水下作業(yè)工具快速換接裝置對接容差性研究與仿真分析?

（昆明船舶設(shè)備研究試驗中心 昆明 650051）

1 引言

隨著海洋石油發(fā)展戰(zhàn)略的實施，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，進入深冷、幽暗、環(huán)境復(fù)雜多變的海底，完成鉆探、開采、儲運、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，對安裝有統(tǒng)一接口的多種不同工具進行精準、可靠、快速換接，完成各種操作任務(wù)是十分必要的，這對于解決深海任務(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］。基于此，本文設(shè)計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

2.1 快速換接裝置總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

快速換接裝置的設(shè)計難點在于：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機械手控制難以實現(xiàn)精準對接。為了解決以上難點，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

快速換接裝置必須具備較大的位姿容差能力，從而降低機械手的控制難度，提高對接成功的機率。本文采用如圖2所示的二次錐面導(dǎo)向容差結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)快速換接裝置的準確對接。公頭外殼前端為錐面，錐面外圓表面設(shè)置有對稱分布的導(dǎo)向圓柱，對應(yīng)母頭外殼開口過沿設(shè)置有對稱分布的導(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)計參數(shù)

導(dǎo)向容差結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(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算

快速換接裝置的對接過程可以歸納成三個階段：接近階段、接觸階段、位姿調(diào)整階段。第一階段：機械手在接收到控制指令之后，握住公頭端的操作手柄，將其移動到母頭端附近，此時公頭端和母頭端尚未接觸，亦可稱為接近階段；第二階段：由于機械手提升公頭端運動到母頭端的過程中會出現(xiàn)一定的位置和姿態(tài)偏差，此時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，并且公頭端在機械手的作用下不斷進行位姿調(diào)整，導(dǎo)向圓柱順利插入到導(dǎo)向凹槽中，繼而公頭端進入到母頭端腔體內(nèi)部，完成對接。

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

3.1 幾何條件

在裝置對接的每個過程，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，故每個階段對兩者幾何外形的要求不一樣。以下分別分析三個階段應(yīng)滿足的幾何條件。

1）接近階段

在公頭端建立直角坐標系OXYZ，母頭端建立直角坐標系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’在直角坐標系OXYZ中可表達為

故公頭端圓A在П中投影所在的邊界曲線?？杀磉_為

同時，曲線?？梢詫懗蓞?shù)方程的表達形式：

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在直角坐標系O’X’Y’Z’中的表達式為

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摩擦條件即可。

3）位姿調(diào)整階段

當公頭端導(dǎo)向圓柱與母頭端導(dǎo)向凹槽剛接觸時，將導(dǎo)向圓柱簡化為一條直線進行分析。設(shè)在坐標系OXYZ中導(dǎo)向圓柱所在的直線為

直線l1上任意兩點M1、M2在Π中的投影為

點M1、M2在坐標系O’X’Y’Z’中的表達式為

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，導(dǎo)向圓柱所在圓截面的直徑d與導(dǎo)向圓柱的長度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 力學摩擦條件

在快速換接裝置真實接觸過程中，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接情況，即公頭端的驅(qū)動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。二維偏差以一維偏差為基礎(chǔ)，公頭端相對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接情況，三維偏差的對接情況也包含在二維偏差的判斷條件之內(nèi)，因此力學摩擦條件統(tǒng)一按二維偏差的對接情況來進行判斷，受力情況如圖5所示。

由摩擦自鎖理論［12］可知，裝置間接觸點的驅(qū)動力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發(fā)生自鎖，可表示為

對于導(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)的計算結(jié)果，運用Matlab編寫相應(yīng)程序，驗證對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，其表達式為

式中：Zh為Z軸探伸長度，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對接仿真實驗

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

4.1 仿真模型及環(huán)境的建立

對母頭端施加固定約束，對公頭端的Z軸探伸方向建立點面約束；為防止另外三個旋轉(zhuǎn)方向和兩個平動方向發(fā)生隨意運動，對這五個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，對公頭端和母頭端的接觸條件按照Hertz彈性碰撞理論進行設(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

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

表3 初始對接仿真測試組合

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接仿真測試組合下位移偏差和角度偏差的實時變化過程，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）當公頭端相對與母頭端沿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，公頭端與母頭端皆能成功對接，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)偏差同時進行校正，在107.8s位置偏差與姿態(tài)偏差均校正完畢；

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

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

5 結(jié)語

本文針對接容差指標設(shè)計了快速換接裝置的結(jié)構(gòu)，并對其對接過程中的位姿調(diào)整情況進行了分析與仿真，驗證了其結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足幾何條件和力學摩擦條件。然后運用Matlab進行理論分析，驗證了裝置滿足容差指標要求。最后運用Adams對裝置處于典型極限位姿偏差的情況下進行了對接仿真，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性的。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、輕質(zhì)、可靠，導(dǎo)向?qū)χ芯雀?，降低了對機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。