摘要　隨著機器人技術(shù)在空間領(lǐng)域的發(fā)展,需要有一種結(jié)構(gòu)緊湊、簡單可靠的機械機構(gòu)用于機器人末端操作器的傳動。蝸輪蝸桿副具有傳動簡便等優(yōu)點,特別適于作為對夾式操作器的傳動機構(gòu)。針對蝸輪蝸桿副空間環(huán)境適應(yīng)性研究尚不充分的問題,采用分析和試驗相結(jié)合的方法對蝸輪蝸桿在機器人操作器中的安裝實現(xiàn)、潤滑、振動、高低溫及壽命進(jìn)行了研究。利用熱真空罐、振動臺等測試手段模擬空間環(huán)境對研制的蝸輪蝸桿副進(jìn)行了空間環(huán)境適應(yīng)性測試。研究結(jié)果表明通過合理的設(shè)計,蝸輪蝸桿副可以具備空間應(yīng)用的能力,能夠滿足空間環(huán)境要求。
        關(guān)鍵詞　蝸輪蝸桿　空間　末端操作器
0　引言
          隨著我國空間技術(shù)的不斷發(fā)展,大量的空間生產(chǎn)、空間加工、空間裝配、空間維護(hù)和修理需要完成。利用機器人以及配置在機器人末端執(zhí)行任務(wù)的操作器可以大大減小宇航員從事危險工作的代價和成本[1]。因此對于機器人末端操作器的研究有助于提高操作器性能,降低實現(xiàn)難度并提高可靠性。目前,典型的機器人末端操作器傳動機構(gòu)有諧波減速器、螺母絲杠、行星減速器等。雖然蝸輪蝸桿具有體積緊湊,減速比大,具有自鎖能力的特點。但是空間環(huán)境具有高低溫、高真空、強輻射、強振動等特點,應(yīng)用在空間環(huán)境的所有零部件都要在上天之前進(jìn)行空間環(huán)境適應(yīng)性分析,以獲得其在空間環(huán)境下的各項性能[2]。而蝸輪蝸桿副回轉(zhuǎn)軸線垂直、材料各異,中心距對熱脹冷縮較為敏感;并且對振動沖擊對蝸輪蝸桿的壽命一定影響,此外還涉及軸、軸承等附屬零部件的裝配、
潤滑等環(huán)節(jié)較多,極大的限制了蝸輪蝸桿在空間環(huán)境的應(yīng)用。因此只有通過對蝸輪蝸桿空間環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)行詳細(xì)分析和研究才能避免災(zāi)難的發(fā)生[3]。我們對基于蝸輪蝸桿副研制的機器人末端操作器進(jìn)行了空間環(huán)境適應(yīng)性研究,并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析并得出結(jié)論,探索了蝸輪蝸桿在空間應(yīng)用的一般規(guī)律。
 1　蝸輪蝸桿應(yīng)用分析
    操作器采用常見的對夾式結(jié)構(gòu),即手指運動為對稱的開合運動。因此蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)采用單蝸桿驅(qū)動雙蝸輪結(jié)構(gòu),如圖1所示。  軸線為操作器主軸,兩個蝸輪分為左右對稱放置。空間機器人末


 端操作器位于機器人末梢用于抓捕對接工作,具有溫度變化劇烈、振動沖擊大的特點,是機器人系統(tǒng)中工況較為惡劣的部件。因此針對脹冷縮引起的中心距變化以及振動沖擊影響壽命的問題展開研究。此外相關(guān)的潤滑和密封需要耐受溫度變化,在惡劣溫度環(huán)境下可靠工作。
    1.1　蝸輪蝸桿的設(shè)計和校核
           飛行器及其載荷通常由火箭發(fā)射進(jìn)入空間軌道,在發(fā)射過程中存在較惡劣的振動工況。在空間環(huán)境中,設(shè)計的蝸輪蝸桿運動副不僅要具有足夠的接觸強度、彎曲強度,還應(yīng)能滿足飛行器發(fā)射過程中的振動要求。
           為了防止生銹,蝸桿材料為9Cr18局部滲碳硬度HRC50,蝸輪材料QSn6.5。設(shè)m=1,d1=14,公稱中心距32 mm,輸出轉(zhuǎn)矩T2=N·m。
          因此,通過校核可知,蝸輪蝸桿的實際接觸強度為166 MPa,小于許用接觸強度234 MPa。輪齒彎曲折斷安全系數(shù)為2.74,大于一般工況安全系數(shù)。
        在抗振動設(shè)計中,為了簡化強度校核,引入兩條假設(shè):一是認(rèn)為蝸輪蝸桿未有鎖緊裝置情況下為最惡劣工況;二是發(fā)射振動造成的蝸輪蝸桿齒面的碰撞近似等效為蝸輪蝸桿反向轉(zhuǎn)動造成的回程沖擊。
        根據(jù)試驗驗證,設(shè)定蝸輪軸正弦振動加速度為G,蝸輪負(fù)載質(zhì)量為M,質(zhì)心距蝸輪軸距離l。那么在發(fā)射過程中手指對蝸輪的沖力F沖為
       
