CN111024429B - 一种水下涡旋吸附吸盘性能测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下涡旋吸附吸盘性能测试装置，包括龙门支撑框架，用于搭载测试系统的各个部分并维持整套装置的稳定性；电机长轴传动系统，使得在水面以上工作的电机能够带动在水下的吸盘旋转；测试平台，用于测试吸盘对不同距离的物体的吸附力及其分布情况。本发明同时提供一种水下涡旋吸盘吸附性能测试方法，主要是用高精度的表压力传感器获取被测试吸盘的吸附压力分布情况以及用高精度的称重传感器获取吸盘对被吸附平面的吸附力。测试平台下方的液压柱塞缸升降，可以带动测试平面升降，以测试涡旋吸附吸盘对不同距离的平面的吸附能力。整套装置实用、可靠，极大方便了涡旋吸附的机理研究和吸盘的结构设计。

Description

一种水下涡旋吸附吸盘性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试装置，尤其涉及水下涡旋吸附吸盘吸附性能的测试装置和测试方法。

背景技术

涡旋吸附吸盘是一种利用伯努利原理的水下吸附设备，通过吸盘的高速旋转，在吸盘与被吸附平面之间形成高速流场，流速越快，流场压强越小。高速流场的压强与吸盘背对高速流场一侧的压强之差使得吸盘与被吸附平面之间产生了压力，这种压力是一种吸附力，可以使得吸盘吸附在被吸附平面上。涡旋吸盘常用于深海科学研究和深海工程建设当中，如用于无人自主航行器(AUV)对深海海底精确定点作业。

涡旋吸附吸盘的吸附力的性能与诸多因素相关，如吸盘本身的结构、吸盘的转速、吸盘与被吸附平面之间的距离等等。这就要求设计出一种性能测试装置和测试方法，可以对不同的吸盘在不同的转速下进行测试，同时找到合适的吸附距离，以寻找最适合深海海底定点作业的涡旋吸附吸盘的结构及工况。

发明内容

本发明旨在针对涡旋吸附吸盘的吸附机理研究、结构设计、工况优选的需要，提供一种涡旋吸附吸盘吸附性能的测试装置和测试方法。

本发明主要包括龙门框架、电机长轴传动系统和吸附性能测试机构。

所述的龙门框架用于支撑起整个测试装置，以安装电机长轴传动系统和吸附性能测试机构。

所述的电机长轴传动系统用于将在水面以上工作的电机转动的扭矩传递给在水下工作的吸盘，带动吸盘旋转。

所述的吸附性能测试机构用于获取吸盘旋转时对不同距离的平面所产生的吸附力以及吸附力的分布状况，找出吸附力最大的平面。

所述的吸附性能测试机构，包括吸附压力测试平台、吸附压力测试平台支撑座、重力传感器、液压柱塞缸；其中所述吸附压力测试平台用于测试吸附压力分布情况，所述重力传感器用于通过测量重力的变化量来辨识吸附力，所述液压柱塞缸用于支撑吸附压力测试平台和重力传感器，通过柱塞的上下运动带动测量平台即被吸附平面上下运动，从而测量不同距离下的吸盘和被吸附平面之间的吸附力和吸附压力分布。

所述的吸附压力测试平台包括测量平板、测量滑轨和压板。测量平板为一圆形的厚板，中间开有一槽以安装测量滑轨；槽的侧边刻有长度刻度，测量平板的外围四周刻有角度刻度。测量滑轨可沿着测量平板上的槽移动，其一端较粗，安装有压力传感器，所述压力传感器通过滑轨内的通道与滑轨上表面的中心处的孔相联通；所述的压板用于将测量滑轨固定在测量平台上，避免测量滑轨受到吸附力而移动。

进一步说，所述的电机长轴传动系统包括由伺服电机驱动器、伺服电机、连接伺服电机与传动轴的联轴器、连接传动轴与吸盘固定座的联轴器、吸盘固定座、吸盘构成传动机构；由电机传动轴、电机套筒、上定心轴承、下定心轴承组成传动轴定心防甩圈机构。

进一步说，所述的测量平板的下方布置有圆周分布的调平螺丝，用于防止测量平板的侧倾。

进一步说，从压力传感器所在段开始，在滑轨轴向中心开孔，孔深略超过滑轨长度一半，形成所述滑轨内的通道，再从滑轨上表面的中心向下开孔与该通道连通，压力传感器所测压力与滑轨上表面中心处孔的压力相同。

