水下作业工具快速换接装置对接容差性研究与仿真分析∗

（昆明船舶设备研究试验中心 昆明 650051）

1 引言

随着海洋石油发展战略的实施，我国由浅水向深水领域的“涉足”有了更深入的发展［1］。突破深水屏障，进入深冷、幽暗、环境复杂多变的海底，完成钻探、开采、储运、检查、监控等水下作业任务非常艰难［2］。因此，无人遥控潜器ROV（Remotely Op⁃erated Vehicles）［3］就成为替代人类探索海洋和开发海油资源的大国重器，发挥着越来越重要的作用［4］。国外一些大型水下石油装备供应商已经将部分水下作业工具商业化，可利用ROV完成一系列水下作业任务［5～6］；而国内研究大多停留在ROV的研制和水下作业工具的开发，对水下作业工具快速换接技术的研究较少，尚未解决相关技术难题［7～8］。根据水下作业工具换接作业的操作步骤，研究出一种适用于深水环境的水下作业工具快速换接装置，对安装有统一接口的多种不同工具进行精准、可靠、快速换接，完成各种操作任务是十分必要的，这对于解决深海任务多样性、提高作业效率和减少成本方面都具有重要意义［9］。基于此，本文设计了该种快速换接装置。

2 快速换接装置结构方案设计

2.1 快速换接装置总体结构方案设计

快速换接装置的设计难点在于：快速换接装置的作业工况为能见度极低、海流冲击大的深水环境，仅靠ROV机械手控制难以实现精准对接。为了解决以上难点，本文提出分体式快速换接装置的结构方案。装置总共由三部分组成，分别为母头端总成、公头端总成、操作提手，结构方案如图1所示。

图1 快速换接装置总体结构方案

2.2 快速换接装置导向容差结构设计

快速换接装置必须具备较大的位姿容差能力，从而降低机械手的控制难度，提高对接成功的机率。本文采用如图2所示的二次锥面导向容差结构来实现快速换接装置的准确对接。公头外壳前端为锥面，锥面外圆表面设置有对称分布的导向圆柱，对应母头外壳开口过沿设置有对称分布的导向锥槽，且侧面的U型槽与导向锥槽相连通。

图2 导向容差结构设计参数

导向容差结构的设计参数为公头端锥面外壁半锥角α、锥面高度h、导向圆柱所在圆截面的直径d、导向圆柱直径Φ，导向圆柱长度l；母头端导向凹槽半锥角β、导向凹槽外壁直径D。初步确定D=250mm，d=219.5mm，h=100mm，Φ=25mm，l=40mm，α=3°，β=22.5°。

3 快速换接装置位姿容差分析与计算

快速换接装置的对接过程可以归纳成三个阶段：接近阶段、接触阶段、位姿调整阶段。第一阶段：机械手在接收到控制指令之后，握住公头端的操作手柄，将其移动到母头端附近，此时公头端和母头端尚未接触，亦可称为接近阶段；第二阶段：由于机械手提升公头端运动到母头端的过程中会出现一定的位置和姿态偏差，此时公头端的锥面外壁与母头端的内壁接触，但是公头端的导向圆柱与母头端的导向凹槽并未接触；第三阶段：公头端的导向圆柱与母头端的导向凹槽接触，并且公头端在机械手的作用下不断进行位姿调整，导向圆柱顺利插入到导向凹槽中，继而公头端进入到母头端腔体内部，完成对接。

通过查阅资料［10］及分析，装置在特定的几何及力学摩擦条件下才能顺利完成对接任务。

3.1 几何条件

在装置对接的每个过程，由于公头端和母头端的位姿关系和接触关系发生了变化，故每个阶段对两者几何外形的要求不一样。以下分别分析三个阶段应满足的几何条件。

1）接近阶段

在公头端建立直角坐标系OXYZ，母头端建立直角坐标系O’X’Y’Z’，其中公头端轴线与Z轴重合，母头端轴线与Z’轴重合。需要满足公头端圆A沿Z轴投影在母头端圆B所在的O’X’Y’平面内部，公头端和母头端的几何关系关系如图3所示。

图3 装置接近阶段几何示意图

平面O’X’Y’在直角坐标系OXYZ中可表达为

故公头端圆A在П中投影所在的边界曲线Γ可表达为

同时，曲线Γ可以写成参数方程的表达形式：

将上式表示成齐次向量P（t），再采用变换矩阵的形式即可求得边界曲线Γ在直角坐标系O’X’Y’Z’中的表达式为

由前面的叙述可知，公头端圆A在平面O’X’Y’投影的边界曲线Γ应当包络在母头端圆B内部，即

2）接触阶段

此阶段，公头端的锥面外壁与母头端的内壁接触，但是公头端的导向圆柱与母头端的导向凹槽并未接触，因而此阶段只需考虑力学摩擦条件即可。

3）位姿调整阶段

当公头端导向圆柱与母头端导向凹槽刚接触时，将导向圆柱简化为一条直线进行分析。设在坐标系OXYZ中导向圆柱所在的直线为

直线l1上任意两点M1、M2在Π中的投影为

点M1、M2在坐标系O’X’Y’Z’中的表达式为

考虑在极端条件下即导向圆柱所在的圆截面与公头端内壁相切时，导向圆柱所在圆截面的直径d与导向圆柱的长度l之和应大于导向凹槽外壁的直径D，如图4所示。

3.2 力学摩擦条件

在快速换接装置真实接触过程中，摩擦情况很复杂，故将接触偏差分为一维、二维和三维偏差三种情况分别进行讨论［11］。另外，将公头端锥面外壁与母头端内壁、公头端导向圆柱与母头端导向凹槽之间的力学摩擦条件一并分析。

