CN105510077B - 一种多功能集成土壤样品回收与传送机构 - Google Patents

Abstract

一种多功能集成土壤样品回收与传送机构，包括：驱动齿轮(1)、延时运动机构(3)、进给传动齿轮(4)等，驱动齿轮(1)分别与进给传动齿轮(4)、回转齿轮(17)啮合；导向装置(9)固定在丝杠(11)上的丝母(10)上，丝杠(11)通过延时运动机构(3)与进给传动齿轮(4)连接，过渡连接支架(15)上端与回转齿轮(17)连接，初级封装容器(13)通过剪切销(19)安装在过渡连接支架(15)下端；单向剪切机构(16)安装在过渡连接支架(15)中段，下端压在初级封装容器(13)上端面；提芯绳一端连接取芯袋，另一端穿过导向装置(9)中心的通孔连接在初级封装容器(13)上。本发明采用单电机驱动，系统集成度高、可靠性高。

Description

一种多功能集成土壤样品回收与传送机构

技术领域

本发明涉及一种土壤样品回收与传送机构。

背景技术

钻探获取深层土壤样品是国外在空间探索中的主要采样方法，无人自主的探测方式要求土壤样品钻取、回收全过程的一整套复杂动作全自动完成。国外，样品回收、转移的复杂动作一般借助多自由度机械臂来完成。

土壤钻探装置在钻探工作完成后，需要通过提芯绳将盛装土壤样品的取芯袋(圆柱形、可弯曲)从钻杆内部提拉至机构顶部，将取芯袋螺旋缠绕在环形初级封装容器内部，上述过程称为样品的提芯、整形，整形完成后还需要将初级封装容器与机构分离并精确传送入下方的密封容器内部。

按照常规设计思路，该土壤钻探装置的样品回收与传送机构完成四种功能、三种运动，至少需要三个动力源协同工作，涉及电机数量多，运动控制复杂、联动精度难以保证、可靠性低，难以满足土壤样品回收与传送过程中质量、能量、遥控参数等约束条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种多功能集成土壤样品回收与传送机构，能够满足土壤样品回收与传送过程中质量、能量、遥控参数等约束边界条件且采用单电机驱动，系统集成度高、可靠性高。

本发明所采用的技术方案是：一种多功能集成土壤样品回收与传送机构，包括：电机、驱动齿轮、机构壳体、延时运动机构、进给传动齿轮、进给传动齿轮支撑轴承、机架、丝杠固定端支撑轴承、丝母锁紧螺母、导向装置、丝母、丝杠、丝杠游动端支撑轴承、初级封装容器、过渡连接支架、单向剪切机构、回转齿轮、回转齿轮支撑轴承、剪切销；驱动齿轮安装在电机的输出轴上，电机安装在机构壳体上；进给传动齿轮通过进给传动齿轮支撑轴承安装在机构壳体上，传动齿轮支撑轴承安装在进给传动齿轮下端面中心处的齿轮轴与机构壳体之间；回转齿轮通过回转齿轮支撑轴承安装在机构壳体上，回转齿轮支撑轴承分别安装在回转齿轮的齿轮轴的上下两端；驱动齿轮分别与进给传动齿轮、回转齿轮啮合；丝杠一端通过丝杠固定端支撑轴承安装在机构壳体上，另一端通过丝杠游动端支撑轴承安装在机架上，机架与机构壳体固定连接；丝母旋合在丝杠上且位于丝杠固定端支撑轴承下端，丝母上端安装用于锁紧的丝母锁紧螺母，导向装置安装在丝母上；丝杠通过延时运动机构与进给传动齿轮连接；过渡连接支架包括上端圆筒、中段圆筒、下端圆锥形支架，上端圆筒插入回转齿轮中心的通孔内；初级封装容器包括内外两层圆筒且形成空腔，通过剪切销安装在过渡连接支架下端圆锥形支架上；用于切断剪切销的单向剪切机构安装在过渡连接支架中段圆筒上，下端的支腿压在初级封装容器上端面上；提芯绳一端连接取芯袋，另一端穿过导向装置中心的通孔连接在初级封装容器内层圆筒的连接结构上。

