摘要　隨著機(jī)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(jiǎn)單可靠的機(jī)械機(jī)構(gòu)用于機(jī)器人末端操作器的傳動(dòng)。蝸輪蝸桿副具有傳動(dòng)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),特別適于作為對(duì)夾式操作器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。針對(duì)蝸輪蝸桿副空間環(huán)境適應(yīng)性研究尚不充分的問(wèn)題,采用分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)蝸輪蝸桿在機(jī)器人操作器中的安裝實(shí)現(xiàn)、潤(rùn)滑、振動(dòng)、高低溫及壽命進(jìn)行了研究。利用熱真空罐、振動(dòng)臺(tái)等測(cè)試手段模擬空間環(huán)境對(duì)研制的蝸輪蝸桿副進(jìn)行了空間環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試。研究結(jié)果表明通過(guò)合理的設(shè)計(jì),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(guó)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(jī)器人以及配置在機(jī)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(xiǎn)工作的代價(jià)和成本[1]。因此對(duì)于機(jī)器人末端操作器的研究有助于提高操作器性能,降低實(shí)現(xiàn)難度并提高可靠性。目前,典型的機(jī)器人末端操作器傳動(dòng)機(jī)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(diǎn)。但是空間環(huán)境具有高低溫、高真空、強(qiáng)輻射、強(qiáng)振動(dòng)等特點(diǎn),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(xiàng)性能[2]。而蝸輪蝸桿副回轉(zhuǎn)軸線垂直、材料各異,中心距對(duì)熱脹冷縮較為敏感;并且對(duì)振動(dòng)沖擊對(duì)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(rùn)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(guò)對(duì)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(duì)基于蝸輪蝸桿副研制的機(jī)器人末端操作器進(jìn)行了空間環(huán)境適應(yīng)性研究,并對(duì)試驗(yàn)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(jiàn)的對(duì)夾式結(jié)構(gòu),即手指運(yùn)動(dòng)為對(duì)稱的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。因此蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用單蝸桿驅(qū)動(dòng)雙蝸輪結(jié)構(gòu),如圖1所示。  軸線為操作器主軸,兩個(gè)蝸輪分為左右對(duì)稱放置?？臻g機(jī)器人末


 端操作器位于機(jī)器人末梢用于抓捕對(duì)接工作,具有溫度變化劇烈、振動(dòng)沖擊大的特點(diǎn),是機(jī)器人系統(tǒng)中工況較為惡劣的部件。因此針對(duì)脹冷縮引起的中心距變化以及振動(dòng)沖擊影響壽命的問(wèn)題展開(kāi)研究。此外相關(guān)的潤(rùn)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(jì)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(guò)程中存在較惡劣的振動(dòng)工況。在空間環(huán)境中,設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿運(yùn)動(dòng)副不僅要具有足夠的接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度,還應(yīng)能滿足飛行器發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)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(guò)校核可知,蝸輪蝸桿的實(shí)際接觸強(qiáng)度為166 MPa,小于許用接觸強(qiáng)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(dòng)設(shè)計(jì)中,為了簡(jiǎn)化強(qiáng)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(dòng)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(dòng)造成的回程沖擊。
        根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)定蝸輪軸正弦振動(dòng)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(guò)程中手指對(duì)蝸輪的沖力F沖為
       
       另設(shè)定振動(dòng)頻率為f,振動(dòng)時(shí)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(qiáng)度校核公式驗(yàn)證蝸輪蝸桿副在發(fā)射振動(dòng)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(jì)和分析
           空間環(huán)境中沒(méi)有空氣的存在導(dǎo)致向外的熱傳遞只能通過(guò)熱輻射來(lái)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(shí)導(dǎo)入機(jī)殼或者周圍環(huán)境中,同時(shí)冷熱交變會(huì)加劇溫度不均,這會(huì)對(duì)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(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)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(huì)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(lái)說(shuō),蝸桿軸承座和電機(jī)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(jì)的蝸輪蝸桿中心距為a+X+Δa+X。
  
