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蜗轮蜗杆减速机

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蜗轮蜗杆副的空间操作器应用研究

发布时间:2015-05-17 22:19:00 点击:


摘要 随着机器人技术在空间领域的发展,需要有一种结构紧凑、简单可靠的机械机构用于机器人末端操作器的传动。蜗轮蜗杆副具有传动简便等优点,特别适于作为对夹式操作器的传动机构。针对蜗轮蜗杆副空间环境适应性研究尚不充分的问题,采用分析和试验相结合的方法对蜗轮蜗杆在机器人操作器中的安装实现、润滑、振动、高低温及寿命进行了研究。利用热真空罐、振动台等测试手段模拟空间环境对研制的蜗轮蜗杆副进行了空间环境适应性测试。研究结果表明通过合理的设计,蜗轮蜗杆副可以具备空间应用的能力,能够满足空间环境要求。
        关键词 蜗轮蜗杆 空间 末端操作器
0 引言
          随着我国空间技术的不断发展,大量的空间生产、空间加工、空间装配、空间维护和修理需要完成。利用机器人以及配置在机器人末端执行任务的操作器可以大大减小宇航员从事危险工作的代价和成本[1]。因此对于机器人末端操作器的研究有助于提高操作器性能,降低实现难度并提高可靠性。目前,典型的机器人末端操作器传动机构有谐波减速器、螺母丝杠、行星减速器等。虽然蜗轮蜗杆具有体积紧凑,减速比大,具有自锁能力的特点。但是空间环境具有高低温、高真空、强辐射、强振动等特点,应用在空间环境的所有零部件都要在上天之前进行空间环境适应性分析,以获得其在空间环境下的各项性能[2]。而蜗轮蜗杆副回转轴线垂直、材料各异,中心距对热胀冷缩较为敏感;并且对振动冲击对蜗轮蜗杆的寿命一定影响,此外还涉及轴、轴承等附属零部件的装配、
润滑等环节较多,极大的限制了蜗轮蜗杆在空间环境的应用。因此只有通过对蜗轮蜗杆空间环境的适应性进行详细分析和研究才能避免灾难的发生[3]。我们对基于蜗轮蜗杆副研制的机器人末端操作器进行了空间环境适应性研究,并对试验结果进行分析并得出结论,探索了蜗轮蜗杆在空间应用的一般规律。
 1 蜗轮蜗杆应用分析
    操作器采用常见的对夹式结构,即手指运动为对称的开合运动。因此蜗轮蜗杆传动机构采用单蜗杆驱动双蜗轮结构,如图1所示。  轴线为操作器主轴,两个蜗轮分为左右对称放置。空间机器人末

