触球轴承的校核计算 .18 3.6 铰支端轴承的选取 .20 3.7 推杆端转动的设计 .21 3.8 其他主要零部件的设计与三维建模 .23 3.9 波纹管的选取 .28 3.10 本章小结 29 4 ANSYS 有限元分析 30 4.1 ANSYS 分析简介30 4.2 分析过程及结果 .31 4.3 本章小结 .36 结论 37 谢辞.38 参考文献.39 1 基于 ANSYS 托卡马克内窥机器人伸缩臂的 分析与设计 摘要：本次课题旨在设计一种用于托卡马克内窥检测的机器人装置的伸缩杆模 块并加以分析验证其可行性。由于机器人必须在不破坏托卡马克装置中 原有真空度及温度的条件下伸入，因此它必须满足真空度及温度要求： 的高真空，120的工作温度，200的烘烤温度。机器人有 11 Pa 4 10 个自由度，由 5 个模块、导向系统及推进系统组成。托卡马克内窥机器 人的主要任务是在托卡马克装置运行的间歇期间伸入托卡马克腔体内对 第一道壁进行近距离的直观检视，进而发现损坏的石墨瓦片以利于维护。 内窥机器人的潜在功能还包括在安装了相关插件后可对内壁进行激光烧 蚀，以及利用氦嗅探传感器进行对故障组件的定位。本文详细地介绍了 设计过程中关键步骤，包括模块关键部位的方案确定，机构与零件的设 计、选取与校核的过程，还加入了利用 ANSYS 软件进行有限元分析的过 程与结果。对托卡马克内窥机器人伸缩杆模块的设计与分析进行了一次 比较全面的论证与实践。 关键词：托卡马克;内窥机器人;伸缩杆模块;检视;维护 2 Design and Analysis of the telescopic of the Tokamak endoscopic inspection robot based on ANSYS Abstract: The purpose of this project is to design a telescopic rod module of the Tokamak endoscopic inspection robotic devices, then to analyze it in order to verify its feasibility. The inspection robot have to stretch in the vessel under the premise that it do not destroy the vacuum and temperature conditions in the Tokamak device. In this case, the robot must meet the requirement of the vacuum and temperature: high vacuum of , Pa 4 10 operating temperature at 120C, baking temperature at 200C. The robot has 11 degrees of freedom, and is composed of 5 modules, the guidance system and propulsion system. The main task of the Tokamak inspection robot is to stretch in the Tokamak vessel and conduct a close intuitive detection of the first wall. After that, we can find the damaged graphite tiles and carry out the aegis. The potential function of the endoscopic inspection robot also includes laser ablation on the first wall after installing relevant plug - ins. And also, the robot can locate the faulty components using the helium-sniffing sensors. This paper describes the critical steps in the design process including the determination on the scheme of the modules key parts and the process of designing,selecting and checking on the institutions and parts. It also states the process and results of finite element analysis using ANSYS software. This paper demonstrate and practice on the designing and analyzing of the telescopic rod module of Tokamak endoscopic inspection robotic devices comprehensively. Keywords：Tokamak; endoscopic inspection robot;telescopic rod module; detection; aegis 3 1绪论 1.1 课题背景 1.1.1 托卡马克内窥机器人的研究背景及意义 随着世界环境和能源问题的日益严峻，寻找可再生能源替代目前人类赖以 生存的化石能源已迫在眉睫。