CN104122543A - 一种水听器自动升降回转扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水听器自动升降回转扫描装置，包括机架，机架上设有：沿机架作Z向升降运动的起落架；在起落架上作X向平移运动的活动架；在活动架上作Y向平移运动的移动平台；竖直安装在移动平台上的丝杠；受丝杠驱动做升降运动的升降台；竖直安装在升降台上的旋转主轴，该旋转主轴与升降台转动配合且轴向固定，旋转主轴的底部用于悬挂水听器或与水听器配合的被测样品；其中丝杠与旋转主轴的驱动方式如下：移动平台上安装有丝杠驱动步进电机，丝杠驱动步进电机通过丝杠同步带驱动丝杠旋转；移动平台上设有旋转套以及带动旋转套转动的步进电机，该步进电机通过传动带驱动旋转套，旋转主轴贯穿旋转套且与旋转套周向定位、轴向滑动配合。

Description

一种水听器自动升降回转扫描装置

技术领域

本发明涉及一种水听器测试用装置，尤其涉及一种水听器自动升降回转扫描装置。

背景技术

水听器俗称声纳，是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备。水听器是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。

随着水听器技术的不断发展，水听器的工作方式也发生了突飞猛进的变化。水听器阵列概念的提出便是该领域最新的概念。水听器阵列顾名思义，是通过控制同一阵列上不同水听器进行不同的运动，来实现对周围环境的全方位的监测或对某一物体的跟踪监控。这一概念的提出，对水听器的测试带来了巨大的挑战，需要进一步提高该检测装置的精度和控制的协调性。

测试水听器的装置如图1所示，声波发射器和被测样品9置于水中，水听器8安装在被测样品9周围，用于接收被测样品9的反射波，并通过计算机算出被测样品9的姿态，然后改变被测样品9的姿态，再通过水听器8接收得的反射波计算姿态变化后的值，并与实际调整值比较，即可得出水听器的测试精度。被测样品9姿态调整由升降回转扫描装置控制，升降回转扫描装置是一个四维运动控制系统，包括平台升降机构、水平移动机构(X轴，Y轴)，垂直移动机构(Z轴)以及旋转机构，其中的平台升降机构为水平移动机构的承载装置，它主要做升降运动，由于整个系统的入水深度有要求，当平台处于安装高度的时候光靠Z轴入水深度还不能满足要求，因此由平台升降机构带动整个机构升降来弥补。

升降回转扫描装置的精度和稳定性也直接影响到整个声呐系统的测试精度，因此升降回转扫描装置已经成为该设备生产、测试和检测过程中不可或缺的重要设备。

发明内容

为提升检测装置的精度和控制的协调性，本发明的水听器自动升降回转扫描装置是针对水听器测试的需要而专门设计的，有着自身独特的控制规律，它不仅可以极大的提高水听器的测试精度，而且可以大大缩短测试时间，加快水听器的开发周期。具体用于对50公斤及以下(50公斤以上的装置其机械及驱动系统需重新设计)水听器进行测试的高精度伺服控制系统。本装置主要用于改变被测水声部件和声源之间的深度、角度和距离，达到精确测量的目的。

