基于十字滑塊的具有容差能力的螺釘拆卸工具設計

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(哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

基于十字滑塊的具有容差能力的螺釘拆卸工具設計

高文銳，孫奎，金明河

(哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

螺釘拆卸工具是空間在軌服務中常用的一種工具，基于十字滑塊的位置補償功能，設計了一種具有容差能力、可針對不同規格圓柱頭螺釘進行操作的螺釘拆卸工具，并著重對十字滑塊、校正片彈簧以及工具整體的動態響應性能進行了設計與分析。首先對十字滑塊機構的運動特點進行了系統分析；接著利用有限元軟件參數化設計方法確定了校正片彈簧尺寸參數并擬合出剛度曲線；再利用動態仿真軟件驗證了工具的徑向動態響應性能的快速性和平穩性，并將其與安裝相同當量剛度圓柱彈簧的工具進行性能比較。十字滑塊的使用使螺釘拆卸工具具有一定的容差能力，提高了工具設計的緊湊性，擴展了工具在航天領域的使用范圍。

螺釘拆卸工具；十字滑塊；容差能力；在軌服務；校正片彈簧

0 引言

由于空間在軌任務對象屬性(如載荷的形狀、大小、質量、慣性等)千差萬別，設計多種能夠與機械臂末端執行器通過標準接口連接的操作工具已成為國際上的普遍做法[1-6]。在各種工具中，螺釘拆卸工具是最常用的工具之一，也是工具箱設計中的難點。

因此，設計了一種具有容差能力的螺釘拆卸工具，該工具不僅能夠通過內外軸的十字滑塊結構來實現位置誤差的補償，還通過夾緊爪的彈簧結構實現了針對多種型號螺釘的拆卸。鑒于工具在操作時需要快速響應位置偏差以及在操作后浮動部分需要復位，分析設計了校正片彈簧的參數結構，并針對工具的動態徑向響應性能進行了分析，得到了動態響應迅速、運行平穩的螺釘拆卸工具。

1 螺釘拆卸工具的方案設計

1.1 技術指標要求

螺釘拆卸工具安裝在機械臂的末端執行器上，末端執行器和螺釘拆卸工具之間通過標準接口連接，可以傳遞來自于末端執行器的內環單獨轉動和內外環同時轉動2種機械動力，如圖1所示。

圖1 末端執行器的動力輸出源

設計的螺釘拆卸工具屬于一種末端操作工具，應用于空間小型靈巧機械臂。螺釘拆卸工具應實現2個功能：能夠自行對螺釘進行位置校正補償；能夠操作不同型號的內六角圓柱頭螺釘(外形尺寸不同，但六角孔尺寸應相同)，提出表1所示的設計指標。

表1 設計指標

設計指標數值設計指標數值工具質量<0．5kg徑向容差±2．5mm輸出力矩>15N·m操作螺釘型號M4～M8

1.2 螺釘拆卸工具的工作原理

螺釘拆卸工具的整體組成和原理如圖2所示。

圖2 螺釘拆卸工具的組成及原理

工具中內軸和外環十字滑塊的使用，使工具外殼可以帶動絲杠絲母和夾緊爪整體徑向浮動，而校正片彈簧則用于對浮動外殼位置的快速響應及復位；末端執行器內環單獨轉動時的運動傳遞路徑為：內軸十字滑塊—絲杠絲母機構—夾緊爪(六角執行頭)，而末端執行器內外環同時轉動時則使工具整體轉動。

螺釘拆卸工具的內外軸十字滑槽結構如圖3所示。2個十字滑塊使工具外殼帶動夾緊爪和六角執行頭整體浮動以適應螺釘頭的位置偏差。夾緊爪和六角執行頭的結構如圖4所示。

圖3 內外軸十字滑槽結構

圖4 夾緊爪及六角執行頭結構

夾緊爪上方斜滑槽和絲母接觸，配合下方和外殼接觸平行滑槽，使得當絲母向下運動時，夾緊爪向工具軸線方向徑向平移，夾緊爪右端的壓縮彈簧用于補償不同型號螺釘頭的尺寸，左端的拉伸彈簧用于自身復位；六角執行頭前端采用球形設計以使其在插入螺釘六角孔時具有一定的容差性，由于六角執行頭的尺寸固定，因此，不同型號的螺釘應具有相同的六角孔，但考慮到可操作螺紋的直徑跨度較大及螺釘安裝機構的幾何限制問題，螺釘頭的外徑是不同的；絲母和校正片彈簧結構如圖5所示。

圖5 絲母及校正片彈簧結構

絲母的3個伸出梁側面與外殼滑槽接觸以保證絲母上下運動，伸出梁底部與夾緊爪斜滑槽接觸以保證夾緊爪徑向平移運動；校正片彈簧用于對十字滑塊位置偏差的快速響應和復位，由4個片彈簧按正交方向安裝在十字滑塊主動輪的周圍。在上述的設計中，通過夾緊爪上的壓縮彈簧來實現對多種型號螺釘尺寸的適應性，通過內軸和外殼上的十字滑槽來實現操作工具和螺釘之間的位置補償。