核能是最理想的替代能源，它包括聚变能和裂变 能，其中，裂变能在 20 世纪 50 年代就实现了和平利用，但裂变电站面临着难 以处理的放射性废料和地球矿石资源有限的难题。而聚变使用氘和氚作为燃料， 海水中富含氘，氚可由地球上富含的锂增殖产生。聚变能的开发利用一旦实现， 将是一种洁净的、使用时间无限的理想能源。使用可控制的热核聚变产生可再 生能源的概念在二战末期就已提出，在 20 世纪 50 年代前，各核大国开展了大 量的实验探索，主要研究途径是磁约束和惯性约束两种，而在面向建造聚变堆 方面，磁约束取得了较大进展，尤其是其中的托卡马克途径。 托卡马克聚变反应堆要实现其聚变发电的功能，必须有环状的超高真空容 器、达到聚变点火条件的磁约束等离子体及等离子体诊断设备；若其中的至少 任何一个条件没有得到很好的满足，那么反应堆的主要功能就不能实现；所以， 实现这些基本功能的部件必须得到相应地维护。然而，由于聚变反应有大量的 高能中子产生，托卡马克的所有不见都会受到不同程度的核辐射，所以，托卡 马克聚变堆相关部件的维护都禁止用手直接操作，从而机械臂遥操作技术就成 为像 ITER 一样的实验堆以及未来聚变堆面临的主要挑战之一。 1.1.2 国内外研究现状 在核聚变反应堆环境内应用的机械臂（机器人）系统国内基本上属于空白 状态，国际上可以参考的设计或者应用资料极为有限。为人所知的机械臂系统 由已经投入使用的英国的 JET 系统双臂作业机器人，在垂直方向具有很高的刚 性，在水平方向具有多关节冗余自由度结构。此外，日本研制的 FSD 远程维护 机器人已经进入试制阶段，并且计划在将来使用于国际核聚变组织（ITER） 。这 两款机器人都是在核聚变反应堆内进行维护作业等实际操作的机器人。由法国 研制的轻型空间多自由度冗余机械臂 AIA 由平行四边形多连杆结构串联组成， 在一定条件下可以灵活地到达三维空间的设定位置，并且该机械臂具有动作灵 活、质量轻、运动精度高的特点，可以很好地完成对真空室腔体内壁的摄像观 4 测工作。 从 EAST 现行物理实验的观测要求上讲，真空室遥操作柔性内窥系统 （Flexible In-Vessel Inspection System）FIVIS 的设计研制的提出，是为 了在等离子体放电的间停期间，实现对 EAST 真空室内部部件的全方位检查，以 提供必要的内部部件的运行状态信息，从而有助于物理实验的开展。在等离子 体的放电间停期内利用 FIVIS 对装置内部结构进行监测诊断，将为真空室内部 结构运行状态的判断大大地节省时间、人力和财力，因此提高装置的整体实验 能力和效率。图 1.1,图 1.2 所示为法国 AIA 内窥机器人在托卡马克墙体内展开 的效果图12。 图 1.1 托卡马克内窥机器人工作效果图（1） 5 图 1.2 托卡马克内窥机器人工作效果图（2） AIA 是一个由五个模块组成的直径 160、长 8m 的多链路载体。AIA 机器 人的长度是和 ITER 检查后的第一层壁以及偏滤器盒的要求是一致的。这些模块 包括：间距（45在垂直平面内）和偏航关节（90在水平平面内）与一 个连接偏航结构以使偏航关节轴总是垂直的平行四边形结构。仰角和旋转运动 的组合给机器人提供了 8 个自由度13。AIA 的总重量是 150 公斤左右。机器人 沿着它的支撑命名为部署者的线性小车运动的。它的有效载荷限定为 10 公斤。 AIA 单一模块示意图如下11： 图 1.3 托卡马克内窥机器人（法国 AIA）单一模块结构 五个模块总体外观则如下图所示11： 图 1.4 AIA 总体外观 6 托卡马克装置因在试验期间观察监测的需要，设计了一种柔性内窥系统， 该系统采用模块化机械结构设计，该模块结构是实现内窥系统的观察监测目的 极为关键的部件。AIA 铰接臂式机器人主要是铰接臂头部载有一个窥视系统， 从而对托卡马克内部真空环境进行一个近距离的检测作用。而除了检测功能之 外，此类的托卡马克内窥机器人目前还可以通过搭载不同插件实现很广泛的功 能，例如检漏模块和用于等离子体表面组件的激光烧蚀，都是即将或已经得以 实现的非常重要的功能。就此机器人而言还应进行的设计及实验是14：1.控制 机器人的电气控制及编程。2.机器人在托卡马克环境下的密封及温度耐受实验。 3.机器人的重力变形校准实验。 