蝸輪蝸桿副的空間操作器應用

摘 要：隨著我國科學技術的不斷發展，機器人技術在空間領域也占有了一席之地，當前需要有一種結構緊湊而且簡單可靠的機械機構應用于機器人末端操作器的傳動。而蝸輪蝸桿副就具有傳動簡單、方便的優點，特別適合作為對夾式操作器的傳動機構。本文通過試驗和分析，研究蝸輪蝸桿在機器人操作器中的安裝、潤滑。對蝸輪蝸桿進行空間環境適應性測試，結果表明，蝸輪蝸桿副具備空間應用的能力，可以滿足空間環境的要求。

關鍵詞：蝸輪蝸桿副；空間操作器；環境驗證

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

0 引言

隨著我國空間技術的不斷發展，出現了大量的空間生產、加工、安裝維護以及修理工作，需要我們去完成。借用機器人輔助完成任務，或者是對機器人末端執行任務的操作器進行合理的配置，都可以在很大程度上降低宇航員在從事危險工作時的風險，還可以有效的減少資金的使用。當前，機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，但是空間環境具有非常低溫度，輻射強，振動強，而且還有高度真空等特點，因此，所有要在空間環境中應用的配件都必須在其上天之前，對其進行空間環境適應性的分析，以此來獲取這些配件在空間環境下所表現的性能。

1 蝸輪蝸桿應用分析

1.1 蝸輪蝸桿副應用概述

機器人末端操作器的結構采用的是對夾式，也就是常說的手指對稱運動的開合運動[2]，所以，蝸輪蝸桿的傳動機構必須是一個蝸桿驅動兩個蝸輪的結構。將蝸桿的軸線看作是操作器的主軸，蝸輪是左右對稱的位置放置的。空間機器人末端操作器，就是在機器人的末端，用于對接活動，以及抓捕活動，其具有非常大的振動沖擊，溫度非常多變且變化幅度大，屬于機器人整個系統中工作情況相對比較惡劣的一個零件。所以，機器人末端操作器的各項性能，例如，潤滑、密封等，這些都必須對溫度的變化有極高程度的耐受性，即使是惡劣的環境，也必須能夠正常運行。

1.2 蝸輪蝸桿副的潤滑

在空間環境中進行潤滑，主要就是想要減小摩擦阻力，以此使得運動的性能可以得到提高，而且還可以避免出現冷焊的情況。空間環境中具有的特性，例如，低溫、真空等，使得潤滑油的密封非常困難，蝸輪蝸桿副就不能使用潤滑油，普通的潤滑脂又會有凝結的情況，或者是一定程度的揮發，因此，只能應用低溫潤滑脂。雖然說在空間環境中絕大多數的活動零部件都是應用固體潤滑的方式進行潤滑的，但其主要是應用在軸承上[3]，對于其是否可以在蝸輪蝸桿副上使用，還沒有得到驗證。所以，此次研究將對于蝸輪蝸桿副的潤滑方式進行研究，將蝸輪蝸桿副的效率作為評價潤滑的標準。

2 蝸輪蝸桿的空間環境驗證

為了驗證采用蝸輪蝸桿副所設計的機器人末端操作器是否符合要求，對操作器進行了各項試驗，例如，振動試驗、熱真空試驗等。對試驗前后的各項數據詳細記錄并進行分析比較，檢驗蝸輪蝸桿副的各項性能，是否滿足設計的規定要求。

2.1 振動試驗

振動試驗是利用振動試驗臺，對發射振動的工作情況進行模擬，從而檢驗蝸輪蝸桿副以及機器人末端操作器的抗振動性能。為了試驗與實際的工作情況比較相符，在試驗時所輸入的條件，都是在實際工作中較為常見的振動頻率，振動幅度等。振動輸入條件見表1。

2.2 熱真空試驗

熱真空試驗是為了檢驗蝸輪蝸桿蝸桿副在不同的溫度下，其所表現的適應情況，并根據其連續工作的時長，對蝸輪蝸桿副的壽命和力學性能進行驗證。熱真空試驗輸入條件如圖1所示。

2.3 試驗結果

振動試驗的結果為：蝸輪蝸桿實驗前后的效率沒有很大差別，并有了一定程度的提高，這就表明，在高低溫的環境中，以及力學試驗方面，蝸輪蝸桿副雖然反復運行，但其在這個過程中沒有受到損害。

熱真空試驗結果為：在空間環境中的高溫時段、低溫時段分別對蝸輪蝸桿副進行了不同位置的啟動PWM測量，結果為，與常溫無太大異常，手爪對溫度具有較好的適應性。

2.4 結論

通過分析研究蝸輪蝸桿副，解決了蝸輪蝸桿副在空間環境中使用存在的問題，從試驗中可以得出以下幾點結論：⑴通過對蝸輪蝸桿副進行各方面試驗分析，例如，力學、溫度等，可以設計出能夠適應超低溫、強振動、高度真空等惡劣環境的蝸輪蝸桿副。⑵蝸桿的傳統采用固體潤滑不能成功，而采用潤滑脂的蝸桿傳統成功。⑶一個蝸桿兩個蝸輪的結構實施性很強，可以達到末端操作器的要求。

參考文獻：

[1]陳寧新.雙包絡蝸輪蝸桿的現代設計與檢測方法（邀請論文）[J].北京工業大學學報，2015，41（11）：1601-1610.

[2]高永鋒，李海珍.蝸輪蝸桿副在機動、手動進給傳動機構中的應用[J].制造技術與機床，2011（10）：43-44.

[3]葛陽.應用雙蝸桿傳動的數控轉臺結構設計[J].山東工業技術，2016（02）：198.

作者簡介：康博（1985-），男，北京人，碩士研究生，講師，研究方向：機械設計、機電一體化技術。