一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统

1.本发明涉及核聚变用环向场超导线圈研制领域，具体涉及一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统。


背景技术：

2.聚变能源被认为是人类的终极能源，核聚变分为惯性约束核聚变、重力约束核聚变和磁约束核聚变三种类型，其中重力约束核聚变在地球上无法实现，目前国际上研究核聚变的通用方式为惯性约束核聚变和磁约束核聚变，磁约束核聚变装置被公认为是人类实现聚变能源的理想装置，磁体系统是磁约束核聚变装置中的核心部件。聚变能与等离子体半径的3次方和4次方成正比，超导磁体的分布半径和磁场强度是磁约束核聚变装置性能参数的决定性因素；更大的超导线圈尺寸、更强的磁场强度和更稳定的运行稳定性是未来聚变磁体发展的趋势；cicc超导导体以其优良的力学性能，良好的冷却通道，成熟的制造工艺被国内外同行应用于核聚变超导磁体的设计和研制中。
3.对于nbti材质的铠装超导线圈的研制，需要经历线圈绕制成形及绝缘处理、超导接头制造、真空压力浸渍等制造过程；对于材质的铠装超导线圈的研制，通常需要经历线圈绕制成形，超导接头制造、线圈热处理反应、线圈拉开进行匝间绝缘自动包绕、真空压力浸渍等制造过程。上述制造过程须共同经历铠装超导线圈的绕制成形工艺流程。
4.交付的导体经过导体放送、导体校直、超声清洗、喷砂及清洗后，在既定绕制工艺流程下，完成对导体的精密无张力绕制成形；导体弯绕头与线圈承载平台及模具的高度通常设置为600mm，便于进行氦管制造及无损检测；弯绕成形后的导体由弯绕成形机通过落模工装逐渐放至到线圈承载平台上。传统的方法是单辊支撑滚轮作为落模工装，通过人工控制升降机模块构的高度实现导体的螺旋逐步落模；该方法的生产效率低下，需要配专人进行跟踪和升降，由于人工控制各支撑滚轮的高度存在较大的误差，容易导致导体落模过程中处于非螺旋状态，可能会导致导体塑性变形而影响线圈绕制精度；同时，导体在绕制过程中存在半径的突变，弯绕成形机压下量的变化会导致已完成绕制的导体在落模工装上沿径向运动，传统的支持辊轮落模工装不具备沿径向移动的功能，从而影响线圈的精密绕制成形；同时，由于铠装超导导体自身重力较大，传统支撑辊轮与弯绕绝缘包绕后的导体之间为线接触，环向滚动、径向滑动摩擦都可能会导致绝缘破裂，影响电气绝缘强度和磁体的机械强度。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供了一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统，实现了导体落模过程的自动升降，极大程度提高了导体落模过程的自动化水平，减轻了操作者的劳动强度；履带式导体支持结构实现了弯绕成形及绝缘处理后的导体在落模过程中沿环向运动、径向移动和周向转动功能，避免了导体与支撑滚轮之间的线接触移动和滚动导致的绝缘破裂风险，具有自动化程度高、结构简单、操作方便、可靠性强等
优点。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统，包括弯绕成形机、绕制回转平台、多自由度导体落模装置、限位模具和自动控制系统；所述弯绕成形机将导体进行连续弯绕成形，所述绕制回转平台沿所述弯绕成形机的成形轮进行相切运动，实现对弯绕成形的导体的跟随承载；多自由度导体落模装置包括升降驱动系统、径向移动机构、周向转动机构、升降机模块和履带式环向移动机构；所述升降驱动系统用于驱动升降机模块实现高度升降；所述径向移动机构安装在所述升降机模块上，用于实现导体的径向运动；所述履带式环向移动机构用于实现导体的环向运动，同时确保导体在履带式环向移动机构中的径向限位；所述履带式环向移动机构安装在周向转动机构上，周向转动机构安装在径向移动机构上；所述自动控制系统通过对升降机模块进行控制，使得所述多自由度导体落模装置实现导体从弯绕成形机的导体出口端到导体进口端的螺旋升降，从而实现导体的自由状态落模。
7.有益效果：本发明解决了环向场超导线圈无张力绕制成形和落模过程中导体自动化落模的问题，避免了连续弯绕过程中线圈半径变化过程导致待落模导体和落模装置在径向和轴向不能移动造成的轮廓变化，待落模导体与落模装置之间接触由线接触变为面接触，避免了对导体绝缘的损伤；本发明为复杂截面环向场线圈绕组的精密绕制成形和自动化落模具有指导意义，具有结构简单，安装方便、准确性高、实用性强等优点。
附图说明
8.本发明的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例和说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
