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CN110568425B - 一种用于探头安装的水下三自由度装置 - Google Patents

一种用于探头安装的水下三自由度装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于探头安装的水下三自由度装置，由隔离基板、平台升降机构和两组类平行四边形机构组成。平台升降机构由伺服电机、伺服电机支架、左同步带轮、同步带、右同步带轮、丝杠、丝杠上支撑座、丝杠螺母、导轨支撑板、圆柱导轨、导套、长支撑柱、导套支撑板、丝杠下支撑座与平台支撑板组成；两组类平行四边形机构由探头安装板、线芯固定套、管套式线芯组、电动推杆支架、电动推杆、上横梁、下横梁、短支撑柱、支架及万向节组成。本发明通过两组类平行四边形机构不仅将电机从关节处移至隔离板上并实现平台升降装置穿插于其中，而且减少线驱动电机数量；使得整个装置机构紧凑，满足防水要求，降低控制难度，提高控制精度，适用于各类凹凸不平的矿区地形。

Description

一种用于探头安装的水下三自由度装置
技术领域
本发明属于水下声呐探测技术领域，具体涉及一种用于探头安装的水下三自由度装置，尤其是针对高精度、近距离水下矿物结壳测厚系统中的探头安装实验装置。
背景技术
海洋矿产开发已经成为国内外研究的热点，国内外实现了对矿区的微地形识别与重构，为实现矿物结壳精确采集，降低基岩混入量，提高采集效率，需进一步对矿区壳层厚度进行探测，由于在声学测厚系统中探头基本是紧贴被测物体或靠近被测物体表面，并且钴结壳矿区凹凸起伏不平，因此设计一款具有两个转动自由度和一个移动自由度并使探头适应矿区地形变化的装置具有重要意义。
目前，针对水下矿物结壳测厚系统的探头安装装置十分稀少，对于水下能控制探头位置的探头安装实验装置也很少。专利号为201410126287.2的专利公开了一种模拟深海采矿混响环境超声微地形探测装置及方法，该装置在模拟采矿混响环境的同时控制探头位置，实现前后、上下不同位置的数据采集。此方法的探头安装部分不能自动升降探头高度及缺少一个偏转自由度，故不能使探头根据微地形实时调整位置，不适用钴结壳测厚系统。
线驱动在实现电机后置和降低执行端质量的方面应用广泛，而管套式线芯具有在承受拉力和压力的同时能使线芯一直处于绷紧状态的优点，以及平行四边形机构具有始终保持各边长度不变的优点。类平行四边形机构可综合利用三者的特点，实现电机后置与平台偏转时线芯长度不变及调整平台上下位置时线芯始终处于绷紧状态的要求。
发明内容
发明的目的是提供一种能根据微地形变化调整探头的前后与左右偏转、上下直线运动的三自由度探头安装装置。
本发明提供的用于探头安装的水下三自由度装置，由隔离基板、平台升降机构和两组类平行四边形机构组成，其特征在于：平台升降机构和两组类平行四边形机构安装在隔离基板上，平台升降机构穿插于两组类平行四边形机构之中，使隔离基板的下方浸入水中，其中，
所述两组类平行四边形机构由探头安装板、四个线芯固定套、四组管套线芯组、电动推杆支架、两个电动推杆、上横梁、短支撑柱、支架、下横梁、及万向节组成，其特征在于：探头安装板中心固定在万向节上，万向节固定在平台支撑板中心上；所述上横梁距端面2/5处铰接在短支撑柱上端；所述下横梁距端面2/5处铰接在短支撑柱下端且下横梁与上横梁垂直，上横梁长端铰接在电动推杆上，电动推杆固定在电动推杆支架上，电动推杆支架固定在隔离基板上；所述下横梁长端铰接在另一个电动推杆上，电动推杆固定在隔离基板上；所述短支撑柱中段固定在支架横梁中心且短支撑柱轴线与万向节轴线重合，支架固定在隔离基板上；所述管套线芯组由螺母、管套螺纹帽、管套和线芯组成，管套包裹线芯且线芯的两端伸出管套，管套上端连接在管套螺纹帽上；所述探头安装板四个角连接在四个线芯固定套上，四个线芯固定套固定在四根线芯下端，四根线芯上端关于短支撑柱轴线对称分布的固定在上横梁与下横梁上；所述管套下端固定在平台支撑板四个角上，管套螺纹帽与螺母安装在隔离基板上。
