蜗轮蜗杆副的空间操作器应用

摘 要：随着我国科学技术的不断发展，机器人技术在空间领域也占有了一席之地，当前需要有一种结构紧凑而且简单可靠的机械机构应用于机器人末端操作器的传动。而蜗轮蜗杆副就具有传动简单、方便的优点，特别适合作为对夹式操作器的传动机构。本文通过试验和分析，研究蜗轮蜗杆在机器人操作器中的安装、润滑。对蜗轮蜗杆进行空间环境适应性测试，结果表明，蜗轮蜗杆副具备空间应用的能力，可以满足空间环境的要求。

关键词：蜗轮蜗杆副；空间操作器；环境验证

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

0 引言

随着我国空间技术的不断发展，出现了大量的空间生产、加工、安装维护以及修理工作，需要我们去完成。借用机器人辅助完成任务，或者是对机器人末端执行任务的操作器进行合理的配置，都可以在很大程度上降低宇航员在从事危险工作时的风险，还可以有效的减少资金的使用。当前，机器人末端操作器主要有以下几种：螺母丝杠、谐波减速器以及行星减速器等[1]。蜗轮蜗杆虽然具有自锁能力，而且体积紧凑、减速比大，但是空间环境具有非常低温度，辐射强，振动强，而且还有高度真空等特点，因此，所有要在空间环境中应用的配件都必须在其上天之前，对其进行空间环境适应性的分析，以此来获取这些配件在空间环境下所表现的性能。

1 蜗轮蜗杆应用分析

1.1 蜗轮蜗杆副应用概述

机器人末端操作器的结构采用的是对夹式，也就是常说的手指对称运动的开合运动[2]，所以，蜗轮蜗杆的传动机构必须是一个蜗杆驱动两个蜗轮的结构。将蜗杆的轴线看作是操作器的主轴，蜗轮是左右对称的位置放置的。空间机器人末端操作器，就是在机器人的末端，用于对接活动，以及抓捕活动，其具有非常大的振动冲击，温度非常多变且变化幅度大，属于机器人整个系统中工作情况相对比较恶劣的一个零件。所以，机器人末端操作器的各项性能，例如，润滑、密封等，这些都必须对温度的变化有极高程度的耐受性，即使是恶劣的环境，也必须能够正常运行。

1.2 蜗轮蜗杆副的润滑

在空间环境中进行润滑，主要就是想要减小摩擦阻力，以此使得运动的性能可以得到提高，而且还可以避免出现冷焊的情况。空间环境中具有的特性，例如，低温、真空等，使得润滑油的密封非常困难，蜗轮蜗杆副就不能使用润滑油，普通的润滑脂又会有凝结的情况，或者是一定程度的挥发，因此，只能应用低温润滑脂。虽然说在空间环境中绝大多数的活动零部件都是应用固体润滑的方式进行润滑的，但其主要是应用在轴承上[3]，对于其是否可以在蜗轮蜗杆副上使用，还没有得到验证。所以，此次研究将对于蜗轮蜗杆副的润滑方式进行研究，将蜗轮蜗杆副的效率作为评价润滑的标准。

2 蜗轮蜗杆的空间环境验证

为了验证采用蜗轮蜗杆副所设计的机器人末端操作器是否符合要求，对操作器进行了各项试验，例如，振动试验、热真空试验等。对试验前后的各项数据详细记录并进行分析比较，检验蜗轮蜗杆副的各项性能，是否满足设计的规定要求。

2.1 振动试验

振动试验是利用振动试验台，对发射振动的工作情况进行模拟，从而检验蜗轮蜗杆副以及机器人末端操作器的抗振动性能。为了试验与实际的工作情况比较相符，在试验时所输入的条件，都是在实际工作中较为常见的振动频率，振动幅度等。振动输入条件见表1。

2.2 热真空试验

热真空试验是为了检验蜗轮蜗杆蜗杆副在不同的温度下，其所表现的适应情况，并根据其连续工作的时长，对蜗轮蜗杆副的寿命和力学性能进行验证。热真空试验输入条件如图1所示。

2.3 试验结果

振动试验的结果为：蜗轮蜗杆实验前后的效率没有很大差别，并有了一定程度的提高，这就表明，在高低温的环境中，以及力学试验方面，蜗轮蜗杆副虽然反复运行，但其在这个过程中没有受到损害。

热真空试验结果为：在空间环境中的高温时段、低温时段分别对蜗轮蜗杆副进行了不同位置的启动PWM测量，结果为，与常温无太大异常，手爪对温度具有较好的适应性。

2.4 结论

通过分析研究蜗轮蜗杆副，解决了蜗轮蜗杆副在空间环境中使用存在的问题，从试验中可以得出以下几点结论：⑴通过对蜗轮蜗杆副进行各方面试验分析，例如，力学、温度等，可以设计出能够适应超低温、强振动、高度真空等恶劣环境的蜗轮蜗杆副。⑵蜗杆的传统采用固体润滑不能成功，而采用润滑脂的蜗杆传统成功。⑶一个蜗杆两个蜗轮的结构实施性很强，可以达到末端操作器的要求。

參考文献：

[1]陈宁新.双包络蜗轮蜗杆的现代设计与检测方法（邀请论文）[J].北京工业大学学报，2015，41（11）：1601-1610.

[2]高永锋，李海珍.蜗轮蜗杆副在机动、手动进给传动机构中的应用[J].制造技术与机床，2011（10）：43-44.

[3]葛阳.应用双蜗杆传动的数控转台结构设计[J].山东工业技术，2016（02）：198.

作者简介：康博（1985-），男，北京人，硕士研究生，讲师，研究方向：机械设计、机电一体化技术。