9.图1为本发明的多自由度导体落模系统的结构示意图。
10.其中：1.驱动电机；2.电池组件；3.减速器；4.换向器；5.联轴器；6.传动杆；7.升降机模块；8.支撑安装板；9.sbr直线导轨；10.导轨限位器；11.sbr滑块；12.周向转动机构；13.履带结构安装座；14.转动链轮；15.履带链条；16.链接板；17.限位滚轮；18.限位轴；19.导体；20.光电接近开关。
11.图2为本发明的一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统的安装结构示意图。
12.其中：21.弯绕成形机；22.绕制回转平台；23.多自由度导体落模装置；24.限位模具；25.线圈支撑板；26.落模后的铠装超导线圈。
具体实施方式
13.下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
14.如图1，图2所示，本发明的一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统包括多自由度导体落模装置23，其包括升降驱动系统、径向移动机构、周向转动机构12、升降机模块7和履带式环向移动机构。驱动电机1、电池组件2、减速器3、换向器4、联轴器5、传动杆6、升降机模块7、支撑安装板8、sbr直线导轨9、导轨限位器10、sbr滑块11、周向转
动机构12、履带结构安装座13、转动链轮14、履带链条15、链接板16、限位滚轮17、限位轴18、导体19、光电接近开关20。
15.所述升降驱动系统用于驱动升降机模块7实现高度升降，包括所述驱动电机1、电池组件2、减速器3、换向器4、用于串联相关部件的联轴器5和传动杆6；所述径向移动机构安装在所述升降机模块7上，用于实现导体落模过程的径向运动，包括支撑安装板8、sbr直线导轨9、导轨限位器10、sbr滑块11；所述周向转动机构12与所述sbr滑块11相连接。
16.所述履带式环向移动机构用于实现导体落模过程中沿导体19的线圈的环向运动，同时确保导体19在履带式环向移动机构中的径向限位，包括履带结构安装座13、转动链轮14、履带链条15、链节板16、限位滚轮17、限位轴18。
17.所述履带式环向移动机构通过所述周向转动机构12与所述径向移动机构连接。
18.所述驱动电机1为36伏直流驱动电机，驱动电机1由所述电池组件2作为驱动电源，1个驱动电机1与1个减速器3串联后作为驱动单元，所述驱动单元通过2个所述联轴器5将2个所述换向器4进行串联，所述换向器4通过8个所述联轴器5，并通过所述传动杆6与4个所述升降机模块7进行串联。在驱动电机1的作用下，通过1个减速器3和2个换向器4，在若干个联轴器5和传动杆6的作用下实现4个所述升降机模块7的同步升降动作。
19.所述升降机模块7分别与所述支撑安装板8相连；所述sbr直线导轨9通过螺栓与所述支撑安装板8相连接，用于实现多自由度导体落模装置在高度方向的升降动作，实现导体沿螺旋方向进行落模。所述sbr滑块11安装在所述sbr直线导轨9上并通过所述导轨限位器10实现机械限位，实现导体在落模过程中沿径向移动。所述周向转动机构12安装在所述sbr滑块11上，所述周向转动机构采用无油轴承实现围绕竖直方向转动功能。所述履带链条15与所述转动链轮14组成履带传动机构并通过销轴安装在所述履带结构安装座13上，所述链接板16采用g10材料加工并锚固在所述履带链条15上，用于支撑所述导体19的重量并将局部载荷分散，用于实现导体沿d形环向的运动并保护所述导体19底部绝缘。所述限位滚轮17安装在所述限位轴18上，所述限位轴18安装在所述履带结构安装座13上，用于限制所述导体19始终分布在所述链接板16的中心位置，并带动所述导体19沿圆弧径向移动。
20.所述光电接近开关20安装在支撑安装板8靠近弯绕头一侧的上表面，当光电接近开关20运动到弯绕头下方时，所述光电接近开关20接收到弯绕头的开关信号，在控制系统的作用下，控制所有多自由度导体落模装置沿着所述导体19的前进方向成600mm节距进行螺旋下降，实现所述导体19的自动落模。
21.所述驱动电机1通过自动控制系统及光电接近开关20实现对升降机模块7的组件运动的控制，采用所述电池组件2作为动力源；所述电池组件2为可拆卸36伏输出的锂电池组件，作为所述驱动电机1、光电接近开关20和自动控制系统的动力单元；所述减速器3为通用型直齿减速器，采用一进两出的驱动方式，内部采用黄铜无润滑脂驱动结构，即确保了传动系统的自润滑驱动，避免油脂污染线圈绕制环境；所述换向器4为伞齿轮1:1结构换向器，采用一进两出的驱动方式。
22.所述联轴器5为通用型柔性联轴器，可以实现快速更换和同步传动；所述传动杆6为不锈钢材质制造，避免在使用过程中碳钢材料生锈污染现场环境；