1.2 本文主要任务 本次课题主要是研究托卡马克内窥式机器人内部的伸缩杆模块的设计，在 实现其伸缩功能的同时给其加了一个转动的自由度。主要思路是在概念设计的 基础上，进行机械结构模块的设计计算（传动机构，力学强度） ，进而确定结构 模块的具体结构，用 CAD 以及 Solidworks 等绘图软件完成设计，接着利用 ANSYS 等分析软件对该模块进行力学性能模拟分析，以评价设计的优劣。 使用要求： 总长 ：小于 1200mm； 有效行程 ：250mm； 最大径向尺寸 ：小于 80mm； 最小径向尺寸大于：6mm； 轴向载荷 ：6000N； 漏气率 ：小于 10-8Pa/s ； 3 m 工作真空度 ：Pa； 4 10 7 2 模块的总体设计 2.1 伸缩杆机构总体设计内容 本次课题主要是研究机器人伸缩杆模块的设计，整个伸缩杆结构的构思是 由电动机（内置减速器） 、传动装置、密封装置、支持导向装置组成。 由于托卡马克内窥机器人要具备运行平稳精确的特点，因此采用螺旋传动 来作为机器人伸缩杆模块的主要结构。 螺旋传动是精密机械设计中的一种常见的传动形式，它能将旋转运动变为 直线运动。螺旋传动按摩擦形式可以分为：滑动螺旋传动，滚动螺旋传动，静 压螺旋传动。由于设计中采用的电动机功率及额定转矩都较小为了减少摩擦力 提高装置的使用寿命故此设计中采用了滚珠丝杆传动。 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的 理想的产品。它由螺杆、螺母和滚珠组成，是工具机和精密机械上最常使用的 传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反 覆作用力，同时兼具高精度、可逆性、高效率和维护性高的特点。 1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到 较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下,即达到同样 运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。 2)高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特 别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控 制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3)微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那 样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4)无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高 的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的 斥力可使丝母部的刚性增强)。 8 5)高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。 传动装置选定后，则伸缩臂传动过程为：电动机转动通过联轴器带动螺杆 转动，螺杆转动带动螺母做直线运动，最终带动与螺母固结的推进杆运动，同 时在推杆头部加上驱动机构，使推杆端部的部件完成转动。 2.2 关键部位方案确定 2.2.1 螺旋传动方案的确定4 2.2.1.1 螺纹滚道型面 螺纹轨道的法面截形是指通过滚珠中心且垂直于滚道螺旋面的平面的和滚 道表面的交线形状。可分为单圆弧形和双圆弧形。单圆弧形制造简单但是接触 角不稳定，刚度不够，双圆弧形制造困难但运动过程中接触角稳定，精度高并 且容易沉积赃物，考虑到机器人的运动精确性选用双圆弧形。 2.2.1.2 滚珠的循环方式 限于机器人的径向尺寸限制采用内循环方式，此种循环的径向尺寸较小。 2.2.1.3 螺旋副材料的选择 螺旋副材料要求具有良好的耐磨性和易于加工的性能。为了减少磨损应使螺 杆和螺母具有良好的硬度查表 22.4-221查得：螺杆选用 GCr15 并进行整体淬 火，螺母亦采用 GCr15 加工。 2.2.1.4 消除轴向间隙的调整预紧方法 如果滚珠与滚道之间存在间隙在轴向载荷的作用下就会产生弹性变形，则 当螺杆反向运动时就会产生空回误差。为了消除空回误差采用双螺母并通过调 整垫片调整螺母之间的相对位置来施加预紧力。 2.2.2 螺杆支撑方案的选择4 螺杆的支撑设计直接影响伸缩杆轴向运动的精度及稳定性，是此设计中的 重要部分。 2.2.2.1 支撑类型设计 螺杆转动带动螺母直线运动，此过程必需使螺杆定位可靠不能有轴向或者 径向的窜动，并且要求承受较大的轴向载荷，同时考虑到螺杆细长，因此要使 9 其刚度稳定性较好。 滚珠丝杆的基本支撑结构有以下几种： A.