本發(fā)明涉及核聚變用超導線圈研制領域，具體涉及一種核聚變極向場線圈vpi模具尺寸精密控制系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、托卡馬克裝置被公認為是人類實現(xiàn)磁約束核聚變能源的理想裝置，磁體系統(tǒng)是托卡馬克裝置中的核心部件。聚變能與磁場的4次方和半徑的3次方成正比，磁場強度決定了聚變裝置產(chǎn)生聚變能的最關鍵因素，因此，托卡馬克裝置的建設規(guī)模不斷擴大。核聚變超導磁體系統(tǒng)通常包含16個極向場（tf）磁體，6/7個極向場（pf）磁體，1個中心螺旋管（cs）磁體及若干個校正場（cc）磁體。其中，核聚變極向場線圈為圓環(huán)形輪廓，通常采用鎧裝超導導體進行制造；鎧裝超導導體通常為cicc（cable?in?conduit?conductor）結構，經(jīng)過多級絞纜的nbti/nb3sn超導股線穿在316l不銹鋼鎧甲中，經(jīng)過多級縮管工藝完成超導導體制造；鎧裝超導導體通過線圈繞制、接頭制造、真空壓力浸漬（vacuum?pressure?impregnation,vpi）等工藝流程完成線圈制造。

2、vpi是極向場超導磁體制造過程中重要的工藝過程，由于極向場超導線圈尺寸較大，通常采用現(xiàn)場施工的方式完成線圈的vpi和加熱固化。完成匝間絕緣包繞及接頭制造后的極向場超導線圈，安裝在不銹鋼板封焊組成的內(nèi)模中，封焊完成的不銹鋼內(nèi)模為線圈內(nèi)部提供真空環(huán)境；采用碳鋼結構或者不銹鋼結構作為外模對內(nèi)模中的極向場線圈進行輪廓和截面尺寸保形，外模用于保持線圈尺寸并抵抗vpi過程中真空及打壓過程，同時，所有的模具加熱單元通常采用加熱板安裝在vpi外模上，為線圈真空加熱脫氣及加熱固化等工藝過程提供外部加熱；對于極向場線圈，通常采用對線圈通大電流、低電壓進行內(nèi)部加熱，并通過預先測試的導體“溫度-電阻”曲線實現(xiàn)對線圈內(nèi)部進行測溫，內(nèi)部/外部聯(lián)合加熱，最終實現(xiàn)對線圈的加熱脫氣和注膠后絕緣樹脂的升溫固化。在核聚變極向場線圈加熱過程中，316l材質的線圈繞組和碳鋼&不銹鋼材質的vpi模具在加熱/降溫過程中，在材料熱膨脹系數(shù)的作用下，vpi模具會發(fā)生較大的加熱膨脹和降溫收縮，vpi模具與模具支撐底座之間會產(chǎn)生相對滑移。由于摩擦系數(shù)不同和線圈輪廓結構的影響，在加熱/降溫過程中，vpi模具與模具支撐底座之間的滑移和收縮不一致性較強，具有較大的隨機性和離散性，導致極向場線圈的外輪廓在90℃凝膠過程和130℃固化過程時的輪廓偏差較大，線圈輪廓超差將會導致線圈電流中心線的偏差和勵磁過程磁場位形扭曲。

3、傳統(tǒng)工藝通常是在vpi模具和模具支撐座之間使用摩擦系數(shù)較低的材料（如石墨銅、石墨鐵、聚四氟乙烯板等），以減小vpi模具與支撐座之間在加熱/降溫過程中的摩擦系數(shù)，從而實現(xiàn)極向場線圈徑向移動的精度；該過程受材料隨機性、滑移材料機械加工粗糙度離散性、操作人員安裝時的工藝穩(wěn)定性等多重因素干擾，實際實施過程中，無法實現(xiàn)大截面尺寸、大重量極向場線圈vpi后的輪廓度的精密控制。核聚變極向場線圈vpi模具尺寸的精密控制系統(tǒng)和控制方法，直接制約了大型核聚變超導磁體制造技術的發(fā)展，亟待發(fā)明新的滑移系統(tǒng)和方法實現(xiàn)vpi過程模具尺寸的精密、穩(wěn)定和閉環(huán)精密控制。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提供核聚變極向場線圈vpi模具尺寸精密控制系統(tǒng)及方法，用于實現(xiàn)極向場線圈vpi制造過程線圈及模具外輪廓隨溫度變化時，vpi模具與模具支撐底座之間進行主動閉環(huán)移動，確保線圈vpi后加熱固化過程中線圈尺寸的精密控制，具有自動化程度高、控制精度高、結構簡單，穩(wěn)定性強等優(yōu)點。

