CN104677670A - 一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及驱动装置技术领域，旨在提供一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置及其控制方法。该种用于深海沉积物保压转移的驱动装置包括前端盖、螺母导向杆、滑动螺母、驱动螺杆、后端盖、磁致伸缩传感器、抓手和磁环；该种控制方法包括：对接过程、抓取过程、切割过程、转移过程、脱离过程、重新安装保压分装单元过程。本发明选用磁致伸缩传感器，可以可靠地测量绝对位移；本发明选用驱动螺杆仅保留旋转运动，滑动螺母仅保留轴向平移运动的方案，可有效控制与滑动螺母相固定的抓手的前进，后退运动；本发明采用闭环控制的策略，可准确的控制抓手的运动位置，为保压转移打下坚实的技术基础。

Description

一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置及其控制方法

技术领域

本发明是关于驱动装置技术领域，特别涉及一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置及其控制方法。

背景技术

随着陆地上石油等资源日益枯竭，深海沉积物中的天然气水合物作为储量丰富的优质替代能源，近年来越发引起国际重视。但由于天然气水合物稳定存在于低温高压条件下这样特殊的物理学性质，当开采岩心被直接开采到常温常压的海面上时，其中含有的天然气水合物组分会全部或大部分分解，达不到勘探目的。

海底天然气水合物保真取样器通过近10年的研制已经基本成型，其取样深度、样品长度、保压指标屡创新高。但在样品转移方面通常作法是降压转移，这种作法会使得沉积物样品含有的水合物在压力降低的情况下析出，影响后续实验室后处理的判别效果，国内到目前为止样品保压转移技术仍未有实质性的突破。

因此，研制一套与保压取样装置对接的保压转移装置，最大限度的保证样品在转移过程中环境不变，对维持沉积物原有结构及性质具有重要意义，对样品检测数据的真实可信至关重要。在保压转移装置中，驱动装置及其使用方法是保压转移的关键基础技术，该研究成果为天然气水合物研究从采集阶段到深入研究水合物性质阶段提供重要支撑。但驱动装置需要在高压环境下作业，研发难度大，这一关键环节的提供主要由国外公司垄断。

比如英国Geotek公司研制开发的PCATS系统(Pressure Core Analysis and TransferSystem)采用的是基于机械臂的方法，在将取样器与之连接后，机械臂可将样品在保压腔内整个沿轴向拖动，压力腔内可进行样品切割、检测；PCATS设备对整个柱状样品操作，体积大，占用实验空间更大，结构复杂且设备成本高。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置及其控制方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置，包括前端盖、螺母导向杆、滑动螺母、驱动螺杆、后端盖、磁致伸缩传感器、抓手和磁环；所述驱动螺杆设置在前端盖和后端盖之间，并能在前端盖和后端盖之间做轴向旋转，即驱动螺杆的一端轴向固定在前端盖上，另一端轴向固定在后端盖上；

所述螺母导向杆、磁致伸缩传感器都分别设置在前端盖和后端盖之间，即螺母导向杆、磁致伸缩传感器的一端都分别固定在前端盖上，另一端都分别固定在后端盖上；磁致伸缩传感器用于通过实时检测滑动螺母的绝对位置，测量获得滑动螺母的实际位移值；

所述滑动螺母为圆柱体结构的螺母，滑动螺母的一个底面上打有三个孔，分别为螺纹孔、光滑孔和抓手孔；所述螺纹孔贯穿滑动螺母且内壁设有螺纹，驱动螺杆穿过螺纹孔，并通过螺纹与滑动螺母相连；所述光滑孔贯穿滑动螺母且内壁光滑，磁致伸缩传感器穿过光滑孔，且光滑孔上还嵌有磁环，用于磁致伸缩传感器对滑动螺母的实际位移的检测；所述抓手孔不贯穿滑动螺母，所述抓手的后端穿进抓手孔中，用于实现抓手和滑动螺母的相对固定，抓手的前端能用于抓取物件；所述滑动螺母的圆柱面上还开有一个方形槽，螺母导向杆嵌入方形槽内与滑动螺母接触，用于限制滑动螺母的轴向旋转运动。

