摘要　隨著機器人技術在空間領域的發展,需要有一種結構緊湊、簡單可靠的機械機構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點,特別適于作為對夾式操作器的傳動機構。針對蝸輪蝸桿副空間環境適應性研究尚不充分的問題,采用分析和試驗相結合的方法對蝸輪蝸桿在機器人操作器中的安裝實現、潤滑、振動、高低溫及壽命進行了研究。利用熱真空罐、振動臺等測試手段模擬空間環境對研制的蝸輪蝸桿副進行了空間環境適應性測試。研究結果表明通過合理的設計,蝸輪蝸桿副可以具備空間應用的能力,能夠滿足空間環境要求。
        關鍵詞　蝸輪蝸桿　空間　末端操作器
0　引言
          隨著我國空間技術的不斷發展,大量的空間生產、空間加工、空間裝配、空間維護和修理需要完成。利用機器人以及配置在機器人末端執行任務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。但是空間環境具有高低溫、高真空、強輻射、強振動等特點,應用在空間環境的所有零部件都要在上天之前進行空間環境適應性分析,以獲得其在空間環境下的各項性能[2]。而蝸輪蝸桿副回轉軸線垂直、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、
潤滑等環節較多,極大的限制了蝸輪蝸桿在空間環境的應用。因此只有通過對蝸輪蝸桿空間環境的適應性進行詳細分析和研究才能避免災難的發生[3]。我們對基于蝸輪蝸桿副研制的機器人末端操作器進行了空間環境適應性研究,并對試驗結果進行分析并得出結論,探索了蝸輪蝸桿在空間應用的一般規律。
 1　蝸輪蝸桿應用分析
    操作器采用常見的對夾式結構,即手指運動為對稱的開合運動。因此蝸輪蝸桿傳動機構采用單蝸桿驅動雙蝸輪結構,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。此外相關的潤滑和密封需要耐受溫度變化,在惡劣溫度環境下可靠工作。
    1.1　蝸輪蝸桿的設計和校核
           飛行器及其載荷通常由火箭發射進入空間軌道,在發射過程中存在較惡劣的振動工況。在空間環境中,設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,還應能滿足飛行器發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m=1,d1=14,公稱中心距32 mm,輸出轉矩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為2.74,大于一般工況安全系數。
        在抗振動設計中,為了簡化強度校核,引入兩條假設:一是認為蝸輪蝸桿未有鎖緊裝置情況下為最惡劣工況;二是發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動造成的回程沖擊。
        根據試驗驗證,設定蝸輪軸正弦振動加速度為G,蝸輪負載質量為M,質心距蝸輪軸距離l。那么在發射過程中手指對蝸輪的沖力F沖為
       
       另設定振動頻率為f,振動時間T,那么沖擊次數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射振動后是否還有滿足任務要求的接觸疲勞壽命。
     1.2　中心距的設計和分析
           空間環境中沒有空氣的存在導致向外的熱傳遞只能通過熱輻射來進行,由于熱輻射的局限性使摩擦產生的熱量不能及時導入機殼或者周圍環境中,同時冷熱交變會加劇溫度不均,這會對系統的性能造成很大的影響。[4]
         空間用蝸輪蝸桿工況為真空環境,熱量主要依靠零件內部傳導和輻射傳導,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℃。因此在設計過程中應對蝸輪蝸桿的法向側隙留有足夠余量,防止特殊工況下的卡死。
      設蝸輪軸承和蝸輪軸承座單側間隙為XLZW;軸承和蝸輪軸單側間隙為XLZN;蝸輪軸的不同軸度為XLZ;蝸輪和蝸輪軸單側間隙為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)
            設蝸桿軸承和蝸桿軸承座單側間隙為XGZW;軸承和蝸桿軸單側間隙為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,蝸輪蝸桿軸系會發生熱脹冷縮現象,由于軸系殼體材質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生。在低溫、真空的空間環境中,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或揮發問題,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容。本次研究中將蝸輪蝸桿效率作為評價潤滑的指標。
       對采用MoS2真空濺射固體潤滑的蝸輪蝸桿進行跑合后對齒面進行觀測,發現固體潤滑膜磨損嚴重,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行效率檢測,發現低溫段效率極低,溫度低于-15℃會發生堵轉。
    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%。試驗證明應用于空間環境的蝸桿傳動采用Braycote601脂潤滑較為適宜。蝸桿和蝸輪兩側支撐則采用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不發生刮擦導致摩擦力增大。
    
       設殼體不同軸度為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,因此在低溫狀態引起的迷宮間隙最大減小量為
      YLT=ΔT(ρ鋁-ρ鈦) LM(6)
   根據式(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,設計的迷宮孔徑應為 +Y+Δ +Y。
  2　蝸輪蝸桿的空間環境驗證
       為了驗證基于蝸輪蝸桿副末端操作器設計的合理性,對操作器進行了振動、熱真空等試驗。通過比對試驗前后的參數驗證蝸輪蝸桿副的性能是否滿足設計要求。
   2.1　振動試驗
           振動試驗是利用振動試驗臺模擬發射振動工況檢驗蝸輪蝸桿副以及末端操作器性能的試驗。為了逼真再現發射工況,試驗輸入條件為發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境的適應能力,并且通過若干天的連續工作檢驗蝸輪蝸桿副是否具有和設計吻合的力學性能和壽命。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性能的指標,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。可以看出,前后效率差別不大,甚至有所提高,說明力學試驗及高低溫環境中反復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境的適應能力。如表2所示,在熱真空環境的高低溫段進行了不同位置的啟動PWM測量,結果顯示和常溫啟動PWM變化不大,顯示手爪對溫度具有較好的適應性。
      
 3　結論
         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境中若干使用問題,經過試驗驗證,不難得到如下結論:
        1)對蝸輪蝸桿副的力學分析、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境適應性,能夠滿足壽命要求。
       (3)較大的側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)單蝸桿雙蝸輪結構具有可實施性,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。
          


        參考文獻
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