固定固定型：两端分别由一对轴承约束轴向和径向自由度，负荷由两 组轴承副共同承担，适用于高精度和高转速场合。 图 2.1 固定固定型支撑方式 B.固定-游动型：一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端由单个轴 承约束径向自由度，负荷由一对轴承副承担，游动的 单个轴承能防止悬臂挠度， 并消化热变产生的应力，此结构结构复杂但轴向的刚度及稳定性较高，适用于 中转速、轴向位移精度要求较高的场合。 图 2.2 固定-游动型支撑方式 C.支撑-支撑型：两端分别设一个轴承，分别承受径向力和单方向的轴向力， 随负荷方向变化，分别由两个轴承单独承担某一方向的力，适合中转速和中精 度场合。 图 2.3 支撑-支撑型支撑方式 D.固定-自由型：一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端悬空呈自 10 由状态，负荷均由同一对轴承副承担，并需克服丝杆回转离心力造成的弯矩， 此结构优点是结构简单但其稳定性较差，适合低转速，中精度，轴向长度短的 场合。 图 2.4 固定-自由型支撑方式 综合设计需要，为了满足使用要求，选用固定游动型的滚珠丝杆支撑结 构。 2.2.2.2 轴承的选取 设计中采用了一端固定一端铰支的螺杆固定方式，对于固定端轴承主要承 受轴向载荷 Fa，另加伸缩杆的部分重力（径向载荷） 。而径向载荷和轴向载荷 相比可以忽略不计，除此，螺杆在正反转时承受压力和拉力，即固定端的轴承 要承受两个方向的轴向力，基于上述考虑可选用两个大接触角的角接触球轴承 成对的安装于同一支点。 成对的安装角接触球轴承有 DB、 DF 、DT 三种，DB（反装）安装不仅可 以承受双向的作用力并且刚性好，但考虑到轴承尺寸较小，内外圈的厚度小， 为了方便安装和拆卸采用 DF（正装）形式，安装示意图如下所示： 图 2.5 角接触球轴承 DB、DF、DT 安装示意图 而对于铰支端，由于此端只起支撑作用不用来承受轴向力故选用深沟球轴 承。 11 2.3 本章小结 本章根据课题的设计要求，进行了对机器人伸缩臂的传动结构和支撑结 构的选型，最终确定了整个伸缩臂的总体设计方案。 3 机构与零件的设计、选取与校核 3.1 联轴器的选择 联轴器是用来连接两轴使其一同回转传递运动和动力的常用部件。联轴器 可分为刚性联轴器和挠性联轴器，刚性联轴器用在两轴有精确的对中性能转速 稳定并不经常启动得连接场合。挠性联轴器按有无弹性元件又可分为无弹性元 件的挠性联轴器和弹性联轴器。挠性联轴器能补偿两轴在旋转过程中的轴向和 径向位移多用于两轴对中精度要求不高频繁启动的场合。 在此设计中为了防止电机输出轴和滚动丝杠之间由于偏移产生过大应力故 采用挠性连轴器，受此机器人设计中对径向尺寸的严格限制选用平行联轴器。 平行连轴器是一种紧凑型、高扭矩的联轴器，可以在非常紧凑的机壳内补 偿平行于轴向的偏移而不产生侧面载荷。 通过其模块化的结构，每次应用时都能对扭转传递和径向偏差补偿能力进 行优化。平行联轴器链节通过压缩和拉伸传递扭矩，这套系统能将扭矩传递到 驱动装置的同时不会增加侧面载荷。而且，平行联轴器不会将振动从驱动装置 传递到从动装置。近几年平行轴联轴器在各种场合得到了广泛的应用。 某公司生产的 FSCM-L 型连轴器参数表 12 图 3.1 连轴器各型号参数表 最后选定的联轴器参数如表 3.1。 表 3.1 选定联轴器的参数表 Dd1d2 额定扭矩 32mm 12mm 8mm 4N.m 联轴器的外形图如下： 图 3.2 联轴器的外形尺寸图 13 3.2 电动机的选择 3.2.1 电动机额定转矩的计算 螺纹升角，查表 22.4-16（机械设计 06 . 6 1214 . 3 4 arctanarctan 0 d Ph 手 册，徐）得，滚动螺旋副类型为由旋转运动变为直线运动时当量摩擦角 ，所以。此时，产生 6000N 的轴向力需0025 . 0 tan14. 00025. 0arctan 施加的转矩 mN d FT9 . 3)14 . 0 06 . 6 tan( 2 12 6000tan 2 0 查表 14-7（参考资料 5） ， 弹性联轴器的效率为，一对轴承的效率为故995. 0 1 99. 0 2 mN T 96 . 3 985 . 0 9 . 3 T 985 . 0 99 . 0 995 . 0 21 总 电 总 因而所选用电动机的额定转矩应满足：）（ 额 mN96 . 3 T 3.2.2 电动机转速的确定 由于伸缩杆的有效行程是 250mm，为了便于精确控制其运动，速度应平稳 而不宜过快，先设定单向行程的运动时间为 100s150s 螺母的直线运动速度为 )(5 . 2 100 250 )(67. 1 150 250 1 max 1 min smm t L v smm t L v 对应的功率为 )(15105 . 26000 )(02.101067 . 1 6000 3 max 3 min WvFP WvFP 螺旋传动的效率 (表 22.4-16 977. 0 14 . 