CN116937264B - 一种水下随动型信能传输对接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下随动型信能传输对接装置，涉及海洋信息与能源领域，包括上对接组件、下对接组件和驱动机构，下对接组件的支撑座内设有可滑移球面连接机构和姿态稳定调节机构，所述可滑移球面连接机构与支撑座之间形成球面间隙配合连接，使得可滑移球面连接机构能够相对支撑座周向偏转和平移；能够使可滑移球面连接机构相对支撑座的中轴心线保持对接前初始姿态的居中稳定。本发明为一种完全敞开式结构，在对接过程中，具有使对接模块在任意方向同时进行周向偏转及平移的随动功能，适用于全域水深工作环境，结构小巧、可靠性高，保证对接传输精度。

Description

一种水下随动型信能传输对接装置

技术领域

本发明涉及水下航行器与海底接驳站之间对接时的信能传输连接装置技术领域，具体涉及一种水下随动型信能传输对接装置。

背景技术

随着海洋技术研究领域的迅速发展，各类水下航行器装备得以广泛应用。水下航行器在水中作业时需要与其它平台之间进行信息与能源之间的可靠高速传输，非接触式的信息与能源传输方式是当前非常通用的一种形式，但需保证插拔后传输模块两端各传输通道的共线精度，即要保证两个模块对接后的端面位置精度。

针对海洋信息与能源传输方式，已知的非接触式对接插拔技术为通过控制两端导销轴与导销孔的位置精度误差并预留一定配合间隙来实现插拔，对接过程中不能进行位置调整，如果出现较大偏差，会导致插拔失败。已公开的专利文献“一种新型水下电连接器插拔导引结构”（CN104600484B），提供了一种接触式信能传输方式，应用于电连接器式的水下对接插拔，该专利将电连接器插头与动力驱动机构集成耐压设计，基于锥形弹簧被动压缩扭转进行运动部件整体柔性导引。然而，其结构形式复杂、体积大，且不具备灵活的随动能力，具有一定使用局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种水下随动型信能传输对接装置，其为一种完全敞开式结构，在对接过程中，具有使对接组件在任意方向同时进行旋转及平移的随动功能，适用于全域水深工作环境，结构小巧、可靠性高，保证了对接传输精度，使用效果好。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：一种水下随动型信能传输对接装置，包括：

上对接组件，在上对接组件内设有第二信能传输模块和导引孔；

下对接组件，包括固定在运动座板上的支撑座，支撑座内设有可滑移球面连接机构和姿态稳定调节机构，可滑移球面连接机构上设有第一信能传输模块和导引轴；以及

驱动机构，用于驱动运动座板升降并带动导引轴做直线往复运动，当导引轴与导引孔配合对接时，第一信能传输模块与第二信能传输模块构成非接触式信能传输；

其中，所述可滑移球面连接机构与支撑座之间形成球面间隙配合连接，使得可滑移球面连接机构能够相对支撑座周向偏转和平移；所述姿态稳定调节机构能够使可滑移球面连接机构相对支撑座的中轴心线保持对接前初始姿态的居中稳定。

作为进一步的技术方案，所述可滑移球面连接机构包括第一壳体，所述第一壳体内设有第一信能传输模块，第一壳体的顶部设有导引轴，第一壳体的外壁上设有外球面；所述支撑座为对称的衬套式结构，支撑座的内壁上设有与外球面相匹配的内球面，内球面与外球面之间设有间隙，当第一壳体相对支撑座周向偏转时，内球面对外球面提供支撑。

作为进一步的技术方案，所述内球面上设有环形滑移槽，环形滑移槽内设有滑移环，滑移环与环形滑移槽之间留有空隙，滑移环的内圈与外球面线性接触，使得第一壳体相对支撑座周向偏转时，能够带动第一壳体沿环形滑移槽平移。

作为进一步的技术方案，所述支撑座的内壁上沿径向设有若干调节通道，每个调节通道内设有一组姿态稳定调节机构，所述姿态稳定调节机构包括压缩弹簧、调节螺柱和滚珠，所述调节螺柱通过螺纹连接在支撑座上，压缩弹簧的一端连接调节螺柱，压缩弹簧的另一端连接滚珠，使滚珠抵接在第一壳体的外壁上，向第一壳体施加可调的径向压力。

