金碧霞

（中國船舶重工集團公司第七一O研究所，湖北宜昌443003）

水下機器人電池導(dǎo)軌的設(shè)計

金碧霞

（中國船舶重工集團公司第七一O研究所，湖北宜昌443003）

針對水下機器人電池進出電池艙殼體采用推力進給裝置作為驅(qū)動力，左右兩側(cè)的推力進給裝置難以實現(xiàn)同步的問題，設(shè)計了一套水下機器人電池導(dǎo)軌。該導(dǎo)軌由“U”型鋁型材作為基體，在鋁型材上安裝滾輪及導(dǎo)向輪，具有摩擦特性好、導(dǎo)向精度高、剛性好、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單和工藝性好等優(yōu)點。由一人操作即可很輕松地實現(xiàn)電池的進出艙動作，無需推力進給裝置。

導(dǎo)軌；摩擦特性；導(dǎo)向精度

1 存在的問題

目前水下機器人要完成質(zhì)量大、體積大的電池進艙固定，一般采用在水下機器人耐壓殼體內(nèi)和電池裝配車上鋪設(shè)相同的角鋼軌道，將兩段角鋼軌道實現(xiàn)無縫對接后，電池沿角鋼軌道推入殼體。如中船重工第七一O研究所研發(fā)并已定型的T-7產(chǎn)品，中科院沈陽自動化研究所研發(fā)并已定型的B-1產(chǎn)品，以及中船重工第七一O研究所正在研制的某大型遠程自治式水下機器人，因電池艙殼體內(nèi)裝載的電池重約1.8 t，長度近3 m，在方案階段樣機上都采用上述方案來完成電池的進艙和出艙。

電池進艙或出艙過程示意圖如圖1所示。

由于角鋼與電池之間的摩擦為滑動摩擦，其阻力很大，為此需在電池裝配車兩側(cè)各安裝一套推力進給裝置，由左右兩個手輪驅(qū)動。但在使用中經(jīng)常出現(xiàn)因左右兩個推力進給裝置不同步而導(dǎo)致電池跑偏的現(xiàn)象。由于電池與殼體的間隙很小，電池跑偏易造成電池外殼與殼體內(nèi)壁的相互刮傷，引起電池運行卡滯、電池難以定位等問題。同時由于角鋼與電池金屬外殼直接接觸無任何絕緣，使得電池極端絕緣阻值下降，從而影響電池使用的安全性。

圖1 電池組進、出艙流程示意圖

2 改進思路

鑒于使電池裝配車上的左右推力進給裝置達到完全同步，或只用一個手輪同時來驅(qū)動兩個推力進給裝置，從結(jié)構(gòu)和控制上均難以實現(xiàn)，干脆將電池推力進給裝置去掉，由1人直接推動電池進艙和出艙。最初思路是想保留原殼體內(nèi)的角鋼軌道，在電池上安裝滾輪，雖結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)容易，但當電池電量不足或用完要更換新的鋰電池時，滾輪若重復(fù)利用，就要從原電池上拆卸下來并換裝到新的電池上，整個過程費時費力，所以一般會將性能完好的滾輪拋棄不用，這樣就造成了大量浪費和增加成本。于是考慮設(shè)計一套性能優(yōu)良的電池導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌既要有良好的摩擦特性以便憑一人之力能推動電池，還要有良好的導(dǎo)向能力以避免電池跑偏。目前的工業(yè)用導(dǎo)軌主要用于各類機床設(shè)備上，大多采用鑄鐵件或鋼件制成，其體積大、質(zhì)量大，不適合在此使用。為此要設(shè)計一套專用導(dǎo)軌，以滿足電池進艙和出艙的需要。

3 導(dǎo)軌設(shè)計中要考慮的因素

由于該導(dǎo)軌主要在水下機器人上使用，用來引導(dǎo)電池進艙、出艙和提供電池固定的支承平臺，考慮到水下機器人設(shè)計的總體要求和電池的安全性，除了滿足一般導(dǎo)軌的基本性能外，導(dǎo)軌設(shè)計中還要考慮下述因素：

1）導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度是電池沿導(dǎo)軌運行的直線度。為了最大限度地利用殼體空間，一般電池艙殼體內(nèi)壁與電池外殼間隙很?。ù怂聶C器人二者間隙理論上僅3 mm），電池在運行過程中，一旦出現(xiàn)跑偏，可能會造成電池與殼體貼合，增大運行阻力甚至造成兩接觸面刮傷。

