一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构及换杆定位方法技术

本发明专利技术提出一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构及换杆定位方法。所述的换杆定位机构包括夹持机构和换杆机构；所述的夹持机构包括下端支撑机构、上端导向机构和中心转轴。所述的下端支撑机构包括筒形夹具、拉紧弹簧、筒形夹具转轴、夹具转盘、螺栓Ａ和螺母Ａ；所述的上端导向机构包括导向把手、螺钉Ａ、导向转盘、螺栓Ｂ和螺母Ｂ；所述的换杆机构包括定位滑块Ａ、定位滑块Ｂ、杠杆框转轴、支点支架、复位弹簧、杠杆框、螺钉Ｂ、支点转轴和齿轮箱。该换杆定位机构的结构简单，能耗低，简化了控制过程，同时该换杆定位机构在换杆定位时还解决了运动干涉问题，使钻杆能实现完全下钻，达到预期的采样深度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于空间资源探测
，具体涉及一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构及换杆定位方法。
技术介绍
月球一直是人类进行深空探测的主要目标，月球上的资源和能源是对地球的重要补充，美国、日本、欧洲航天局、俄罗斯、印度和中国等国家和组织都已开展或正在开展探月计划。中国代号为“嫦娥工程”的月球探测工程已经启动，其三个阶段“绕”、“落”、“回”中的“绕”已经圆满完成，在即将进行的“落”和“回”两个阶段，都需要利用能够适应月球特殊环境的月壤采样器来完成相应的月壤采样任务。美国和苏联已有成功的月球土壤采样经历，此外国内外的学者也提出了各种各样的采样器方案，已公开的采样器方案各具特色，但普遍存在诸如采样深度浅、采样量小、所采样品不能保持原样、样品易遗失或者采样器只能进行一次采样的不足。面向月壤采集的多杆深层采样器能同时改善这些缺陷，采样器理论上钻探深度可达1.5米，可以反复钻探取样。采集到的样品既可以存在回收箱内，也可以保留在钻杆中——空心钻杆中的防脱落装置保证样品不遗失，因此可以实现大量采样和保持样品原样采集。然而，在专利号为ZL2007101211118的专利中记载的采样器的样机试验中仍然发现一些不足：第一，换杆定位机构均采用电磁铁加弹簧方式实现固定钻杆和定位的功能，工作能耗较大。在钻杆下钻过程中，大量电能用于产生克服弹簧的弹性势能的电磁力，这些能耗大大降低了采样器的工作时间，能量的有效利用率低。第二，钻杆夹持机构的四组夹持器均由4个夹片和4个弹簧构成，结构比较复杂。复杂的机构使整个系统的重量增加，采样器的发射成本和故障率都会随之增加。此外，采用电磁铁方式夹持钻杆还需要添加相应的控制模块，增加了控制系统的复杂程度。第三，动力部分中旋转电机输出轴连接的齿轮箱和联轴器在垂直方向运动到钻杆夹持机构处时会出现干涉，影响钻杆的继续下钻，导致实际的采样深度没有达到理论深度。在已公开的申请号为200820231882.2的专利中给出了一种配有独立的电机的钻杆夹紧机构，采用一个电机驱动两个对称的夹块实现钻杆的夹持，为每个钻杆均配备这样一个夹紧装置显然能耗也很大，而且体积也过于庞大。因此，如何对该深层月壤采样器进行内部结构改进，使得它能够克服以上不足是本专利技术的宗旨。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构及换杆定位方法。该换杆定位机构的结构简单，能耗低，简化了控制过程，同时该换杆定位机构还解决了运动干涉问题，使钻杆能实现完全下钻，达到预期的采样深度。