CN104828222A - 活塞式浮力调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞式浮力调节装置，它包括防水舱体、活塞驱动机构、输油管路等部分。防水舱体包括防水舱体、上下两个防水舱盖以及连接于舱体上的法兰块等。活塞驱动机构包括电机、齿轮传动副、滚珠丝杠传动副以及机架等支撑件。输油管路包括油缸、阀块、开关阀、输油软管以及皮囊。通过移动活塞改变进入皮囊中油液的体积，从而改变皮囊大小，进而改变装置的浮沉状态。本发明提高了能量利用效率，尤其可以延长水中无缆设备的续航能力；采用活塞和缸体的形式，排油量和排油速度与反馈活塞的位置和运动速度呈线性关系，使得装置的状态易于控制；把油作为介质并且把皮囊与水环境隔开，使得运动部件免于腐蚀，从而延长装置的使用寿命。

Description

活塞式浮力调节装置

技术领域

本发明涉及一种浮力调节装置，尤其涉及活塞式浮力调节装置。

背景技术

水下机器人以及其他水下装备都需要在水下不同的深度进行工作，因此就需要能对其沉浮运动和深度进行控制。而且水下是一个能量补给困难的环境，因此通过主动的推进方式控制沉浮是不可取的。因此需要浮力调节装置，通过改变浮力的方式来实现沉浮。

已有的浮力调节的方法有机械传动法、主动泵油的方法、抛载法、排水法以及相变法等。普通的机械传动法通过一系列机械传动改变执行部件的位置来改变装置的体积，从而控制沉浮。但因为需要在一段时间内维持装置体积不变，所以传动过程中需要有机械自锁结构。这就导致了整个装置的能量使用效率低下，浪费能量用于克服维持自锁的静摩擦力。主动泵油的方法是通过液压油路将油液泵入油囊，这种方法所使用的液压系统在重量上给装置造成了额外负担，而且液压系统由于渗漏等非线性的存在也会给控制带来额外的困难。抛载法是通过抛去重物，减小自身重力从而控制浮沉状态，然而这一过程是不可逆的，使得装置只能进行一次沉浮。排水法是通过高压气体的释放和压缩改变排出或吸入的水量，高压气体的压缩主要依靠水泵的工作，由于气体压缩过程是非线性的且影响因素很多导致控制困难，且水泵长时间接触海水可靠性低寿命较短。相变法主要是依靠特殊介质在相变过程中的体积变化来调节浮力，然而物体相变是复杂的非线性的热力学过程，且相变产生的气体易压缩，这就使得控制困难。

发明内容

针对现有技术所具有的缺陷，本发明提供了一种活塞式浮力调节装置，是一种使用寿命长，易于控制且低功耗的浮力调节解决方案。用于水下装置的浮沉控制、定深控制等。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种活塞式浮力调节装置，它包括：下舱盖、下法兰块、舱体、正齿轮、正齿轮、电机安装板、电机、上舱盖、皮囊、阀块、电磁阀、软管、缸体、整体式活塞、机架、导套、滚珠丝杠、丝杠螺母、推力球轴承、推力轴承座、深沟球轴承、锁紧螺母、支撑料、密封圈、上法兰块、控制单元、海水压力传感器、油路压力传感器；其中，舱体为管状，其两端外壁上具有外螺纹，上法兰块和下法兰块分别通过螺纹固定联接在舱体的上下两端外壁；下舱盖与舱体之间、上舱盖与舱体之间均设置有密封圈；下舱盖和下法兰块固定联接，上舱盖与上法兰块固定联接；软管的一端穿过上舱盖与皮囊相连；下舱盖具有凸台结构，用来对支撑料进行周向定位；电机通过电机安装板安装在机架上；第一正齿轮和电机输出轴联接，第二正齿轮和滚珠丝杠联接，第一正齿轮和第二正齿轮啮合传动，其传动比为1：1；滚珠丝杠上设置有两个推力球轴承和两个深沟球轴承；深沟球轴承安装于机架下端面的轴承孔中，在深沟球轴承两侧对称设置有两个推力轴承座；两个推力球轴承分别安装在两个推力轴承座内，设置在机架下端的推力球轴承通过锁紧螺母对推力球轴承进行轴向定位，滚珠丝杠在深沟球轴承、推力球轴承和锁紧螺母的约束下只能绕其自身轴旋转；整体式活塞固定在丝杠螺母上，丝杠螺母和滚珠丝杠啮合传动；导套固定联接在机架内；导套为筒状，其内孔形状与整体式活塞的活塞杆形状相同，用来引导整体式活塞的轴向移动和限制整体式活塞的轴向转动；机架上端面具有凸台，与缸体内表面配合，用于缸体的定位，缸体和机架联接；机架与下舱盖之间设置有一个支撑块，支撑块和机架联接；皮囊通过管螺纹联接在上舱盖上，并通过软管的另一端与电磁阀连通；电磁阀通过阀块与缸体相连，所述阀块为内部开有流道的金属块；海水压力传感器、油路压力传感器、电机和电磁阀均与控制单元相连。