一种涡旋吸附吸盘吸附性能测试方法，使用上述装置，具体是在不同的伺服电机转速，吸盘与吸附平面的距离下，分别测量吸附压力的分布和吸附力大小，比较在同一转速下不同距离下的吸附力，确定吸附力最大的距离。

所述测量吸附压力的分布具体为：通过测量平台的旋转移动和测量滑轨的水平运动，测量滑轨上表面的中心孔对准涡旋吸附吸盘下方的任意一点，即通过与中心孔相联通的压力传感器测量涡旋吸附吸盘下任意一点的吸附压力。

所述的测量吸附力大小的具体为：首先通过重力传感器测量在静水中吸附压力测试平台和平台支座的重力，随后测量在吸盘旋转下吸附压力测试平台和平台支座的重力。由于吸盘的旋转，在吸盘与被吸附平面间产生了吸附力，将会使得重力传感器的示数减小。减小的这部分即为吸附力。

本发明实现了对水下涡旋吸附吸盘的吸附性能的测试，测试方便、准确，非常有利于涡旋吸附吸盘的机理研究、结构设计及优化和工况确定

附图说明

图1为涡旋吸盘吸附性能测试装置的工作状态示意图；

图2为整套涡旋吸附性能测试装置的示意图；

图3为电机长轴传动系统的示意图；

图4为测量机构的示意图；

图5为测量平板、测量滑轨、压板的安装示意图；

图6为测量滑轨轴向剖视图。

具体实施方式

本发明中的测试装置主要包括龙门骨架、电机长轴传动机构和涡旋吸附测试平台。

龙门骨架用于支撑整个测试装置，龙门骨架由龙门上板、龙门底座、两侧的龙门侧板以及四块龙门加强筋构成。龙门上板用于安装电机长轴传动机构，使得电机在水上工作，而吸盘在水下作业；龙门底座用于固定测试平台；龙门侧板用于支撑龙门上板；龙门加强筋安装于龙门上板、底座安装于龙门侧板连接处以加强结构稳定性，减少晃动。

电机长轴传动机构的主要作用是将水上工作的电机转动的扭矩传递给水下工作的吸盘，主要由伺服电机、伺服电机驱动器、电机套筒、电机传动轴、轴承、联轴器、吸盘安装座组成。

伺服电机主要作用是提供转动力矩，伺服电机驱动器与伺服电机配合使用，可以控制电机的转速从而控制吸盘的转速，同时电机转速和力矩可以显示在伺服电机驱动器上，方便数据读取。

电机传动轴与电机输出轴直接通过联轴器连接，此处的联轴器可以选用弹性联轴器，主要起传递扭矩的作用，其承受的轴向力可以由电机长轴传动系统中的联轴器抵消。

电机传动轴的长度超过一米，在转动的过程中非常容易因为偏心而发生甩圈，导致吸盘旋转不稳定，因此采用电机传动轴配合套筒和两个轴承形成定心结构来避免偏心晃动。

电机固定于电机套筒的定心结构上，电机传动轴安装于电机套筒的内部，电机传动轴与套筒之间安装两个个滚轴轴承，分别在顶部和底部，起到定心的作用。

为了便于轴承的安装和轴承的轴向固定，电机套筒和电机传动轴均设计为阶梯形状，在与轴承配合处的轴承挡设计为轴承过渡配合，其余处设计为间隙配合，并留足空隙方便安装。

电机套筒和电机传动轴设计时，使用7级或6级精度的直线度和圆跳动公差，保证安装的方便和工作的稳定性。

电机传动轴的下端通过联轴器与吸盘固定座连接，此处的联轴器选用刚性联轴器，以承载来自吸盘固定座的轴向力。

吸盘固定座与吸盘依靠螺钉相连接，吸盘固定座的下端为法兰形状，并开有一圈通孔，吸盘上表面开有与法兰大小相对应的槽，并有与法兰上通孔位置相对应的螺丝孔，通过通孔与螺丝孔将吸盘与吸盘固定座连接，通过法兰与槽的配合实现吸盘与吸盘固定座的同心。