0 06 . 6 tan 06. 6tan tan tan 3 参考资料 1) 96. 0977. 099 . 0 995. 0 321 总 故电动机的功率）（ 总 额 W625.15438.10 96 . 0 1502.10 P P 14 按上述要求查某公司 DS-52RP52ZY 电动机系列参数表： 图 3.3 东顺电机性能参数一览表 最后选定的电动机的参数如表 3.2。 表 3.2 选定电动机参数表 额定电压减速比额定扭矩额定转速额定功率 24V1/7261.15N.m38 r/min32W 电动机的外形尺寸如图所示： 图 3.4 电动机外形尺寸图 3.3 螺旋副的计算与校核 3.3.1 螺旋副尺寸的初选 15 图 3.5 滚动螺旋传动 图 3.6 螺纹滚道型面的形状、参数和特点 初选螺杆公称直径，螺距，滚珠直径，接触mmd12 0 mmph4mmDW2 角 45 偏心距mm D re W s 028 . 0 sin 2 707. 0 （表 22.4-10 参考资料 1）mmDrr WMS 6 . 1152. 0 螺纹大径，螺纹小径mmDdd W 6 .112 . 0 0 mmredd S 976 . 9 22 01 螺杆接触点直径mmDdd Wk 586.10cos 0 螺杆牙顶圆角半径mmDr Wa 02. 001. 0 螺母螺纹大径mmredD M 024.1422 0 螺母螺纹小径mmdddD2 .125 . 0 001 16 3.2.2 螺旋传动副的检验及校核 已知平均载荷，平均转速NF6000min/38rn 3.2.2.1 基本额定静载荷的计算 滚动螺旋副在静态条件下，受接触应力最大的滚动体和滚道接触面间产生 的塑性变形量之和达到了 0.0001 倍滚动体直径时的轴向载荷，定义为基本额定 静载荷 1 a C0 由于，118 . 0 45cos 12 2 cos m w d D 52 . 0 2 04 . 1 W S D r 查表 22.4-131，可取基本额定静载荷特性值MPaK12.66 0 总工作圈数331i 每圈螺纹内滚动体的数量19 0 W D d z 由式 1 NDziKC Wa 9 . 10659sin 2 00 查表 22.4-181知，2 . 1 F K 查表 22.4-191知，0 . 1 H K 可知NFKKC HFa 7200 0 因此传动副满足静载荷要求。 3.2.2.2 螺杆强度校核6 根据第四强度理论， Mpa d T d F 93.83 98 . 9 2 . 0 3900 3 98. 914 . 3 60004 2 . 0 3 4 2 3 2 2 2 3 1 2 1 （表 22.4-3，参考资料 1） 查表 4-193查得 GCr15：Mpa s 353 得出 MpaMpa s 353 9 . 83 所以螺杆满足强度上的要求。 3.2.2.3 螺杆稳定性检验7 螺杆稳定性的检验即为临界载荷的检验。查表 22.4-41，螺杆端部结构 c F 17 为一段固定一段铰支，因此长度系数。7 . 0 螺杆危险截面的惯性半径494 . 2 4 976 . 9 4 1 d A I i a 最大工作长度mml300 得85 2 . 84 494. 2 3007 . 0 i l 因此 N d i l Fc7 .15516 4 0002 . 0 1 480 2 2 ，满足应使59. 2 6000 7 .15516 F Fc 45 . 2 F Fc 故稳定性满足要求 3.2.2.4 螺旋副传动效率的计算 螺旋副传动效率 % 7 . 97%100 14 . 0 06 . 6 tan 06 . 6 tan %100 tan tan 3.2.2.5 螺旋副寿命检验 查表 22.4-15 可知，故寿命满足要求。FCa 3.3 螺母周向固定键的设计计算 由于此设计中螺旋副的运动形式是螺杆转动，螺母在其上做直线往复移动， 螺母在丝杠旋转运动的带动下会由周向运动的趋势，因此必须采取一定的方法 防止螺杆转动时螺母在摩擦力矩的作用下随其一起转动，因此选用一平行键将 摩擦力矩通过键传递给推进杆，再由推进杆上的导向键传递给平行杆法兰进而 防止其转动。 查表 5-30-205 选用 b=8mm ，h=7mm ， L=50mm 的普通平键，材料为 45 钢。 标记为：键，安装尺寸如图 2.6 所示5078 18 图 3.7 键的安装尺寸 3.3.1 剪切强度校核6 22 3900 0.65() 30 8 50 142120pa FT Mpa bLdbL M查表（参考资料2）查得 所以 故剪切应力满足要求 3.3.2 挤压强度校核6 ）（Mpa486 . 1 505 . 330 390022T dkLkL F 3.4 导向装置的选取与设计 由于推杆的轴向运动的范围大，设计要求轴向位移 250mm，所以为了维持 运动过程中的稳定性需用导向平键导向。 