基于力反馈的惯性约束聚变换靶技术研究

【摘要】： 能源是人类生活中不可缺少的重要资源,惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion)是实现可控热核聚变的主要途径之一,在能源、国防、基础科学研究等方面有着重要意义。惯性约束聚变装置激光打靶在真空状态下进行,每次打靶后的换靶动作将对靶室真空状态产生影响,研制工作在真空条件下的换靶系统对惯性约束聚变装置提高运行效率具有重要意义。 本文分析了国内外换靶系统的发展状况,结合我国某型惯性约束聚变装置的换靶要求,研制出一套工作于真空条件下连续自动换靶装置,并对基于力反馈的自动换靶技术进行研究。 首先,在换靶系统的工作特点、系统运行流程及功能要求分析基础上,提出靶库、换靶机械手一体化研究,构建了换靶系统的总体组成。通过换靶系统各机构在空间位置的运动叠加实现了换靶系统的靶库中任意靶在工作空间内任意位置的精确定位。 其次,针对伸缩机构的刚度随着工作位置的变化而变化的特点,进行了运动学和动力学研究。通过对伸缩机构的运动学逆解、运动学正解、换靶系统工作空间的分析,为其运动控制奠定了理论基础;通过建立伸缩机构的刚柔混合模型,结合动力学计算及柔体动力学仿真,确定了影响其刚度与承载能力的主要因素,并对换靶系统进行结构优化。 然后,针对六维力传感器反馈与换靶位置构成力-位置闭环的特点,建立混合柔顺换靶控制策略。在自动换靶作业过程中,根据反馈的力信息判断出柔顺中心方向,不断调整换靶系统位姿,使之可以顺利的完成换靶作业,并实现了换靶过程微小力接触。 最后,针对自动换靶的混合柔顺控制策略设计了装配方案并编写了程序,通过换靶系统性能参数测定和自动换靶实验,实现了系统在换靶位置附近高效率、高可靠性的自动换靶,验证了换靶系统机构设计和控制策略的正确,说明了本文研制的换靶系统有很高的应用价值。