吸附性能测试系统由测量平板、测量滑轨、滑轨压板、压力传感器、测量平板支座、重力传感器、液压柱塞缸组成。

测量平板与测量滑轨、滑轨压板以及压力传感器用于测量压力的分布。测量平板为一圆形的厚盘。测量平板的上面中心挖开一条长槽，长槽用于安放测量滑轨。

测量平板上长槽的一侧通过激光雕刻刻印上长度刻度，便于指示滑块所处的位置。测量平板的上面边缘一周刻印角度刻度，便于指示测量平板转过的角度。

测量滑轨为一长条，安装于测量平板的长槽之中，其一端较粗，可以安装压力传感器。从压力传感器的安装端开始在测量滑轨的内部打孔，孔的长度略大于测量滑轨长度的一半。再在测量滑轨上表面的中心开始打孔，并与压力传感器所处的孔连通，这样上表面中心孔处的压力与压力传感器处的压力就是一致的。

测量滑轨的上端两侧安装压板，并用螺钉与测量平板相固定，避免测量滑轨因受到吸附力而发生移动。

测量平板通过测量平板支座与重力传感器相连接，重力传感器用于显示整个压力测量机构和支座的重力的变化，这个变化也就是吸附力。

为了便于测量平板旋转，测量平板与支座通过轴孔配合连接，为了防止测量平板侧翻，使用了多个调平螺丝。

重力传感器的底部与液压柱塞缸的活塞通过螺钉相连接，液压柱塞缸与一手动液压泵相连接，通过手动液压泵可以控制柱塞缸的活塞上下运动，从而带动重力传感器以及其上的压力测量机构的上下运动，即可以测量吸盘对不同距离的平面的吸附力。

液压柱塞缸的底座固定在龙门底座上。

本测试装置在一个玻璃水缸中工作，用于提供涡旋吸附吸盘工作的水下环境，水缸中的水没过涡旋吸附的吸盘，使得吸盘在工作时浸入水中，吸盘上表面距离水面的距离不低于五倍的吸盘厚度。带动吸盘转动的电机应当露出水面足够高度，确保吸盘旋转时不会将水溅到电机上。如果采用水密电机，可以将整个装置都浸入水中。在水缸的外侧设置有一个相机支架，安装有高速摄像机，用于获取涡旋吸附吸盘高速旋转的流场的照片。

本发明同时提供一种水下涡旋吸附吸盘吸附性能测试方法。

步骤一：将待测试的吸盘安装到吸盘固定座上并用螺丝锁紧，调平测量平板，打开高速摄像机。

步骤二：设定一个初始电机转速。

步骤三：将测量滑轨的中心孔移动对准测量平板上长度刻度的起始位置，打开电机，待压力传感器度数稳定以后记录压力传感器和重力传感器以及伺服电机驱动器上的数据，然后关闭电机。

步骤四：将测量滑轨移动一定的距离，即中心孔移动一定的距离，再打开电机，待压力传感器读数稳定后记录数据。

步骤五：重复步骤四，直到获取了一系列等距离的点上的压力数据。

步骤六:将测量平板转过一定的角度，重复步骤三、四、五。

步骤七：重复步骤六直到获取了一系列的测量平面上沿各个角度等距离的点的压力分布情况。

步骤八：通过手动液压泵调整测量平板的高度，重新调平测量平板重复步骤三、四、五、六、七。

步骤九：重复步骤八，获取不同的吸盘与测量平面距离下的吸附压力分布和吸附力。

步骤十：调整电机的设定转速，重复步骤三、四、五、六、七、八、九。

步骤十一：重复步骤十，获得不同转速下的涡旋吸附性能数据。

步骤十二:处理数据,获得不同电机转速下使得吸附力最大的吸盘与测量平面的距离以及此时的吸附力大小。

实施例：

如图1中所示整套测试装置在水缸1中工作，水缸1的尺寸足够容纳整套装置，水面2应当有足够的高度，保证吸盘旋转式，吸盘14的上表面距离水面应当足够，至少应当超过吸盘厚度的五倍，保证工作过程中吸盘全程没入水中。

如图2所示，龙门框架3用于支撑起整个测试装置，分为上板、底座、侧板和加强筋。上板用于固定电机长轴传动系统。底座用于固定测量机构、侧板用于连接上板和下板，加强筋用于加强整体框架结构的稳定性。