查表 5-3-225 选用键 10X280 pp a 22 3900 0.08(pa)120pa bdb34 10 280 b 22 3900 0.2(pa) 34 4 280 T MM L FT M RLdkL ）键的剪切强度校核 F = L ）键的挤压强度校核 所以导向键符合使用要求 19 3.5 角接触球轴承的校核计算 查表 17-55可得，选用 GB/T 292-1994 轴承代号：7001AC 图 3.8 轴承的安装尺寸 轴承的安装尺寸如图 3.6 所示，基本尺寸：d=12,D=28,B=8 kN55 . 2 C 5.20kNC or r 额定静载荷 额定动载荷 基本额定载荷 26000r/minn 18000r/minn L L 油润滑 脂润滑 极限转速 3.5.1 滚动轴承寿命的计算4 20 图 3.9 轴承的载荷-寿命曲线 图 2.8 所示为在大量试验研究基础上得出的滚动轴承的载荷-寿命曲线。此 曲线的公式表示为 P C L10 其中，为指数。对于球轴承，；对于滚子轴承，。的单位3 3 10 10 L 为。r 6 10 以小时数表示轴承基本额定寿命为 h L P C n Lh 60 106 由于托卡马克内窥机器人要承受高达 200的温度，因此要加入温度系数C 进行计算此时的公式为 P Cf n L t h 60 106 查表 13-46得，200时，。C8 . 0 t f 3.5.1.1 计算当量动载荷 arp YFXFfP 由于载荷性质为无冲击或轻微冲击，查表 13-6 得载荷系数0 . 1 p f 3.5.1.2 与的计算6 r F a F 由 solidworks 软件计算得丝杠螺母质量为 325.67g，丝杠自重 325.04g， 因此径向载荷，远小于轴向载荷NkgN gg Fr38 . 6 /8 . 9 1000 04.32567.325 ，因此径向载荷可忽略不计，即无派生轴向力。NFa6000 因此式 2 中，可得。0, 1YXNNP60000600010 . 1 进而可以计算式 1 中 ，查表 13-3（参考资料 6） ，本托 h kN kN Lh 4 . 548 6 08 . 8 8 . 0 3860 10 3 6 卡马克内窥机器人属于不经常使用的仪器或设备，预期计算寿命为 ，hh3000300 所以得到的轴承寿命满足使用要求。 21 成对的安装角接触球轴承经加工厂特殊磨制过内外圈可以使其承受载荷前 有一定的接触变形（预紧）可以提高其接触刚度和使用寿命。 3.6 铰支端轴承的选取 由于此端只起支撑作用不用来承受轴向力故选用深沟球轴承，查表 7-2 5 故选用代号为 61900 的深沟球轴承。其尺寸示意图如下： 图 3.10 深沟球轴承尺寸示意图 其具体的安装尺寸为： mmrmmDmmdmmBmmDmmd3 . 0,5 .18, 5 . 13,6,22,10 22 3.7 推杆端转动的设计 对于转动的实现主要思路是：将推杆做成两部分，在第二部分内内置电机， 使其转动。考虑到密封问题，两段推杆用法兰进行连接，并加上刀口式金属密 封圈。电机转动后，经过联轴器后带动伸出的轴转动，从而带动和轴铰支的下 一段进行转动。其中整个支撑选用角接触球轴承进行支撑。 3.7.1 转动电动机的选择 由于电动机内置在推杆中，考虑到推杆内孔直径仅为 22mm，这里选择小型 电机。型号是：德国冯艾伯（faulhaber）的进口微型直流伺服电机，1516SR 带行星减速器，512 线编码器其他参数为：总体尺寸为 39mm,直径 15mm,带 500 编码器，电压 6V 时最大转速可达到 100r/min。下面是电动机的一些外形及尺 22 寸参数： 图 3.11 内置电动机的外形及尺寸参数 由于转动端与下一节铰支，其载荷未知，可以根据需要选择电板自行选定 电机功率、调节其转速，这里不进行电动机的校核。 3.7.2 轴承的选择5 由于要实现转动，所选轴承会承受一定的轴向力，选用角接触球轴承。考 虑到轴承尺寸较小，内外圈的厚度小，为了方便安装和拆卸采用 DF（正装）形 式（同滚珠丝杆固定端轴承安装） 。 轴承代号为 708C。其基本尺寸为：d=8,D=12,B=7 3.7.3 联轴器的选择 根据电动机轴，选定联轴器规格为 SLI-14 梅花式定位联轴器。联轴器的 相关信息如下： 23 图 3.12 联轴器各型号参数表 最后选定的联轴器参数如表 3.3。 表 3.3 选定联轴器的参数表 Dd1d2 额定扭矩 14mm 3mm 5mm 2N.m 3.7.4 两推杆连接处密封的选择 考虑到密封问题，两推杆选择用刀口式密封。刀口式密封法兰型号选择如 下8: 24 表 3.4 超高真空刀口密封法兰及其垫圈尺寸 最后选择的法兰及其垫圈尺寸如表 3.58。 表 3.5 选定的真空刀口密封法兰及其垫圈尺寸 导管公称直径 DN 上楔与下槽中 心直径 d0 法兰止口外径 填料外径 d1 法兰和填料内 径 d2 密封垫厚 b 32370.142320.3 3.8 其他主要零部件的设计与三维建模 3.8.1 轴承座的设计 轴承座是支撑安装轴承的零件，其设计要考虑轴承安装、拆卸的方便性， 轴承定位的可靠性，加工的方便性等因素。此设计中轴承的周向定位靠轴承座 25 的一凸边及轴承挡圈来实现。