作为进一步的技术方案，所述第一壳体的外壁上设有卡槽，卡槽内设有轴向卡环，用于限制第一壳体轴向窜动。

作为进一步的技术方案，所述支撑座上固定连接有限位叉，第一壳体上端设有限位部，限位部设置在限位叉两侧的限位臂内，限制第一壳体进行过大角度的偏转。

作为进一步的技术方案，所述上对接组件包括第二壳体，第二壳体安装于水下航行器的壳体下方，所述导引孔开设在第二壳体的下表面。

作为进一步的技术方案，所述导引孔的口部设置截面为锥形的导入段，导入段上形成周向导引范围角θ1，导入段末端连接限位直孔段。

作为进一步的技术方案，所述驱动机构包括电机和导向柱，所述电机的输出端通过丝杠螺母连接带动运动座板做直线往复运动，导向柱贯穿运动座板，对运动座板进行导向。

作为进一步的技术方案，所述支撑座通过紧固螺钉与运动座板固定连接。

本发明的有益效果为：

1、下对接组件内设置由可滑移球面连接机构和支撑座构成的球面铰接结构，内球面与外球面之间设有间隙，当第一壳体相对支撑座周向偏转时，内球面对外球面提供支撑。同时，内球面上的环形滑移槽内设置滑移环，滑移环与环形滑移槽之间留有空隙，滑移环的内圈与外球面线性接触，使得第一壳体相对支撑座周向偏转时，还能够带动第一壳体沿环形滑移槽平移，从而完成偏离对接中心的任意方向转动与滑移两种运动模式，实现了对接过程中姿态的随动平衡，精准的完成了自我导引、位置纠偏及姿态稳定一系列小幅运动，且在对接后仅上、下对接组件的端面进行接触，保证了对接精度要求，适用于全域水深的水下信能传输对接。

2、姿态稳定调节机构作用在第一壳体的外圆柱面，在第一壳体相对支撑座周向偏转和平移时，能够使第一壳体相对支撑座的中轴心线保持对接前初始姿态的居中稳定，保证对接后第一壳体与第二壳体的同轴度。

3、下对接组件的导引孔内先设置导入段再设置限位直孔段，导入段上的周向导引范围角θ1能够适应对接时较大的偏转范围，限位直孔段则起到了完全对接后的限位作用，保证了对接精度要求。

4、在支撑座上固定连接限位叉，限位叉能够对第一壳体进行自由状态下初始偏角的限制，防止因水流影响使第一壳体产生过大偏转，导致两个导引轴超出导引角θ1范围而无法顺利对接。

5、轴向卡环安装在第一壳体的卡槽内，能够限制第一壳体在支撑座上进行轴向窜动。

附图说明

图1为本发明对接时的结构示意图。

图2为图1中A区域的局部放大示意图（下对接组件的结构示意图）。

图3为本发明中上对接组件的结构示意图。

图4为本发明中下对接组件与运动座板的连接结构示意图。

图5为本发明中第一壳体的主视结构示意图。

图6为本发明中第一壳体的立体结构示意图。

图7为本发明中第一壳体与限位叉的安装结构示意图。

图8为本发明中限位叉的结构示意图。

图9为本发明中支撑座的结构剖视图。

图10为本发明中支撑座与姿态稳定调节机构装配后的结构剖视图。

图11为本发明中支撑座的立体结构示意图。

图12为本发明中第二壳体的仰视结构示意图。

图13为本发明中第一壳体与第二壳体对接时的结构示意图1。

图14为本发明中第一壳体与第二壳体对接时的结构示意图2。

图15为本发明中第一壳体与第二壳体对接时的结构示意图3。

图16为本发明中第一壳体与第二壳体对接时的结构示意图4。

附图标记说明：运动座板1、可滑移球面连接机构2、姿态稳定调节机构3、支撑座4、滑移环5、轴向卡环6、限位叉7、紧固螺钉8、第一壳体9、第二壳体10、滚珠11、压缩弹簧12、调节螺柱13、水下航行器14、第一信能传输模块15、第二信能传输模块16、驱动机构17、导引孔18、导引轴19、环形滑移槽20、外球面21、内球面22、卡槽23、调节通道24、限位臂25、限位部26、导向柱27、导入段28、限位直孔段29。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：