1.3　蝸輪蝸桿副的潤(rùn)滑
       空間環(huán)境中的潤(rùn)滑主要目的是為了降低摩擦阻力提高運(yùn)動(dòng)性能并且防止冷焊發(fā)生。在低溫、真空的空間環(huán)境中,潤(rùn)滑油由于密封困難,蝸輪蝸桿副不便采用;普通潤(rùn)滑脂存在凝結(jié)或揮發(fā)問(wèn)題,因此只能采用低溫潤(rùn)滑脂;空間活動(dòng)部件雖然還多用于軸承,能否用于蝸輪蝸桿副尚需要驗(yàn)證。因此采用合理的潤(rùn)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(píng)價(jià)潤(rùn)滑的指標(biāo)。
       對(duì)采用MoS2真空濺射固體潤(rùn)滑的蝸輪蝸桿進(jìn)行跑合后對(duì)齒面進(jìn)行觀測(cè),發(fā)現(xiàn)固體潤(rùn)滑膜磨損嚴(yán)重,如圖2可見(jiàn)MoS2黑色薄膜被磨損掉 
       
     
       對(duì)采用殼牌MP5潤(rùn)滑脂的蝸輪蝸桿進(jìn)行效率檢測(cè),發(fā)現(xiàn)低溫段效率極低,溫度低于-15℃會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)。
    Braycote601潤(rùn)滑脂在高低溫試驗(yàn)獲得了成功,測(cè)得的效率值范圍為16%～38%。試驗(yàn)證明應(yīng)用于空間環(huán)境的蝸桿傳動(dòng)采用Braycote601脂潤(rùn)滑較為適宜。蝸桿和蝸輪兩側(cè)支撐則采用MoS2固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承。
   1.4　蝸輪蝸桿副的密封
   由于潤(rùn)滑脂和軸承固體潤(rùn)滑膜存在不兼容的問(wèn)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)的迷宮孔徑應(yīng)為 +Y+Δ +Y。
  2　蝸輪蝸桿的空間環(huán)境驗(yàn)證
       為了驗(yàn)證基于蝸輪蝸桿副末端操作器設(shè)計(jì)的合理性,對(duì)操作器進(jìn)行了振動(dòng)、熱真空等試驗(yàn)。通過(guò)比對(duì)試驗(yàn)前后的參數(shù)驗(yàn)證蝸輪蝸桿副的性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。
   2.1　振動(dòng)試驗(yàn)
           振動(dòng)試驗(yàn)是利用振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)模擬發(fā)射振動(dòng)工況檢驗(yàn)蝸輪蝸桿副以及末端操作器性能的試驗(yàn)。為了逼真再現(xiàn)發(fā)射工況,試驗(yàn)輸入條件為發(fā)射過(guò)程中較常見(jiàn)的振動(dòng)頻率、振幅等。如表1所示為振動(dòng)輸入條件。
        
       
2.2　熱真空試驗(yàn)
    熱真空試驗(yàn)檢驗(yàn)了蝸輪蝸桿副對(duì)不同溫度環(huán)境的適應(yīng)能力,并且通過(guò)若干天的連續(xù)工作檢驗(yàn)蝸輪蝸桿副是否具有和設(shè)計(jì)吻合的力學(xué)性能和壽命。如圖4所示為熱真空壽命試驗(yàn)輸入條件。
     

   2.3　試驗(yàn)結(jié)果
        在振動(dòng)試驗(yàn)及高低溫試驗(yàn)前后,分別測(cè)量的蝸輪蝸桿效率來(lái)作為檢驗(yàn)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(dòng)試驗(yàn)及熱真空試驗(yàn)前蝸輪蝸桿在不同載荷下的效率值,靠上方曲線為試驗(yàn)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(shuō)明力學(xué)試驗(yàn)及高低溫環(huán)境中反復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中蝸輪蝸桿副未受到損害。
      熱真空試驗(yàn)檢驗(yàn)了蝸輪蝸桿副對(duì)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(dòng)PWM測(cè)量,結(jié)果顯示和常溫啟動(dòng)PWM變化不大,顯示手爪對(duì)溫度具有較好的適應(yīng)性。
      
 3　結(jié)論
         通過(guò)對(duì)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(wèn)題,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,不難得到如下結(jié)論:
        1)對(duì)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(jì)得到滿足振動(dòng)、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(rùn)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(huì)降低蝸輪蝸桿的傳動(dòng)精度,但在振動(dòng)過(guò)程中不會(huì)加劇蝸輪蝸桿的磨損。
        (4)單蝸桿雙蝸輪結(jié)構(gòu)具有可實(shí)施性,能夠獲得較高的對(duì)稱運(yùn)動(dòng),可以滿足空間末端操作器的抓握要求。
          


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