具体尺寸设计如图所示： 图 3.13 轴承座 三维建模效果如图所示： 图 3.14 轴承座模型 3.8.2 平行杆上法兰设计 平行杆上法兰是用来安装平行四杆的及支撑引导导向键的零件，在设计过 程中应考虑其导向性的材料利用合理性。具体尺寸设计如下： 26 图 3.15 平行杆上法兰 三维建模效果如图所示： 图 3.16 平行杆上法兰模型 3.8.3 平行杆下法兰设计 平行杆下法兰是用来安装平行四杆和结构外罩的零件。具体设计尺寸如下 图： 27 图 3.17 平行杆下法兰 三维建模效果如图所示： 图 3.18 平行杆下法兰模型 3.8.4 结构外罩设计 结构外罩是将电动机及联轴器等部件包裹防止其影响外部真空室真空度的 零件。在设计过程中应充分考虑外形尺寸的紧凑性，除此外罩要承受导平行杆 传递来的扭矩，所以设计底部法兰时应该充分考虑其强度要求。为了达到高真 空的密封要求设计采用金属密封，所以底部法兰有刀口结构用来挤压金属密封 28 垫圈。基本尺寸如图所示： 图 3.19 结构外罩 三维建模效果如图所示： 图 3.20 结构外罩结构 3.8.5 电机架的设计 电机架是用来支撑定位电动机的零件设计中只要求结构合理便可。基本尺 寸如图所示： 29 图 3.21 电机架 三维建模效果如图所示： 图 3.22 电机架模型（剖视图） 3.9 波纹管的选取8 3.9.1 材料及代号 查表 6-4-12得，选取波纹管材料为不锈钢，规定代号为 G。 3.9.2 型式 查表 6-4-22得，选择波纹管型式为 NN 型，两端均为内配合。 3.9.3 波纹管尺寸参数 波纹管尺寸如图所示： 30 图 3.23 波纹管尺寸示意图 由于受到平行杆间的距离显示，并且处于结构紧凑性的要求，应使 D60mm，查表 6-4-3（参考资料 2）可得： 其尺寸参数为：外径 D=55mm，内配合直径 D1=50mm,波距 t=4.2mm,壁厚 h0=0.14mm,总长 L0=100mm。 3.10 本章小结 本章在对机器人伸缩臂进行总体设计后，进一步设计了伸缩臂的其他零部 件，并对其主要传动构件等进行了校核运算，验证了所选零件的可选性。 31 4 ANSYS 有限元分析 4.1 ANSYS 分析简介10 由于此伸缩臂是在特殊的托卡马克环境中进行，要验证其设计能否满足要 求，所以在 ANSYS 中对其进行一个力学性能模拟。 而 ANSYS 软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型 通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 公司开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中 的高级 CAE 工具之一。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地 构造有限元模型； 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性 分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的 耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子 流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式 显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上， 如 PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY 等。 它主要能完成以下的九种分析类型：（1）结构静力分析（2）结构动力学 分析(3)结构非线性分析(4)动力学分析(5)热分析(6)电磁场分析(7)流体动力学 分析(8)声场分析(9)压电分析 本次设计主要是要利用 ANSYS 对伸缩臂进行一个力学性能模拟分析，来评 价设计的优劣。由于伸缩杆运行低速且较为平稳，分析时可默认为对其进行静 力分析。ANSYS 静力分析内容主要包括：用来求解外载荷引起的位移、应力和 力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS 程 32 序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、 蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 鉴于装配体的结构比较复杂，选择在 ANSYS WORKBENCH 界面对装配体进行 分析，WORKBENCH 较传统的仿真环境分析起来更为方便、简洁，它可以直接定 义整个装配体为一个组件，且与能直接使用异构的 CAD 模型，与 CAD 系统有更 为灵活的双向参数互动关系。 