蝸輪蝸桿副的空間操作器應(yīng)用

摘 要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在空間領(lǐng)域也占有了一席之地，當(dāng)前需要有一種結(jié)構(gòu)緊湊而且簡(jiǎn)單可靠的機(jī)械機(jī)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)器人末端操作器的傳動(dòng)。而蝸輪蝸桿副就具有傳動(dòng)簡(jiǎn)單、方便的優(yōu)點(diǎn)，特別適合作為對(duì)夾式操作器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。本文通過(guò)試驗(yàn)和分析，研究蝸輪蝸桿在機(jī)器人操作器中的安裝、潤(rùn)滑。對(duì)蝸輪蝸桿進(jìn)行空間環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試，結(jié)果表明，蝸輪蝸桿副具備空間應(yīng)用的能力，可以滿足空間環(huán)境的要求。

關(guān)鍵詞：蝸輪蝸桿副；空間操作器；環(huán)境驗(yàn)證

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.254

0 引言

隨著我國(guó)空間技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了大量的空間生產(chǎn)、加工、安裝維護(hù)以及修理工作，需要我們?nèi)ネ瓿?。借用機(jī)器人輔助完成任務(wù)，或者是對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行任務(wù)的操作器進(jìn)行合理的配置，都可以在很大程度上降低宇航員在從事危險(xiǎn)工作時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，還可以有效的減少資金的使用。當(dāng)前，機(jī)器人末端操作器主要有以下幾種：螺母絲杠、諧波減速器以及行星減速器等[1]。蝸輪蝸桿雖然具有自鎖能力，而且體積緊湊、減速比大，但是空間環(huán)境具有非常低溫度，輻射強(qiáng)，振動(dòng)強(qiáng)，而且還有高度真空等特點(diǎn)，因此，所有要在空間環(huán)境中應(yīng)用的配件都必須在其上天之前，對(duì)其進(jìn)行空間環(huán)境適應(yīng)性的分析，以此來(lái)獲取這些配件在空間環(huán)境下所表現(xiàn)的性能。

1 蝸輪蝸桿應(yīng)用分析

1.1 蝸輪蝸桿副應(yīng)用概述

機(jī)器人末端操作器的結(jié)構(gòu)采用的是對(duì)夾式，也就是常說(shuō)的手指對(duì)稱運(yùn)動(dòng)的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)[2]，所以，蝸輪蝸桿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須是一個(gè)蝸桿驅(qū)動(dòng)兩個(gè)蝸輪的結(jié)構(gòu)。將蝸桿的軸線看作是操作器的主軸，蝸輪是左右對(duì)稱的位置放置的?？臻g機(jī)器人末端操作器，就是在機(jī)器人的末端，用于對(duì)接活動(dòng)，以及抓捕活動(dòng)，其具有非常大的振動(dòng)沖擊，溫度非常多變且變化幅度大，屬于機(jī)器人整個(gè)系統(tǒng)中工作情況相對(duì)比較惡劣的一個(gè)零件。所以，機(jī)器人末端操作器的各項(xiàng)性能，例如，潤(rùn)滑、密封等，這些都必須對(duì)溫度的變化有極高程度的耐受性，即使是惡劣的環(huán)境，也必須能夠正常運(yùn)行。

1.2 蝸輪蝸桿副的潤(rùn)滑

在空間環(huán)境中進(jìn)行潤(rùn)滑，主要就是想要減小摩擦阻力，以此使得運(yùn)動(dòng)的性能可以得到提高，而且還可以避免出現(xiàn)冷焊的情況?？臻g環(huán)境中具有的特性，例如，低溫、真空等，使得潤(rùn)滑油的密封非常困難，蝸輪蝸桿副就不能使用潤(rùn)滑油，普通的潤(rùn)滑脂又會(huì)有凝結(jié)的情況，或者是一定程度的揮發(fā)，因此，只能應(yīng)用低溫潤(rùn)滑脂。雖然說(shuō)在空間環(huán)境中絕大多數(shù)的活動(dòng)零部件都是應(yīng)用固體潤(rùn)滑的方式進(jìn)行潤(rùn)滑的，但其主要是應(yīng)用在軸承上[3]，對(duì)于其是否可以在蝸輪蝸桿副上使用，還沒(méi)有得到驗(yàn)證。所以，此次研究將對(duì)于蝸輪蝸桿副的潤(rùn)滑方式進(jìn)行研究，將蝸輪蝸桿副的效率作為評(píng)價(jià)潤(rùn)滑的標(biāo)準(zhǔn)。

