CN104180968A - 一种高水压环境下三自由度运动的试验装置 - Google Patents

Abstract

一种高水压环境下三自由度运动的试验装置，涉及水下机械运动试验技术领域，包括机壳，机壳内设有支撑杆，支撑杆套有集成螺母。机壳内三个驱动装置的一端均设有输出轴，另一端与电气控制柜连接。第一驱动装置通过一传动组件连接第一丝杆，第一丝杆穿过集成螺母，第一丝杆通过转动，带动集成螺母实现水平方向的平动；第二驱动装置的输出轴连接垂直穿过集成螺母的第二丝杆，第二丝杆通过转动，带动第二驱动装置实现竖直方向的平动；第三驱动装置与第二驱动装置连接，其输出轴连接试验件，试验件通过该输出轴的带动，以竖直方向为轴心实现360°旋转。本发明能在高水压环境下实现三自由度运动，且运动精度高，保证了实验效果的全面性和精确性。

Description

一种高水压环境下三自由度运动的试验装置

技术领域

本发明涉及水下机械运动试验技术领域，具体涉及一种高水压环境下三自由度运动的试验装置。

背景技术

随着我国水下作业技术的不断发展，对水下机械的要求也越来越高。为了使水下机械的各项性能达到一定的要求，各种水下机械运动试验装置也应运而生。在水下环境中，水下机械运动试验装置通过带动试验对象运动，不断变换试验对象的测试角度和位置，来达到测试试验对象各项性能的目的。

目前，现有的水下机械运动试验装置多采用电机带动减速器，然后通过减速器带动一丝杆进行运动。但该类型的试验装置只能实现单个自由度的运动，且运动精度不高，试验效果不够全面、精准。另外，该试验装置仅能在一定水压下进行试验，不能满足高水压环境下的要求，适用范围窄。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高水压环境下三自由度运动的试验装置，能在高水压环境下实现三自由度运动，且运动精度高，保证了实验效果的全面性和精确性。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：提供一种高水压环境下三自由度运动的试验装置，包括机壳，所述机壳内水平固定有支撑杆，所述支撑杆活动套设有集成螺母，所述机壳内还设有三个驱动装置，每个驱动装置的一端设有输出轴，另一端与外置的电气控制柜连接。

第一驱动装置与支撑杆平行设置，并固定于机壳侧壁，所述第一驱动装置的输出轴通过一传动组件连接第一丝杆，所述第一丝杆与支撑杆平行设置，并穿过集成螺母，且第一丝杆通过转动，带动集成螺母实现水平方向的平动。

第二驱动装置竖直设置于集成螺母的上方，所述第二驱动装置的输出轴向下设置，并连接第二丝杆，所述第二丝杆垂直穿过集成螺母，且第二丝杆通过转动，带动第二驱动装置实现竖直方向的平动。

第三驱动装置竖直设置于集成螺母的一侧，所述第三驱动装置与第二驱动装置连接，所述第三驱动装置的输出轴向下设置，并连接试验件，所述试验件通过该输出轴的带动，以竖直方向为轴心实现360°旋转。

在上述技术方案的基础上，每个驱动装置包括依次连接的减速器、步进电机和编码器。所述减速器的轴即为驱动装置的输出轴，所述编码器的一端通过编码器引出线与外置的电气控制柜连接。

在上述技术方案的基础上，每个驱动装置的外部还设有耐压舱盖和耐压舱体。所述耐压舱盖与减速器固接，且减速器的轴穿出耐压舱盖；所述耐压舱体套于减速器、步进电机和编码器的外部，且耐压舱体的一端与耐压舱盖固接，另一端设有供编码器引出线穿出的电缆接口。

在上述技术方案的基础上，所述电缆接口内设有密封芯，密封芯的顶部、底部分别设有上压板、下压板，所述上压板的顶部设有压紧螺母，侧部设有定位销；且密封芯、上压板、下压板对应开设有多个供编码器引出线穿出的通孔。