4.2 分析过程及结果 此设计中的托卡马克内窥机器人主要结构是一轴向伸缩杆，主要要承受 6000N 的轴向力，因此应对伸缩杆及其零部件进行应力分析防止轴向力过大影 响结构的稳定性。 4.2.1 装配体 ANSYS 分析 4.2.1.1 装配体三维建模 分析过程主要是在 Solidworks 中建模后，将建好的模型导入 ANSYS 中， 最后进行分析。装配体的三维模型如图所示： 图 4.1 装配体三维模型 由于装配体中有诸多的细小零件并且各个零件有一些复杂且尺寸很小的细 节，会导致某些部位的尺寸大于所能划分网格的最小尺寸。加之三维建模的过 程中的一些装配关系无法在分析软件中被识别，所以有必要在尽量不影响受力 33 关系的前提下将整个装配体简化成一个整体。 利用 Solidworks 制图软件对装配图进行简化后再进行 ANSYS 分析，最终的 简化结果如图所示： 图 4.2 装配体简化效果 4.2.1.2 设置材料参数3 物理场：固体力学 密度：7850kg/m3 温度：120 材料：structure steel 泊松比：0.3 弹性模量：2.06E11Pa 4.2.1.3 网格划分 在设置好材料（不锈钢）等参数后，在 workbench 中导入三维模型，导模 成功后进行网格划分。网格划分采用自由剖分四面体网格，选择全体后进行自 由划分，其中： 最小单元尺寸：8.098e-003m 生长率:1.2 区域解析率:0.272 整个模型单元总数为 14667，节点总数为 31258 网格划分效果图如下： 34 图 4.3 网格划分结果 4.2.1.4 分析结果 经计算，所得结果如图所示： 图 4.4 装配体应力分析结果图 图 4.4 装配体弹性应变分析结果图 由分析结果可知，整个装配体其受到最大应力为 55.189MPa，应变最大为 0.2mm,出现在滚珠丝杆接近角接触球轴承的位置。伸缩臂主要受力分部都在 252.64Pa6.132MPa,受力最大的为平行杆和丝杆轴。查表 22.4-81可知，许用 35 应力应满足 MPaMPa MPa s 333.6841 53 205 53 其中，为材料的屈服极限，因此其最大应力在许用应力的范围内。 s 因此，经过 ANSYS Multiphysics 软件有限元分析，可知装置整体满足强度 的要求，安全可靠。 4.2.2 丝杆轴应力分析 4.2.2.1 丝杆轴三维建模 丝杆轴是整个伸缩杆的传动部件，所以这里单独分析其受力情况。其为 滚珠丝杆传动，工作圈数 i=3,整个丝杆轴受到电动机传来的扭矩以及工作时滚 珠对螺旋面挤压后产生的切向力和轴向力，其中轴向力由固定端轴承平衡。在 Solidworks 中建模如下图所示： 图 4.5 丝杆轴三维模型 4.2.2.2 设置材料参数3 物理场：固体力学 密度：7810kg/m3 工作温度：120 材料：GCr15 泊松比：0.3 弹性模量：2.07E11Pa 4.2.2.3 网格划分 网格划分采用自由剖分四面体网格，选择全体后进行自由划分，其中： 最小单元尺寸：1e-005m 36 生长率:1.2 区域解析率:0.272 整个模型单元总数为 28495，节点总数为 52243 网格划分效果图如下： 图 4.7 丝杆轴网格划分图 4.2.1.4 分析结果 图 4.8 丝杆轴应力分析结果图 图 4.9 丝杆轴弹性应变分析结果图 37 由分析结果可知，整个丝杆轴受力分部主要在其工作界面至固定端轴承那 段。而图中受应力最大点出现在螺旋滚道工作面位置，最大应力为 98.569Mpa, 最大应变为 0.49284mm。已知丝杆轴选用材料为 GCr15，且是经过整体淬火工艺。 查资料可知其屈服极限为 16671814Mpa。查表 22.4-81可知，丝杆轴许用应力 应满足 MPaMPa MPa s 67.555 4 . 333 53 1667 53 其中，为材料的屈服极限。最大应力在许用应力的范围内。同时对于轴 s 承，其材料为 GCr15,其S353Mpa3，由应力图颜色分部可知其受力也是满 足其应力要求的。 因此，经过 ANSYS Multiphysics 软件有限元分析，可知丝杆轴及轴承都能 满足强度的要求，也是安全可靠的。 4.3 本章小结 本章主要在 Solidworks 三维建模的基础上，用 ANSYS 软件对整个伸缩臂及 其部分零部件做了一个力学性能的模拟与分析，以验证整个设计的合理性以及 评价设计的优劣性。分析结果显示所设计的伸缩臂整体是符合强度要求的，是 安全可靠的。 38 结论 托卡马克内窥机器人及其遥控是EAST热核实验堆和未来核聚变反应堆面临 的主要挑战之一；特别地，出于安全和发展的目的，实验间歇期对第一道壁的 检查和处理是非常必要的。托卡马克的内部环形真空室中，接触等离子体的部 件很多，由于等离子体反应对条件要求十分苛刻，内部部件及第一道壁经常受 到损坏。在不损坏托卡马克真空室真空度和温度的前提下实施对内部部件的维 修及检测是十分必要的，这也是发展托卡马克遥控技术的原因。普通探测及维 修机器人一般可以做成轮式或履带式，