本发明提供的用于探头安装的水下三自由度装置，其特征在于：平台升降机构由伺服电机、伺服电机支架、左同步带轮、同步带、右同步带轮、丝杠、丝杠上支撑座、丝杠螺母、导轨支撑板、两根圆柱导轨、两个导套、四根长支撑柱、导套支撑板、丝杠下支撑座与平台支撑板组成，所述平台支撑板左右两边中点与两根圆柱导轨的一端相连，两根圆柱导轨的另一端分别固定在导轨支撑板左右两边中点连线上的对称处，导轨支撑板固定在丝杠螺母上；所述两根圆柱导轨分别与两个导套滑动连接，两个导套分别对称固定在导套支撑板上，导套支撑板四个角分别与四根长支撑柱一端相连，四根长支撑柱的另一端固定在隔离基板上；所述丝杠两端通过丝杠上支撑座和丝杠下支撑座安装在隔离基板和导套支撑板上，丝杠螺母安装在丝杠上；所述伺服电机固定在伺服电机支架上，伺服电机支架固定在隔离基板上，伺服电机与所述丝杠通过左同步带轮、同步带和右同步带轮传动联接。
本发明提供的用于探头安装的水下三自由度装置，其特征在于：管套螺纹帽处，通过调节管套螺纹帽与螺母配合位置，可控制线芯张紧力及上横梁、下横梁与探头安装板平行。
本发明提供的用于探头安装的水下三自由度装置，其特征在于：万向节转动轴线分别与对角上的线芯固定套端面中点连线重合，使对角线芯伸缩长度相等且结构可靠，提高控制精度。
所述的用于探头安装的水下三自由度装置，在平台偏转过程中不仅可以单自由度偏转，而且可以两自由度耦合偏转，可适应地形的范围广。
本发明的有益效果在于：
(1)利用线驱动将电机从关节处移至隔离基板上，解决电控部分防水要求，结构紧凑；
(2)通过平行四边形的方式，减少电机数目，解决一根线接一个驱动电机时的控制耦合问题，降低平台控制难度；
(3)通过管套式线芯的方式实现平台升降机构穿插于类平行四边形机构内，简化整个装置；
(4)通过调节长管套螺纹帽上与管套帽螺母配合位置的方法来控制线芯张紧上横梁、下横梁与平台板平行以满足设计要求，该方法简单、方便。
附图说明
图1为本发明的装置整体结构示意图。
图2为平台升降机构的结构示意图。
图3为类平行四边形机构的结构示意图。
图4为管套式长线芯组的结构示意图。
图5为万向节安装位置示意图。
附图中的标记为：1-隔离基板，2-平台升降机构，3-类平行四边形机构；
201-伺服电机，202-伺服电机支架，203-左同步带轮，204-同步带，205-长支撑柱，206-丝杠，207-导套支撑板，208-丝杠下支撑座，209-平台支撑板，210-圆柱导轨，211-导套，212-导轨支撑板，213-丝杠螺母，214-丝杠上支撑座，215-右同步带轮；
301-线芯固定套，302-管套式线芯组，303-电动推杆支架，304-电动推杆，305-上横梁，306-短支撑柱，307-支架，308-下横梁，309-万向节，310-探头安装板；
3021-螺母，3022-管套螺纹帽，3023-管套，3024-线芯；
3011-线芯固定套端面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明提供的用于探头安装的水下三自由度装置，由隔离基板1、平台升降机构2和两组类平行四边形机构3组成，其特征在于：平台升降机构2和两组类平行四边形机构3安装在隔离基板1上，平台升降机构2穿插于两组类平行四边形机构3之中，使隔离基板1的下方浸入水中，其中，