所述升降机模块7为swl蜗轮蜗杆升降机模块，采用“一拖四”同步升降形式，升降机模块7与减速器3之间采用“h”型布置方式，使用过程中传动丝杆升降运动。
23.所述支撑安装板8为不锈钢材质制造，设计有sbr导轨安装孔、升降机模块连接孔、光电位移传感器安装孔。通过开孔的方式进行整体减重，所述支撑安装板8与升降机模块7之间设计为卡扣快接结构，以便于在落模到位后方便拆卸所述多自由度导体落模装置；所述sbr直线导轨9为sbr30型铝合金材质直线导轨，长度覆盖待绕线圈截面并预留足够的安全距离；所述导轨限位器10为sbr30型导轨限位器，安装在sbr30型铝合金材质直线导轨两端，防止滑块超过极限位置滑出导轨；所述sbr滑块11与sbr30直线导轨9实现直线配合使用，用于实现导体在落模过程中沿圆弧半径方向移动；所述周向转动机构12为组合结构，通过轴承转动，实现所述履带结构安装座13沿着竖直方向转动，以适应导体在落模过程中可能存在的沿竖直方向的转动；所述履带结构安装座13为不锈钢材质制造，通过连接轴安装在所述周向转动机构12上；所述转动链轮14和所述限位滚轮17通过连接轴分别安装在所述履带结构安装座13上，实现d形线圈的导体19沿d形轮廓环向运动和径向限位；所述转动链轮14为2个通用链轮，与所述履带链条15配合使用，所述转动链轮14通过连接轴实现与所述履带结构安装座13连接，链轮轴距与链条总长度匹配；所述履带链条15为双排滚子链结构，所述履带链条15安装后呈预紧状态，链轮节距上安装有pe材料制造的链接板16，考虑到链轮的使用效率，所述履带链条15和所述转动链轮14之间为无油、无润滑结构；所述链接板16为pe材料制造，通过铆接结构实现与履带链条15的链接，所述链接板16的宽度与履带链条节距一致，长度为导体的截面宽度；所述限位滚轮17为不锈钢材质限位轮，直接与所述限位轴18相连接，采用卡簧限位，用于限制所述导体19与所述链接板16之间在径向的相对位置；所述限位轴18为碳钢材质制造，分别与所述履带结构安装座13和所述限位滚轮17相连，安装高度可调，确保所述限位滚轮17处于导体截面中心位置；所述导体19为弯绕成形后的d形线圈的导体，导体19表面包含有绝缘结构，或者绝缘和失超探测复合结构；所述光电接近开关20提供自动控制系统的开光量信号，当线圈绕制回转平台移动到弯绕头下方时，所述光电接近开关20接收到弯绕头的开关信号，控制所有多自由度落模装置依照既定的程序运动，以实现绕制后的导体沿螺旋方向同步落模的功能。
24.如图2所示为本发明的一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统的安装结构示意图，所述多自由度导体落模系统包括弯绕成形机21、绕制回转平台22、多自由度导体落模装置23、限位模具24和自动控制系统；弯绕成形机21将经过前处理工序后的导体19按照既定的工艺方案进行连续弯绕成形，绕制回转平台22沿弯绕成形机21的成形轮进行相切运动，实现对绕制成形的导体19的跟随承载。自动控制系统通过对升降机模块7的有序控制，实现多自由度导体落模装置23将导体19从弯绕成形机21的导体出口端到导体进口端的螺旋升降，从而实现导体19的自动化、自由状态落模。
25.所述导体19为d形线圈，弯绕成形机21为d形线圈绕制线的专用弯绕成形设备，采用三辊弯成形原理制造，可以根据d形线圈的导体19的不同轮廓完成对导体19多弧段的连续弯曲成形；所述绕制回转台22可以实现水平方向移动和沿竖直方向转动功能，用于跟随线圈绕制成形运动轨迹并承载绕制完成的线圈重量；所述多自由度导体落模装置23沿线圈轮廓分布均匀安装在所述绕制回转平台22上，用于承载弯绕成形后的导体19在环向、径向和高度方向自由落模；所述多自由度导体落模装置23上的光电接近开关20用于检测所述绕制回转平台22和所述弯绕成形机21之间的相对位置，获得的开关量信号用于控制电机驱动升降机模块7按照制定的程序进行升降；自动控制系统的作用下，确保位于所述弯绕成形机21出口位置的所述多自由度导体落模装置23处于承载导体19的最高位置，接近所述弯绕成形机21的所述多自由度导体落模装置23处于承载导体19的最低位置，其他多自由度导体落模装置沿所述绕制回转平台22的转动方向成螺旋分布；所述多自由度导体落模装置23接近所述弯绕成形机21时，需人工干预并拆卸所述支撑安装板8；落模后的铠装超导线圈26采用限位模具24进行轮廓限位，所述落模后的铠装超导线圈26的重量由线圈支撑板25承担。