在本发明中，所述驱动螺杆、抓手的内部分别打有孔，用于减轻重量。

在本发明中，所述抓手包括顶针、螺纹杆、推筒、螺母套和给进转头，顶针固定于螺纹杆的前端，螺纹杆嵌套于推筒、螺母套、给进转头相互连接组成的圆筒之间；给进转头正转或者反转时，抓手前端的顶针能伸出或缩回，从而实现抓手前端抓牢或松开物件。

在本发明中，所述驱动螺杆、磁致伸缩传感器的横截面都是圆形，螺母导向杆的横截面为长方形，抓手的横截面为正六边形。

在本发明中，所述滑动螺母是材质为316不锈钢的圆柱形钢锭打孔、开槽加工而成的螺母。

在本发明中，所述用于深海沉积物保压转移的驱动装置还包括驱动电机，驱动电机能带动驱动螺杆旋转。

在本发明中，所述驱动电机采用220v直流调速电机。

在本发明中，所述用于深海沉积物保压转移的驱动装置还包括控制器，控制器能接收磁致伸缩传感器实时监测到的绝对位移，并将磁致伸缩传感器监测到的位置数据与设定的位移数据相比较，通过控制驱动电机的速度和启停，实现抓手位置的闭环控制。

在本发明中，所述控制器采用51单片机控制板。

提供基于所述的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置的控制方法，用于实现深海沉积物保压转移装置的样品转移过程；所述深海沉积物保压转移装置包括卡紧单元、切割单元、保压分装单元、样品抓取及推拉单元和取样器，且取样器内部取有样品，所述样品抓取及推拉单元即指用于深海沉积物保压转移的驱动装置，所述控制方法具体包括下述步骤：

步骤A(对接过程)：将取样器与深海沉积物保压转移装置对接，此时滑动螺母处于初始位置，即在螺母导向杆上靠近前端盖这一端，磁致伸缩传感检测到的位置数据为最小值，驱动电机未启动；

步骤B(抓取过程)：启动驱动电机，带动驱动螺杆旋转，(由于滑动螺母与驱动螺杆之间为螺纹连接，且滑动螺母被螺母导向杆限制运动方向)滑动螺母在驱动螺杆的作用下向后端盖的方向做轴向平移运动，由于抓手与滑动螺母相对固定，因此抓手也做轴向平移运动；当磁致伸缩传感器检测滑动螺母运动到指定位置时，即此时抓手前端刚好进入取样器，并且接触取样器内装有样品的沉积物样品管，控制器使驱动电机停止旋转，抓手停下；

步骤C(切割过程)：在抓手抓取样品管之后，控制器控制驱动电机反转，带动驱动螺杆反向旋转，(由于滑动螺母与驱动螺杆之间为螺纹连接，且滑动螺母被螺母导向杆限制运动方向)滑动螺母在驱动螺杆的作用下向前端盖的方向做轴向平移运动，由于抓手与滑动螺母相对固定，因此抓手带动取样管向前端盖方向做轴向平移运动；抓手前端及样品管前端在距离深海沉积物保压转移装置的切割单元距离D处停下，所述距离D为需要切割的子样品长度；

步骤D(转移过程)：子样品切割完成后，此时抓手仍抓牢子样品；抓手在驱动电机的作用下，带动子样品向前端盖方向移动，达到深海沉积物保压转移装置的保压分装单元时停止运动；

步骤E(脱离过程)：子样品到达保压分装单元后，抓手前端脱离样品管，然后在驱动电机的驱动下，抓手向前端盖方向移动，抓手前端移出样品管，并继续运动移出保压分装单元，返回深海沉积物保压转移装置的样品抓取及推送单元，此时滑动螺母回到初始位置；滑动螺母复位后，停止驱动电机；即此时，用于深海沉积物保压转移的驱动装置实现复位；

步骤F(重新安装保压分装单元过程)：在样品抓取及推拉单元与切割单元之间，重新安装新的保压分装单元；此阶段驱动电机一直不工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明选用磁致伸缩传感器，可以可靠地测量绝对位移，由于在保压转移的一个工作循环中，本装置中驱动电机需要多次启停，采用编码器测量滑动螺母的位移会出现累计误差，且在多次的启停中可能会丢失位移数据。