一种水听器自动升降回转扫描装置，包括机架，其特征在于，所述机架上设有：

沿机架作Z向升降运动的起落架；

在起落架上作X向平移运动的活动架；

在活动架上作Y向平移运动的移动平台，且X向与Y向相互垂直；

竖直安装在所述的移动平台上的丝杠；

受所述丝杠驱动做升降运动的升降台；

竖直安装在所述升降台上的旋转主轴，该旋转主轴与升降台转动配合且轴向固定，旋转主轴的底部用于悬挂水听器或与水听器配合的被测样品；

其中所述丝杠与旋转主轴的驱动方式如下：

所述的移动平台上安装有丝杠驱动步进电机，丝杠驱动步进电机通过丝杠同步带驱动丝杠旋转；

所述的移动平台上设有旋转套以及带动旋转套转动的步进电机，该步进电机通过传动带驱动旋转套，所述旋转主轴贯穿旋转套且与旋转套周向定位、轴向滑动配合。

本发明的移动平台具有三维自由度，机架上设有驱动移动平台运动的X轴驱动组件、Y轴驱动组件和Z轴驱动组件，Z轴驱动组件包括驱动移动平台沿机架作Z向升降运动的起落架，X轴驱动组件包括驱动移动平台在起落架上作X向平移运动的活动架，Y轴驱动组件包括设置在活动架上设有Y向导轨，移动平台沿Y向导轨作Y向平移。被测样品的位置由X轴驱动组件、Y轴驱动组件、Z轴驱动组件和升降台控制，升降台用于控制被测样品在水中的深度，以弥补Z轴驱动组件在水深控制上的不足，X轴驱动组件和Y轴驱动组件用于控制被测样品在平面内进行平移，被测样品安装在旋转主轴的底端，步进电机通过传动带驱动旋转套，旋转套转动旋转主轴，调节被测样品的角度。

所述机架包括竖立的四根立柱，该四根立柱为起落架升降运动的导向柱，以机架的四根立柱作为起落架升降运动的导向柱，无需设置单独的起落架升降导向组件，减少装置组件配件，降低设备成本，导向柱可精确控制起落架的升降高度，提升Z轴驱动的精度，起落架的升降驱动机构安装在机架顶部。

在本发明中，升降驱动机构用于驱动起落架升降运动，其包括位于机架顶部一侧的升降驱动电机，该升降驱动电机具有延伸至机架顶部另一侧的传动轴；所述的升降驱动机构还包括设于机架顶部两侧的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮通过链条与传动轴两端的转动齿轮同步运动，主动齿轮和从动齿轮之间设有传动链，且主动齿轮和从动齿轮上均带有提升链，提升链的一端连接至所述的起落架，另一端悬挂有配重块。

升降驱动电机为57步进电机，并配备高精密减速器，控制起落架升降运动精度为0.1mm；与升降驱动电机连接的传动轴横跨机架两侧，通过链条驱动主动齿轮，主动齿轮通过传动链带动从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮均设有多个同步运动的单体齿轮，主动齿轮通过两根链条与传动轴同步，从动齿轮通过两根传动链由主动齿轮带动；同时，主动齿轮和从动齿轮上均设有提升链，两根提升链分别连接在起落架的两端，保持起落架平稳，提升链的另一端悬挂有配重块，配重块具有两个，分别位于起落架的两端，两个配重块的重量应大体与起落架相当，利于保持起落架的高度位置。

另外，在起落架升降运动时，为保持配重块的运动平稳，所述机架两侧设有导向杆，配重块上安装有沿导向杆滑动配合限位板，配重块位于一侧的两导向杆之间，本发明中的配重块呈方形，四角固定有限位板，限位板套设于导向杆上并与其滑动配合，为配重块的运动提供导向和限位。

起落架的设置，便于被测样品的装卸，由于装卸被测样品时安装人员必须进入起落架的下方，同时起落架也承载折整个升降回转扫描装置四维移动结构的重量，对于处于起落架下方的安装人员存在一定的安全隐患。为保证操作人员的人身安全，每根立柱上安装有起落架上位锁定装置，其包括固定于立柱上部的安装板，安装板上铰接有锁片，锁片具有打开和关闭两个工作位置，锁片打开时，起落架处于执行升降运动状态，锁片关闭后锁死起落架的运动；起落架上位锁定装置还包括感应锁片打开状态的第一传感器和受锁片关闭触动的第二传感器，以及分别受第一传感器和第二传感器控制的指示灯；四个第一传感器串联接入第一指示灯的控制回路，四个第二传感器串联接入第二指示灯的控制回路，实现四个第一传感器共同控制第一指示灯，以及四个第二传感器共同控制第二指示灯。

当起落架在执行升降运动时，四个锁片应拨到打开位置，第一指示灯根据四个第一传感器的信号处于点亮状态，此时禁止安装人员进入起落架下方，在起落架上升至极限位置后，将每个立柱上的锁片拨到关闭位置，四个锁片均关闭后，第二指示灯根据四个第二传感器的信号点亮，表示安装人员可以进入起落架下方进行操作。因此，起落架升降运动时，所有的锁片应处于打开状态，装卸待测样品时，所有的锁片应处于关闭状态。当所有的第一传感器和第二传感器处于触动状态时，相应的驱动伺服电机处于停止停止状态。

