核應(yīng)急處理機(jī)器人快換裝置

王 偉，唐德文

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

0 引言

核應(yīng)急處理機(jī)器人的作業(yè)范圍和作業(yè)效率與機(jī)器人操作器密切相關(guān)，提高機(jī)器人操作器的作業(yè)能力和作業(yè)效率有多種方法：一是增強(qiáng)臂部的靈活性，實(shí)現(xiàn)多角度的轉(zhuǎn)動(dòng)；二是為機(jī)器人配置工具庫(kù)，利用自身所攜帶的工具頭實(shí)現(xiàn)快速換接和多種作業(yè)；三是在操作器的腕部安裝快換裝置，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，減少往返換接時(shí)間，提高換接效率[1－3]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)自動(dòng)換接裝置多集中在機(jī)械式、液壓式、氣動(dòng)式以及電動(dòng)式的研究。薛帥[4]根據(jù)快換裝置在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及研究現(xiàn)狀提出了一種機(jī)器人末端工具頭的快速更換改進(jìn)方案，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)公頭旋轉(zhuǎn)與控制換裝塊移動(dòng)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)工具頭的連接與斷開，該換接方法操作簡(jiǎn)單，但是在對(duì)接過(guò)程中存在位置和姿態(tài)方向上的偏差，給工具頭遠(yuǎn)程換接增加了難度；西南科技大學(xué)[5]設(shè)計(jì)一款自動(dòng)換接裝置，采用液壓缸驅(qū)動(dòng)切換機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)外殼上下運(yùn)動(dòng)，在彈簧作用下通過(guò)鋼珠和錐形槽的結(jié)合與分離實(shí)現(xiàn)工具頭的換接，該快換裝置具有防故障自動(dòng)保護(hù)功能，保證機(jī)器人工具頭更換的柔順性和可靠性；榮莉等[6]設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人快速更換裝置，利用杠桿原理通過(guò)鎖緊鉤爪松開與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)工具頭的換接，該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低，適合常規(guī)環(huán)境下的換接，但是在遠(yuǎn)程換接過(guò)程中存在對(duì)接難；李娜[7]基于工程中快換裝置存在的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種機(jī)器人快換裝置的改進(jìn)方案，與傳統(tǒng)快換裝置相比，采用碟簧式氣壓切換的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)工具頭與快換裝置的連接與分離，從而提高快換裝置的靈活性和安全性?，F(xiàn)有的快速換接裝置通常用于普通環(huán)境下的快速換接，但是在核應(yīng)急這種特殊的作業(yè)環(huán)境下并不完全適合，存在遠(yuǎn)程對(duì)接難和無(wú)法遠(yuǎn)程操作控制等問(wèn)題。

本文針對(duì)核應(yīng)急環(huán)境設(shè)計(jì)一款快速換接裝置，運(yùn)用于小型核應(yīng)急處理機(jī)器人的自身攜帶和遠(yuǎn)程快速換接，以提高機(jī)器人的應(yīng)急能力和換接效率。在核應(yīng)急處理時(shí)，由于核電站內(nèi)部復(fù)雜的工況，機(jī)器人需要頻繁更換工具頭，以應(yīng)對(duì)不同的作業(yè)環(huán)境，如挖掘、破碎、剪切等。為此，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于機(jī)器人的快換裝置，如圖1所示。該快換裝置遠(yuǎn)程操作簡(jiǎn)單、方便，且可利用自身工具庫(kù)攜帶的工具頭實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程快速換接，其連接方式如圖2所示。

圖1 快換裝置Fig.1 Quick change device

圖2 破碎剪在快換裝置上的連接Fig.2 The connection of the crushing shear on the quick－change device

1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本快換裝置采用電磁鎖與液壓驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，其結(jié)構(gòu)主要由快換裝置殼體、電磁鎖、液壓馬達(dá)、卡塊、液壓膠管接頭、支撐架、轉(zhuǎn)盤、齒輪、連接耳、滑塊、連桿、軸、齒輪組成。支撐架和液壓馬達(dá)固定在快換裝置內(nèi)部的底面上，液壓馬達(dá)通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，快換裝置端面與連接耳通過(guò)焊接固定在一起，卡塊通過(guò)底部轉(zhuǎn)軸與殼體的軸孔相連接，在連桿的帶動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)往返擺動(dòng)?？鞊Q裝置與工具頭的局部視圖如圖3所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 快換裝置與工具頭的局部視圖Fig.3 Quick change device and tool head partial view

圖4 快換裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Internal structure of quick change unit

1.2 自動(dòng)對(duì)接液壓油路

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工具頭的遠(yuǎn)程快速換接，不僅要求有快速換接的機(jī)構(gòu)，而且還需要相應(yīng)的液壓控制系統(tǒng)。如圖5所示為快換裝置自動(dòng)對(duì)接液壓油路圖，b為液壓馬達(dá)，將液壓泵提供的壓力能轉(zhuǎn)化為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩輸出；a為溢流閥，當(dāng)流入到液壓馬達(dá)的油壓超過(guò)25 MPa時(shí)，起到過(guò)載保護(hù)的作用；c為液控單向閥，即防止核應(yīng)急機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中油槍發(fā)生泄漏，又為機(jī)器人在工作中保持恒定油壓[8]；d為單作用二位四通電磁換向閥，用于切換正反向液壓油管之間的油路，使油源e經(jīng)換向閥和液控單向閥對(duì)液壓馬達(dá)供油；e為機(jī)器人的液壓管路系統(tǒng)的液壓泵；f為油箱；H、G分別為液壓管道正、反向供油孔。