所述延时运动机构，包括柔性轴、止逆簧片、传动螺纹套、传动螺纹套导向套；传动螺纹套包括两段圆筒，在两段圆筒连接处形成台阶结构，下端与进给传动齿轮中心孔旋合；柔性轴一端与丝杠上端连接，另一端安装止逆簧片插入传动螺纹套下端圆筒内，止逆簧片的片簧压缩在传动螺纹套下端圆筒内壁的滑槽里，柔性轴中部具有滑块，滑块与传动螺纹套下端圆筒内壁上的滑槽配合；传动螺纹套导向套套在传动螺纹套上端圆筒外侧，传动螺纹套导向套内壁上的滑槽与传动螺纹套上端圆筒外壁上的滑块配合。

所述进给传动齿轮的中心孔的内螺旋结构与传动螺纹套下端圆筒的外螺旋结构相配合。

所述单向剪切机构包括上压环、推力球轴承、下压环、单向簧片；上压环为圆环形，外壁上有单向棘齿，旋合在过渡连接支架中段圆筒上，上压环的下缘端面压在推力球轴承上端面上；下压环的上端圆筒套在过渡连接支架中段圆筒上，推力球轴承安装在下压环下端圆锥结构与上端圆筒连接处的凹槽内，圆锥结构下端的支腿压在初级封装容器的上端面上且位于剪切销的上方；单向簧片一端固定在机构壳体上，另一端与单向棘齿构成棘轮机构。

所述上压环的内壁上的内螺旋结构与过渡连接支架中部圆筒的外螺旋结构相配合。

所述初级封装容器的内侧安装有导向筒，导向筒固定在过渡连接支架下端圆锥形支架上且与初级封装容器同轴。

所述剪切销有3个，沿初级封装容器的周向均布，且沿初级封装容器的径向安装。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的运动精度较高；本发明通过齿轮、丝杠等的传动实现回转、进给联动工作模式，联动精度高，常规设计的联动精度取决于控制器的联动控制精度，而在轨控制器没有足够资源来进行高精度的伺服驱动控制，因此与常规的双电机设计相比，本发明通过单电机、驱动齿轮驱动两套齿轮系统的联动，提高了联动运动的高精度。

(2)本发明的系统集成度高；本发明通过齿轮传动、提芯绳原位缠绕、取芯袋螺旋缠绕、初级封装容器分离等进行样品整形，并基于导向原理进行样品传送，实现了样品的提芯、整形、初级封装容器与机构分离并精确传送入下方的密封容器内部四种功能。

(3)本发明通过机械方法控制提芯运动和整形运动的定缠绕参数切换，实现了提芯运动的行程长度等于提芯绳长度、整形运动的行程长度等于取芯软袋长度，利用电机反转动力实现了分离运动，与常规设计相比，节省了运动切换的参数测量传感器，简化了控制策略。

(4)本发明利用延时运动机构及单向剪切机构，实现了在一台电机驱动下高可靠地顺序完成三种运动模式，与常规设计相比，节省了两个动力源及相应的驱动控制电路，整体质量大为减轻。