X轴驱动组件用于驱动移动平台作X向平移运动，所述起落架上安装有X向同步带，活动架上设有与X向同步带配合的X向行走齿轮，以及用于驱动X向行走齿轮的X向驱动步进电机，所述的活动架还设有X向行走齿轮两侧的X向张紧轮，所述X向同步带绕过X向张紧轮与X向行走齿轮啮合。X向同步带为直线型同步带，两端固定在起落架上，X向驱动步进电机驱动齿轮与X向同步带啮合，带动活动架沿X向运动，从而使得移动平台作X向平移运动。所述起落架上设有两个平行布置的X向导杆，活动架沿X向导杆滑动配合。

在本发明中，活动架上设有Y向同步带，移动平台设有Y向驱动步进电机，该Y向驱动步进电机设有与Y向同步带配合的Y向行走齿轮，Y向行走齿轮的两侧设有Y向张紧轮，Y向同步带绕过两Y向张紧轮与Y向行走齿轮啮合。移动平台上的Y向驱动步进电机的Y向行走齿轮与Y向同步带配合，驱动移动平台Y向运动，Y向张紧轮用于保持Y向同步带处于直线张紧状态，提升移动平台的Y向精度。

丝杠转动带动升降台上下运动，所述移动平台上设有安装丝杠的支架，以及引导升降台运动的导杆，为升降台运动提供导向。

本发明用于对50公斤及以下被测样品的水听器测试，便于控制，调整精度高，可以大大缩短测试时间，加快水听器的开发周期，装置采用高精度伺服控制系统，位置精度达到0.1mm，回转角度的精度达到0.1度，并给旋转主轴设置单独的升降驱动，以弥补Z轴驱动组件在水深控制上的不足，使水深度达到5m以上，适应更深的测试环境。

附图说明

图1为水听器测量装置示意图；

图2为升降回转扫描装置的机械部分示意正视图；

图3为升降回转扫描装置的机械部分示意侧视图；

图4为升降回转扫描装置的机械部分示意俯视图；

图5为升降回转扫描装置的自动控制系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，水听器的测量装置主要由两部分组成：水上仪器设备和水下部分。水上仪器设备包括：计算机及外设1、声波发射器2、样品扫描机构3、样品回转升降机构4和数据采集系统5。水下部分包括：发射换能器6、测量反射波的双水听器7、测量透射波的双水听器8和被测样品9，具有指向性的发射换能器7安装于样品回转升降机构4上；双水听器7和双水听器8具有接收指向性，安装于样品扫描机构3上，扫描测量被测样品9的近场，扫描面积大于等于被测样品9面积；被测水声构件样品安装于样品回转升降机构4上，被测量的水声构件样品尺寸为1.2m×1.6m。

本发明的水听器自动升降回转扫描装置，主要用于调整被测样品在水中的姿态，包括自动控制系统和机械结构部分。

如图2、图3和图4所示，机械结构部分包括机架21，安装在机架21上且具有三维自由度的移动平台50，和驱动移动平台50运动的X轴驱动组件、Y轴驱动组件和Z轴驱动组件。移动平台50上转动配合有丝杠41，与丝杠41螺纹配合有上下运动的升降台40，升降台40上活动安装有旋转主轴44，该旋转主轴44伸入移动平台50下方的水中，被测样品固定在旋转主轴44的底端。

移动平台50经X轴驱动组件、Y轴驱动组件和Z轴驱动组件实现三维移动，以驱动被测样品在水中的位置发生变化；同时，转动的丝杠41可驱动升降台40上下运动，便于安装，而且可以控制被测样品在水中的深度，弥补Z轴驱动组件在水深控制上的不足；转动旋转主轴44，可改变被测样品在水中的回转角度，实现被测样品的四维运动。

机架21安装在水池的上方，具体为框型架体结构，其具有竖立的四根立柱38。Z轴驱动组件包括驱动移动平台50沿机架21作Z向升降运动的起落架55，立柱38为框体结构的起落架55提供运动导向，即立柱为导向柱，提高运动精度，起落架55的升降驱动机构安装于机架21顶部两侧。

升降驱动机构包括升降驱动电机54，升降驱动电机54具有延伸至机架21顶部另一侧的转动轴，机架顶部两侧均设有与传动轴同步的主动齿轮45和从动齿轮46，主动齿轮45通过链条与传动轴两端的转动齿轮同步运动，主动齿轮45和从动齿轮46之间设有传动链，且主动齿轮45和从动齿轮46上均带有提升链48，提升链48的一端连接至起落架55，另一端悬挂有配重块49。本实施例中的升降驱动电机为57步进电机，并配备高精密减速器，控制起落架55升降运动精度为0.1mm，两块配重块49位于机架21的两侧，四根提升链48为起落架55提供平稳升降运动，配重块49用于起落架55的高度保持，且两个配重块49的重量应大体与起落架55相当。

