基于PROE的ROV總體平衡設(shè)計(jì)

王光越，賴建云，黃紅飛

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003)

基于PROE的ROV總體平衡設(shè)計(jì)

王光越，賴建云，黃紅飛

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003)

ROV是重要的水下作業(yè)平臺(tái)，PROE是機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的三維設(shè)計(jì)軟件。本文以某水下ROV為例，應(yīng)用PROE進(jìn)行水下機(jī)器人三維設(shè)計(jì)，利用PROE得到ROV總體平衡計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，完成ROV的總體布置，建立ROV的三維模型。研究結(jié)果表明，將PROE軟件引入到水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，不僅可以建立直觀的三維模型，還可以提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料，提高設(shè)計(jì)效率。

ROV;PROE;三維設(shè)計(jì);總體布置

0 引言

ROV稱為有纜水下機(jī)器人 (Remotely Operated Vehicle，ROV)，是一種具有人的一部分或大部分功能，能夠在海洋環(huán)境下代替人進(jìn)行某種作業(yè)的自動(dòng)控制裝置［1］。ROV需要由電纜從母船接受動(dòng)力，并且ROV不完全自主，它需要人為干預(yù)，人們通過電纜對(duì)ROV進(jìn)行遙控操作。ROV通常裝有推進(jìn)器、照明、攝像、聲吶、多種傳感器及用來完成某些作業(yè)的機(jī)械手和作業(yè)工具［2］。ROV總體布置的好壞對(duì)ROV的水下運(yùn)動(dòng)性能有著很大的影響。Pro/Engineer(簡(jiǎn)稱PROE)是美國(guó)PTC公司開發(fā)的一款集CAD/CAM/CAE于一體的三維設(shè)計(jì)軟件，并與其他軟件有著良好的兼容性，在機(jī)械行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。本文通過運(yùn)用PROE對(duì)ROV所屬零部件進(jìn)行三維建模，獲得ROV設(shè)計(jì)所需的一些數(shù)據(jù)，完成ROV的總體布置，建立ROV的三維模型，探索PROE在ROV設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。

1 PROE三維建模

對(duì)于框架式ROV而言，雖然ROV的運(yùn)行阻力較大，但ROV屬于有纜供電，動(dòng)力充足，且框架結(jié)構(gòu)便于安放設(shè)備，本文針對(duì)的ROV采用的也是框架式結(jié)構(gòu)?？蚣苁絉OV各個(gè)設(shè)備相互獨(dú)立，形成獨(dú)立的密封體。密封體包含了許多零件，因此需要對(duì)它們每個(gè)都進(jìn)行建模。

PROE具有強(qiáng)大的建模功能，可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，大大提高建模的速度。在此，以ROV上安裝的電子艙為例，建立電子艙的三維模型，得到需要的相關(guān)數(shù)據(jù)。電子艙包括艙筒體、艙端蓋、艙安裝座和電子艙內(nèi)安裝的控制器電路等元件。文中電子艙的密封體采用不銹鋼制造，一是可以耐腐蝕，二是不銹鋼的加工性能較好，而且采購方便，價(jià)格便宜。

PROE的建模思想有自上而下和自下而上2種方式。自上而下是由整體到具體，即先做出所有零件的大致模型，將其裝配到一起，然后再對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。自下而上則是做出每個(gè)零件的具體模型，然后將其裝配到一起。對(duì)于形狀規(guī)則的零件，利用PROE拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃面等基本特征就可以方便做出它的三維模型。對(duì)于外形復(fù)雜的曲面等可以運(yùn)用方程組畫出模型的外輪廓線，然后用曲面造型功能就可以生成想要的模型［3］。本例中的電子艙外形規(guī)則，利用旋轉(zhuǎn)、拉伸特征就可以方便的做出各個(gè)零件的三維模型，最后運(yùn)用裝配功能將零件裝配為一個(gè)組件，最終裝配圖如圖1所示。