所述的多杆深层月壤采样器的换杆定位机构包括夹持机构和换杆机构。所述的夹持机构包括上端导向机构、下端支撑机构和中心转轴。所述的换杆机构、上端导向机构和下端支撑机构分别位于中心转轴的顶端、中间位置和底端。-->所述的下端支撑机构包括筒形夹具、拉紧弹簧、筒形夹具转轴、夹具转盘、螺栓A和螺母A。所述的夹具转盘为带有对称C型叉架的圆盘结构，中心位置通过螺栓A和螺母A固定连接在中心转轴的底端；每个C型叉架的两个自由端方向上分别具有两个插孔，两个插孔间的距离与筒形夹具的两个夹片连接后相对的两个转轴孔A的距离相同；筒形夹具通过对称C型叉架固定在转盘上。所述的筒形夹具为中空的圆筒形薄壁结构，由两个对称的可张开或闭合的夹片组成，每个夹片为半圆筒形薄壁结构，两个夹片的半径大小满足筒形夹具在闭合时的内径与搭配使用的钻杆的外径相同；两个夹片的两条侧边的中部分别具有一个凸出的转轴孔A，转轴孔A的外边缘为圆弧形，筒形夹具转轴穿过转轴孔A和夹具转盘的叉架的插孔，将夹片与夹具转盘上的叉架相连接，并且两个夹片的彼此相对连接，彼此之间留有侧面缝隙；并保证两个夹片相接触的圆弧形边缘部位相切，起到在筒形夹具张开和闭合中摩擦轮的作用。该侧面缝隙的距离自转轴孔A处向上为平行的等距离，自转轴孔A处向下为喇叭形逐渐增大的距离，并一直延伸到夹片的底面，便于筒形夹具按预期角度张开；两个夹片的底面之间也留有平行的底面缝隙，底面缝隙的大小与侧面缝隙在夹片底面的距离大小相同，两夹片的底面的相对的两条边的中心位置固定连接有拉紧弹簧。所述的筒形夹具的个数与多杆深层月壤采样器使用的钻杆的数量和外径尺寸有关，筒形夹具的个数设定应根据实际工作需要，并注意避免钻杆在下钻过程中与下端支撑机构产生运动干涉的问题；通常多杆深层月壤采样器使用的钻杆的外径尺寸为20mm～40mm，则筒形夹具可以选择1～7个，根据实际需要优选为4个；并且筒形夹具的个数随着钻杆的外径的增大而减少。所述的上端导向机构包括导向把手、螺钉A、导向转盘、螺栓B和螺母B。所述的导向转盘通过螺栓B和螺母B固定连接于中心转轴的中间位置；具体的高度根据多杆深层月壤采样器使用的钻杆高度计算；所述的导向把手均匀对称分布在导向转盘的水平圆周方向上，并通过螺钉A固定于导向转盘上，导向把手的个数与筒形夹具的个数相同；所述的导向把手为半圆管形结构，各个导向把手的半圆管结构的开口方向一致，并且半圆管结构的中心轴线平行于中心转轴，各个导向把手均经过磁化处理，以便对钻杆产生磁力吸引作用，导向把手的内径与钻杆的外径相同，且保证导向把手与筒形夹具同轴心。所述的换杆机构包括定位滑块A、定位滑块B、杠杆框转轴、支点支架、复位弹簧、杠杆框、螺钉B、支点转轴和齿轮箱。所述的齿轮箱的上表面固定，齿轮箱下表面具有通孔，通孔的大小和形状使定位滑块A和定位滑块B只产生轴向运动而不产生周向的转动；中心转轴的顶端从上至下分为齿轮连接轴段、光轴段和外花键结构轴段三个部分，顶端的齿轮连接轴段穿过齿轮箱下表面的通孔与齿轮箱中的齿轮相配合，由齿轮带动中心转轴转动；所述的定位滑块A和定位滑块B为具有一定高度的半圆环形结构，且两端具有凸缘，该具有一定高度的半圆环形结构的内表面具有齿和槽的牙嵌式结构，形状为内花键结构，外表面为光滑表面；将定位滑块A和定位滑块B的开口对接在一起，并通过螺钉B在凸缘螺钉孔连接固定，组成一个侧面具有两个凸缘的圆环形完整定位滑块，中心具有内孔。