实施例：如图1、图3、图4、图13所示，这种水下随动型信能传输对接装置，包括上对接组件、下对接组件和驱动机构17，上对接组件内设有第二信能传输模块16和导引孔18；下对接组件包括固定在运动座板1上的支撑座4，支撑座4内设有可滑移球面连接机构2和姿态稳定调节机构3，可滑移球面连接机构2上设有第一信能传输模块15和导引轴19；驱动机构17，用于驱动运动座板1升降并带动导引轴19做直线往复运动，当导引轴19与导引孔18配合对接时，第一信能传输模块15与第二信能传输模块16构成非接触式信能传输，信能传输模块主要用于信息与能源传输，属于现有技术。所述可滑移球面连接机构2与支撑座4之间形成球面间隙配合连接，使得可滑移球面连接机构2能够相对支撑座4周向偏转和平移，周向偏转是指在旋转、摆动或在摆动的同时还进行旋转。所述姿态稳定调节机构3能够使可滑移球面连接机构2相对支撑座4的中轴心线保持对接前初始姿态的居中稳定。

作为另一种具体的实施方式，参考图3、图12，上对接组件包括第二壳体10，第二壳体10安装在水下航行器14的壳体下部并朝外布置，在第二壳体10内安装第二信能传输模块16，在第二壳体10对接的端面结构处具有两个与导引轴19相匹配的导引孔18，两个导引孔18完全朝向第一壳体9上的导引轴19。优选地，如图3、图14所示，在导引孔18的口部设置截面为锥形的导入段28，导入段28上形成周向导引范围角θ1，能够适应对接时较大的偏转范围，导入段28末端（远离口部的一端）连接限位直孔段29，起到完全对接后的限位作用，保证了对接精度要求。对接时，在驱动机构17驱动下，带动第一壳体9进行直线运动，按照预定行程运动并最终使第一壳体9的导引轴19插入第二壳体10的导引孔18内，使得第一壳体9与第二壳体10两端按要求完成对接，达到传输能源的目的。

作为另一种具体的实施方式，如图2、图4所示，下对接组件包括可滑移球面连接机构2、姿态稳定调节机构3和支撑座4，其中，所述支撑座4为对称的衬套式结构，支撑座4通过紧固螺钉8锁紧固定在运动座板1上，可滑移球面连接机构2贯穿支撑座4，且可滑移球面连接机构2与支撑座4之间形成球面连接，使得可滑移球面连接机构2能够以球面为接触点（支点）相对支撑座4偏转（如图14所示）。具体的：可滑移球面连接机构2包括第一壳体9，如图5所示，在第一壳体9的外壁上设置外球面21（仅为球面的一部分，并非一个完整的球面），如图9所示，支撑座4除具有安装法兰外，还在支撑座4的内壁上设置一个与外球面21相匹配的内球面22。如图4所示，当支撑座4与第一壳体9装配后，二者形成一球面铰接的支撑结构，并且在内球面22与外球面21之间具有一定调整间隙（该调整间隙为第一壳体9能够平移而设置）。当第一壳体9相对支撑座4偏转到一定程度时，外球面21会与内球面22发生接触，使得内球面22对外球面21提供支撑。同时，如图9、图10、图11所示，在内球面22上部靠近支撑座4的上口处开设一个环形滑移槽20，滑移环5嵌入安装在环形滑移槽20内，滑移环5的内圈套在第一壳体9上，并与外球面21线性接触。优选地，滑移环5的横截面为长椭圆形并选择具有一定弹性、耐磨性的非金属材料制成，环形滑移槽20的内径大于滑移环5的外径，使得滑移环5放入环形滑移槽20后，二者之间留有一定的可移动空隙。当第一壳体9向第二壳体10插入时，若二者存在径向位置偏差，在驱动机构17向前推动下，在锥形的导入段28处产生的垂直于插拔方向的摩擦分力会推动第一壳体9向该方向平移，从而带动滑移环5在环形滑移槽20内移动。因偏差方向在360°范围内均可能产生，故所设滑移环结构形式支持第一壳体9圆周任意方向的移动纠偏。如图13、图14所示。参考附图4、5，在第一壳体9内装有第一信能传输模块15，第一壳体9顶部设置二根导引轴19，导引轴19与导引孔18一一对应。当导引轴19与导引孔18配合对接时，第一信能传输模块15与第二信能传输模块16形成非接触式信能传输。