所述控制单元包括单片机、电源模块、复位电路、JTAG电路、AD转化模块、时钟电路、外接EEPROM存储器和通讯模块；电源模块与单片机的电源输入管脚相连，复位电路与单片机的复位管脚相连，JTAG电路与单片机的5个IO管脚相连，AD转换模块、时钟电路和外接EEPROM存储器均通过I2C串行总线与单片机的I2C管脚相连，通讯模块通过两个通讯管脚与单片机芯片相连；海水压力传感器和油路压力传感器均与AD转换模块相连，电机和电磁阀均与单片机的输出管脚相连。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1、采用电磁阀对皮囊内的油液进行锁定替代了自锁螺纹、斜面等传动效率很低的机械式的自锁传动方式，从而提高了能量利用效率，尤其可以延长水中无缆设备的续航。

2、由于采用的是活塞和缸的形式，排油量和排油速度与反馈的活塞的位置和运动速度呈线性关系，使得装置的状态易于控制。

3、本发明把油作为介质并且通过皮囊与水环境隔开，这样可以使运动部件免于腐蚀，从而使得装置使用寿命延长。

附图说明

图1为本发明下舱盖的等轴测图；

图2为本发明支撑料的等轴测图；

图3为本发明舱体零件图；

图4为本发明机架的等轴测图；

图5为本发明缸体零件图；

图6为本发明上舱盖剖视图；

图7为本发明整体式活塞的等轴测图；

图8为本发明导套的剖视图；

图9为本发明导套的俯视图；

图10为本发明传动原理图；

图11为本发明装配图；

图12为本发明的局部放大图；

图13为本发明控制单元连接框图；

图中，下舱盖1、下法兰块2、舱体3、第一正齿轮4、第二正齿轮5、电机安装板6、电机7、上舱盖8、皮囊9、阀块10、电磁阀11、软管12、缸体13、整体式活塞14、机架15、导套16、滚珠丝杠17、丝杠螺母18、推力球轴承19、推力轴承座20、深沟球轴承21、锁紧螺母22、支撑料23、密封圈24、上法兰块25。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-图13所示，本发明包括下舱盖1、下法兰块2、舱体3、第一正齿轮4、第二正齿轮5、电机安装板6、电机7、上舱盖8、皮囊9、阀块10、电磁阀11、软管12、缸体13、整体式活塞14、机架15、导套16、滚珠丝杠17、丝杠螺母18、推力球轴承19、推力轴承座20、深沟球轴承21、锁紧螺母22、支撑料23、密封圈24、上法兰块25、控制单元、海水压力传感器、油路压力传感器。其中，舱体3为管状，其两端外壁上具有外螺纹，上法兰块25和下法兰块2分别通过螺纹固定联接在舱体3的上下两端外壁；下舱盖1与舱体3之间、上舱盖8与舱体3之间均设置有密封圈24，下舱盖1和下法兰块2通过螺钉固定联接，上舱盖8与上法兰块25通过螺钉固定联接；软管12的一端穿过上舱盖8与皮囊9相连；下舱盖1具有凸台结构，用来对支撑料23进行周向定位；电机7通过电机安装板6安装在机架15上；第一正齿轮4和电机7输出轴联接，第二正齿轮5和滚珠丝杠17联接，第一正齿轮4和第二正齿轮5啮合传动，其传动比为1：1；滚珠丝杠17上设置有两