蜗轮蜗杆减速机构造特性
 端操作器位于机器人末梢用于抓捕对接工作,具有温度变化剧烈、振动冲击大的特点,是机器人系统中工况较为恶劣的部件。因此针对胀冷缩引起的中心距变化以及振动冲击影响寿命的问题展开研究。此外相关的润滑和密封需要耐受温度变化,在恶劣温度环境下可靠工作。
    1.1 蜗轮蜗杆的设计和校核
           飞行器及其载荷通常由火箭发射进入空间轨道,在发射过程中存在较恶劣的振动工况。在空间环境中,设计的蜗轮蜗杆运动副不仅要具有足够的接触强度、弯曲强度,还应能满足飞行器发射过程中的振动要求。
           为了防止生锈,蜗杆材料为9Cr18局部渗碳硬度HRC50,蜗轮材料QSn6.5。设m=1,d1=14,公称中心距32 mm,输出转矩T2=N·m。
          因此,通过校核可知,蜗轮蜗杆的实际接触强度为166 MPa,小于许用接触强度234 MPa。轮齿弯曲折断安全系数为2.74,大于一般工况安全系数。
        在抗振动设计中,为了简化强度校核,引入两条假设:一是认为蜗轮蜗杆未有锁紧装置情况下为最恶劣工况;二是发射振动造成的蜗轮蜗杆齿面的碰撞近似等效为蜗轮蜗杆反向转动造成的回程冲击。
        根据试验验证,设定蜗轮轴正弦振动加速度为G,蜗轮负载质量为M,质心距蜗轮轴距离l。那么在发射过程中手指对蜗轮的冲力F冲为
       蜗轮蜗杆减速机特性,计算 ,参照
       另设定振动频率为f,振动时间T,那么冲击次数n为n=fT
      由此可以利用蜗轮蜗杆接触强度校核公式验证蜗轮蜗杆副在发射振动后是否还有满足任务要求的接触疲劳寿命。
     1.2 中心距的设计和分析
           空间环境中没有空气的存在导致向外的热传递只能通过热辐射来进行,由于热辐射的局限性使摩擦产生的热量不能及时导入机壳或者周围环境中,同时冷热交变会加剧温度不均,这会对系统的性能造成很大的影响。[4]
         空间用蜗轮蜗杆工况为真空环境,热量主要依靠零件内部传导和辐射传导,因此蜗轮蜗杆副的不同位置的温度梯度较大,以本次研究的蜗轮蜗杆为例,蜗轮轴承座和蜗轮轴最大温差近50℃。因此在设计过程中应对蜗轮蜗杆的法向侧隙留有足够余量,防止特殊工况下的卡死。
      设蜗轮轴承和蜗轮轴承座单侧间隙为XLZW;轴承和蜗轮轴单侧间隙为XLZN;蜗轮轴的不同轴度为XLZ;蜗轮和蜗轮轴单侧间隙为XLLZ;蜗轮孔和蜗轮分度圆不同轴度为XLL。
            因此,由于蜗轮加工装配造成的中心距偏差为
            XL=XLZW+XLZN+XLZ+XLLZ+XLL(1)
            设蜗杆轴承和蜗杆轴承座单侧间隙为XGZW;轴承和蜗杆轴单侧间隙为XGZN;蜗杆轴的同轴度为XGZ。因此,由于蜗轮加工装配造成的中心距偏差为
             XG=XGZW+XGZN+XGZ(2) 
            在温度变化情况下,蜗轮蜗杆轴系会发生热胀冷缩现象,由于轴系壳体材质不同造成蜗轮蜗杆中心距变化。一般来说,蜗杆轴承座和电机定子有连接关系,温度高于蜗杆温度;蜗轮轴承座和壳体连接,壳体有控温设备,因此蜗轮轴承座温度高于蜗轮轴温度。并且空间使用的蜗轮蜗杆副的材料通常是蜗轮采用锡青铜、蜗杆和轴承采用钢材,轴承座采用钛合金。热膨胀系数分别为ρ铜、ρ钢和ρ钛,且ρ铜>ρ钢>ρ钛
         所以,由于温度引起的蜗轮中心距增大量为
       XLT=ΔT(ρ钛-ρ钢) LW+(ρ钢-ρ钛) LN+(ρ铜-ρ钛) LZ-ρ铜 L] (3)
          蜗杆中心距增大量为
         XGT=ΔT(ρ钛-ρ钢) GW+(ρ铜-ρ钢) GN-ρ钢 G]=ΔT[(ρ钛-ρ钢) GW-ρ钢 G] (4)
       根据式(1)~式(4),由于加工、装配、温度引起的最大中心距偏差为
          X=XL+XG+XLT+XGT
        因此,设计的蜗轮蜗杆中心距为a+X+Δa+X。
  
1.3 蜗轮蜗杆副的润滑
       空间环境中的润滑主要目的是为了降低摩擦阻力提高运动性能并且防止冷焊发生。在低温、真空的空间环境中,润滑油由于密封困难,蜗轮蜗杆副不便采用;普通润滑脂存在凝结或挥发问题,因此只能采用低温润滑脂;空间活动部件虽然还多用于轴承,能否用于蜗轮蜗杆副尚需要验证。因此采用合理的润滑方式是空间蜗轮蜗杆副研究的重要组成内容。本次研究中将蜗轮蜗杆效率作为评价润滑的指标。
       对采用MoS2真空溅射固体润滑的蜗轮蜗杆进行跑合后对齿面进行观测,发现固体润滑膜磨损严重,如图2可见MoS2黑色薄膜被磨损掉 
       蜗轮蜗杆减速机图片,参数,性能
     