2、本发明选用驱动螺杆仅保留旋转运动，滑动螺母仅保留轴向平移运动的方案，可有效控制与滑动螺母相固定的抓手的前进，后退运动。

3、本发明采用闭环控制的策略，可准确的控制抓手的运动位置，为保压转移打下坚实的技术基础。

4、本发明将有效地促进我国天然气水合物的研究进展，为最终开采天然气水合物提供技术储备；同时此研究成果还可用于其他海洋调查项目，具有十分广阔的应用及推广前景。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为本发明中滑动螺母的示意图。

图3为本发明的工作流程图。

图4为本发明的控制原理图。

图中的附图标记为：1前端盖；2螺母导向杆；3滑动螺母；4驱动螺杆；5后端盖；6磁致伸缩传感器；7抓手；8控制器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置包括前端盖1、螺母导向杆2、滑动螺母3、驱动螺杆4、后端盖5、磁致伸缩传感器6、抓手7、驱动电机和控制器8。

所述驱动螺杆4设置在前端盖1和后端盖5之间，并能在前端盖1和后端盖5之间做轴向旋转，即驱动螺杆4的一端轴向固定在前端盖1上，另一端轴向固定在后端盖5上，保持了轴向旋转的自由度。驱动螺杆4的横截面为圆形，内部打有孔，用于减轻重量。

所述螺母导向杆2、磁致伸缩传感器6都分别设置在前端盖1和后端盖5之间，即螺母导向杆2、磁致伸缩传感器6的一端都分别固定在前端盖1上，另一端都分别固定在后端盖5上。螺母导向杆2的横截面为长方形，磁致伸缩传感器6的横截面为圆形，磁致伸缩传感器6用于通过实时检测滑动螺母3的绝对位置，测量获得滑动螺母3的实际位移值。

如图2所示，所述滑动螺母3为圆柱体结构的螺母，且采用材质为316不锈钢的圆柱形钢锭打孔、开槽加工而成。滑动螺母3的端面上打有三个孔，分别为螺纹孔、光滑孔和抓手孔；所述螺纹孔贯穿滑动螺母3且内壁设有螺纹，驱动螺杆4穿设通过螺纹孔，并通过螺纹与滑动螺母3相连；所述光滑孔贯穿滑动螺母3且内壁光滑，磁致伸缩传感器6穿设通过光滑孔，且光滑孔上还嵌有磁环，用于磁致伸缩传感器6对滑动螺母3的实际位移的检测；所述抓手孔不贯穿滑动螺母3，所述抓手7的后端穿设进抓手孔中，用于实现抓手7和滑动螺母3的相对固定，抓手7仅能做轴向的平移运动。抓手7包括顶针、螺纹杆、推筒、螺母套和给进转头，顶针固定于螺纹杆的前端，螺纹杆嵌套于推筒、螺母套、给进转头相互连接组成的圆筒之间；给进转头正转或者反转时，抓手7前端的顶针能伸出或缩回，从而实现抓手7前端抓牢或松开物件；抓手7的横截面为正六边形，且抓手7的内部打有孔，用于减轻重量。所述滑动螺母3的圆柱面上还开有一个方形槽，螺母导向杆2嵌入方形槽内与滑动螺母3接触，用于限制滑动螺母3的轴向旋转运动。

在驱动装置中，滑动螺母3被驱动螺杆4所驱动，又因为螺母导向杆2的限制，只能做轴向的平移运动，不能做其他方向的旋转及平移运动。

所述驱动电机能带动驱动螺杆4旋转，这里采用220v直流调速电机。

如图4所示，所述控制器8能接收磁致伸缩传感器6实时监测到的绝对位移，并将磁致伸缩传感器6监测到的位置数据与设定的位移数据相比较，通过控制驱动电机的速度和启停，实现抓手7位置的闭环控制。这里的控制器8采用51单片机控制板。