附图说明

图1为本发明的样品整形方案；

图2为本发明的机构顺序运动示意图；

图3为本发明回收与传送机构的组成剖视图；

图4为本发明中延时运动机构的组成示意图及运动流程图；

图5为本发明单向剪切机构的组成示意图；

具体实施方式

一种多功能集成土壤样品回收与传送机构，如图3所示，包括电机、驱动齿轮1、机构壳体2、延时运动机构3、进给传动齿轮4、进给传动齿轮支撑轴承5、机架6、丝杠固定端支撑轴承7、丝母锁紧螺母8、导向装置9、丝母10、丝杠11、丝杠游动端支撑轴承12、初级封装容器13、导向筒14、过渡连接支架15、单向剪切机构16、回转齿轮17、回转齿轮支撑轴承18、剪切销19。驱动齿轮1安装在电机输出轴上，电机安装在机构壳体2上；进给传动齿轮4通过进给传动齿轮支撑轴承5安装在机构壳体2上，传动齿轮支撑轴承5安装在进给传动齿轮4下端面中心处的齿轮轴与机构壳体2之间；回转齿轮17通过回转齿轮支撑轴承18安装在机构壳体2上，回转齿轮支撑轴承18分别安装在回转齿轮17的齿轮轴的上下两端；驱动齿轮1与进给传动齿轮4、回转齿轮17保持齿轮啮合关系，由驱动齿轮1带动进给传动齿轮4、回转齿轮17转动。丝杠11一端通过丝杠固定端支撑轴承7安装在机构壳体2上，另一端通过丝杠游动端支撑轴承12安装在机架6上；机构壳体2与机架6固连在一起；丝母10旋合在丝杠11上且位于丝杠固定端支撑轴承7下端，丝母10上端安装用于锁紧的丝母锁紧螺母8；导向装置9安装在丝母10上，丝杠11带动丝母10及导向装置9在行程范围内上下运动。丝杠11通过延时运动机构3与进给传动齿轮4实现连接；过渡连接支架15包括上端圆筒、中段圆筒、下端圆锥形支架，上端圆筒插入回转齿轮17中心的通孔内；初级封装容器13包括内外两层圆筒且形成空腔，初级封装容器13通过周向均布、径向安装的3个剪切销19安装在过渡连接支架15下端圆锥形支架上，单向剪切机构16可沿轴向切断剪切销19，实现初级封装容器13与机构的分离；导向筒14位于初级封装容器13内侧且安装在过渡连接支架15下端圆锥形支架上，与初级封装容器13同轴安装，样品传送过程中导向筒14外圆周面对初级封装容器13的下落轨迹进行校正，保证样品传送精度；单向剪切机构16安装在过渡连接支架15上，下端面压在初级封装容器13上端面上；过渡连接支架15同轴安装在回转齿轮17轴端。提芯绳一端连接取芯袋，另一端穿过导向装置9中心的通孔连接在初级封装容器13内层圆筒的连接结构上。

如图3所示，电机、驱动齿轮1、进给传动齿轮4、延时运动机构3、丝杠11、丝母10构成进给传动链；俯视如图3中的回收与传送机构，回转齿轮17顺时针运动时，电机、驱动齿轮1、回转齿轮17、初级封装容器13构成提芯、整形回转运动传动链；俯视如图3中的回收与传送机构，回转齿轮逆时针运动时，电机、驱动齿轮1、回转齿轮17、单向剪切机构16、初级封装容器13构成剪切分离传动链。

延时运动机构3，如图4(a)～图4(d)所示，包括柔性轴20、止逆簧片21、传动螺纹套22、传动螺纹套导向套23；传动螺纹套22包括两段圆筒，在两段圆筒连接处形成台阶结构，进给传动齿轮4中心具有内螺旋结构，与传动螺纹套22下端圆筒的外螺旋旋合构成传动螺旋副；柔性轴20的下端与丝杠11上端同轴连接，柔性轴20的中部具有滑块，该滑块与传动螺纹套22下端圆筒内壁上的滑槽配合，两者沿轴向可滑动、周向同步运动并可传递扭矩；传动螺纹套导向套23套在传动螺纹套22上端圆筒外侧，传动螺纹套22上端圆筒外壁上具有滑块与安装在其外侧的传动螺纹套导向套23内壁上的滑槽配合，两者可沿轴向滑动，轴向不能相对转动；止逆簧片21安装在柔性轴20的最上端。初始状态时，传动螺纹套22处于传动螺纹套导向套23的最上端，两者滑槽配合在一起(传动螺纹套22不能转动)，止逆簧片21的两个片簧被压缩在传动螺纹套22中心的滑槽里，两者可沿轴向滑动。在提芯运动阶段，进给传动齿轮4顺时针旋转，传动螺纹套22在传动螺旋的旋合作用下沿轴向向下平移，该过程由于传动螺纹套22不转动，所以与传动螺纹套22周向连接在一起的丝杠11不转动。当传动螺纹套22向下运动到传动螺纹套22外壁上的台阶结构卡在进给传动齿轮4上时，同时止逆簧片21滑出传动螺纹套22的滑槽，止逆簧片21的两个片簧弹出并压在传动螺纹套22的内侧台阶结构上，传动螺纹套22与传动齿轮4锁定在一起，传动螺纹套22向下运动的自由度被锁定，使得两者的不能相对转动；在传动螺纹套22与传动齿轮4锁定的同时，传动螺纹套22与传动螺纹套导向套23轴向脱离，传动螺纹套导向套23对传动螺纹套22的转动限位解除，传动螺纹套22恢复转动能力，可跟随进给传动齿轮4一起转动。传动螺纹套22锁定后，进入整形运动阶段，进给传动齿轮4继续顺时针旋转，传动螺纹套22跟随进给传动齿轮4一起转动，并将运动传递给丝杠11。