作为另一种具体的实施方式，如图9、图10、图11所示，姿态稳定调节机构3沿支撑座4的径向设置，具体的：在支撑座4的内壁上沿径向贯穿开设四个调节通道24，每一调节通道24内置入一组姿态稳定调节机构3，姿态稳定调节机构3包括滚珠11、压缩弹簧12和调节螺柱13，压缩弹簧12的一端安装调节螺柱13，压缩弹簧12的另一端连接滚珠11，滚珠11从调节通道24的内侧口露出，并与第一壳体9的的外圆柱面相接触，向第一壳体9施加可调的径向压力。调节螺柱13通过螺纹与支撑座4配合连接且通过旋入位置调节压缩弹簧12的压缩力，从而改变滚珠11对第一壳体9的径向压力，通过调节能够使第一壳体9相对支撑座4的中轴心线保持对接前初始姿态的居中稳定。

作为另一种具体的实施方式，如图4、图5所示，在第一壳体9的外壁上开有卡槽23，用来安装轴向卡环6，轴向卡环材料选择需具有一定弹性，装配后，轴向卡环6与支撑座4的下端面配合，可防止第一壳体9在支撑座4上进行轴向窜动。如图7、图8所示，支撑座4上固定安装限位叉7，第一壳体9上端设置限位部26，能够安装在限位叉7两侧的限位臂25内，安装后限位部26与限位臂25之间留有一定的空隙，从而限制第一壳体9在水中进行过大角度的扭转。

作为另一种具体的实施方式，驱动机构17提供了一种向前和向后的往复推拉力，前进和后退的往复行程距离由机械结构进行限定，本实施例的驱动机构为电动形式，支持恒扭矩、恒转速输出控制模式，但不限于该种形式，可选用其它适合水下工作环境、支持往复平稳直线运动、推力满足使用要求的动力形式。本实施例的电机的输出端通过丝杠螺母连接带动运动座板1，驱动运动座板1做直线往复运动，从而在对接时带动导引轴19靠近或远离导引孔18。电机上还设置导向柱27，导向柱27贯穿运动座板1，对运动座板1的直线运动进行导向。按照功能需要及调试效果，驱动机构17的控制程序中预先设定好电机输出转矩、转速的相关参数值。当执行插拔对接动作时，在远程（岸基）操控界面启动电机运转，电机按照预定的转矩、转速带动传动丝杆进行运转，并通过运动座板1带动可滑移球面连接机构2（第一壳体9）向前直线移动，运动过程中操控单元对电机转矩和转速进行监测并显示。当运动座板1到达前进限位面时停止移动，电机出现了堵转，当实际输出转矩值大于预定值后，控制单元作出电机停止判断并发出电机停车指令，对接插入动作完成。拔出时电机旋转方向相反，控制流程相同。

本发明的工作过程：

如图1所示，可滑移球面连接机构2通过运动座板1与驱动机构17进行往复运动关联，非接触式的第一信能传输模块15和第二信能传输模块16分别安装于第一壳体9及第二壳体10中，可滑移球面连接机构2上包含第一壳体9，第二壳体10安装于水下航行器14的壳体下部并朝外布置，使第二壳体10上的两个导引孔18露出，导引孔18端部的导入段28具有较大的周向导引范围角θ1，导入段28末端连接限位直孔段29。第一壳体9上带有两个导引轴19，对接时，在驱动机构17驱动下，带动可滑移球面连接机构2及其上第一壳体9进行直线运动，按照预定行程运动并最终插入导引孔18，使得第一壳体9与第二壳体10两端按要求完成对接，达到传输能源的目的。

当水下航行器14通过声学引导进入接驳站时，通过相关导引限位机构完成初始位置的判断及锁定。本实施例中，可滑移球面连接机构2通过安装位置调整，能够将水下航行器14到位后的姿态误差范围控制在可滑移球面连接机构2滑移纠偏的最大限制值以内，保证对接插拔成功率。如图15所示，滑移最大行程L为支撑座4内孔直径与第一壳体9外径二者差值，如图14所示，周向纠偏角θ为第一壳体9自由状态下单侧偏转的最大值，第一壳体9外球面21为周向旋转运动支点。外球面21的半径R、滑移最大行程L及周向纠偏角θ这三个值的设定可结合实际使用需求进行匹配设计。

如图13~图16所示，为水下随动型信能传输对接装置对接纠偏过程示意图，具体过程如下：图13示意执行对接时的初始导引阶段，对接前，第一壳体9保持初始居中姿态稳定。图14示意执行对接时的周向纠偏阶段，因为第一壳体9、第二壳体10两端存在轴心偏差，在动力驱动下第一壳体9不断向前插入的同时，会以内球面22作为旋转运动支点，进行周向纠偏。图15示意执行对接时的滑移纠偏阶段，在第一壳体9进行周向纠偏时，侧向力的存在使滑移环5在环形滑移槽20内进行移动，因滑移环5内圈与第一壳体9的外球面21相配合，从而带动第一壳体9在周向纠偏同时实现了径向偏差方向的滑移纠偏，让第一壳体9的导引轴19顺利插入第二壳体10的导引孔18中，完成两端顺利对接，如图16所示。本实施例对接后第一壳体9、第二壳体10两端面的平行度角度误差α能够控制在0.3度以内，满足信能传输模块的传输要求。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种水下随动型信能传输对接装置，其特征在于，包括：