如图3、图4所示，所述两组类平行四边形机构3由探头安装板310、四个线芯固定套301、四组管套线芯组302、电动推杆支架303、两个电动推杆304、上横梁305、短支撑柱306、支架307、下横梁308、及万向节309组成，其特征在于：探头安装板310中心固定在万向节309上，万向节309固定在平台支撑板209中心上；所述上横梁距端面2/5处铰接在短支撑柱306上端；所述下横梁308距端面2/5处铰接在短支撑柱306下端且下横梁308与上横梁305垂直，上横梁305长端铰接在电动推杆304上，电动推杆304固定在电动推杆支架303上，电动推杆支架303固定在隔离基板1上；所述下横梁308长端铰接在另一个电动推杆304上，电动推杆304固定在隔离基板1上；所述短支撑柱306中段固定在支架307横梁中心且短支撑柱306轴线与万向节309轴线重合，支架307固定在隔离基板1上；所述管套线芯组302由螺母3021、管套螺纹帽3022、管套3023和线芯3024组成，管套3023包裹线芯3024且线芯3024的两端伸出管套3023，管套3023上端连接在管套螺纹帽3022上；所述探头安装板310四个角连接在四个线芯固定套301上，四个线芯固定套301固定在四根线芯3024下端，四根线芯3024上端关于短支撑柱306轴线对称分布的固定在上横梁305与下横梁308上；所述管套3023下端固定在平台支撑板209四个角上，管套螺纹帽3022与螺母3021安装在隔离基板1上。
如图2所示，本发明提供的用于探头安装的水下三自由度装置，其特征在于：平台升降机构2由伺服电机201、伺服电机支架202、左同步带轮203、同步带204、右同步带轮215、丝杠206、丝杠上支撑座214、丝杠螺母213、导轨支撑板212、圆柱导轨210、导套211、长支撑柱205、导套支撑板207、丝杠下支撑座208与平台支撑板209组成，其特征在于：平台支撑板209左右两边中点与两根圆柱导轨210的一端相连，两根圆柱导轨210的另一端分别固定在导轨支撑板212左右两边中点连线上的对称处，导轨支撑板212固定在丝杠螺母213上；所述两根圆柱导轨210分别与两个导套211滑动连接，两个导套211分别对称固定在导套支撑板207上，导套支撑板207四个角分别与四根长支撑柱205的一端相连，四根长支撑柱205的另一端固定在隔离基板1上；所述丝杠206两端通过丝杠上支撑座214和丝杠下支撑座208安装在隔离基板1和导套支撑板207上，丝杠螺母213安装在丝杠206上；所述伺服电机201固定在伺服电机支架202上，伺服电机支架202固定在隔离基板1上，伺服电机201与所述丝杠206通过左同步带轮203、同步带204和右同步带轮215传动联接。
如图3所示，本发明提供的用于探头安装的水下三自由度装置，其特征在于：管套螺纹帽3022处，通过调节管套螺纹帽3022与螺母3021配合位置，可控制线芯3024张紧力及上横梁305、下横梁308与探头安装板平行310。
如图5所示，本发明提供的用于探头安装的水下三自由度装置，其特征在于：万向节309转动轴线分别与对角上的线芯固定套端面3011中点连线重合，使对角线芯3024伸缩长度相等且结构可靠，提高控制精度。
工作原理：如图2所示，在平台升降状态时，伺服电机201通过左同步带轮203、同步带204和右同步带轮215驱动丝杠，使丝杠螺母213上下运动，丝杠螺母213通过导轨支撑板212和圆柱导轨206控制平台支撑板209升降。
如图3所示，在平台摆动状态时，两个旋转自由度分别由两组类平行四边形机构控制，其工作原理相同以其中一组为例，电动推杆304推动上横梁305偏转，上横梁305控制两组管套式线芯组302，其中一组管套式线芯组302线芯向上移动，另一组管套式线芯组302线芯向下移动，上下移动距离相等，通过线芯固定套301带动探头安装板偏转。
如图3所示，在平台升降状态时，平台支撑板209带动管套式线芯组302管套部分形状的改变，通过管套、线芯、隔离基板和平台支撑板相互作用使线芯始终处于绷紧状态。

Claims (4)

1.一种用于探头安装的水下三自由度装置，由隔离基板(1)、平台升降机构(2)和两组类平行四边形机构(3)组成，其特征在于：平台升降机构(2)和两组类平行四边形机构(3)安装在隔离基板(1)上，平台升降机构(2)穿插于两组类平行四边形机构(3)之中，使隔离基板(1)的下方浸入水中，其中，
