王 偉，唐德文

（南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

核應急處理機器人的作業(yè)范圍和作業(yè)效率與機器人操作器密切相關，提高機器人操作器的作業(yè)能力和作業(yè)效率有多種方法：一是增強臂部的靈活性，實現(xiàn)多角度的轉動；二是為機器人配置工具庫，利用自身所攜帶的工具頭實現(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，實現(xiàn)一機多用，減少往返換接時間，提高換接效率[1－3]。目前國內(nèi)外對自動換接裝置多集中在機械式、液壓式、氣動式以及電動式的研究。薛帥[4]根據(jù)快換裝置在國內(nèi)外的發(fā)展及研究現(xiàn)狀提出了一種機器人末端工具頭的快速更換改進方案，采用電機驅動公頭旋轉與控制換裝塊移動相結合的方法，實現(xiàn)工具頭的連接與斷開，該換接方法操作簡單，但是在對接過程中存在位置和姿態(tài)方向上的偏差，給工具頭遠程換接增加了難度；西南科技大學[5]設計一款自動換接裝置，采用液壓缸驅動切換機構，帶動外殼上下運動，在彈簧作用下通過鋼珠和錐形槽的結合與分離實現(xiàn)工具頭的換接，該快換裝置具有防故障自動保護功能，保證機器人工具頭更換的柔順性和可靠性；榮莉等[6]設計了一種機器人快速更換裝置，利用杠桿原理通過鎖緊鉤爪松開與閉合來實現(xiàn)工具頭的換接，該裝置結構設計簡單、成本低，適合常規(guī)環(huán)境下的換接，但是在遠程換接過程中存在對接難；李娜[7]基于工程中快換裝置存在的優(yōu)缺點，提出一種機器人快換裝置的改進方案，與傳統(tǒng)快換裝置相比，采用碟簧式氣壓切換的方式來實現(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，但是在核應急這種特殊的作業(yè)環(huán)境下并不完全適合，存在遠程對接難和無法遠程操作控制等問題。

本文針對核應急環(huán)境設計一款快速換接裝置，運用于小型核應急處理機器人的自身攜帶和遠程快速換接，以提高機器人的應急能力和換接效率。在核應急處理時，由于核電站內(nèi)部復雜的工況，機器人需要頻繁更換工具頭，以應對不同的作業(yè)環(huán)境，如挖掘、破碎、剪切等。為此，設計一種應用于機器人的快換裝置，如圖1所示。該快換裝置遠程操作簡單、方便，且可利用自身工具庫攜帶的工具頭實現(xiàn)遠程快速換接，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 主要結構及工作原理

1.1 結構組成

本快換裝置采用電磁鎖與液壓驅動相結合的設計方法，其結構主要由快換裝置殼體、電磁鎖、液壓馬達、卡塊、液壓膠管接頭、支撐架、轉盤、齒輪、連接耳、滑塊、連桿、軸、齒輪組成。支撐架和液壓馬達固定在快換裝置內(nèi)部的底面上，液壓馬達通過齒輪傳動驅動轉盤的轉動，快換裝置端面與連接耳通過焊接固定在一起，卡塊通過底部轉軸與殼體的軸孔相連接，在連桿的帶動下可實現(xiàn)往返擺動?？鞊Q裝置與工具頭的局部視圖如圖3所示，其內(nèi)部結構如圖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)部結構Fig.4 Internal structure of quick change unit

1.2 自動對接液壓油路

實現(xiàn)機器人工具頭的遠程快速換接，不僅要求有快速換接的機構，而且還需要相應的液壓控制系統(tǒng)。如圖5所示為快換裝置自動對接液壓油路圖，b為液壓馬達，將液壓泵提供的壓力能轉化為液壓馬達的轉矩輸出；a為溢流閥，當流入到液壓馬達的油壓超過25 MPa時，起到過載保護的作用；c為液控單向閥，即防止核應急機器人在作業(yè)過程中油槍發(fā)生泄漏，又為機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液壓馬達供油；e為機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，快換裝置分別與機器人的斗桿和連桿通過轉動副相連接，由搖桿、連桿、快換裝置和斗桿共同構成雙搖桿機構，主動件為搖桿，通過連桿帶動快換裝置從動件繞著與斗桿相連接的鉸點轉動。

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

當機器人進入核電站內(nèi)部遇到緊急情況需要更換工具頭時，操作人員通過遠程操作系統(tǒng)控制液壓缸收縮，推動快換裝置凸臺緩慢插入到工具頭的凹槽中（圖3），深度大約為1/2，然后啟動電磁鎖，依靠其產(chǎn)生的強大的吸引力使工具頭沿著快換裝置凸臺的外表面滑入到底部，實現(xiàn)凸臺外表面與工具頭內(nèi)表面相匹配。此時通過遠程操縱換向閥，驅動液壓馬達轉動，帶動4個卡塊向外轉動與工具頭內(nèi)部的4個卡塊定位槽相匹配，然后操縱先導閥使主閥回位，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轉動，最后關閉電磁鎖，從而完成工具頭的快速換接。

1.3.2 拆卸工具頭

當需要拆卸工具頭時，通過遠程控制系統(tǒng)接通電磁鎖，保持快換裝置前端與工具頭凹槽底部的預緊力，反向驅動液壓馬達，連桿在滑塊的帶動下拉動卡塊向內(nèi)部轉動，實現(xiàn)卡塊與卡塊定位槽的分離，最后斷開電磁鎖，實現(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)部結構比較復雜，且包含許多的零部件，在進行模態(tài)分析時，為了方便網(wǎng)格劃分和提高計算效率，應對結果影響較小的內(nèi)部構件進行簡化，在三維軟件Solidworks中建立簡化模型，如圖7所示。

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

通過Solidworks與ANSYS響應接口將簡化模型導入到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，并對其進行網(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)典力學理論可知，物體的通用動力學方程可以表示為[9]：

無阻尼模態(tài)分析，動力學方程為：

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。

對快換裝置進行前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

通過對快換裝置進行前6階的模態(tài)分析，得到相應固有頻率和振型描述，如表1所示。

模態(tài)分析用于分析結構的自振頻率特征，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構的剛度，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。機器人的激振主要來源于以下兩個部分：一是與快換裝相連接的液壓工具頭引起的振動；二是發(fā)動機高速旋轉產(chǎn)生的振動。由電機的激振頻率公式可知：

式中：f為激振頻率；n為電機轉速；δ為上下浮動誤差。

本文選取的電動機轉速為6 000 r/min，δ取50，得到電機的激振頻率為f＝200±1.67 Hz，與快換裝置一階固有頻率相比，激振頻率遠小于1 198.1 Hz，快換裝置比較安全，不會產(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，不會引起共振。

3 結束語

該快換裝置的設計采用了電磁鎖與液壓驅動相結合的方法，實現(xiàn)了工具頭的遠程控制和快速換接，其設計結構和換接方法為遠程對接降低了難度，解決了現(xiàn)有的快換裝置遠程對接難的問題。通過對快換裝置的前6階模態(tài)分析，得到各階固有頻率及振型，與機器人主要的激振頻率相比，其一階頻率更高，剛度更好，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，為防止機器人在作業(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行輔助對接時，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，對于體重較大的工具頭進行遠程換接并不適合，具有一定的局限性，因此本文的快速換接裝置的結構設計存在一定的改進空間。