在上述技术方案的基础上，所述耐压舱体内还设有用于检测漏水并自动报警的漏水传感器。

在上述技术方案的基础上，所述耐压舱盖与减速器的轴之间设有多个防漏水的动密封圈，所述动密封圈由衬环和套于衬环的O型圈组成。

在上述技术方案的基础上，所述耐压舱盖与减速器的轴之间设有减小摩擦的滑动衬套。

在上述技术方案的基础上，所述滑动衬套采用塑料材质制成。

在上述技术方案的基础上，所述传动组件包括同步带和两个同步带轮，一个同步带轮安装于第一驱动装置的输出轴，另一个同步带轮安装于第一丝杆，两个同步带轮通过同步带连接。

在上述技术方案的基础上，所述机壳的宽度不大于550mm；所述第一丝杆、第二丝杆的长度大于200mm，小于550mm。

本发明的有益效果在于：

1、本发明设计有三个驱动装置，分别用于实现水平方向的平动、竖直方向的平动和以竖直方向为轴心的360°旋转，达到了三自由度运动，使得试验效果更加全面。

2、本发明中，每个驱动装置均设计有进行闭环控制的编码器，能够将平动精度控制在±0.5mm、转动精度控制在±1°，使得运动精度高，保证了实验效果的精确性。

3、本发明中，每个驱动装置的外部设有耐压舱盖和耐压舱体，耐压舱盖和耐压舱体形成了耐压密封舱，能对驱动装置进行很好的保护，从而使整套试验装置能在22MPa的高水压环境下进行操作。

4、本发明中，耐压舱体内还设有漏水传感器。当耐压舱体内出现进水时，漏水传感器能检测到漏水并自动报警，能更好的保证驱动装置的正常运行。

5、本发明中，耐压舱盖与减速器的轴之间设有多个动密封圈，该动密封圈由衬环和O型圈组成，能起到很好的防漏水作用。另外，耐压舱盖与减速器的轴之间还设有滑动衬套，该滑动衬套采用进口的TTS78塑料材质，该塑料材质在水中具有良好的自润滑效果，在水中的膨胀系数小，保证了减速器的轴在水中传动扭矩时摩擦较小。

6、本发明中采用了适用于高压密封的电缆接口密封结构形式，保证了减速器、步进电机和编码器等执行元件在耐压密封舱内得到很好的保护。

7、本试验装置结构紧凑，机壳的宽度控制在550mm以内，更能适应高水压环境下的试验操作。

附图说明

图1为本发明试验装置的结构示意图；

图2为图1除去第二驱动装置和第二丝杆后的A-A＇方向剖面图；

图3为图1中B部分的放大图；

图4为图3中C部分的放大图；

图5为动密封圈的结构示意图。

附图标记：

1－机壳；2－支撑杆；3－集成螺母；4－第一驱动装置；5－第二驱动装置；6－第三驱动装置；7－传动组件，71－同步带，72－同步带轮；8－第一丝杆；9－第二丝杆；10－减速器；11－步进电机；12－编码器；13－耐压舱盖；14－耐压舱体；15－电缆接口，151－密封芯，152－上压板，153－下压板，154－压紧螺母，155－定位销；16－漏水传感器；17－动密封圈，171－衬环，172－O型圈；18－滑动衬套；19－试验件。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供一种高水压环境下三自由度运动的试验装置，包括机壳1，所述机壳1内水平固定有支撑杆2，所述支撑杆2活动套设有集成螺母3，所述机壳1内还设有三个驱动装置，每个驱动装置的一端设有输出轴，另一端与外置的电气控制柜连接。

第一驱动装置4与支撑杆2平行设置，并固定于机壳1侧壁，所述第一驱动装置4的输出轴通过一传动组件7连接第一丝杆8，所述第一丝杆8与支撑杆2平行设置，并穿过集成螺母3。第一丝杆8通过转动，带动集成螺母3实现水平方向的平动。

第二驱动装置5竖直设置于集成螺母3的上方，所述第二驱动装置5的输出轴向下设置，并连接第二丝杆9，所述第二丝杆9垂直穿过集成螺母3。第二丝杆9通过转动，带动第二驱动装置5实现竖直方向的平动。

第三驱动装置6竖直设置于集成螺母3的一侧，所述第三驱动装置6与第二驱动装置5连接，所述第三驱动装置6的输出轴向下设置，并连接试验件19。所述试验件19通过该输出轴的带动，以竖直方向为轴心实现360°旋转。

如图3所示，每个驱动装置包括依次连接的减速器10、步进电机11和编码器12，所述减速器10的轴即为驱动装置的输出轴，所述编码器12的一端通过编码器引出线与外置的电气控制柜连接。该编码器用于进行闭环控制，能够将平动精度控制在±0.5mm、转动精度控制在±1°，使得运动精度高，保证了实验效果的精确性。

另外，每个驱动装置的外部还设有耐压舱盖13和耐压舱体14，所述耐压舱盖13与减速器10固接，且减速器10的轴穿出耐压舱盖13；所述耐压舱体14套于减速器10、步进电机11和编码器12的外部，且耐压舱体14的一端与耐压舱盖13固接，另一端设有供编码器引出线穿出的电缆接口15。该耐压舱盖13和耐压舱体14形成了耐压密封舱，能对驱动装置进行很好的保护，从而使整套试验装置能在22MPa的高水压环境下进行操作。