螺釘拆卸工具的運動分為4個階段(在圖2中用數字標出)：自由運動階段、位置校正階段、螺釘插接階段以及螺釘拆卸階段。在運動過程中，首先工具內環單獨轉動帶動絲杠絲母傳動，絲母向下運動使得夾緊爪向工具中心軸線方向平移。運動開始時夾緊爪沒有碰到螺釘頭，此時為自由運動階段；當夾緊爪碰到螺釘頭時，內外軸十字滑塊移動以補償位置，此時為位置校正階段；當工具完成位置校正后夾緊爪繼續向前運動，壓縮彈簧開始壓縮以使六角執行頭有足夠的行程插入六角孔中，此時為螺釘插接階段；最后工具內外環同時轉動以拆卸螺釘，此階段為螺釘拆卸階段。

2 容差能力的零件性能分析與設計

2.1 十字滑塊的運動分析

圖6 十字滑塊運動分析

從運動分析可知，當主從輪存在位置偏差時，十字滑塊輸出的運動無速度波動，但中間輪相對于主從輪存在相對滑動和向心加速度。由于螺釘拆卸工具轉速很慢，且相對滑移帶來的摩擦損耗對十字滑塊的效率影響十分小，故可忽略兩因素對十字滑塊的影響。

2.2 校正片彈簧的設計2.2.1 片彈簧的預變形量

如圖5和圖7所示，片彈簧安裝于外十字滑槽和殼體之間。圖7中，H為外十字滑槽的接觸面偏距；R為外十字滑槽的輪廓半徑；S為片彈簧的跨距；A為片彈簧的初始傾角；t為片彈簧厚度。

圖7 片彈簧模型機參數

根據式(1)，可以算出片彈簧的預變形量，即拱形片彈簧最高點與浮動塊位于正中位置時響應表面間的距離為：

(1)

當H=23mm，R=33mm，t=0.1mm時，得到片彈簧跨度S和傾角A與預變形量的關系如圖8所示。

圖8 片彈簧預變形量

從圖8可知，片彈簧的預變形量對片彈簧的跨度和傾角2個因素均敏感。隨著片彈簧傾角和跨度的增大，片彈簧預變形量增大。由于預變形量關系到片彈簧的預載荷和最大變形量，所以選取片彈簧參數時要綜合考慮傾角和跨度這2個因素。

2.2.2 片彈簧參數選取及剛度擬合

由片彈簧片按正交方向安裝和只受法向力的特點可知，彈簧力只與片彈簧的法向壓縮量有關，故可簡化為單方向受力模型，即浮動塊只會沿著片彈簧的法向對其進行單方向擠壓，隨著法向力的增大，擠壓面積也就越大。

由于片彈簧是大變形柔性體，采用有限元接觸分析方法來確定敏感參數往往計算速度較慢[7]。為了快速確定參數，參考彎曲拱梁的接觸受力變形經驗，選取跨度長度的1/3～1/2的對中區域，采用均布載荷代替浮動塊施加給片彈簧的擠壓力，進行變形量分析。利用Workbench軟件中的DOE優化方法(實驗設計方法)，將片彈簧寬度w、片彈簧厚度t和切縫傾角A等參數作為設計變量，并施加35 N法向均布載荷，片彈簧材料選用彈簧常用材料60Si2Mn，最終得到片彈簧的變形量如圖9所示。

圖9 局布分布載荷變形量

從圖9可以看出，片彈簧的變形對厚度、寬度和傾角因素都是敏感的，隨著厚度的增大、寬度的增大以及傾角的減小，片彈簧的剛度增大，其中厚度對彈簧剛度影響最大，寬度次之，傾角最弱。

考慮到容差能力的要求，初始變形量較小時徑向快速響應，當快達到容差極限時，剛度應當變得較大，以使偏移運動穩定下來，同時可以很好地抵抗外部的輕微擾動。由此選定片彈簧的寬度為4.8 mm，傾角為55°，厚度為0.1mm，跨度為28.5 mm，此時的預變形量為0.7 mm。

對選定參數的片彈簧利用Workbench軟件進行接觸分析，等間距地增大受力并測出浮動塊的位移，將得到的數據進行四階剛度擬合，片彈簧剛度擬合多項式如式(2)所示。其擬合品質可達到0.997 8，即擬合曲線可解釋其中99.78%的數據[8]。

F=2.227 3x4-8.287 8x3+13.7130x2-

1.3833x+0.7913

(2)