为保持配重块49的运动平稳，机架21两侧设有导向柱47，配重块49上安装有沿导向柱47滑动配合限位板，本实施例中的配重块49呈矩形，尺寸为1.2m*1.6m，限位板固定在其四角，限位板套设于导向柱上并与其滑动配合，为配重块提供导向和限位。

在装卸被测样品时安装人员必须进入起落架55的下方，同时起落架55也承载折整个升降回转扫描装置四维移动结构的重量，对于处于起落架55下方的安装人员存在一定的安全隐患。为保证操作人员的人身安全，每根立柱38上安装有起落架上位锁定装置43，其包括固定于立柱上部的安装板，安装板上铰接有锁片，锁片具有打开和关闭两个工作位置，锁片打开时，起落架处于执行升降运动状态，锁片关闭后锁死起落架的运动；起落架上位锁定装置还包括感应锁片打开状态的第一传感器和受锁片关闭触动的第二传感器，以及分别受第一传感器和第二传感器控制的指示灯；四根立柱上的第一传感器共同控制第一指示灯，第二传感器共同控制第二指示灯，且四个第一传感器串联接入第一指示灯的控制回路，四个第二传感器串联接入第二指示灯的控制回路。当起落架在执行升降运动时，四个锁片应拨到打开位置，第一指示灯根据四个第一传感器的信号处于点亮状态，此时禁止安装人员进入起落架下方，在起落架上升至极限位置后，将每个立柱上的锁片拨到关闭位置，第二指示灯点亮，表示安装人员可以进入起落架下方进行操作，操作完毕后，需要重新将各锁片拨到打开状态，才能启动起落架。因此，起落架升降运动时，所有的锁片应处于打开状态，装卸待测样品时，所有的锁片应处于关闭状态。

X轴驱动组件和Y轴驱动组件用于驱动移动平台50在平面上平移。X轴驱动组件包括驱动移动平台50在起落架55上作X向平移运动的活动架53和安装在起落架55上的X向同步带，活动架53上设有X向驱动步进电机，该X向驱动步进电机设有与X向同步带配合的X向行走齿轮。X向同步带为直线型同步带，两端固定在起落架55上，X向驱动步进电机驱动X向行走齿轮与X向同步带啮合，带动活动架53沿X向运动，从而引导移动平台50作X向平移运动。起落架55上设有两个平行布置的X向导杆，活动架沿X向导杆滑动配合，起落架55上也安装有沿X向布置的钢尺44，用于指示当前被测样品的X向位置。

Y轴驱动组件包括设置在活动架53上设有Y向导轨52和Y向同步带51，移动平台50沿Y向导轨作Y向平移，移动平台50上设有与Y向同步带51配合的Y向驱动步进电机，该Y向驱动步进电机设有与Y向同步带啮合的Y向行走齿轮，Y向行走齿轮的两侧设有张紧轮，Y向同步带绕过两张紧轮与Y向行走齿轮啮合，使Y向同步带处于直线张紧拉伸状态，可提升移动平台的Y向移动精度。为便于直观了解移动平台的位置，活动架55上也设置了钢尺。

在本实施例中，丝杠41由安装在移动平台50上的步进电机驱动，丝杠驱动步进电机通过丝杠同步带驱动丝杠41旋转，丝杠41转动驱动升降台40上下运动。移动平台50上部安装有支架39和用于引导升降台40运动的导杆，支架39上设有指示待测样品的伸入水深的钢尺42。

移动平台50上设有旋转套以及带动旋转套转动的步进电机，该步进电机通过传动带驱动旋转套，旋转主轴44贯穿旋转套且与旋转套周向定位、轴向滑动配合。旋转套带动旋转主轴44转动，旋转主轴44穿过移动平台50伸入水池中，带动水中的被测样品旋转，改变其回转角度。