个推力球轴承19和两个深沟球轴承21；深沟球轴承21安装于机架15下端面的轴承孔中，在深沟球轴承21两侧对称设置有两个推力轴承座20；两个推力球轴承19分别安装在两个推力轴承座20内，设置在机架15下端的推力球轴承19通过锁紧螺母22对推力球轴承19进行轴向定位，滚珠丝杠17在深沟球轴承21、推力球轴承19和锁紧螺母22的约束下只能绕其自身轴旋转；整体式活塞14通过螺钉固定在丝杠螺母18上，丝杠螺母18和滚珠丝杠17啮合传动；导套16通过螺钉固定联接在机架15内；导套16为筒状，其内孔形状与整体式活塞14的活塞杆形状相同，用来引导整体式活塞14的轴向移动和限制整体式活塞14的轴向转动；机架15上端面具有凸台，与缸体13内表面配合，用于缸体13的定位，缸体13和机架15联接；机架15与下舱盖1之间设置有一个支撑块23，支撑块23和机架15联接；皮囊9通过管螺纹联接在上舱盖8上，并通过软管12的另一端与电磁阀11连通；电磁阀11通过阀块10与缸体13相连，阀块10为内部开有流道的金属块；海水压力传感器、油路压力传感器、电机7和电磁阀11均与控制单元相连。

如图13所示，控制单元包括单片机、电源模块、复位电路、JTAG电路、AD转化模块、时钟电路、外接EEPROM存储器和通讯模块；电源模块与单片机的电源输入管脚相连，复位电路与单片机的复位管脚相连，JTAG电路与单片机的5个IO管脚相连，AD转换模块、时钟电路和外接EEPROM存储器均通过I2C串行总线与单片机的I2C管脚相连，通讯模块通过两个通讯管脚与单片机芯片相连；海水压力传感器和油路压力传感器均与AD转换模块相连，电机7和电磁阀11均与单片机的输出管脚相连，通讯模块通过两根差分信号线连接到上位机。

单片机控制电机7和电磁阀11，使其都处于开启状态，此时，电机7的动力通过齿轮啮合传动传递到滚珠丝杠17上；滚珠丝杠17的转动通过丝杠螺母18和滚珠丝杠17啮合传动，将转动转化成整体式活塞14垂直运动；在导套16的引导下，整体式活塞14向上运动将油压入皮囊9中，此时，皮囊9的体积增大，使得装置的浮力大于重力，因此装置上浮。海水深度与海水压力成正比，海水压力传感器将海水压力转换为电压信号，并通过AD模块将模拟量转变为数字量，便输入到单片机，单片机根据海水压力传感器反馈的深度信息，同时根据上位机通过通讯模块传输来的指令，对电机7和电磁阀11进行控制。

同理，单片机控制电磁阀11，使其皮囊9与缸体13的内腔连通，同时单片机控制电机7，使其不启动或反转时，整体式活塞14便向下移动，皮囊9的油回流到缸体13中，此时，皮囊9受外部压力压缩，油液从皮囊9流入缸体13内，皮囊9的体积减小，使得装置的浮力小于重力，因此装置下沉。

通过单片机对电磁阀11开关时间的调节，可以调节油从皮囊9流入缸体13的速度，从而调节装置上浮或下沉的速度。如果在下沉过程中，在外部压力不足以使油液进入缸体13的情况下，此时，单片机控制电机7使其反向转动。如需保持装置体积不变，单片机只需控制电磁阀11和电机7同时处于关闭状态，此时，油路便被锁死，油液将留在皮囊9中，皮囊9体积不变，装置所受浮力也不变。