如图3所示为电机长轴传动系统4，作用为将在水面上工作的伺服电机6旋转时产生的力矩传递给在水下工作的吸盘14，从而带动吸盘旋转。

伺服电机6连接着伺服电机驱动器24，通过伺服驱驱动器24可以调整电机的转速并可以获得电机旋转过程中的扭矩。

电机传动轴8与伺服电机6的输出轴通过弹性联轴器9连接在一起，弹性联轴器应当能够在承受一定量的偏心的情况下平稳传递力矩。

电机传动轴8的长度超过1米，受机械加工偏差的影响不可避免的有偏心现象，电机传动轴旋转时会有甩圈现象，需要对其进行定位。

电机传动轴8、电机套筒7、上定心轴承10和下定心轴承11组成了电机传动轴定位机构。

电机套筒7上部设有与伺服电机定位档相匹配的槽，用于固定伺服电机6并定心，电机传动轴8安装在电机套筒7当中。

在电机套筒7和电机传动轴8之间，分别在顶部和底部各安装一个定心轴承，轴承同时还可以抵消联轴器9承受的轴向力。

为了便于轴承的安装，将电机套筒7和电机传动轴8均设计为阶梯状，在与定心轴承10和11配合处选用轴承过渡配合，其余地方选为间隙配合，便于轴承安装。

电机传动轴8与吸盘固定座13通过联轴器12相连接。

联轴器12需要承受一定的轴向力，因此需要选用能承受轴向力的刚性联轴器。

吸盘固定座13和吸盘14通过螺丝相连接，吸盘固定座13下端为一法兰形状并有沿圆周排列的数个通孔。吸盘顶部开有与吸盘固定座的法兰相对应的槽，并有与通孔位置相对应的螺纹孔便于安装。

如图4所示，吸附性能测试系统由吸附压力测量平台15、吸附压力测量平台支撑座16、调平螺丝17、重力传感器18和液压柱塞缸19组成。

吸附压力测量平台15的具体结构如图5所示，包括测量平板20、测量滑轨21、压板22、固定螺丝23组成。

测量平板20为一圆形厚板，中间开有长槽以安装测量滑轨21，沿长槽四周有长度刻度标记，圆周上顶面四周有角度刻度标度。

测量滑轨21为一长条，安装于测量平板20的槽当中，其一端较粗，用于安装压力传感器27，从该端开始在测量滑轨内部打孔，孔深略超过滑轨长度的一半，形成通道28。再从滑轨上表面中心向下打孔，形成中心孔29，与压力传感器所在的孔联通，见图6。

测量滑轨21可以水平移动，测量平板20可以旋转，中心孔29的位置可以对准任意一点，即可以测量任意一点的压力。

压板22和固定螺丝23用于将测量滑轨21固定在测量平板20上，避免被吸走。

如图4中所示，吸附压力测量平台15与测量平板支座20通过轴孔配合相连接，以便于测量平板20可以旋转，为了避免测量平板20发生侧倾，使用沿着圆周方向分布的多个调平螺丝17进行调平。

测量平板支座16与重力传感器18通过螺纹相连接，可以通过重力传感器测量整个压力测量机构15和测量平板支座20的重力，吸附力会带来重力的减小，可以通过此方式测量吸附力大小。

重力传感器18与液压柱塞缸19的活塞通过螺丝相连接，通过如图2所示的手动液压缸26可以升降活塞，实现整个测量机构的升降。

如图2所示，本装置设置有一个高速相机25来获取高速旋转流场的图像本发明同时提供的水下涡旋吸附吸盘吸附性能测试方法进一步解释如下：

步骤一：将待测试的吸盘14安装到吸盘固定座13上并用螺丝锁紧，用调平螺丝17调平测量平板20，打开高速摄像机。

步骤二：为伺服电机6设定一个初始电机转速。

步骤三：将测量滑轨21的中心孔移动对准测量平板20上长度刻度的起始位置，打开伺服电机6，待压力传感器度数稳定以后记录压力传感器和重力传感器以及伺服电机驱动器上的数据，然后关闭伺服电机6。

