基于PROE的ROV總體平衡設計

王光越，賴建云，黃紅飛

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003)

基于PROE的ROV總體平衡設計

王光越，賴建云，黃紅飛

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003)

ROV是重要的水下作業平臺，PROE是機械行業中應用十分廣泛的三維設計軟件。本文以某水下ROV為例，應用PROE進行水下機器人三維設計，利用PROE得到ROV總體平衡計算所需的數據，完成ROV的總體布置，建立ROV的三維模型。研究結果表明，將PROE軟件引入到水下機器人的設計中，不僅可以建立直觀的三維模型，還可以提供較為準確的數據資料，提高設計效率。

ROV;PROE;三維設計;總體布置

0 引言

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

1 PROE三維建模

對于框架式ROV而言，雖然ROV的運行阻力較大，但ROV屬于有纜供電，動力充足，且框架結構便于安放設備，本文針對的ROV采用的也是框架式結構。框架式ROV各個設備相互獨立，形成獨立的密封體。密封體包含了許多零件，因此需要對它們每個都進行建模。

PROE具有強大的建模功能，可以進行參數化設計，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，得到需要的相關數據。電子艙包括艙筒體、艙端蓋、艙安裝座和電子艙內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，然后再對各個零件進行詳細設計。自下而上則是做出每個零件的具體模型，然后將其裝配到一起。對于形狀規則的零件，利用PROE拉伸、旋轉、掃面等基本特征就可以方便做出它的三維模型。對于外形復雜的曲面等可以運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則，利用旋轉、拉伸特征就可以方便的做出各個零件的三維模型，最后運用裝配功能將零件裝配為一個組件，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

對于框架式ROV而言，各個設備獨立安放在ROV的不同位置上，因此需要計算出每個設備的重量和重心，進而計算出整個ROV的重心和浮心，保證ROV的總體平衡。PROE中提供了相關的功能計算。對于質量有2種設計方法。一種是直接設定零件的材料，另一種對于不同材料的組合，可以設定它的密度。電子艙內安裝有電路板等設備，可以將艙體的重量利用PROE功能算出來。設置電子艙殼體材料密度為7 850 kg/m3，電路板可以通過預估重量的形式設置它的密度。通過PROE質量分析可以得到電子艙的相關屬性如下：

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;

質量=42.094 kg;

根據_ASM0006坐標邊框確定重心：

X Y Z 0.00 0.00 －13.485 mm。據此，可以得到電子艙的總重為42.09 kg，重心的坐標為 (0，0，－13.5)，坐標系的位置就是建模時的基準坐標系。根據這種方法可以得到其他零部件的質量和重心。

2 ROV總體平衡計算

2.1 ROV總體布置原則

ROV采用框架式的結構，各個設備成為一個獨立的密封體。各個設備的布置應合理分布，總體布置主要依據以下幾點［4］：

1)最大程度發揮各儀器性能 (推進器)，同時便于安裝和存放;

2)整體安全可靠;

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

4)主運動方向阻力較小;

5)整體平穩及美觀性;

6)預留一部分空間，便于搭載其他設備。

2.2 ROV阻力分布

ROV在水下運動時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表面的切向應力產生是由于水的粘性作用使航行器周圍產生了一個邊界層，邊界層內部各層水之間的相互作用產生摩擦阻力;粘壓阻力和興波阻力統稱為壓差阻力，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，可以達到70%～80%，有時甚至更多。所以，本文在總體平衡配置和動力匹配計算時，主要考慮了摩擦阻力。同時，還應根據迎水面積估算出某一平面內的阻力作用點，應盡量使推力和阻力作用點在平面內的坐標差值處于允許范圍內［5］。

對于框架式的ROV，ROV頂部覆蓋有浮力材料，容易計算出阻力中心的位置點，在布置時，應盡量使垂直方向推進器的中心與此位置點重合。在前進后退方向上，推進電機的布置中心應盡量與ROV的重心位置靠近，保證ROV在上浮、下潛、前進、后退4個方向運動時均能保持較好的平穩性。

2.3 ROV動力裝置布置設計

推進裝置是ROV的動力系統，推進器的數量及布置的位置影響到ROV運行的靈活性。推進器的布置應能滿足ROV的動力需求和自由度需求，同時發揮推進器的最大工作效率。本文采用4推進器呈45°水平布置，2個中間垂直推進器和1個尾部垂直推進器。通過4個45°水平面布置的推進器之間的不同組合可以實現ROV前進、后退、旋轉和橫移，2個中間垂直推進器可以實現ROV的上浮和下潛。考慮到底部設備對推進器入流的影響，將推進器傾斜10°布置。尾部垂直推進器用來輔助 ROV的作業。

圖2 推進器布置Fig.2 The arrangement of thrusters

2.4 ROV重心浮心計算

為了保證ROV在水中運動的平穩性，應建立總體坐標系，得出潛航體的重心和浮心［5］。ROV的浮心重心計算公式如下：

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

表1 ROV重心計算表Tab.1 The gravity center calculation sheet of the ROV

根據計算公式，ROV的重心坐標為：

表2 ROV浮心計算表Tab.2 The buoyancy center calculation sheet of the ROV

根據計算公式，ROV的浮心坐標為：

通過計算，在潛航體高度方向上，浮心位于重心上方270.7 mm的位置上，穩心高度方向大于200 mm，滿足豎直方向穩心的要求;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現微調。最后可以通過反復調整各個設備之間的位置關系和壓載，可以實現ROV的總體平衡，完成ROV的總體布置。完成總體布置后，利用PROE的裝配功能將每個組件裝配到ROV相應的位置上，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 結語

ROV的設計是一個復雜的過程，對于框架式的ROV，各個設備作為獨立的密封艙安放在ROV的框架上，整個ROV分組件多而復雜。本文應用PROE完成了ROV的總體布置。研究表明，對設計人員而言，引入PROE可以實現協同設計，同時也為設計人員提供較為準確的數據作為參考。PROE強大的三維建模能力，豐富的數據接口不僅減輕了設計者的工作強度，同時也提高了工作效率。

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

［3］林清安．完全精通Pro/ENGINEER野火5.0中文版模具設計基礎入門［M］．北京：電子工業出版社，2011．

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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JIANG Lei，HAO Jing-ru．Thestudyofsuper-mini underwater robot ontology［J］．Mechanical Design and Manufacturing，2009(12)：176 －178．

［5］王耀華，崔澤，華曉青．模塊化微小型水下航行器的布局研究［J］．機械與電子，2011(5)：9－13．

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，研究方向為水下機器人結構設計。