圖5 快換裝置液壓油路Fig.5 Hydraulic circuit diagram of quick change unit

1.3 工作原理

如圖6所示，快換裝置分別與機(jī)器人的斗桿和連桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接，由搖桿、連桿、快換裝置和斗桿共同構(gòu)成雙搖桿機(jī)構(gòu)，主動(dòng)件為搖桿，通過(guò)連桿帶動(dòng)快換裝置從動(dòng)件繞著與斗桿相連接的鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 快換裝置連接示意圖Fig.6 Schematic diagram of quick change device connection

1.3.1 換裝工具頭

當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入核電站內(nèi)部遇到緊急情況需要更換工具頭時(shí)，操作人員通過(guò)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)控制液壓缸收縮，推動(dòng)快換裝置凸臺(tái)緩慢插入到工具頭的凹槽中（圖3），深度大約為1/2，然后啟動(dòng)電磁鎖，依靠其產(chǎn)生的強(qiáng)大的吸引力使工具頭沿著快換裝置凸臺(tái)的外表面滑入到底部，實(shí)現(xiàn)凸臺(tái)外表面與工具頭內(nèi)表面相匹配。此時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程操縱換向閥，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)4個(gè)卡塊向外轉(zhuǎn)動(dòng)與工具頭內(nèi)部的4個(gè)卡塊定位槽相匹配，然后操縱先導(dǎo)閥使主閥回位，斷開快換電磁閥，切斷快換裝置油路，鎖住快換裝置液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，最后關(guān)閉電磁鎖，從而完成工具頭的快速換接。

1.3.2 拆卸工具頭

當(dāng)需要拆卸工具頭時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接通電磁鎖，保持快換裝置前端與工具頭凹槽底部的預(yù)緊力，反向驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，連桿在滑塊的帶動(dòng)下拉動(dòng)卡塊向內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卡塊與卡塊定位槽的分離，最后斷開電磁鎖，實(shí)現(xiàn)工具頭與快換裝置的完全分離。

2 模態(tài)分析

2.1 建模

快換裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且包含許多的零部件，在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，為了方便網(wǎng)格劃分和提高計(jì)算效率，應(yīng)對(duì)結(jié)果影響較小的內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)化，在三維軟件Solidworks中建立簡(jiǎn)化模型，如圖7所示。

圖7 快換裝置簡(jiǎn)化模型Fig.7 Simplified model of quick change device

通過(guò)Solidworks與ANSYS響應(yīng)接口將簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入到Ansys中。為了提高快換裝置的耐摩擦性，材料選用為Q345B，密度ρ＝7.85×103kg/m3，彈性模量E＝206 GPa，泊松比μ＝0.28，添加快換裝置的材料屬性，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖8所示。

圖8 快換裝置網(wǎng)格劃分Fig.8 Quick change device grid division

2.2 模態(tài)分析

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的通用動(dòng)力學(xué)方程可以表示為[9]：

無(wú)阻尼模態(tài)分析，動(dòng)力學(xué)方程為：

將位移正弦函數(shù)x=xsin(ωt)代入上式得：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{x}為位移矢量；{F(t)}為力矢量；為速度矢量；為加速度矢量；ω為自振圓頻率。

對(duì)快換裝置進(jìn)行前6階的模態(tài)分析，得到各階固有頻率及振型，如圖9所示。

圖9 快換裝置各階固有頻率及振型Fig.9 The natural frequency and mode of vibration of the quick－change device

通過(guò)對(duì)快換裝置進(jìn)行前6階的模態(tài)分析，得到相應(yīng)固有頻率和振型描述，如表1所示。

模態(tài)分析用于分析結(jié)構(gòu)的自振頻率特征，包括固有頻率和振型。在模態(tài)分析中一階固有頻率決定了結(jié)構(gòu)的剛度，因此快換裝置的一階固有頻率越高，剛度越好，越不容易發(fā)生共振。機(jī)器人的激振主要來(lái)源于以下兩個(gè)部分：一是與快換裝相連接的液壓工具頭引起的振動(dòng)；二是發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)。由電機(jī)的激振頻率公式可知：

式中：f為激振頻率；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；δ為上下浮動(dòng)誤差。

本文選取的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，δ取50，得到電機(jī)的激振頻率為f＝200±1.67 Hz，與快換裝置一階固有頻率相比，激振頻率遠(yuǎn)小于1 198.1 Hz，快換裝置比較安全，不會(huì)產(chǎn)生共振。與快換裝置相連接的液壓工具頭各不相同，以液壓沖擊錘為例，其沖擊速度為650~1 150次/min，產(chǎn)生的沖擊頻率為10.8~19.2 Hz，小于快換裝置一階固有頻率，不會(huì)引起共振。

3 結(jié)束語(yǔ)

該快換裝置的設(shè)計(jì)采用了電磁鎖與液壓驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了工具頭的遠(yuǎn)程控制和快速換接，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和換接方法為遠(yuǎn)程對(duì)接降低了難度，解決了現(xiàn)有的快換裝置遠(yuǎn)程對(duì)接難的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)快換裝置的前6階模態(tài)分析，得到各階固有頻率及振型，與機(jī)器人主要的激振頻率相比，其一階頻率更高，剛度更好，不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，為防止機(jī)器人在作業(yè)中共振的產(chǎn)生提供了一種分析方法，但是由于本文采用的電磁鎖在進(jìn)行輔助對(duì)接時(shí)，產(chǎn)生的吸引力與所施加的電流的大小、吸盤的表面積等因素有關(guān)，對(duì)于體重較大的工具頭進(jìn)行遠(yuǎn)程換接并不適合，具有一定的局限性，因此本文的快速換接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定的改進(jìn)空間。