26.所述绕制回转平台22为多轴联动绕制回转平台，具有x轴、y轴移动和z轴转动功能，所述绕制回转平台22始终与所述弯绕成形机21相切运动，用于跟随d形线圈绕制运动轨迹并承接所述弯绕成形机21连续绕制的导体19的重量；所述多自由度导体落模装置23为组合部件，具备高度升降、环向转动、径向移动功能；能够通过光电接近开关20检测所述绕制回转平台22和所述弯绕成形机之间的相对位置，并控制升降动作，实现对绕制过程自由匝导体的自动化落模；所述限位模具24为不锈钢材料制造的模具，分为内模和外模，内模和外模依照线圈内外轮廓尺寸分别安装在所述绕制回转平台22上，用于限制所述落模后的铠装超导线圈26的整体轮廓；所述线圈支撑板25由g10材料制造，分布在所述限位模具24的内模和外模之间，用于承载线圈重量，避免落模后的铠装超导线圈26与所述绕制回转平台22直接接触而污染导体表面，垫高结构有利于安装线圈吊装夹板；所述落模后的铠装超导线圈26为绕制成形并完成落模的多匝导体，可以是绕制过程中已经落模的导体，也可以是绕制完成待吊装的线圈绕组。
27.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统，其特征在于，包括弯绕成形机、绕制回转平台、多自由度导体落模装置、限位模具和自动控制系统；所述弯绕成形机将导体进行连续弯绕成形，所述绕制回转平台沿所述弯绕成形机的成形轮进行相切运动，实现对弯绕成形的导体的跟随承载；多自由度导体落模装置包括升降驱动系统、径向移动机构、周向转动机构、升降机模块和履带式环向移动机构；所述升降驱动系统用于驱动升降机模块实现高度升降；所述径向移动机构安装在所述升降机模块上，用于实现导体的径向运动；所述履带式环向移动机构用于实现导体的环向运动，同时确保导体在履带式环向移动机构中的径向限位；所述履带式环向移动机构安装在周向转动机构上，周向转动机构安装在径向移动机构上；所述自动控制系统通过对升降机模块进行控制，使得所述多自由度导体落模装置实现导体从弯绕成形机的导体出口端到导体进口端的螺旋升降，从而实现导体的自由状态落模。2.根据权利要求1所述的一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统，其特征在于，所述升降机模块包括驱动电机，其为充电式驱动电机，采用更换蓄电池的方式完成动力替换；所述驱动电机为绕制完成后的导体提供上升和下降的驱动力。3.根据权利要求1所述的一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统，其特征在于，所述升降机模块通过一个驱动电机驱动四台涡轮升降机实现同步上升和下降。4.根据权利要求1所述的一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统，其特征在于，所述径向移动机构采用2根不锈钢材质的sbr直线导轨和sbr滑块作为驱动部件，使得导体沿圆弧径向移动。5.根据权利要求4所述的一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统，其特征在于，所述履带式环向移动机构包含履带链条、转动链轮、履带结构安装座、链接板、限位滚轮；履带链条采用无油滚子链条；转动链轮采用不锈钢材质制造并通过转动链轮轴安装在履带结构安装座上；链接板上镶嵌有g10材质薄板，用于减缓导体与履带式环向移动机构的局部压强。6.根据权利要求5所述的一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统，其特征在于，所述周向转动机构采用不锈钢材质制造，与2个sbr滑块连接，周向转动机构的中间开孔并安装有无油深沟球轴承，所述履带结构安装座的转轴安装在无油深沟球轴承内以围绕竖直方向转动。7.根据权利要求2所述的一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统，其特征在于，还包括光电接近开关，其用于接收安装在绕制回转平台的底部的开关量信号，通过控制驱动电机的转动，实现升降机模块的升降，完成弯绕成形后的导体的落模。

技术总结
本发明公开了一种核聚变环向场超导线圈绕制的多自由度导体落模系统，属于核聚变用环向场超导线圈研制领域。所述多自由度导体落模系统安装在线圈绕制回转平台上并沿环向场线圈轮廓分布，光电接近开关检测绕制回转平台和弯绕成形机之间的位置信号并传递到自动控制系统，多自由度导体落模装置自弯绕成形机位置沿线圈绕制方向呈由高到底的螺旋状分布；弯绕成形后的导体落放到多自由度导体落模装置的履带传动机构上，履带传动机构具有双向移动和转动功能，从而实现导体在环向、径向和高度方向的自由移动。本发明避免了线圈绕制过程中导体与落模工装之间因摩擦导致绝缘破裂的风险，具有结构简单、操作方便、可靠性强等优点。可靠性强等优点。可靠性强等优点。


技术研发人员：闫朝辉 何建 文伟 武玉 周超
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2023.08.17
技术公布日：2023/9/16