单向剪切机构16，如图5(a)、图5(b)所示，包括上压环25、推力球轴承26、下压环27、单向簧片28；上压环25为圆环形，外壁上有单向棘齿，旋合在过渡连接支架15中段圆筒上，上压环25的下缘端面压在推力球轴承26上端面上；下压环27的上端圆筒套在过渡连接支架15中段圆筒上，推力球轴承26安装在下压环27下端圆锥结构与上端圆筒连接处的凹槽内，圆锥结构下端的支腿压在初级封装容器13的上端面上且位于剪切销19的上方；单向簧片28一端固定在机构壳体2上，另一端与单向棘齿构成棘轮机构。在提芯运动阶段和整形运动阶段，回转齿轮17顺时针旋转，单向簧片28与上压环25外圈单向棘齿构成的棘轮机构打滑，单向剪切机构不工作；分离运动阶段，回转齿轮17逆时针旋转，单向簧片28通过棘齿限制上压环25转动，上压环25在螺旋副的旋合增力作用下，向下平移运动并提供巨大的下压力，该下压力通过推力球轴承26传递给下压环27，下压环27再传递给初级封装容器13，初级封装容器13在该下压力作用下与过渡连接支架15产生轴向相对运动，剪断剪切销19。

多功能集成土壤样品回收与传送机构的工作流程为：初始状态→提芯运动→整形运动→分离运动→样品传送，如图2所示，具体描述如下：

(1)初始状态：初级封装容器13正常安装在过渡连接支架15上，延时运动机构3处于初始状态，传动螺纹套22的滑块结构处于传动螺纹套导向套23的滑槽结构的上端，取芯袋的提芯绳头穿过导向装置9的中心孔并安装在初级封装容器13内部的连接结构上，其它零件如前文描述正常安装；

(2)提芯运动：如图2(a)所示，电机通过驱动齿轮1同步驱动进给传动齿轮4、回转齿轮17顺时针转动；进给传动齿轮4的转动传递到延时运动机构3内的传动螺纹套22上被转化为平动，丝杠11不转动，导向装置9、丝母10静止不动；回转齿轮17驱动初级封装容器13转动，单向剪切机构16不工作；初级封装容器13回转缠绕取芯袋的提芯绳。

(3)整形运动：如图2(b)所示，此时22与4锁定；电机继续通过驱动齿轮1同步驱动进给传动齿轮4、回转齿轮17顺时针转动；进给传动齿轮4的转动经延时运动机构3传递到丝杠11，丝杠11转动并带动导向装置9、丝母10向下平移；回转齿轮17驱动初级封装容器13转动，单向剪切机构16不工作；初级封装容器13回转运动和导向装置9向下移动，两种运动按照给定参数(取芯袋的螺旋运动的螺距)联动实现取芯袋在初级封装容器13内部的螺旋缠绕，如图1所示。

(4)分离运动：如图2(c)所示，电机通过驱动齿轮1同步驱动进给传动齿轮4、回转齿轮17逆时针转动；进给传动齿轮4的转动经延时运动机构3传递到丝杠11，丝杠11转动并带动导向装置9、丝母10向上平移(整形阶段导向装置9、丝母10已经运行到行程最下端)；回转齿轮17驱动初级封装容器13转动，单向剪切机构16工作，下压剪断剪切销19。

(5)样品传送：如图2(d)所示，剪切销19被剪断后，初级封装容器13与过渡连接支架15间的轴向连接环节消失，初级封装容器13在重力作用下、导向筒14的导向作用下，精确滑入密封封装装置29内部。