如图5所示，自动控制系统包括：核心控制器10、触摸屏11、操作室工业控制计算机12、驱动伺服/步进电机控制模块13、回转扫描装置控制模块14、传感器15、通讯连接线16和通讯连接线17。系统指令由操作室工业控制计算机12或触摸屏11发出，触摸屏11通过通讯连接线16连接核心控制器10，操作室工业控制计算机12通过通讯连接线17连接核心控制器10，将指令发到核心控制器10，根据指令内容启动驱动伺服/步进电机控制模块13，由驱动伺服/步进电机来驱动升降回转装动作，再由传感器15将得到的反馈信息传递给核心控制器10，再由操作室工业控制计算机12或触摸屏11通过自主设计的软件将数据反馈给操作人员，使其采取相应的控制策略等。

Claims (10)

1.一种水听器自动升降回转扫描装置，包括机架，其特征在于，所述机架上设有： 

沿机架作Z向升降运动的起落架； 

在起落架上作X向平移运动的活动架； 

在活动架上作Y向平移运动的移动平台，且X向与Y向相互垂直； 

竖直安装在所述的移动平台上的丝杠； 

受所述丝杠驱动做升降运动的升降台； 

竖直安装在所述升降台上的旋转主轴，该旋转主轴与升降台转动配合且轴向固定，旋转主轴的底部用于悬挂水听器或与水听器配合的被测样品； 

其中所述丝杠与旋转主轴的驱动方式如下： 

所述的移动平台上安装有丝杠驱动步进电机，丝杠驱动步进电机通过丝杠同步带驱动丝杠旋转； 

所述的移动平台上设有旋转套以及带动旋转套转动的步进电机，该步进电机通过传动带驱动旋转套，所述旋转主轴贯穿旋转套且与旋转套周向定位、轴向滑动配合。 

2.如权利要求1所述的水听器自动升降回转扫描装置，其特征在于，所述移动平台上设有安装丝杠的支架，以及引导升降台运动的导杆。 

3.如权利要求1所述的水听器自动升降回转扫描装置，其特征在于，所述机架具有竖立的四根立柱，该四根立柱为起落架升降运动的导向柱，机架顶部设有起落架的升降驱动机构。 

4.如权利要求3所述的水听器自动升降回转扫描装置，其特征在于，所述的升降驱动机构包括位于机架顶部一侧的升降驱动电机，该升降驱动电机具有延伸至机架顶部另一侧的传动轴； 

所述的升降驱动机构还包括设于机架顶部两侧且与传动轴同步转动的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮上均带有提升链，提升链的一端连接至所述的起落架，另一端悬挂有配重块。 

5.如权利要求4所述的水听器自动升降回转扫描装置，其特征在于，所述机架两侧设有导向杆，配重块上安装有沿导向杆滑动配合限位板。 

6.如权利要求3所述的水听器自动升降回转扫描装置，其特征在于，每根立柱上安装有起落架上位锁定装置，其包括固定于立柱上部的安装板，安装板上铰接有锁片，锁片具有打开和关闭两个工作位置，锁片打开时，起落架处于执行升降运动状态，锁片关闭后锁死起落架的运动； 

起落架上位锁定装置还包括感应锁片打开状态的第一传感器和受锁片关闭触动的第二传感器，以及分别受第一传感器和第二传感器控制的第一指示灯和第二指示灯，四根立柱上的第一传感器串联接入第一指示灯的控制回路，四个第二传感器串联接入第二指示灯的控制回路。 

7.如权利要求1所述的水听器自动升降回转扫描装置，其特征在于，所述起落架上安装有X向同步带，活动架上设有与X向同步带配合的X向行走齿轮，以及用于驱动X向行走齿轮的X向驱动步进电机。 

8.如权利要求7所述的水听器自动升降回转扫描装置，其特征在于，所述的活动架还设有位于X向行走齿轮两侧的X向张紧轮，所述X向同步带绕过X向张紧轮与X向行走齿轮啮合。 

9.如权利要求1所述的水听器自动升降回转扫描装置，其特征在于，所述活动架上设有Y向同步带，移动平台上设有Y向驱动步进电机，该Y向驱动步进电机设有与Y向同步带配合的Y向行走齿轮。 

10.如权利要求9所述的水听器自动升降回转扫描装置，其特征在于，Y向行走齿轮的两侧设有Y向张紧轮，Y向同步带绕过两Y向张紧轮与Y向行走齿轮啮合。