2.3 工具徑向響應性能仿真

確定片彈簧參數后，還需分析工具整體對位置誤差的徑向動態響應性能，并將其與具有相同當量剛度的線性圓柱彈簧的響應性能進行比較，利用ADAMS軟件建立仿真平臺。建立仿真平臺如圖10所示。在中心浮動塊和周圍四根彈簧之間建立過渡滑塊，以模擬片彈簧只受法向力的特點；考慮到片彈簧接觸受力分離不受力以及剛度非線性的特點，自定義片彈簧和線性圓柱彈簧的剛度曲線、長度、阻尼系數及預載力等；最后考慮階躍輸入對系統來說是最嚴峻的工作狀態[9]。所以在初始狀態分別令浮動塊沿0°，15°，30°和45° 4個方向平移2.5 mm，并測量浮動塊中心回到原點的動態性能，浮動塊的質量和慣量信息如表2所示。

圖10 工具徑向動態仿真平臺

表2 工具浮動塊的質量與慣量數據

參數M/kgIxx/(kg·mm2)Iyy/(kg·mm2)Izz/(kg·mm2)值0 303892 0500e+025 8818e+025 8772e+02

注：慣性張量是相對于ADAMS模型的質心運用Pro/E測算的；另外由于浮動塊周向120°對稱，故慣量積均為0。

在開始仿真之前，還需確定片彈簧的當量剛度以及彈簧的阻尼系數。相同當量剛度是指兩者在預變形量處具有相同的載荷，線性圓柱彈簧當量剛度的計算為：

k=F/Δx=4.24/0.7=6.06 N/mm

(3)

另外根據結合面法向接觸參數的估計方法[10]，可知片彈簧法向阻尼的估計為：

=0.085 N/mm

(4)

為彌補估計的阻尼系數的粗糙性，擴大阻尼系數的取值范圍，在0.01～0.5之間取多組值進行仿真。

經過ADAMS仿真，得到工具浮動塊在不同角度偏移時的徑向響應曲線。由于響應性能受角度偏移的影響非常小，故只顯示安裝非線性片彈簧及線性圓柱彈簧的工具在45°偏移時的響應曲線，如圖11所示。

圖11 非線性彈簧及線性彈簧的響應曲線

由圖11可知，安裝有非線性片彈簧和線性圓柱彈簧的工具對浮動塊的徑向動態響應性能(時間和振蕩超調)受角度偏移的影響較小，而受阻尼系數影響較大：隨著阻尼系數的增大，響應超調量逐漸減小(阻尼系數大于0.06時不會出現超調)，響應時間則逐漸增大；在相同的阻尼系數下，安裝非線性片彈簧的工具響應時間較安裝線性圓柱彈簧的響應時間縮短了將近1倍，并且響應超調量要略小于安裝線性圓柱彈簧的工具。

以上結論說明，安裝非線性片彈簧的工具在徑向動態響應的快速性和平穩性上，都較安裝線性圓柱彈簧的工具具有優勢；并且使用非線性片彈簧的工具還有結構緊湊和安裝方便等優點。

3 結束語

設計了一種以十字滑塊為核心零件的具有位置補償功能的螺釘拆卸工具，通過運動和效率分析，論證了十字滑塊裝置具有結構簡單緊湊、主從軸無速度波動等優點。鑒于螺釘拆卸工具應具有徑向快速響應和操作后浮動外殼復位的功能，設計了校正片彈簧，通過有限元軟件中的DOE分析及接觸分析，確定出片彈簧的結構和安裝尺寸并擬合出其剛度曲線。最后利用ADAMS仿真對工具整體的徑向響應性能進行分析，通過與相同當量剛度的圓柱彈簧比較，證明了片彈簧動態性能的優越性。

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Design of Screw Removement Tool with Misalignment Adjustability Based on Cross Slipper

GAOWenrui，SUNKui，JINMinghe

(State Key Laboratory of Robotics and System,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001，China)

Screw removement tool (SRT) is a frequently-used tool in the on-orbit servicing. Based on the cross slipper，an automatic SRT is designed in the paper，which has the misalignment adjustability and can operate hexagonal socket screw of different sizes，especially focusing on the design of cross slipper，arch flat spring and the analysis about the dynamic response of SRT. Firstly，the motion characteristic of cross slipper are analyzed. Then，through parameter design and contact analysis with FEA software，analyze and optimize the effect on performance of arch flat spring from the variables，acquire the stiffness fitting curve and validate the rationality of the selected parameter. Through importing the stiffness curve to ADAMS，the response rapidity and stability of the SRT are validated and compared with the SRT mounted with the cylindrical spring. The application of the cross slipper endows the SRT with a certain misalignment adjustability，and greatly enhances the compactness of the grapple interface，which expands applied range of tools in the aerospace field.

screw removement tool; cross slipper; misalignment adjustability; on-orbit servicing; arch flat spring

2014-05-12

國家973計劃資助項目(973-2013CB733103)；新世紀優秀人才支持計劃資助(NCET-10-0058)

TH122；TH128

A

1001-2257(2014)09-0010-05

高文銳(1990-)，男，遼寧盤錦人，碩士研究生，研究方向為空間機器人技術；孫奎(1974-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，講師，研究方向為冗余機器人運動學和動力學算法，空間機器人技術；金明河(1970-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，教授，研究方向為多指靈巧手，空間機器人技術。