所述的中心转轴的光轴的高度为h1，且h1＞h，其中h为定位滑块A和定位滑块B-->的高度，所述的中心转轴的外花键结构轴段的高度为h2，且1/3h≤h2≤h；外花键结构轴段的齿和槽的大小与完整定位滑块的齿和槽相配合，该外花键结构轴段穿过完整定位滑块的内孔，通过完整定位滑块的轴向运动与中心转轴进行咬合与分离，咬合时，完整定位滑块的上端位于齿轮箱的下表面之上，分离时完整定位滑块的下端位于齿轮箱的下表面之下。所述杠杆框的中部为矩形框，矩形框相对的两边框中点位置上连接有两个细长的臂A和臂B，两个杠杆框转轴分别穿过其余的相对的两个边框上的转轴孔B和定位滑块A、定位滑块B上的盲孔，将杠杆框与定位滑块A和定位滑块B连接，经过杠杆框转轴的连接后定位滑块能够随着杠杆框的移动在中心转轴上沿中心转轴的轴向上下移动；所述的复位弹簧的一端与杠杆框的臂A边缘固定连接，另一端固定在齿轮箱下表面上；杠杆框的臂B插在竖直支点支架底端的内部，支点支架的底部具有一个长槽形孔，支点转轴穿过长槽形孔将支点支架和杠杆框的臂B活动连接，支点支架的顶部固定不动，当臂A向靠近齿轮箱的下表面运动时，臂B在长槽形孔的小范围内左右移动。一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构的换杆定位方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构，其特征在于：所述的换杆定位机构包括夹持机构和换杆机构；所述的夹持机构包括上端导向机构、下端支撑机构和中心转轴，所述的换杆机构、上端导向机构和下端支撑机构分别位于中心转轴的顶端、中间位置和底端；所述的下端支撑机构包括筒形夹具、拉紧弹簧、筒形夹具转轴、夹具转盘、螺栓Ａ和螺母Ａ；所述的夹具转盘为带有对称Ｃ型叉架的圆盘结构，中心位置通过螺栓Ａ和螺母Ａ固定连接在中心转轴上；每个Ｃ型叉架的两个自由端上分别具有两个插孔；所述的筒形夹具为中空的圆筒形薄壁滑块Ｂ上的盲孔，将杠杆框与定位滑块Ａ和定位滑块Ｂ连接，经过杠杆框转轴的连接后完整定位滑块随着杠杆框的移动在中心转轴上沿中心转轴的轴向上下移动；所述的复位弹簧的一端与杠杆框的臂Ａ边缘固定连接，另一端固定在齿轮箱下表面上；杠杆框的臂Ｂ插在竖直支点支架底端的内部，支点支架的底部具有一个水平长槽形孔，支点转轴穿过长槽形孔将支点支架和杠杆框的臂Ｂ活动连接，支点支架的顶部固定不动，当臂Ａ向靠近齿轮箱的下表面运动时，臂Ｂ在长槽形孔内左右移动。结构，由两个对称的夹片组成，每个夹片为半圆筒形薄壁结构，两个夹片的半径大小满足筒形夹具在闭合时的内径与搭配使用的钻杆的外径相同；每个夹片的两条侧边的中部分别具有一个凸出的转轴孔Ａ，转轴孔Ａ的外边缘为圆弧形，筒形夹具转轴穿过两个转轴孔Ａ和夹具转盘的Ｃ型叉架的插孔，将两个夹片与夹具转盘上的叉架相连接；所述的上端导向机构包括导向把手、螺钉Ａ、导向转盘、螺栓Ｂ和螺母Ｂ；所述的导向转盘通过螺栓Ｂ和螺母Ｂ固定连接于中心转轴的中间位置；所述的导向把手均匀对称分布在导向转盘的水平圆周方向上，并通过螺钉Ａ固定于导向转盘上，所述的导向把手为半圆管形结构，各个导向把手的半圆管结构的开口方向一致，并且半圆管结构的中心轴线平行于中心转轴，各个导向把手均经过磁化处理，以便对钻杆产生磁力吸引作用，导向把手的内径与钻杆的外径相同，且导向把手半圆管与筒形夹具同轴心布置；所述的换杆机构包括定位滑块Ａ、定位滑块Ｂ、杠杆框转轴、支点支架、复位弹簧、杠杆框、螺钉Ｂ、支点转轴和齿轮箱；所述的齿轮箱的上表面固定，齿轮箱下表面具有通孔，通孔的大小和形状使定位滑块Ａ和定位滑块Ｂ只产生轴向运动而不产生周向的转动；中心转轴的顶端从上至下分为齿轮连接轴段、光轴段和外花键结构轴段三个部分，顶端的齿轮连接轴段穿过齿轮箱下表面的通孔与齿轮箱中的齿轮相配合，由齿轮带动中心转轴转动...