2、為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、一種核聚變極向場線圈vpi模具尺寸精密控制系統(tǒng)，包括vpi模具、支撐座、徑向滑移模組、溫度和剪切力傳感器、控制單元；多個所述vpi模具沿圓周構成一圈，相鄰vpi模具之間固定連接，一圈vpi模具的內(nèi)部共同形成空心圓環(huán)；所述支撐座位于相鄰vpi模具之間，為vpi模具和徑向滑移模組提供支撐；所述徑向滑移模組位于vpi模具和支撐座之間，并且與vpi模具和支撐座固定連接；所述溫度和剪切力傳感器連接vpi模具，監(jiān)控vpi模具的參數(shù)并反饋給控制單元；所述控制單元接收所述溫度和剪切力傳感器中的溫度傳感器的信號并控制徑向滑移模組進行主動移動，所述徑向滑移模組使得vpi模具沿徑向進行伸縮和舒張；所述一圈vpi模具的內(nèi)部共同形成的空心圓環(huán)內(nèi)設置極向場線圈；所述溫度和剪切力傳感器包括溫度傳感器和剪切力傳感器。

4、進一步地，所述vpi模具包括底架、加熱板、模具立側板、模具橫側板；所述模具立側板和模具橫側板共同構成vpi模具的內(nèi)模；所述加熱板有2塊，分別位于模具橫側板的上部外側、下部外側，用于限制模具立側板和模具橫側板的偏移；所述底架有2塊，分別位于2塊加熱板的外側，與加熱板固定連接；所述底架和加熱板構成vpi模具的外模，用于保持內(nèi)模的輪廓和截面尺寸。

5、進一步地，所述模具立側板和模具橫側板的材質為不銹鋼薄板。

6、進一步地，所述底架由方管構成，在底架的外側焊接有方板。

7、進一步地，所述底架和加熱板采用碳鋼結構或者不銹鋼結構。

8、進一步地，所述徑向滑移模組包括伺服電機、減速機、連接架、聯(lián)軸器、絲桿、直線導軌、滑臺和底座；所述直線導軌位于底座的長度方向的兩側；所述滑臺安裝在直線導軌上；所述減速機的一端固定安裝在連接架的一側，所述減速機的另一端固定連接伺服電機，通過聯(lián)軸器與絲桿固定連接；所述連接架與底座的一端固定連接；所述絲桿安裝在底座的中間，與滑臺螺旋配合。

9、進一步地，所述滑臺的整體成梯形，滑臺的寬度大于底座的寬度，且大于底架的方板的2倍寬度。

10、進一步地，所述減速機為直角行星減速機，用于保護伺服電機的編碼器。

11、進一步地，所述連接架為鏤空方形。

12、本發(fā)明還提供一種核聚變極向場線圈vpi模具尺寸精密控制方法，控制單元接收溫度傳感器中的信號并控制徑向滑移模組進行主動移動；將預先計算的“溫度—位移”曲線導到所述控制單元中；

13、當vpi模具進行加熱時，控制單元接收溫度傳感器的信號后，控制伺服電機運動，根據(jù)“溫度—位移”曲線控制vpi模具沿半徑方向向外移動既定位移量，剪切力傳感器作為反饋單元，檢測熱膨脹后的vpi模具與支撐座之間的剪切力是否在設定剪切力閾值之內(nèi)；

14、當vpi模具進行降溫時，控制單元接收溫度傳感器的信號后，控制伺服電機運動，根據(jù)“溫度—位移”曲線控制vpi模具沿半徑方向向內(nèi)移動既定位移量，剪切力傳感器作為反饋單元，檢測熱收縮后的vpi模具與支撐座之間的剪切力是否在設定剪切力閾值之內(nèi)；

15、vpi模具內(nèi)的極向場線圈在加熱和降溫中隨著vpi模具的移動實現(xiàn)半徑方向的精密收縮和舒張，從而實現(xiàn)極向場線圈輪廓的精密控制；所述“溫度—位移”曲線為：以溫度為x軸，以vpi模具的徑向移動距離為y軸，溫度每升高1℃時vpi模具移動的理論距離的曲線。

16、有益效果：

17、本發(fā)明解決了極向場線圈在vpi加熱過程中，線圈及vpi模具受熱膨脹及降溫收縮過程中，vpi模具與模具支撐底座之間的相對滑移量無法精密、量化、穩(wěn)定控制的問題，采用基于“溫度傳感器+剪切力傳感器”作為采集和反饋單元的徑向移動閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了大型極向場線圈加熱脫氣及固化過程vpi模具與支撐底座之間主動、精密、自由滑移，可有效保證線圈在注膠階段、凝膠階段、固化階段及降溫拆模階段的整體輪廓精度。