       对采用壳牌MP5润滑脂的蜗轮蜗杆进行效率检测,发现低温段效率极低,温度低于-15℃会发生堵转。
    Braycote601润滑脂在高低温试验获得了成功,测得的效率值范围为16%~38%。试验证明应用于空间环境的蜗杆传动采用Braycote601脂润滑较为适宜。蜗杆和蜗轮两侧支撑则采用MoS2固体润滑滚动轴承。
   1.4 蜗轮蜗杆副的密封
   由于润滑脂和轴承固体润滑膜存在不兼容的问题,因此在蜗轮蜗杆舱的六处(蜗杆两处、两套蜗轮轴各两处)有相对转动的位置安装了迷宫密封装置,如图3所示。
    迷宫密封既要有足够小的轴、径向间隙,又要求在各种温度范围内不发生刮擦导致摩擦力增大。
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       设壳体不同轴度为YK;迷宫装配间隙YJ;迷宫不同轴度YM;蜗轮轴的不同轴度为YZ;迷宫孔公差
YTM;轴公差YTZ。
       因此,由于加工装配造成的径向偏差为
     YL=XLZW+XLZN+YK+YJ+YM+YZ+YTM+YTZ(5)
   由于迷宫采用铝合金材料,因此在低温状态引起的迷宫间隙最大减小量为
      YLT=ΔT(ρ铝-ρ钛) LM(6)
   根据式(5)和式(6),由于加工、装配、温度引起的最大径向偏差为
      Y=YL+YLT
       因此,设计的迷宫孔径应为 +Y+Δ +Y。
  2 蜗轮蜗杆的空间环境验证
       为了验证基于蜗轮蜗杆副末端操作器设计的合理性,对操作器进行了振动、热真空等试验。通过比对试验前后的参数验证蜗轮蜗杆副的性能是否满足设计要求。
   2.1 振动试验
           振动试验是利用振动试验台模拟发射振动工况检验蜗轮蜗杆副以及末端操作器性能的试验。为了逼真再现发射工况,试验输入条件为发射过程中较常见的振动频率、振幅等。如表1所示为振动输入条件。
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2.2 热真空试验
    热真空试验检验了蜗轮蜗杆副对不同温度环境的适应能力,并且通过若干天的连续工作检验蜗轮蜗杆副是否具有和设计吻合的力学性能和寿命。如图4所示为热真空寿命试验输入条件。
     
蜗轮蜗杆减速机,图片,试验
   2.3 试验结果
        在振动试验及高低温试验前后,分别测量的蜗轮蜗杆效率来作为检验蜗轮蜗杆寿命和力学性能的指标,如图5所示,靠下方曲线为振动试验及热真空试验前蜗轮蜗杆在不同载荷下的效率值,靠上方曲线为试验后不同载荷下的效率值。可以看出,前后效率差别不大,甚至有所提高,说明力学试验及高低温环境中反复运动过程中蜗轮蜗杆副未受到损害。
      热真空试验检验了蜗轮蜗杆副对不同温度环境的适应能力。如表2所示,在热真空环境的高低温段进行了不同位置的启动PWM测量,结果显示和常温启动PWM变化不大,显示手爪对温度具有较好的适应性。
      蜗轮蜗杆减速机使用情况,特性,蜗轮
 3 结论
         通过对蜗轮蜗杆副的研究分析,解决了蜗轮蜗杆副在空间环境中若干使用问题,经过试验验证,不难得到如下结论:
        1)对蜗轮蜗杆副的力学分析、温度分析研究以及装配集成思路正确、方法可行,能够设计得到满足振动、高低温、真空等恶劣工况的蜗轮蜗杆副
        2)作为蜗轮蜗杆配套采用的轴承、润滑和迷宫具备空间环境适应性,能够满足寿命要求。
       (3)较大的侧隙虽然会降低蜗轮蜗杆的传动精度,但在振动过程中不会加剧蜗轮蜗杆的磨损。
        (4)单蜗杆双蜗轮结构具有可实施性,能够获得较高的对称运动,可以满足空间末端操作器的抓握要求。
          


        参考文献
[1] 李成,梁斌.空间机器人的遥操作[J].宇航学报,2001,22(1):95
-98.
[2] Brunner B,HirzingerG,LandzettelK,etal.Multisensory shared autono-
my and tele-sensor-programming key issues in the space robot technol-
ogy experiment ROTEX:The 1993 IEEEConference on Robotics and Sys-
tem[C].Japan:Yokohama,1993:2123-2139.
[3] Gibson E K,PillingerC T,Wright I P.Beagle 2:Seeking the Signatures
of Life onMars[C]∥Sixth International Conference onMars(2003),Ju-
ly 20-23,2003,Passedena,California USA.LPI-Iontrib-1164.
[4] Ramesham R.Extreme Temperature Thermal CyclingTests and Resultsfor
Flight Qualification[R].Washington:NASA,2004:101-103.



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