另外，在所有工作过程中，出于安全考虑，在油路压力传感器反馈的油路压力超过规定值时，单片机进行应急操作闲置当前所有任务，停止电机7，关闭电磁阀11，并通过通讯模块将异常报告给上位机。

Claims (2)

1.一种活塞式浮力调节装置，其特征在于，它包括：下舱盖（1）、下法兰块（2）、舱体（3）、第一正齿轮（4）、第二正齿轮（5）、电机安装板（6）、电机（7）、上舱盖（8）、皮囊（9）、阀块（10）、电磁阀（11）、软管（12）、缸体（13）、整体式活塞（14）、机架（15）、导套（16）、滚珠丝杠（17）、丝杠螺母（18）、推力球轴承（19）、推力轴承座（20）、深沟球轴承（21）、锁紧螺母（22）、支撑料（23）、密封圈（24）、上法兰块（25）、控制单元、海水压力传感器、油路压力传感器等；其中，舱体（3）为管状，其两端外壁上具有外螺纹，上法兰块（25）和下法兰块（2）分别通过螺纹固定联接在舱体（3）的上下两端外壁；下舱盖（1）与舱体（3）之间、上舱盖（8）与舱体（3）之间均设置有密封圈（24）；下舱盖（1）和下法兰块（2）固定联接，上舱盖（8）与上法兰块（25）固定联接；软管（12）的一端穿过上舱盖（8）与皮囊（9）相连；下舱盖（1）具有凸台结构，用来对支撑料（23）进行周向定位；电机（7）通过电机安装板（6）安装在机架（15）上；第一正齿轮（4）和电机（7）输出轴联接，第二正齿轮（5）和滚珠丝杠（17）联接，第一正齿轮（4）和第二正齿轮（5）啮合传动，其传动比为1：1；滚珠丝杠（17）上设置有两个推力球轴承（19）和两个深沟球轴承（21）；深沟球轴承（21）安装于机架（15）下端面的轴承孔中，在深沟球轴承（21）两侧对称设置有两个推力轴承座（20）；两个推力球轴承（19）分别安装在两个推力轴承座（20）内，设置在机架（15）下端的推力球轴承（19）通过锁紧螺母（22）对推力球轴承（19）进行轴向定位，滚珠丝杠（17）在深沟球轴承（21）、推力球轴承（19）和锁紧螺母（22）的约束下只能绕其自身轴旋转；整体式活塞（14）固定在丝杠螺母（18）上，丝杠螺母（18）和滚珠丝杠（17）啮合传动；导套（16）固定联接在机架（15）内；导套（16）为筒状，其内孔形状与整体式活塞（14）的活塞杆形状相同，用来引导整体式活塞（14）的轴向移动和限制整体式活塞（14）的轴向转动；机架（15）上端面具有凸台，与缸体（13）内表面配合，用于缸体（13）的定位，缸体（13）和机架（15）联接；机架（15）与下舱盖（1）之间设置有一个支撑块（23），支撑块（23）和机架（15）联接；皮囊（9）通过管螺纹联接在上舱盖（8）上，并通过软管（12）的另一端与电磁阀（11）连通；电磁阀（11）通过阀块（10）与缸体（13）相连，所述阀块（10）为内部开有流道的金属块；海水压力传感器、油路压力传感器、电机（7）和电磁阀（11）均与控制单元相连。

2.根据权利要求1所述的一种活塞式浮力调节装置，其特征在于所述控制单元包括单片机、电源模块、复位电路、JTAG电路、AD转化模块、时钟电路、外接EEPROM存储器和通讯模块；电源模块与单片机的电源输入管脚相连，复位电路与单片机的复位管脚相连，JTAG电路与单片机的5个IO管脚相连，AD转换模块、时钟电路和外接EEPROM存储器均通过I2C串行总线与单片机的I2C管脚相连，通讯模块通过两个通讯管脚与单片机芯片相连；海水压力传感器和油路压力传感器均与AD转换模块相连，电机（7）和电磁阀（11）均与单片机的输出管脚相连。