以上所描述的机构运动控制原理是广泛的，本领域技术人员可以根据不同的运动参数、输出形式需求进行各种改进和更换。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种多功能集成土壤样品回收与传送机构，其特征在于，包括：电机、驱动齿轮(1)、机构壳体(2)、延时运动机构(3)、进给传动齿轮(4)、进给传动齿轮支撑轴承(5)、机架(6)、丝杠固定端支撑轴承(7)、丝母锁紧螺母(8)、导向装置(9)、丝母(10)、丝杠(11)、丝杠游动端支撑轴承(12)、初级封装容器(13)、过渡连接支架(15)、单向剪切机构(16)、回转齿轮(17)、回转齿轮支撑轴承(18)、剪切销(19)；驱动齿轮(1)安装在电机的输出轴上，电机安装在机构壳体(2)上；进给传动齿轮(4)通过进给传动齿轮支撑轴承(5)安装在机构壳体(2)上，进给传动齿轮支撑轴承(5)安装在进给传动齿轮(4)下端面中心处的齿轮轴与机构壳体(2)之间；回转齿轮(17)通过回转齿轮支撑轴承(18)安装在机构壳体(2)上，回转齿轮支撑轴承(18)分别安装在回转齿轮(17)的齿轮轴的上下两端；驱动齿轮(1)分别与进给传动齿轮(4)、回转齿轮(17)啮合；丝杠(11)一端通过丝杠固定端支撑轴承(7)安装在机构壳体(2)上，另一端通过丝杠游动端支撑轴承(12)安装在机架(6)上，机架(6)与机构壳体(2)固定连接；丝母(10)旋合在丝杠(11)上且位于丝杠固定端支撑轴承(7)下端，丝母(10)上端安装用于锁紧的丝母锁紧螺母(8)，导向装置(9)安装在丝母(10)上；丝杠(11)通过延时运动机构(3)与进给传动齿轮(4)连接；过渡连接支架(15)包括上端圆筒、中段圆筒、下端圆锥形支架，上端圆筒插入回转齿轮(17)中心的通孔内；初级封装容器(13)包括内外两层圆筒且形成空腔，通过剪切销(19)安装在过渡连接支架(15)下端圆锥形支架上；用于切断剪切销(19)的单向剪切机构(16)安装在过渡连接支架(15)中段圆筒上，下端的支腿压在初级封装容器(13)上端面上；提芯绳一端连接取芯袋，另一端穿过导向装置(9)中心的通孔连接在初级封装容器(13)内层圆筒的连接结构上；

所述单向剪切机构(16)包括上压环(25)、推力球轴承(26)、下压环(27)、单向簧片(28)；上压环(25)为圆环形，外壁上有单向棘齿，旋合在过渡连接支架(15)中段圆筒上，上压环(25)的下缘端面压在推力球轴承(26)上端面上；下压环(27)的上端圆筒套在过渡连接支架(15)中段圆筒上，推力球轴承(26)安装在下压环(27)下端圆锥结构与上端圆筒连接处的凹槽内，圆锥结构下端的支腿压在初级封装容器(13)的上端面上且位于剪切销(19)的上方；单向簧片(28)一端固定在机构壳体(2)上，另一端与单向棘齿构成棘轮机构；在提芯运动阶段和整形运动阶段，回转齿轮(17)顺时针旋转，单向簧片(28)与上压环(25)外圈单向棘齿构成的棘轮机构打滑，单向剪切机构不工作；分离运动阶段，回转齿轮(17)逆时针旋转，单向簧片(28)通过棘齿限制上压环(25)转动，上压环(25)在螺旋副的旋合增力作用下，向下平移运动并提供下压力，该下压力通过推力球轴承(26)传递给下压环(27)，下压环(27)再传递给初级封装容器(13)，初级封装容器(13)在该下压力作用下与过渡连接支架(15)产生轴向相对运动，剪断剪切销(19)。

2.根据权利要求1所述的一种多功能集成土壤样品回收与传送机构，其特征在于：所述延时运动机构(3)，包括柔性轴(20)、止逆簧片(21)、传动螺纹套(22)、传动螺纹套导向套(23)；传动螺纹套(22)包括两段圆筒，在两段圆筒连接处形成台阶结构，下端与进给传动齿轮(4)中心孔旋合；柔性轴(20)一端与丝杠(11)上端连接，另一端安装止逆簧片(21)插入传动螺纹套(22)下端圆筒内，止逆簧片(21)的片簧压缩在传动螺纹套(22)下端圆筒内壁的滑槽里，柔性轴(20)中部具有滑块，滑块与传动螺纹套(22)下端圆筒内壁上的滑槽配合；传动螺纹套导向套(23)套在传动螺纹套(22)上端圆筒外侧，传动螺纹套导向套(23)内壁上的滑槽与传动螺纹套(22)上端圆筒外壁上的滑块配合。

3.根据权利要求1所述的一种多功能集成土壤样品回收与传送机构，其特征在于：所述初级封装容器(13)的内侧安装有导向筒(14)，导向筒(14)固定在过渡连接支架(15)下端圆锥形支架上且与初级封装容器(13)同轴。

4.根据权利要求1或2所述的一种多功能集成土壤样品回收与传送机构，其特征在于：所述剪切销(19)有3个，沿初级封装容器(13)的周向均布，且沿初级封装容器(13)的径向安装。