2）精度保持性。精度保持性是指導(dǎo)軌保持其原始精度的時間是否足夠長。電池沿導(dǎo)軌長期運行會引起導(dǎo)軌的不均勻磨損，破壞導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的耐磨性決定了導(dǎo)軌的精度保持性，此外，導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式和導(dǎo)軌材料也與精度保持性有關(guān)。

3）剛度。因為電池在運行過程中所承受的各種阻力和在艙內(nèi)固定后自身的重力，最后都轉(zhuǎn)化到導(dǎo)軌面來承受，如果導(dǎo)軌在載荷的作用下產(chǎn)生過大的變形，不僅破壞了導(dǎo)向精度，還惡化了導(dǎo)軌的工作條件。

4）摩擦特性。導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)較大時，不僅人難推動，并且在電池運行過程中容易產(chǎn)生爬行，影響運動平穩(wěn)性。

5）體積和重量。在同樣的排水量下，要求水下機器人在滿足強度和剛度的情況下，各組部件的重量應(yīng)盡可能地減到最少。

6）絕緣性。水下機器人電池組絕緣性能正交試驗結(jié)果表明，電池采用整體絕緣（非接地狀態(tài)），有利于提高電池的極端絕緣阻值。

7）定位。為方便電池艙內(nèi)導(dǎo)軌與艙外電池裝配車上的導(dǎo)軌實現(xiàn)無縫對接，導(dǎo)軌上要設(shè)計有定位件。

8）磁性。為最大限度地利用空間，使結(jié)構(gòu)緊湊，水下機器人的電池上方空間一般布置有電子功能設(shè)備和線路。如該水下機器人在電池的上方空間裝載有導(dǎo)航和中控電子功能設(shè)備，為減小其電磁干擾，要求艙內(nèi)盡可能無磁或低磁。

9）結(jié)構(gòu)工藝性。設(shè)計導(dǎo)軌時，還要綜合考慮制造的工藝性和維護的方便性，同時要具有一定的互換性。

10）成本。成本因素包括制造導(dǎo)軌所用的材料成本、制造工藝和維修成本，它決定了導(dǎo)軌應(yīng)用的普及性。

4 導(dǎo)軌的設(shè)計

綜合考慮以上各因素，最后采用滾動直線導(dǎo)軌作為電池的運行軌道。這是因為與滑動導(dǎo)軌較大的滑動接觸面積相比，滾動導(dǎo)軌具有最小的接觸面積，能較大地減小摩擦。為防止電池在進艙和出艙的過程中偏，在導(dǎo)軌兩側(cè)設(shè)計有導(dǎo)向輪，引導(dǎo)電池按給定方向沿直線運動。在導(dǎo)軌前端設(shè)計有定位銷孔座，通過孔座與外導(dǎo)軌上定位銷的配合來實現(xiàn)內(nèi)外兩段導(dǎo)軌的對接。導(dǎo)軌基體采用“U”型鋁型材，這是因為鋁型材成本低、成型快、重量輕、加工容易，并且已系列化和標準化。連接標準件和軸承選用不銹鋼材質(zhì)，以滿足導(dǎo)軌無磁或低磁要求。滾輪圈和導(dǎo)向輪圈采用尼龍材料制作，以滿足與電池外殼絕緣的要求。導(dǎo)軌由“U”型鋁型材、導(dǎo)軌安裝座、滾輪、導(dǎo)向輪、定位銷孔座等組成。電池導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。滾輪及導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 電池導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 滾輪及導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語

針對目前水下機器人要完成質(zhì)量大、體積大的電池進艙固定，左右兩側(cè)的推力進給裝置難以實現(xiàn)同步的問題，設(shè)計了一套電池導(dǎo)軌。該導(dǎo)軌由“U”形鋁型材為基體，在鋁型材上安裝滾輪及導(dǎo)向輪，在水下機器人樣機上經(jīng)過反復(fù)使用，可單憑一人之力就能很輕松地實現(xiàn)電池的進艙和出艙運動，無需推力進給裝置。

該導(dǎo)軌具有以下優(yōu)點：1）導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，兩側(cè)的導(dǎo)向輪可引導(dǎo)電池沿直線運動，無偏置；2）導(dǎo)軌剛性好，無機械變形；3）精度保持性好，無機械磨損；4）有良好的摩擦特性，由1個人即可推動電池，而且電池運行平穩(wěn)，無低速爬行現(xiàn)象；5）具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好等特點。

（編輯：啟 迪）

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1002－2333（2014）04－0219－02

金碧霞（1977—），女，工程師，主要研究方向為水下機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2014-01-23