2 蝸輪蝸桿的空間環(huán)境驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采用蝸輪蝸桿副所設(shè)計(jì)的機(jī)器人末端操作器是否符合要求，對(duì)操作器進(jìn)行了各項(xiàng)試驗(yàn)，例如，振動(dòng)試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)等。對(duì)試驗(yàn)前后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)詳細(xì)記錄并進(jìn)行分析比較，檢驗(yàn)蝸輪蝸桿副的各項(xiàng)性能，是否滿足設(shè)計(jì)的規(guī)定要求。

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)，對(duì)發(fā)射振動(dòng)的工作情況進(jìn)行模擬，從而檢驗(yàn)蝸輪蝸桿副以及機(jī)器人末端操作器的抗振動(dòng)性能。為了試驗(yàn)與實(shí)際的工作情況比較相符，在試驗(yàn)時(shí)所輸入的條件，都是在實(shí)際工作中較為常見(jiàn)的振動(dòng)頻率，振動(dòng)幅度等。振動(dòng)輸入條件見(jiàn)表1。

2.2 熱真空試驗(yàn)

熱真空試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)蝸輪蝸桿蝸桿副在不同的溫度下，其所表現(xiàn)的適應(yīng)情況，并根據(jù)其連續(xù)工作的時(shí)長(zhǎng)，對(duì)蝸輪蝸桿副的壽命和力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證。熱真空試驗(yàn)輸入條件如圖1所示。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果為：蝸輪蝸桿實(shí)驗(yàn)前后的效率沒(méi)有很大差別，并有了一定程度的提高，這就表明，在高低溫的環(huán)境中，以及力學(xué)試驗(yàn)方面，蝸輪蝸桿副雖然反復(fù)運(yùn)行，但其在這個(gè)過(guò)程中沒(méi)有受到損害。

熱真空試驗(yàn)結(jié)果為：在空間環(huán)境中的高溫時(shí)段、低溫時(shí)段分別對(duì)蝸輪蝸桿副進(jìn)行了不同位置的啟動(dòng)PWM測(cè)量，結(jié)果為，與常溫?zé)o太大異常，手爪對(duì)溫度具有較好的適應(yīng)性。

2.4 結(jié)論

通過(guò)分析研究蝸輪蝸桿副，解決了蝸輪蝸桿副在空間環(huán)境中使用存在的問(wèn)題，從試驗(yàn)中可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：⑴通過(guò)對(duì)蝸輪蝸桿副進(jìn)行各方面試驗(yàn)分析，例如，力學(xué)、溫度等，可以設(shè)計(jì)出能夠適應(yīng)超低溫、強(qiáng)振動(dòng)、高度真空等惡劣環(huán)境的蝸輪蝸桿副。⑵蝸桿的傳統(tǒng)采用固體潤(rùn)滑不能成功，而采用潤(rùn)滑脂的蝸桿傳統(tǒng)成功。⑶一個(gè)蝸桿兩個(gè)蝸輪的結(jié)構(gòu)實(shí)施性很強(qiáng)，可以達(dá)到末端操作器的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳寧新.雙包絡(luò)蝸輪蝸桿的現(xiàn)代設(shè)計(jì)與檢測(cè)方法（邀請(qǐng)論文）[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，41（11）：1601-1610.

[2]高永鋒，李海珍.蝸輪蝸桿副在機(jī)動(dòng)、手動(dòng)進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011（10）：43-44.

[3]葛陽(yáng).應(yīng)用雙蝸桿傳動(dòng)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（02）：198.

作者簡(jiǎn)介：康博（1985-），男，北京人，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化技術(shù)。