（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051）

1 引言

隨著海洋石油發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，我國由淺水向深水領(lǐng)域的“涉足”有了更深入的發(fā)展［1］。突破深水屏障，進(jìn)入深冷、幽暗、環(huán)境復(fù)雜多變的海底，完成鉆探、開采、儲(chǔ)運(yùn)、檢查、監(jiān)控等水下作業(yè)任務(wù)非常艱難［2］。因此，無人遙控潛器ROV（Remotely Op?erated Vehicles）［3］就成為替代人類探索海洋和開發(fā)海油資源的大國重器，發(fā)揮著越來越重要的作用［4］。國外一些大型水下石油裝備供應(yīng)商已經(jīng)將部分水下作業(yè)工具商業(yè)化，可利用ROV完成一系列水下作業(yè)任務(wù)［5～6］；而國內(nèi)研究大多停留在ROV的研制和水下作業(yè)工具的開發(fā)，對(duì)水下作業(yè)工具快速換接技術(shù)的研究較少，尚未解決相關(guān)技術(shù)難題［7～8］。根據(jù)水下作業(yè)工具換接作業(yè)的操作步驟，研究出一種適用于深水環(huán)境的水下作業(yè)工具快速換接裝置，對(duì)安裝有統(tǒng)一接口的多種不同工具進(jìn)行精準(zhǔn)、可靠、快速換接，完成各種操作任務(wù)是十分必要的，這對(duì)于解決深海任務(wù)多樣性、提高作業(yè)效率和減少成本方面都具有重要意義［9］?；诖?，本文設(shè)計(jì)了該種快速換接裝置。

2 快速換接裝置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2.1 快速換接裝置總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

快速換接裝置的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：快速換接裝置的作業(yè)工況為能見度極低、海流沖擊大的深水環(huán)境，僅靠ROV機(jī)械手控制難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接。為了解決以上難點(diǎn)，本文提出分體式快速換接裝置的結(jié)構(gòu)方案。裝置總共由三部分組成，分別為母頭端總成、公頭端總成、操作提手，結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 快速換接裝置總體結(jié)構(gòu)方案

2.2 快速換接裝置導(dǎo)向容差結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

快速換接裝置必須具備較大的位姿容差能力，從而降低機(jī)械手的控制難度，提高對(duì)接成功的機(jī)率。本文采用如圖2所示的二次錐面導(dǎo)向容差結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)快速換接裝置的準(zhǔn)確對(duì)接。公頭外殼前端為錐面，錐面外圓表面設(shè)置有對(duì)稱分布的導(dǎo)向圓柱，對(duì)應(yīng)母頭外殼開口過沿設(shè)置有對(duì)稱分布的導(dǎo)向錐槽，且側(cè)面的U型槽與導(dǎo)向錐槽相連通。

圖2 導(dǎo)向容差結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

導(dǎo)向容差結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)為公頭端錐面外壁半錐角α、錐面高度h、導(dǎo)向圓柱所在圓截面的直徑d、導(dǎo)向圓柱直徑Φ，導(dǎo)向圓柱長(zhǎng)度l；母頭端導(dǎo)向凹槽半錐角β、導(dǎo)向凹槽外壁直徑D。初步確定D=250mm，d=219.5mm，h=100mm，Φ=25mm，l=40mm，α=3°，β=22.5°。

3 快速換接裝置位姿容差分析與計(jì)算

快速換接裝置的對(duì)接過程可以歸納成三個(gè)階段：接近階段、接觸階段、位姿調(diào)整階段。第一階段：機(jī)械手在接收到控制指令之后，握住公頭端的操作手柄，將其移動(dòng)到母頭端附近，此時(shí)公頭端和母頭端尚未接觸，亦可稱為接近階段；第二階段：由于機(jī)械手提升公頭端運(yùn)動(dòng)到母頭端的過程中會(huì)出現(xiàn)一定的位置和姿態(tài)偏差，此時(shí)公頭端的錐面外壁與母頭端的內(nèi)壁接觸，但是公頭端的導(dǎo)向圓柱與母頭端的導(dǎo)向凹槽并未接觸；第三階段：公頭端的導(dǎo)向圓柱與母頭端的導(dǎo)向凹槽接觸，并且公頭端在機(jī)械手的作用下不斷進(jìn)行位姿調(diào)整，導(dǎo)向圓柱順利插入到導(dǎo)向凹槽中，繼而公頭端進(jìn)入到母頭端腔體內(nèi)部，完成對(duì)接。

通過查閱資料［10］及分析，裝置在特定的幾何及力學(xué)摩擦條件下才能順利完成對(duì)接任務(wù)。

3.1 幾何條件

在裝置對(duì)接的每個(gè)過程，由于公頭端和母頭端的位姿關(guān)系和接觸關(guān)系發(fā)生了變化，故每個(gè)階段對(duì)兩者幾何外形的要求不一樣。以下分別分析三個(gè)階段應(yīng)滿足的幾何條件。