如图4所示，所述电缆接口15内设有密封芯151，密封芯151的顶部、底部分别设有上压板152、下压板153，所述上压板152的顶部设有压紧螺母154，侧部设有定位销155。且密封芯151、上压板152、下压板153对应开设有多个供编码器引出线穿出的通孔。其中，压紧螺母154起压紧和固定作用，通过压紧螺母154的压力使密封芯151预压缩，建立初始密封，当水压作用时密封芯151被进一步被压紧，密封更加可靠。上压板152、下压板153可以保持密封芯151的形状，使密封芯151的压力均匀分布，防止密封芯151被挤坏。定位销155用于防止上压板152和密封芯151随压紧螺母154拧紧时一起旋转，将编码器引出线扭转。密封芯151为圆形结构，且密封芯151、上压板152和下压板153对应开设的通孔与编码器引出线外径相配合。

为了防止耐压舱盖13处漏水，所述耐压舱盖13与减速器10的轴之间设有多个防漏水的动密封圈17。如图5所示，所述动密封圈17由衬环171和套于衬环171的O型圈172组成，能起到很好的防漏水作用。并且，所述耐压舱体14内还设有用于检测漏水并自动报警的漏水传感器16。

为了避免耐压舱盖13与减速器10的轴之间产生过大的摩擦，所述耐压舱盖13与减速器10的轴之间还设有减小摩擦的滑动衬套18。该滑动衬套18采用进口的TTS78塑料材质，进口的TTS78塑料材料在水中具有良好的自润滑效果，在水中的膨胀系数小等优点，保证了减速器的轴在水中传动扭矩时摩擦较小。

本实施例中，传动组件7选用了同步带71和两个同步带轮72。一个同步带轮72安装于第一驱动装置4的输出轴，另一个同步带轮72安装于第一丝杆8，两个同步带轮72通过同步带71连接。另外，所述机壳1的内部结构紧凑，其宽度控制在550mm以内，更能适应高水压环境下的试验操作；所述第一丝杆8、第二丝杆9的长度大于200mm，小于550mm，使试验件19能实现水平和竖直两个方向不小于200mm的平动。

水平方向平动的实现过程：(1)首先在外置的电气控制柜的控制面板上设置运动速度和运动距离，控制系统中的软件程序会根据运动传动比自动计算出第一驱动装置4的步进电机11的脉冲数值；(2)按下控制面板上的启动按钮，步进电机11开始做旋转运动，然后通过步进电机11带动减速器10和编码器12运动，减速器10的轴作为第一驱动装置4的输出轴，继续将扭矩传递到与之连接的传动组件7，同时编码器12记录步进电机11的脉冲数；(3)传动组件7将动力传递到加工有梯形螺纹的第一丝杆8上，集成螺母3在第一丝杆8的作用力下实现水平方向的平动，集成螺母3带动第二驱动装置5、第三驱动装置6一起平动，从而使与第三驱动装置6连接的试验件19实现水平方向的平动；(4)通过编码器12记录的脉冲数准确地控制步进电机11的停止，从而实现高精度的运动。

竖直方向平动的实现过程：(1)首先在外置的电气控制柜的控制面板上设置运动速度和运动距离，控制系统中的软件程序会根据运动传动比自动计算出第二驱动装置5的步进电机11的脉冲数值；(2)按下控制面板上的启动按钮，步进电机11开始做旋转运动，然后通过步进电机11带动减速器10和编码器12运动，编码器记录步进电机的脉冲数；(3)减速器10的轴作为第二驱动装置5的输出轴，继续将扭矩传递到加工有梯形螺纹的第二丝杆9上，集成螺母3由于有支撑杆2的固定无法移动，这时反向使第二丝杆9带动第二驱动装置5、第三驱动装置6实现竖直方向的平动，从而使与第三驱动装置6连接的试验件19实现竖直方向的平动；(4)通过编码器12记录的脉冲数准确地控制步进电机11的停止，从而实现高精度的运动。

以竖直方向为轴心的360°旋转的实现过程：(1)首先在外置的电气控制柜的控制面板上设置运动速度和运动距离，控制系统中的软件程序会根据运动传动比自动计算出第三驱动装置6的步进电机11的脉冲数值；(2)按下控制面板上的启动按钮，第三驱动装置6的步进电机11开始做旋转运动，然后通过步进电机11带动减速器10和编码器12运动，减速器10直接带动试验件19实现以竖直方向为轴心的360°旋转，编码器12记录步进电机11的脉冲数；(3)通过编码器12记录的脉冲数准确地控制步进电机11的停止，从而实现高精度的运动。