       另設(shè)定振動頻率為f,振動時間T,那么沖擊次數(shù)n為n=fT
      由此可以利用蝸輪蝸桿接觸強度校核公式驗證蝸輪蝸桿副在發(fā)射振動后是否還有滿足任務(wù)要求的接觸疲勞壽命。
     1.2　中心距的設(shè)計和分析
           空間環(huán)境中沒有空氣的存在導(dǎo)致向外的熱傳遞只能通過熱輻射來進(jìn)行,由于熱輻射的局限性使摩擦產(chǎn)生的熱量不能及時導(dǎo)入機殼或者周圍環(huán)境中,同時冷熱交變會加劇溫度不均,這會對系統(tǒng)的性能造成很大的影響。[4]
         空間用蝸輪蝸桿工況為真空環(huán)境,熱量主要依靠零件內(nèi)部傳導(dǎo)和輻射傳導(dǎo),因此蝸輪蝸桿副的不同位置的溫度梯度較大,以本次研究的蝸輪蝸桿為例,蝸輪軸承座和蝸輪軸最大溫差近50℃。因此在設(shè)計過程中應(yīng)對蝸輪蝸桿的法向側(cè)隙留有足夠余量,防止特殊工況下的卡死。
      設(shè)蝸輪軸承和蝸輪軸承座單側(cè)間隙為XLZW;軸承和蝸輪軸單側(cè)間隙為XLZN;蝸輪軸的不同軸度為XLZ;蝸輪和蝸輪軸單側(cè)間隙為XLLZ;蝸輪孔和蝸輪分度圓不同軸度為XLL。
            因此,由于蝸輪加工裝配造成的中心距偏差為
            XL=XLZW+XLZN+XLZ+XLLZ+XLL(1)
            設(shè)蝸桿軸承和蝸桿軸承座單側(cè)間隙為XGZW;軸承和蝸桿軸單側(cè)間隙為XGZN;蝸桿軸的同軸度為XGZ。因此,由于蝸輪加工裝配造成的中心距偏差為
             XG=XGZW+XGZN+XGZ(2) 
            在溫度變化情況下,蝸輪蝸桿軸系會發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象,由于軸系殼體材質(zhì)不同造成蝸輪蝸桿中心距變化。一般來說,蝸桿軸承座和電機定子有連接關(guān)系,溫度高于蝸桿溫度;蝸輪軸承座和殼體連接,殼體有控溫設(shè)備,因此蝸輪軸承座溫度高于蝸輪軸溫度。并且空間使用的蝸輪蝸桿副的材料通常是蝸輪采用錫青銅、蝸桿和軸承采用鋼材,軸承座采用鈦合金。熱膨脹系數(shù)分別為ρ銅、ρ鋼和ρ鈦,且ρ銅>ρ鋼>ρ鈦
         所以,由于溫度引起的蝸輪中心距增大量為
       XLT=ΔT(ρ鈦-ρ鋼) LW+(ρ鋼-ρ鈦) LN+(ρ銅-ρ鈦) LZ-ρ銅 L] (3)
          蝸桿中心距增大量為
         XGT=ΔT(ρ鈦-ρ鋼) GW+(ρ銅-ρ鋼) GN-ρ鋼 G]=ΔT[(ρ鈦-ρ鋼) GW-ρ鋼 G] (4)
       根據(jù)式(1)～式(4),由于加工、裝配、溫度引起的最大中心距偏差為
          X=XL+XG+XLT+XGT
        因此,設(shè)計的蝸輪蝸桿中心距為a+X+Δa+X。
  
1.3　蝸輪蝸桿副的潤滑
       空間環(huán)境中的潤滑主要目的是為了降低摩擦阻力提高運動性能并且防止冷焊發(fā)生。在低溫、真空的空間環(huán)境中,潤滑油由于密封困難,蝸輪蝸桿副不便采用;普通潤滑脂存在凝結(jié)或揮發(fā)問題,因此只能采用低溫潤滑脂;空間活動部件雖然還多用于軸承,能否用于蝸輪蝸桿副尚需要驗證。因此采用合理的潤滑方式是空間蝸輪蝸桿副研究的重要組成內(nèi)容。本次研究中將蝸輪蝸桿效率作為評價潤滑的指標(biāo)。
       對采用MoS2真空濺射固體潤滑的蝸輪蝸桿進(jìn)行跑合后對齒面進(jìn)行觀測,發(fā)現(xiàn)固體潤滑膜磨損嚴(yán)重,如圖2可見MoS2黑色薄膜被磨損掉 
       