1）接近階段

在公頭端建立直角坐標(biāo)系OXYZ，母頭端建立直角坐標(biāo)系O’X’Y’Z’，其中公頭端軸線與Z軸重合，母頭端軸線與Z’軸重合。需要滿足公頭端圓A沿Z軸投影在母頭端圓B所在的O’X’Y’平面內(nèi)部，公頭端和母頭端的幾何關(guān)系關(guān)系如圖3所示。

圖3 裝置接近階段幾何示意圖

平面O’X’Y’在直角坐標(biāo)系OXYZ中可表達(dá)為

故公頭端圓A在П中投影所在的邊界曲線Γ可表達(dá)為

同時(shí)，曲線?？梢詫懗蓞?shù)方程的表達(dá)形式：

將上式表示成齊次向量P（t），再采用變換矩陣的形式即可求得邊界曲線Γ在直角坐標(biāo)系O’X’Y’Z’中的表達(dá)式為

由前面的敘述可知，公頭端圓A在平面O’X’Y’投影的邊界曲線Γ應(yīng)當(dāng)包絡(luò)在母頭端圓B內(nèi)部，即

2）接觸階段

此階段，公頭端的錐面外壁與母頭端的內(nèi)壁接觸，但是公頭端的導(dǎo)向圓柱與母頭端的導(dǎo)向凹槽并未接觸，因而此階段只需考慮力學(xué)摩擦條件即可。

3）位姿調(diào)整階段

當(dāng)公頭端導(dǎo)向圓柱與母頭端導(dǎo)向凹槽剛接觸時(shí)，將導(dǎo)向圓柱簡(jiǎn)化為一條直線進(jìn)行分析。設(shè)在坐標(biāo)系OXYZ中導(dǎo)向圓柱所在的直線為

直線l1上任意兩點(diǎn)M1、M2在Π中的投影為

點(diǎn)M1、M2在坐標(biāo)系O’X’Y’Z’中的表達(dá)式為

考慮在極端條件下即導(dǎo)向圓柱所在的圓截面與公頭端內(nèi)壁相切時(shí)，導(dǎo)向圓柱所在圓截面的直徑d與導(dǎo)向圓柱的長(zhǎng)度l之和應(yīng)大于導(dǎo)向凹槽外壁的直徑D，如圖4所示。

3.2 力學(xué)摩擦條件

在快速換接裝置真實(shí)接觸過程中，摩擦情況很復(fù)雜，故將接觸偏差分為一維、二維和三維偏差三種情況分別進(jìn)行討論［11］。另外，將公頭端錐面外壁與母頭端內(nèi)壁、公頭端導(dǎo)向圓柱與母頭端導(dǎo)向凹槽之間的力學(xué)摩擦條件一并分析。

圖4 極端情況幾何示意圖

一維偏差是公頭端與母頭端最為理想的對(duì)接情況，即公頭端的驅(qū)動(dòng)力作用于母頭端的軸線方向，并且公頭端可以繞母頭端的軸線方向轉(zhuǎn)動(dòng)。二維偏差以一維偏差為基礎(chǔ)，公頭端相對(duì)于母頭端繞法線旋轉(zhuǎn)了一定的角度。三維偏差以二維偏差為基礎(chǔ)，公頭端相對(duì)于母頭端繞軸線與切線旋轉(zhuǎn)了一定的角度。通過分析可知：一維偏差為二維偏差最為理想情況的對(duì)接情況，三維偏差的對(duì)接情況也包含在二維偏差的判斷條件之內(nèi)，因此力學(xué)摩擦條件統(tǒng)一按二維偏差的對(duì)接情況來進(jìn)行判斷，受力情況如圖5所示。

由摩擦自鎖理論［12］可知，裝置間接觸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)力F作用于摩擦錐以外，公頭端與母頭端之間的接觸表面才不會(huì)發(fā)生自鎖，可表示為

對(duì)于導(dǎo)向圓柱與導(dǎo)向凹槽之間的接觸，不發(fā)生自鎖的條件為

式中：β為母頭端導(dǎo)向凹槽半錐角；α為公頭端錐面外壁半錐角；f為最大靜摩擦系數(shù)；κ為公頭端與母頭端中心線的夾角，其值與裝置容差性能有關(guān)。

3.3 基于Matlab的容差仿真

利用上文中推導(dǎo)的計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用Matlab編寫相應(yīng)程序，驗(yàn)證對(duì)接過程中的接近階段和位姿調(diào)整階段公頭端在母頭端所在O’X’Y’平面上的投影關(guān)系。取Z軸探伸長(zhǎng)度為35mm，繞Z軸轉(zhuǎn)角為-2.5°。通過Matlab仿真分析可得出最大容差范圍如圖6所示。

由圖6可看出，裝置最大容差范圍為徑向±5.25mm。然后考慮繞X軸和Y軸的角度偏差對(duì)裝置容差能力的影響，由裝置的幾何特征可知，繞X軸與Y軸的角度偏差將轉(zhuǎn)變?yōu)檠豖/Y軸的徑向偏差，其表達(dá)式為