所述两组类平行四边形机构(3)由探头安装板(310)、四个线芯固定套(301)、四组管套线芯组(302)、电动推杆支架(303)、两个电动推杆(304)、上横梁(305)、短支撑柱(306)、支架(307)、下横梁(308)、及万向节(309)组成，探头安装板(310)中心固定在万向节(309)上，万向节(309)固定在平台支撑板(209)中心上；所述上横梁距端面2/5处铰接在短支撑柱(306)上端；所述下横梁(308)距端面2/5处铰接在短支撑柱(306)下端且下横梁(308)与上横梁(305)垂直，上横梁(305)长端铰接在电动推杆(304)上，电动推杆(304)固定在电动推杆支架(303)上，电动推杆支架(303)固定在隔离基板(1)上；所述下横梁(308)长端铰接在另一个电动推杆(304)上，电动推杆(304)固定在隔离基板(1)上；所述短支撑柱(306)中段固定在支架(307)横梁中心且短支撑柱(306)轴线与万向节(309)轴线重合，支架(307)固定在隔离基板(1)上；所述管套线芯组(302)由螺母(3021)、管套螺纹帽(3022)、管套(3023)和线芯(3024)组成，管套(3023)包裹线芯(3024)且线芯(3024)的两端伸出管套(3023)，管套(3023)上端连接在管套螺纹帽(3022)上；所述探头安装板(310)四个角连接在四个线芯固定套(301)上，四个线芯固定套(301)固定在四根线芯(3024)下端，四根线芯(3024)上端关于短支撑柱(306)轴线对称分布的固定在上横梁(305)与下横梁(308)上；所述管套(3023)下端固定在平台支撑板(209)四个角上，管套螺纹帽(3022)与螺母(3021)安装在隔离基板(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种用于探头安装的水下三自由度装置，其特征在于：平台升降机构(2)由伺服电机(201)、伺服电机支架(202)、左同步带轮(203)、同步带(204)、右同步带轮(215)、丝杠(206)、丝杠上支撑座(214)、丝杠螺母(213)、导轨支撑板(212)、两根圆柱导轨(210)、两个导套(211)、四根长支撑柱(205)、导套支撑板(207)、丝杠下支撑座(208)与平台支撑板(209)组成，所述平台支撑板(209)左右两边中点与两根圆柱导轨(210)的一端相连，两根圆柱导轨(210)的另一端分别固定在导轨支撑板(212)左右两边中点连线上的对称处，导轨支撑板(212)固定在丝杠螺母(213)上；所述两根圆柱导轨(210)分别与两个导套(211)滑动连接，两个导套(211)分别对称固定在导套支撑板(207)上，导套支撑板(207)四个角分别与四根长支撑柱(205)一端相连，四根长支撑柱(205)的另一端固定在隔离基板(1)上；所述丝杠(206)两端通过丝杠上支撑座(214)和丝杠下支撑座(208)安装在隔离基板(1)和导套支撑板(207)上，丝杠螺母(213)安装在丝杠(206)上；所述伺服电机(201)固定在伺服电机支架(202)上，伺服电机支架(202)固定在隔离基板(1)上，伺服电机(201)与所述丝杠(206)通过左同步带轮(203)、同步带(204)和右同步带轮(215)传动联接。
3.根据权利要求1所述的一种用于探头安装的水下三自由度装置，其特征在于：管套螺纹帽(3022)处，通过调节管套螺纹帽(3022)与螺母(3021)配合位置，可控制线芯(3024)张紧力及上横梁(305)、下横梁(308)与探头安装板(310)平行。
4.根据权利要求1所述的一种用于探头安装的水下三自由度装置，其特征在于：万向节(309)转动轴线分别与对角上的线芯固定套端面(3011)中点连线重合，使对角线芯(3024)伸缩长度相等且结构可靠，提高控制精度。
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