步骤四：将测量滑轨21移动一定的距离，即中心孔移动一定的距离，再打开伺服电机6，待压力传感器读数稳定后记录数据。

步骤五：重复步骤四，直到获取了一系列等距离的点上的压力数据。

步骤六:将测量平板20转过一定的角度，重复步骤三、四、五。

步骤七：重复步骤六直到获取了一系列的测量平面20上沿各个角度等距离的点的压力分布情况。

步骤八：通过手动液压泵调整测量平板20的高度，通过调平螺丝17重新调平测量测量平板20，重复步骤三、四、五、六、七。

步骤九：重复步骤八，获取不同的吸盘与测量平板距离下的吸附压力分布和吸附力。

步骤十：调整伺服电机6的设定转速，重复步骤三、四、五、六、七、八、九。

步骤十一：重复步骤十，获得不同转速下的涡旋吸附性能数据。

步骤十二:处理数据,获得不同电机转速下使得吸附力最大的吸盘与测量平面的距离以及此时的吸附力大小。

上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。

Claims (6)

1.一种水下涡旋吸附吸盘吸附性能测试装置，主要包括龙门框架、电机长轴传动系统和吸附性能测试机构；

所述的龙门框架用于支撑起整个测试装置，以安装电机长轴传动系统和吸附性能测试机构；

所述的电机长轴传动系统用于将在水面以上工作的电机转动的扭矩传递给在水下工作的吸盘，带动吸盘旋转；

其特征在于：

所述的吸附性能测试机构用于获取吸盘旋转时对不同距离的平面所产生的吸附力以及吸附力的分布状况，找出吸附力最大的平面；

所述的吸附性能测试机构，包括吸附压力测量平台、吸附压力测量平台支撑座、重力传感器、液压柱塞缸；其中所述吸附压力测量平台用于测量吸附压力分布情况，所述重力传感器用于通过测量重力的变化量来辨识吸附力，所述液压柱塞缸用于支撑吸附压力测量平台和重力传感器，通过柱塞的上下运动带动测量平台即被吸附平面上下运动，从而测量不同距离下的吸盘和被吸附平面之间的吸附力和吸附压力分布；

所述的吸附压力测量平台包括测量平板、测量滑轨和压板；测量平板为一圆形的平板，中间开有一槽以安装测量滑轨；槽的侧边刻有长度刻度，测量平板的外围四周刻有角度刻度；测量滑轨可沿着测量平板上的槽移动，其一端较粗，安装有压力传感器，所述压力传感器通过滑轨内的通道与滑轨上表面的中心处的孔相联通；所述的压板用于将测量滑轨固定在测量平台上，避免测量滑轨受到吸附力而移动；

所述的电机长轴传动系统包括由伺服电机驱动器、伺服电机、连接伺服电机与传动轴的联轴器、连接传动轴与吸盘固定座的联轴器、吸盘固定座、吸盘构成传动机构；由电机传动轴、电机套筒、上定心轴承、下定心轴承组成传动轴定心防甩圈机构。

2.如权利要求1中所述的一种水下涡旋吸附吸盘吸附性能测试装置，其特征在于：所述的测量平板的下方布置有圆周分布的调平螺丝，用于防止测量平板的侧倾。

3.如权利要求1中所述的一种水下涡旋吸附吸盘吸附性能测试装置，其特征在于：

从压力传感器所在端开始，在滑轨轴向中心开孔，孔深略超过滑轨长度一半，形成所述滑轨内的通道，再从滑轨上表面的中心向下开孔与该通道连通，压力传感器所测压力与滑轨上表面中心处孔的压力相同。

4.一种水下涡旋吸附吸盘吸附性能测试方法，使用权利要求1所述的装置，其特征在于：在不同的伺服电机转速，吸盘与吸附平面的距离下，分别测量吸附压力的分布和吸附力大小，比较在同一转速下不同距离下的吸附力，确定吸附力最大的距离。

5.如权利要求4所述的一种水下涡旋吸附吸盘吸附性能测试方法，其特征在于：所述测量吸附压力的分布具体为：通过测量平台的旋转移动和测量滑轨的水平运动，测量滑轨上表面的中心孔对准涡旋吸附吸盘下方的任意一点，即通过与中心孔相联通的压力传感器测量涡旋吸附吸盘下任意一点的吸附压力。

6.如权利要求4所述的一种水下涡旋吸附吸盘吸附性能测试方法，其特征在于：所述的测量吸附力大小的具体为：首先通过重力传感器测量在静水中吸附压力测量平台和平台支座的重力，随后测量在吸盘旋转下吸附压力测量平台和平台支座的重力；由于吸盘的旋转，在吸盘与被吸附平面间产生了吸附力，将会使得重力传感器的示数减小；减小的这部分即为吸附力。

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