式中：Zh為Z軸探伸長(zhǎng)度，值為35mm；δ為徑向偏差；α為公頭端錐面外壁半錐角；θ為兩坐標(biāo)系中Z軸與Z’軸的夾角；d1為公頭端面圓直徑，值為216mm；d2為導(dǎo)向圓柱所在圓截面的直徑，值為218mm；λ為繞X軸轉(zhuǎn)角；σ為繞Y軸轉(zhuǎn)角。

圖5 二維偏差受力情況

圖6 裝置最大容差范圍

代入數(shù)據(jù)可得，繞X/Y軸2°的角度偏差轉(zhuǎn)變?yōu)檠豖/Y軸1.29mm的徑向偏差，故裝置沿X/Y軸徑向容差范圍應(yīng)為兩者的差值，即為±3.96mm。

4 Adams對(duì)接仿真實(shí)驗(yàn)

本節(jié)利用Adams軟件對(duì)快速換接裝置的容差范圍進(jìn)行仿真分析，以此驗(yàn)證Matlab的理論容差計(jì)算的正確性。

4.1 仿真模型及環(huán)境的建立

對(duì)母頭端施加固定約束，對(duì)公頭端的Z軸探伸方向建立點(diǎn)面約束；為防止另外三個(gè)旋轉(zhuǎn)方向和兩個(gè)平動(dòng)方向發(fā)生隨意運(yùn)動(dòng)，對(duì)這五個(gè)方向均施加彈簧阻尼器，彈簧的等效剛度設(shè)置為1N/mm，阻尼系數(shù)設(shè)置為0.5N.s/mm。同時(shí)，對(duì)公頭端和母頭端的接觸條件按照Hertz彈性碰撞理論進(jìn)行設(shè)置，各接觸參數(shù)設(shè)置如表1所示，而公頭端向前探身速度設(shè)置為2mm/s。確定裝置的容差指標(biāo)如表2所示。

表1 接觸碰撞各參數(shù)設(shè)置

表2 快速換接裝置容差指標(biāo)

結(jié)合快速換接裝置的位姿容差指標(biāo)，得到六組具有代表性的初始對(duì)接仿真測(cè)試組合，如表3所示。

表3 初始對(duì)接仿真測(cè)試組合

4.2 仿真結(jié)果及分析

通過Adams仿真得到快速換接裝置在上述六組初始對(duì)接仿真測(cè)試組合下位移偏差和角度偏差的實(shí)時(shí)變化過程，如圖7～12所示。

圖7 位置（0，4.94 ，-250），角度（2.8°，0°，-2.5°）

圖8 位置（-4.94，0 ，-250），轉(zhuǎn)角（0°，-2.8°，-2.5°）

圖9 位置（-3.5，3.5 ，-250），轉(zhuǎn)角（-2°，-2°，-2.5°）

圖10 位置（3.5，-3.5 ，-250），轉(zhuǎn)角（2°，2°，-2.5°）

圖11 位置（-3.5，-3.5 ，-250），轉(zhuǎn)角（2°，-2°，-2.5°）

圖12 位置（3.5，3.5 ，-250），轉(zhuǎn)角（-2°，2°，-2.5°）

從圖7～圖12所示的仿真結(jié)果可知：

1）當(dāng)公頭端相對(duì)與母頭端沿X軸、Y軸3.5mm位置偏差，繞Z軸2.5°、X/Y軸2°姿態(tài)偏差時(shí)，公頭端與母頭端皆能成功對(duì)接，這與理論分析情況完全吻合；

2）導(dǎo)向圓柱與導(dǎo)向凹槽兩側(cè)面豁口在50s左右開始接觸，且位置偏差與姿態(tài)偏差同時(shí)進(jìn)行校正，在107.8s位置偏差與姿態(tài)偏差均校正完畢；

3）當(dāng)只有X軸或Y軸位置偏差和角度偏差的情況下，位姿置調(diào)整曲線相對(duì)平緩，波動(dòng)較小，如圖7、8所示。而當(dāng)X軸的Y軸的位置偏差和角度偏差同時(shí)存在的情況下，其位姿調(diào)整曲線的波動(dòng)較大，如圖9～12所示。

在上述六組初始對(duì)接仿真測(cè)試組合下，公頭端與母頭端的對(duì)接任務(wù)全部成功，驗(yàn)證了快速換接裝置具備較好的容差能力，也驗(yàn)證了理論容差計(jì)算的正確性。

5 結(jié)語

本文針對(duì)接容差指標(biāo)設(shè)計(jì)了快速換接裝置的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其對(duì)接過程中的位姿調(diào)整情況進(jìn)行了分析與仿真，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足幾何條件和力學(xué)摩擦條件。然后運(yùn)用Matlab進(jìn)行理論分析，驗(yàn)證了裝置滿足容差指標(biāo)要求。最后運(yùn)用Adams對(duì)裝置處于典型極限位姿偏差的情況下進(jìn)行了對(duì)接仿真，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性的。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕質(zhì)、可靠，導(dǎo)向?qū)χ芯雀?，降低了?duì)機(jī)械手操作力和力矩的需求，提高了水下作業(yè)工具的換接成功率。