如图3所示，基于所述的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置的控制方法，用于实现保压转移装置的样品转移过程，且保压转移装置中的取样器内部取有样品。所述控制方法具体包括下述步骤：

步骤A(对接过程)：将保压转移装置的取样器与深海沉积物保压转移装置对接，此装置包括卡紧单元、切割单元、保压分装单元、样品抓取及推拉单元(此单元即本专利所述的驱动装置)此时滑动螺母3处于初始位置，即在螺母导向杆2上靠近前端盖1这一端，磁致伸缩传感6检测到的位置数据为最小值，驱动电机未启动；

步骤B(抓取过程)：启动驱动电机，带动驱动螺杆4旋转，由于滑动螺母3与驱动螺杆4之间为螺纹连接，且滑动螺母3被螺母导向杆2限制运动方向，滑动螺母3在驱动螺杆4的作用下向后端盖5的方向做轴向平移运动，由于抓手7与滑动螺母3相对固定，因此抓手7也做轴向平移运动；当磁致伸缩传感器6检测滑动螺母3运动到指定位置时，即此时抓手7前端刚好进入取样器，并且接触取样器内装有样品的沉积物样品管，控制器8使驱动电机停止旋转，抓手7停下；

步骤C(切割过程)：在抓手7抓取样品管之后，控制器8控制驱动电机反转，带动驱动螺杆4反向旋转，由于滑动螺母3与驱动螺杆4之间为螺纹连接，且滑动螺母3被螺母导向杆2限制运动方向，滑动螺母3在驱动螺杆4的作用下向前端盖1的方向做轴向平移运动，由于抓手7与滑动螺母3相对固定，因此抓手7带动取样管向前端盖1方向做轴向平移运动；抓手7前端及样品管前端在距离深海沉积物保压转移装置的切割单元距离D处停下，所述距离D为需要切割的子样品长度；

步骤D(转移过程)：子样品切割完成后，此时抓手7仍抓牢子样品；抓手7在驱动电机的作用下，带动子样品向前端盖1方向移动，达到深海沉积物保压转移装置的保压分装单元时停止运动；

步骤E(脱离过程)：子样品到达保压分装单元后，抓手7前端脱离样品管，然后在驱动电机的驱动下，抓手7向前端盖1方向移动，抓手7前端移出样品管，并继续运动移出保压分装单元，返回样品深海沉积物保压转移装置的抓取及推送单元，此时滑动螺母3回到初始位置；滑动螺母3复位后，停止驱动电机；此时，驱动装置已经实现复位；

步骤F(重新安装保压分装单元过程)：在样品抓取及推拉单元与切割单元之间，重新安装新的保压分装单元。此阶段驱动电机一直不工作。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置，其特征在于，包括前端盖、螺母导向杆、滑动螺母、驱动螺杆、后端盖、磁致伸缩传感器、抓手和磁环；所述驱动螺杆设置在前端盖和后端盖之间，并能在前端盖和后端盖之间做轴向旋转，即驱动螺杆的一端轴向固定在前端盖上，另一端轴向固定在后端盖上；

所述螺母导向杆、磁致伸缩传感器都分别设置在前端盖和后端盖之间，即螺母导向杆、磁致伸缩传感器的一端都分别固定在前端盖上，另一端都分别固定在后端盖上；磁致伸缩传感器用于通过实时检测滑动螺母的绝对位置，测量获得滑动螺母的实际位移值；

所述滑动螺母为圆柱体结构的螺母，滑动螺母的一个底面上打有三个孔，分别为螺纹孔、光滑孔和抓手孔；所述螺纹孔贯穿滑动螺母且内壁设有螺纹，驱动螺杆穿过螺纹孔，并通过螺纹与滑动螺母相连；所述光滑孔贯穿滑动螺母且内壁光滑，磁致伸缩传感器穿过光滑孔，且光滑孔上还嵌有磁环，用于磁致伸缩传感器对滑动螺母的实际位移的检测；所述抓手孔不贯穿滑动螺母，所述抓手的后端穿进抓手孔中，用于实现抓手和滑动螺母的相对固定，抓手的前端能用于抓取物件；所述滑动螺母的圆柱面上还开有一个方形槽，螺母导向杆嵌入方形槽内与滑动螺母接触，用于限制滑动螺母的轴向旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置，其特征在于，所述驱动螺杆、抓手的内部分别打有孔，用于减轻重量。