【技术特征摘要】
1.一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构，其特征在于：所述的换杆定位机构包括夹持机构和换杆机构；所述的夹持机构包括上端导向机构、下端支撑机构和中心转轴，所述的换杆机构、上端导向机构和下端支撑机构分别位于中心转轴的顶端、中间位置和底端；所述的下端支撑机构包括筒形夹具、拉紧弹簧、筒形夹具转轴、夹具转盘、螺栓A和螺母A；所述的夹具转盘为带有对称C型叉架的圆盘结构，中心位置通过螺栓A和螺母A固定连接在中心转轴上；每个C型叉架的两个自由端上分别具有两个插孔；所述的筒形夹具为中空的圆筒形薄壁结构，由两个对称的夹片组成，每个夹片为半圆筒形薄壁结构，两个夹片的半径大小满足筒形夹具在闭合时的内径与搭配使用的钻杆的外径相同；每个夹片的两条侧边的中部分别具有一个凸出的转轴孔A，转轴孔A的外边缘为圆弧形，筒形夹具转轴穿过两个转轴孔A和夹具转盘的C型叉架的插孔，将两个夹片与夹具转盘上的叉架相连接；所述的上端导向机构包括导向把手、螺钉A、导向转盘、螺栓B和螺母B；所述的导向转盘通过螺栓B和螺母B固定连接于中心转轴的中间位置；所述的导向把手均匀对称分布在导向转盘的水平圆周方向上，并通过螺钉A固定于导向转盘上，所述的导向把手为半圆管形结构，各个导向把手的半圆管结构的开口方向一致，并且半圆管结构的中心轴线平行于中心转轴，各个导向把手均经过磁化处理，以便对钻杆产生磁力吸引作用，导向把手的内径与钻杆的外径相同，且导向把手半圆管与筒形夹具同轴心布置；所述的换杆机构包括定位滑块A、定位滑块B、杠杆框转轴、支点支架、复位弹簧、杠杆框、螺钉B、支点转轴和齿轮箱；所述的齿轮箱的上表面固定，齿轮箱下表面具有通孔，通孔的大小和形状使定位滑块A和定位滑块B只产生轴向运动而不产生周向的转动；中心转轴的顶端从上至下分为齿轮连接轴段、光轴段和外花键结构轴段三个部分，顶端的齿轮连接轴段穿过齿轮箱下表面的通孔与齿轮箱中的齿轮相配合，由齿轮带动中心转轴转动；所述的定位滑块A和定位滑块B均为半圆环形结构，两端具有凸缘，该半圆环形结构的内表面具有齿和槽，形状为内花键结构，外表面为光滑表面；将定位滑块A和定位滑块B的开口对接在一起，并通过螺钉B在凸缘处连接固定，组成一个圆环形的完整定位滑块，中心具有内孔；所述的中心转轴的光轴段的高度为h1，且h1＞h，其中h为定位滑块A和定位滑块B的高度，所述的中心转轴的外花键结构轴段的高度为h2，且1/3h≤h2≤h；外花键结构轴段的齿和槽的大小与完整定位滑块的齿和槽相配合，该外花键结构轴段穿过完整定位滑块的内孔，通过完整定位滑块的轴向运动与中心转轴进行咬合与分离；咬合时，完整定位滑块的上端位于齿轮箱的下表面之上，分离时完整定位滑块的下端位于齿轮箱的下表面之下；所述杠杆框的两端连接有两个细长的臂A和臂B，臂A和臂B在同一直线上，两个杠杆框转轴分别穿过杠杆框上的两个转轴孔B和定位滑块A上的盲孔、定位滑块B上的盲孔，将杠杆框与定位滑块A和定位滑块B连接，经过杠杆框转轴的连接后完整定位滑块随着杠杆框的移动在中心转轴上沿中心转轴的轴向上下移动；所述的复位弹簧的一端与杠杆框的臂A边缘固定连接，另一端固定在齿轮箱下表面上；杠杆框的臂B插在竖直支点支架底端的内部，支点支架的底部具有一个水平长槽形孔，支点转轴穿过长槽形孔将支点支架和杠杆框的臂B活动连接，支点支架的顶部固定不动，当臂A向靠近齿轮箱的下表面运动时，臂B在长槽形孔内左右移动。2.根据权利要求1所述的换杆定位机构，其特征在于：所述的筒形夹具的个数与多杆深层月壤采样器使用的钻杆的数量和外径尺寸有关，钻杆的外径尺寸为20mm～40mm，则筒形夹具选择1～7个，并且筒形夹具的个数随着钻杆的外径的增大而减少。3.根据权利要求1或2所述的一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构，其特征在于：所述的筒形夹具的个数为4个。4.根据权利要求1所述的换杆定位机构，其特征在于：所述的C型叉架两个自由端上的两个插孔的距离与筒形夹具的两个夹片连接后相对的两个转轴孔A的距离相同；筒形夹具通过筒形夹具转轴固定在夹具转盘的C型叉架上。5.根据权利要求1所述的换杆定位机构，其特征在于：所述的两个夹片彼此相对连接，彼此之间留有侧面缝隙；并保证两个夹片相接触的转轴孔A的外边缘部位相切，起到在筒形夹具张开和闭合中摩擦轮的作用；该侧面缝隙的距离自转轴孔A处向上为平行的等距离，自转轴孔A处向下为喇叭形逐渐增大的距离，并一直延伸到夹片的底面，便于筒形夹具按预期角度张开；两个夹片的底面之间也留有平行的底面缝隙，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁希仑，安迎和，李可佳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]