     
       對采用殼牌MP5潤滑脂的蝸輪蝸桿進(jìn)行效率檢測,發(fā)現(xiàn)低溫段效率極低,溫度低于-15℃會發(fā)生堵轉(zhuǎn)。
    Braycote601潤滑脂在高低溫試驗獲得了成功,測得的效率值范圍為16%～38%。試驗證明應(yīng)用于空間環(huán)境的蝸桿傳動采用Braycote601脂潤滑較為適宜。蝸桿和蝸輪兩側(cè)支撐則采用MoS2固體潤滑滾動軸承。
   1.4　蝸輪蝸桿副的密封
   由于潤滑脂和軸承固體潤滑膜存在不兼容的問題,因此在蝸輪蝸桿艙的六處(蝸桿兩處、兩套蝸輪軸各兩處)有相對轉(zhuǎn)動的位置安裝了迷宮密封裝置,如圖3所示。
    迷宮密封既要有足夠小的軸、徑向間隙,又要求在各種溫度范圍內(nèi)不發(fā)生刮擦導(dǎo)致摩擦力增大。
    
       設(shè)殼體不同軸度為YK;迷宮裝配間隙YJ;迷宮不同軸度YM;蝸輪軸的不同軸度為YZ;迷宮孔公差
YTM;軸公差YTZ。
       因此,由于加工裝配造成的徑向偏差為
     YL=XLZW+XLZN+YK+YJ+YM+YZ+YTM+YTZ(5)
   由于迷宮采用鋁合金材料,因此在低溫狀態(tài)引起的迷宮間隙最大減小量為
      YLT=ΔT(ρ鋁-ρ鈦) LM(6)
   根據(jù)式(5)和式(6),由于加工、裝配、溫度引起的最大徑向偏差為
      Y=YL+YLT
       因此,設(shè)計的迷宮孔徑應(yīng)為 +Y+Δ +Y。
  2　蝸輪蝸桿的空間環(huán)境驗證
       為了驗證基于蝸輪蝸桿副末端操作器設(shè)計的合理性,對操作器進(jìn)行了振動、熱真空等試驗。通過比對試驗前后的參數(shù)驗證蝸輪蝸桿副的性能是否滿足設(shè)計要求。
   2.1　振動試驗
           振動試驗是利用振動試驗臺模擬發(fā)射振動工況檢驗蝸輪蝸桿副以及末端操作器性能的試驗。為了逼真再現(xiàn)發(fā)射工況,試驗輸入條件為發(fā)射過程中較常見的振動頻率、振幅等。如表1所示為振動輸入條件。
        
       
2.2　熱真空試驗
    熱真空試驗檢驗了蝸輪蝸桿副對不同溫度環(huán)境的適應(yīng)能力,并且通過若干天的連續(xù)工作檢驗蝸輪蝸桿副是否具有和設(shè)計吻合的力學(xué)性能和壽命。如圖4所示為熱真空壽命試驗輸入條件。
     

   2.3　試驗結(jié)果
        在振動試驗及高低溫試驗前后,分別測量的蝸輪蝸桿效率來作為檢驗蝸輪蝸桿壽命和力學(xué)性能的指標(biāo),如圖5所示,靠下方曲線為振動試驗及熱真空試驗前蝸輪蝸桿在不同載荷下的效率值,靠上方曲線為試驗后不同載荷下的效率值?？梢钥闯?前后效率差別不大,甚至有所提高,說明力學(xué)試驗及高低溫環(huán)境中反復(fù)運動過程中蝸輪蝸桿副未受到損害。
      熱真空試驗檢驗了蝸輪蝸桿副對不同溫度環(huán)境的適應(yīng)能力。如表2所示,在熱真空環(huán)境的高低溫段進(jìn)行了不同位置的啟動PWM測量,結(jié)果顯示和常溫啟動PWM變化不大,顯示手爪對溫度具有較好的適應(yīng)性。
      
 3　結(jié)論
         通過對蝸輪蝸桿副的研究分析,解決了蝸輪蝸桿副在空間環(huán)境中若干使用問題,經(jīng)過試驗驗證,不難得到如下結(jié)論:
        1)對蝸輪蝸桿副的力學(xué)分析、溫度分析研究以及裝配集成思路正確、方法可行,能夠設(shè)計得到滿足振動、高低溫、真空等惡劣工況的蝸輪蝸桿副
        2)作為蝸輪蝸桿配套采用的軸承、潤滑和迷宮具備空間環(huán)境適應(yīng)性,能夠滿足壽命要求。
       (3)較大的側(cè)隙雖然會降低蝸輪蝸桿的傳動精度,但在振動過程中不會加劇蝸輪蝸桿的磨損。
        (4)單蝸桿雙蝸輪結(jié)構(gòu)具有可實施性,能夠獲得較高的對稱運動,可以滿足空間末端操作器的抓握要求。
          


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