3.根据权利要求1所述的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置，其特征在于，所述抓手包括顶针、螺纹杆、推筒、螺母套和给进转头，顶针固定于螺纹杆的前端，螺纹杆嵌套于推筒、螺母套、给进转头相互连接组成的圆筒之间；给进转头正转或者反转时，抓手前端的顶针能伸出或缩回，从而实现抓手前端抓牢或松开物件。

4.根据权利要求1所述的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置，其特征在于，所述驱动螺杆、磁致伸缩传感器的横截面都是圆形，螺母导向杆的横截面为长方形，抓手的横截面为正六边形。

5.根据权利要求1所述的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置，其特征在于，所述滑动螺母是材质为316不锈钢的圆柱形钢锭打孔、开槽加工而成的螺母。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置，其特征在于，所述用于深海沉积物保压转移的驱动装置还包括驱动电机，驱动电机能带动驱动螺杆旋转。

7.根据权利要求6所述的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置，其特征在于，所述驱动电机采用220v直流调速电机。

8.根据权利要求6所述的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置，其特征在于，所述用于深海沉积物保压转移的驱动装置还包括控制器，控制器能接收磁致伸缩传感器实时监测到的绝对位移，并将磁致伸缩传感器监测到的位置数据与设定的位移数据相比较，通过控制驱动电机的速度和启停，实现抓手位置的闭环控制。

9.根据权利要求8所述的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置，其特征在于，所述控制器采用51单片机控制板。

10.基于权利要求1所述的一种用于深海沉积物保压转移的驱动装置的控制方法，用于实现深海沉积物保压转移装置的样品转移过程；所述深海沉积物保压转移装置包括卡紧单元、切割单元、保压分装单元、样品抓取及推拉单元和取样器，且取样器内部取有样品，其特征在于，所述样品抓取及推拉单元即指用于深海沉积物保压转移的驱动装置，所述控制方法具体包括下述步骤：

步骤A：将取样器与深海沉积物保压转移装置对接，此时滑动螺母处于初始位置，即在螺母导向杆上靠近前端盖这一端，磁致伸缩传感检测到的位置数据为最小值，驱动电机未启动；

步骤B：启动驱动电机，带动驱动螺杆旋转，滑动螺母在驱动螺杆的作用下向后端盖的方向做轴向平移运动，由于抓手与滑动螺母相对固定，因此抓手也做轴向平移运动；当磁致伸缩传感器检测滑动螺母运动到指定位置时，即此时抓手前端刚好进入取样器，并且接触取样器内装有样品的沉积物样品管，控制器使驱动电机停止旋转，抓手停下；

步骤C：在抓手抓取样品管之后，控制器控制驱动电机反转，带动驱动螺杆反向旋转，滑动螺母在驱动螺杆的作用下向前端盖的方向做轴向平移运动，由于抓手与滑动螺母相对固定，因此抓手带动取样管向前端盖方向做轴向平移运动；抓手前端及样品管前端在距离深海沉积物保压转移装置的切割单元距离D处停下，所述距离D为需要切割的子样品长度；

步骤D：子样品切割完成后，此时抓手仍抓牢子样品；抓手在驱动电机的作用下，带动子样品向前端盖方向移动，达到深海沉积物保压转移装置的保压分装单元时停止运动；

步骤E：子样品到达保压分装单元后，抓手前端脱离样品管，然后在驱动电机的驱动下，抓手向前端盖方向移动，抓手前端移出样品管，并继续运动移出保压分装单元，返回深海沉积物保压转移装置的样品抓取及推送单元，此时滑动螺母回到初始位置；滑动螺母复位后，停止驱动电机；即此时，用于深海沉积物保压转移的驱动装置实现复位；

步骤F：在样品抓取及推拉单元与切割单元之间，重新安装新的保压分装单元；此阶段驱动电机一直不工作。