图4 极端情况几何示意图

一维偏差是公头端与母头端最为理想的对接情况，即公头端的驱动力作用于母头端的轴线方向，并且公头端可以绕母头端的轴线方向转动。二维偏差以一维偏差为基础，公头端相对于母头端绕法线旋转了一定的角度。三维偏差以二维偏差为基础，公头端相对于母头端绕轴线与切线旋转了一定的角度。通过分析可知：一维偏差为二维偏差最为理想情况的对接情况，三维偏差的对接情况也包含在二维偏差的判断条件之内，因此力学摩擦条件统一按二维偏差的对接情况来进行判断，受力情况如图5所示。

由摩擦自锁理论［12］可知，装置间接触点的驱动力F作用于摩擦锥以外，公头端与母头端之间的接触表面才不会发生自锁，可表示为

对于导向圆柱与导向凹槽之间的接触，不发生自锁的条件为

式中：β为母头端导向凹槽半锥角；α为公头端锥面外壁半锥角；f为最大静摩擦系数；κ为公头端与母头端中心线的夹角，其值与装置容差性能有关。

3.3 基于Matlab的容差仿真

利用上文中推导的计算结果，运用Matlab编写相应程序，验证对接过程中的接近阶段和位姿调整阶段公头端在母头端所在O’X’Y’平面上的投影关系。取Z轴探伸长度为35mm，绕Z轴转角为-2.5°。通过Matlab仿真分析可得出最大容差范围如图6所示。

由图6可看出，装置最大容差范围为径向±5.25mm。然后考虑绕X轴和Y轴的角度偏差对装置容差能力的影响，由装置的几何特征可知，绕X轴与Y轴的角度偏差将转变为沿X/Y轴的径向偏差，其表达式为

式中：Zh为Z轴探伸长度，值为35mm；δ为径向偏差；α为公头端锥面外壁半锥角；θ为两坐标系中Z轴与Z’轴的夹角；d1为公头端面圆直径，值为216mm；d2为导向圆柱所在圆截面的直径，值为218mm；λ为绕X轴转角；σ为绕Y轴转角。

图5 二维偏差受力情况

图6 装置最大容差范围

代入数据可得，绕X/Y轴2°的角度偏差转变为沿X/Y轴1.29mm的径向偏差，故装置沿X/Y轴径向容差范围应为两者的差值，即为±3.96mm。

4 Adams对接仿真实验

本节利用Adams软件对快速换接装置的容差范围进行仿真分析，以此验证Matlab的理论容差计算的正确性。

4.1 仿真模型及环境的建立

对母头端施加固定约束，对公头端的Z轴探伸方向建立点面约束；为防止另外三个旋转方向和两个平动方向发生随意运动，对这五个方向均施加弹簧阻尼器，弹簧的等效刚度设置为1N/mm，阻尼系数设置为0.5N.s/mm。同时，对公头端和母头端的接触条件按照Hertz弹性碰撞理论进行设置，各接触参数设置如表1所示，而公头端向前探身速度设置为2mm/s。确定装置的容差指标如表2所示。

表1 接触碰撞各参数设置

表2 快速换接装置容差指标

结合快速换接装置的位姿容差指标，得到六组具有代表性的初始对接仿真测试组合，如表3所示。

表3 初始对接仿真测试组合

4.2 仿真结果及分析

通过Adams仿真得到快速换接装置在上述六组初始对接仿真测试组合下位移偏差和角度偏差的实时变化过程，如图7～12所示。

图7 位置（0，4.94 ，-250），角度（2.8°，0°，-2.5°）

图8 位置（-4.94，0 ，-250），转角（0°，-2.8°，-2.5°）

图9 位置（-3.5，3.5 ，-250），转角（-2°，-2°，-2.5°）

图10 位置（3.5，-3.5 ，-250），转角（2°，2°，-2.5°）

图11 位置（-3.5，-3.5 ，-250），转角（2°，-2°，-2.5°）

图12 位置（3.5，3.5 ，-250），转角（-2°，2°，-2.5°）

从图7～图12所示的仿真结果可知：

1）当公头端相对与母头端沿X轴、Y轴3.5mm位置偏差，绕Z轴2.5°、X/Y轴2°姿态偏差时，公头端与母头端皆能成功对接，这与理论分析情况完全吻合；

2）导向圆柱与导向凹槽两侧面豁口在50s左右开始接触，且位置偏差与姿态偏差同时进行校正，在107.8s位置偏差与姿态偏差均校正完毕；

3）当只有X轴或Y轴位置偏差和角度偏差的情况下，位姿置调整曲线相对平缓，波动较小，如图7、8所示。而当X轴的Y轴的位置偏差和角度偏差同时存在的情况下，其位姿调整曲线的波动较大，如图9～12所示。

在上述六组初始对接仿真测试组合下，公头端与母头端的对接任务全部成功，验证了快速换接装置具备较好的容差能力，也验证了理论容差计算的正确性。

5 结语

本文针对接容差指标设计了快速换接装置的结构，并对其对接过程中的位姿调整情况进行了分析与仿真，验证了其结构参数满足几何条件和力学摩擦条件。然后运用Matlab进行理论分析，验证了装置满足容差指标要求。最后运用Adams对装置处于典型极限位姿偏差的情况下进行了对接仿真，验证了结构设计的合理性的。该装置结构简单、轻质、可靠，导向对中精度高，降低了对机械手操作力和力矩的需求，提高了水下作业工具的换接成功率。