圖1 ROV電子艙模型Fig.1 The electronic compartment model of ROV

對(duì)于框架式ROV而言，各個(gè)設(shè)備獨(dú)立安放在ROV的不同位置上，因此需要計(jì)算出每個(gè)設(shè)備的重量和重心，進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)ROV的重心和浮心，保證ROV的總體平衡。PROE中提供了相關(guān)的功能計(jì)算。對(duì)于質(zhì)量有2種設(shè)計(jì)方法。一種是直接設(shè)定零件的材料，另一種對(duì)于不同材料的組合，可以設(shè)定它的密度。電子艙內(nèi)安裝有電路板等設(shè)備，可以將艙體的重量利用PROE功能算出來。設(shè)置電子艙殼體材料密度為7 850 kg/m3，電路板可以通過預(yù)估重量的形式設(shè)置它的密度。通過PROE質(zhì)量分析可以得到電子艙的相關(guān)屬性如下：

體積=5.362 403 6×106mm3;

曲面面積=1.576 952 4×106mm2;

平均密度=7.85×10－6kg/mm3;

質(zhì)量=42.094 kg;

根據(jù)_ASM0006坐標(biāo)邊框確定重心：

X Y Z 0.00 0.00 －13.485 mm。據(jù)此，可以得到電子艙的總重為42.09 kg，重心的坐標(biāo)為 (0，0，－13.5)，坐標(biāo)系的位置就是建模時(shí)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系。根據(jù)這種方法可以得到其他零部件的質(zhì)量和重心。

2 ROV總體平衡計(jì)算

2.1 ROV總體布置原則

ROV采用框架式的結(jié)構(gòu)，各個(gè)設(shè)備成為一個(gè)獨(dú)立的密封體。各個(gè)設(shè)備的布置應(yīng)合理分布，總體布置主要依據(jù)以下幾點(diǎn)［4］：

1)最大程度發(fā)揮各儀器性能 (推進(jìn)器)，同時(shí)便于安裝和存放;

2)整體安全可靠;

3)布置緊湊，充分利用ROV各部分空間，在保證各設(shè)備便于操作的情況下，避免各設(shè)備相互干擾和影響;

4)主運(yùn)動(dòng)方向阻力較小;

5)整體平穩(wěn)及美觀性;

6)預(yù)留一部分空間，便于搭載其他設(shè)備。

2.2 ROV阻力分布

ROV在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)受到多種阻力的作用，主要包括為摩擦阻力、興波阻力和粘壓阻力。ROV表面的切向應(yīng)力產(chǎn)生是由于水的粘性作用使航行器周圍產(chǎn)生了一個(gè)邊界層，邊界層內(nèi)部各層水之間的相互作用產(chǎn)生摩擦阻力;粘壓阻力和興波阻力統(tǒng)稱為壓差阻力，是作用于航行器表面的法向壓力造成的。在低速航行情況下，摩擦阻力占總阻力的比例最大，可以達(dá)到70%～80%，有時(shí)甚至更多。所以，本文在總體平衡配置和動(dòng)力匹配計(jì)算時(shí)，主要考慮了摩擦阻力。同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)迎水面積估算出某一平面內(nèi)的阻力作用點(diǎn)，應(yīng)盡量使推力和阻力作用點(diǎn)在平面內(nèi)的坐標(biāo)差值處于允許范圍內(nèi)［5］。

對(duì)于框架式的ROV，ROV頂部覆蓋有浮力材料，容易計(jì)算出阻力中心的位置點(diǎn)，在布置時(shí)，應(yīng)盡量使垂直方向推進(jìn)器的中心與此位置點(diǎn)重合。在前進(jìn)后退方向上，推進(jìn)電機(jī)的布置中心應(yīng)盡量與ROV的重心位置靠近，保證ROV在上浮、下潛、前進(jìn)、后退4個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)均能保持較好的平穩(wěn)性。

2.3 ROV動(dòng)力裝置布置設(shè)計(jì)

推進(jìn)裝置是ROV的動(dòng)力系統(tǒng)，推進(jìn)器的數(shù)量及布置的位置影響到ROV運(yùn)行的靈活性。推進(jìn)器的布置應(yīng)能滿足ROV的動(dòng)力需求和自由度需求，同時(shí)發(fā)揮推進(jìn)器的最大工作效率。本文采用4推進(jìn)器呈45°水平布置，2個(gè)中間垂直推進(jìn)器和1個(gè)尾部垂直推進(jìn)器。通過4個(gè)45°水平面布置的推進(jìn)器之間的不同組合可以實(shí)現(xiàn)ROV前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)和橫移，2個(gè)中間垂直推進(jìn)器可以實(shí)現(xiàn)ROV的上浮和下潛?？紤]到底部設(shè)備對(duì)推進(jìn)器入流的影響，將推進(jìn)器傾斜10°布置。尾部垂直推進(jìn)器用來輔助 ROV的作業(yè)。