上对接组件，在上对接组件内设有第二信能传输模块（16）和导引孔（18）；

下对接组件，包括固定在运动座板（1）上的支撑座（4），支撑座（4）内设有可滑移球面连接机构（2）和姿态稳定调节机构（3），可滑移球面连接机构（2）上设有第一信能传输模块（15）和导引轴（19）；以及

驱动机构（17），用于驱动运动座板（1）升降并带动导引轴（19）做直线往复运动，当导引轴（19）与导引孔（18）配合对接时，第一信能传输模块（15）与第二信能传输模块（16）构成非接触式信能传输；

其中，所述可滑移球面连接机构（2）与支撑座（4）之间形成球面间隙配合连接，使得可滑移球面连接机构（2）能够相对支撑座（4）周向偏转和平移；所述姿态稳定调节机构（3）能够使可滑移球面连接机构（2）相对支撑座（4）的中轴心线保持对接前初始姿态的居中稳定；

所述可滑移球面连接机构（2）包括第一壳体（9），所述第一壳体（9）内设有第一信能传输模块（15），第一壳体（9）的顶部设有导引轴（19），第一壳体（9）的外壁上设有外球面（21）；所述支撑座（4）为对称的衬套式结构，支撑座（4）的内壁上设有与外球面（21）相匹配的内球面（22），内球面（22）与外球面（21）之间的配合处设有间隙，当第一壳体（9）相对支撑座（4）周向偏转时，内球面（22）对外球面（21）提供支撑；

所述内球面（22）上设有环形滑移槽（20），环形滑移槽（20）内设有滑移环（5），滑移环（5）与环形滑移槽（20）之间留有空隙，滑移环（5）的内圈与外球面（21）线性接触，使得第一壳体（9）相对支撑座（4）周向偏转时，能够带动第一壳体（9）沿环形滑移槽（20）平移；

所述支撑座（4）的内壁上沿径向设有若干调节通道（24），每个调节通道（24）内设有一组姿态稳定调节机构（3），所述姿态稳定调节机构（3）包括压缩弹簧（12）、调节螺柱（13）和滚珠（11），所述调节螺柱（13）通过螺纹连接在支撑座（4）上，压缩弹簧（12）的一端连接调节螺柱（13），压缩弹簧（12）的另一端连接滚珠（11），使滚珠（11）抵接在第一壳体（9）的外壁上，向第一壳体（9）施加可调的径向压力。

2.根据权利要求1所述的水下随动型信能传输对接装置，其特征在于：所述第一壳体（9）的外壁上设有卡槽（23），卡槽（23）内设有轴向卡环（6），用于限制第一壳体（9）轴向窜动。

3.根据权利要求2所述的水下随动型信能传输对接装置，其特征在于：所述支撑座（4）上固定连接有限位叉（7），第一壳体（9）上端设有限位部（26），限位部（26）设置在限位叉（7）两侧的限位臂（25）内，限制第一壳体（9）进行过大角度的偏转。

4.根据权利要求1所述的水下随动型信能传输对接装置，其特征在于：所述上对接组件包括第二壳体（10），第二壳体（10）安装于水下航行器（14）的壳体下方，所述导引孔（18）开设在第二壳体（10）的下表面。

5.根据权利要求4所述的水下随动型信能传输对接装置，其特征在于：所述导引孔（18）的口部设置截面为锥形的导入段（28），导入段（28）上形成周向导引范围角θ1，导入段（28）末端连接限位直孔段（29）。

6.根据权利要求1所述的水下随动型信能传输对接装置，其特征在于：所述驱动机构（17）包括电机和导向柱（27），所述电机的输出端通过丝杠螺母连接带动运动座板（1）做直线往复运动，导向柱（27）贯穿运动座板（1），对运动座板（1）进行导向。

7.根据权利要求1所述的水下随动型信能传输对接装置，其特征在于：所述支撑座（4）通过紧固螺钉（8）与运动座板（1）固定连接。