利用本发明进行试验，可以实现单个自由度的运动，也可以实现任意两个自由度的合成运动，还可以实现三个自由度的合成运动。并且，能在高水压环境下进行操作，且运动精度高，保证了实验效果的全面性和精确性。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种高水压环境下三自由度运动的试验装置，其特征在于：包括机壳(1)，所述机壳(1)内水平固定有支撑杆(2)，所述支撑杆(2)活动套设有集成螺母(3)，所述机壳(1)内还设有三个驱动装置，每个驱动装置的一端设有输出轴，另一端与外置的电气控制柜连接；

第一驱动装置(4)与支撑杆(2)平行设置，并固定于机壳(1)侧壁，所述第一驱动装置(4)的输出轴通过一传动组件(7)连接第一丝杆(8)，所述第一丝杆(8)与支撑杆(2)平行设置，并穿过集成螺母(3)，且第一丝杆(8)通过转动，带动集成螺母(3)实现水平方向的平动；

第二驱动装置(5)竖直设置于集成螺母(3)的上方，所述第二驱动装置(5)的输出轴向下设置，并连接第二丝杆(9)，所述第二丝杆(9)垂直穿过集成螺母(3)，且第二丝杆(9)通过转动，带动第二驱动装置(5)实现竖直方向的平动；

第三驱动装置(6)竖直设置于集成螺母(3)的一侧，所述第三驱动装置(6)与第二驱动装置(5)连接，所述第三驱动装置(6)的输出轴向下设置，并连接试验件(19)，所述试验件(19)通过该输出轴的带动，以竖直方向为轴心实现360°旋转。

2.如权利要求1所述的高水压环境下三自由度运动的试验装置，其特征在于：每个驱动装置包括依次连接的减速器(10)、步进电机(11)和编码器(12)，所述减速器(10)的轴即为驱动装置的输出轴，所述编码器(12)的一端通过编码器引出线与外置的电气控制柜连接。

3.如权利要求2所述的高水压环境下三自由度运动的试验装置，其特征在于：每个驱动装置的外部还设有耐压舱盖(13)和耐压舱体(14)，所述耐压舱盖(13)与减速器(10)固接，且减速器(10)的轴穿出耐压舱盖(13)；所述耐压舱体(14)套于减速器(10)、步进电机(11)和编码器(12)的外部，且耐压舱体(14)的一端与耐压舱盖(13)固接，另一端设有供编码器引出线穿出的电缆接口(15)。

4.如权利要求3所述的高水压环境下三自由度运动的试验装置，其特征在于：所述电缆接口(15)内设有密封芯(151)，密封芯(151)的顶部、底部分别设有上压板(152)、下压板(153)，所述上压板(152)的顶部设有压紧螺母(154)，侧部设有定位销(155)；且密封芯(151)、上压板(152)、下压板(153)对应开设有多个供编码器引出线穿出的通孔。

5.如权利要求3所述的高水压环境下三自由度运动的试验装置，其特征在于：所述耐压舱体(14)内还设有用于检测漏水并自动报警的漏水传感器(16)。

6.如权利要求3所述的高水压环境下三自由度运动的试验装置，其特征在于：所述耐压舱盖(13)与减速器(10)的轴之间设有多个防漏水的动密封圈(17)，所述动密封圈(17)由衬环(171)和套于衬环(171)的O型圈(172)组成。

7.如权利要求3所述的高水压环境下三自由度运动的试验装置，其特征在于：所述耐压舱盖(13)与减速器(10)的轴之间设有减小摩擦的滑动衬套(18)。

8.如权利要求7所述的高水压环境下三自由度运动的试验装置，其特征在于：所述滑动衬套(18)采用塑料材质制成。

9.如权利要求1至8中任一项所述的高水压环境下三自由度运动的试验装置，其特征在于：所述传动组件(7)包括同步带(71)和两个同步带轮(72)，一个同步带轮(72)安装于第一驱动装置(4)的输出轴，另一个同步带轮(72)安装于第一丝杆(8)，两个同步带轮(72)通过同步带(71)连接。

10.如权利要求1至8中任一项所述的高水压环境下三自由度运动的试验装置，其特征在于：所述机壳(1)的宽度不大于550mm；所述第一丝杆(8)、第二丝杆(9)的长度大于200mm，小于550mm。