圖2 推進(jìn)器布置Fig.2 The arrangement of thrusters

2.4 ROV重心浮心計(jì)算

為了保證ROV在水中運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，應(yīng)建立總體坐標(biāo)系，得出潛航體的重心和浮心［5］。ROV的浮心重心計(jì)算公式如下：

式中：Fi為各設(shè)備的浮力;Mi為各設(shè)備的質(zhì)量;Xi，Yi，Zi為設(shè)備浮心 (重心)在總體坐標(biāo)系的坐標(biāo);F為ROV的總浮力;M為ROV的總質(zhì)量。

表1 ROV重心計(jì)算表Tab.1 The gravity center calculation sheet of the ROV

根據(jù)計(jì)算公式，ROV的重心坐標(biāo)為：

表2 ROV浮心計(jì)算表Tab.2 The buoyancy center calculation sheet of the ROV

根據(jù)計(jì)算公式，ROV的浮心坐標(biāo)為：

通過計(jì)算，在潛航體高度方向上，浮心位于重心上方270.7 mm的位置上，穩(wěn)心高度方向大于200 mm，滿足豎直方向穩(wěn)心的要求;在潛航體水平方向上，重心浮心的相差位置小于10 mm，可以通過配重塊來實(shí)現(xiàn)微調(diào)。最后可以通過反復(fù)調(diào)整各個(gè)設(shè)備之間的位置關(guān)系和壓載，可以實(shí)現(xiàn)ROV的總體平衡，完成ROV的總體布置。完成總體布置后，利用PROE的裝配功能將每個(gè)組件裝配到ROV相應(yīng)的位置上，最終ROV的三維模型如圖3所示。

圖3 ROV模型Fig.3 The model of ROV

3 結(jié)語

ROV的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，對(duì)于框架式的ROV，各個(gè)設(shè)備作為獨(dú)立的密封艙安放在ROV的框架上，整個(gè)ROV分組件多而復(fù)雜。本文應(yīng)用PROE完成了ROV的總體布置。研究表明，對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，引入PROE可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)，同時(shí)也為設(shè)計(jì)人員提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為參考。PROE強(qiáng)大的三維建模能力，豐富的數(shù)據(jù)接口不僅減輕了設(shè)計(jì)者的工作強(qiáng)度，同時(shí)也提高了工作效率。

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［2］桑金．觀察性水下機(jī)器人ROV系統(tǒng)配置研究［J］．海洋測(cè)繪，2012，32(4)：81 －84．

SANG Jin．TheROV system configuration study of observational underwater robot［J］．Marine Surveying and Mapping，2012，32(4)：81 －84．

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LIN Qing-an．Fully proficient in Pro/ENGINEER wildfire version 5.0 the introductory mold design［M］．Beijing：Electronic Industry Press，2011．

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WANG Yao-hua，CUI Ze，HUA Xiao-qing．The layout study of modular mini underwater vehicle［J］．Mechanical and Electronic，2011(5)：9－13．

The ROV overall balance design based on PROE

WANG Guang-yue，LAI Jian-yun，HUANG Hong-fei
(The 710 Research Institute of CSIC，Yichang 443003，China)

ROV is an important underwater operation platform．PROE is a 3D design software which is widely used in machinery industry ．In this paper，we take a ROV for an example，using PROE to make the underwater robots 3D model，getting the ROV data needed for the overall balance calculation by using PROE，Completing the overall layout of the ROV，building the3D model of the ROV．Research results showed that，by using PROE software in the design of underwater robots，the designers not only can build visualized 3D model，but also can provide more accurate data and improve the design efficiency．

ROV;PROE;3D design;overall layout

O427

A

1672－7649(2014)06－0134－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.027

2013－07－22;

2013－08－14

王光越(1987－)，男，助理工程師，研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。