[发明专利]一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构及换杆定位方法

说明书

技术领域

本发明属于空间资源探测技术领域，具体涉及一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构及换杆定位方法。

背景技术

月球一直是人类进行深空探测的主要目标，月球上的资源和能源是对地球的重要补充，美国、日本、欧洲航天局、俄罗斯、印度和中国等国家和组织都已开展或正在开展探月计划。中国代号为“嫦娥工程”的月球探测工程已经启动，其三个阶段“绕”、“落”、“回”中的“绕”已经圆满完成，在即将进行的“落”和“回”两个阶段，都需要利用能够适应月球特殊环境的月壤采样器来完成相应的月壤采样任务。

美国和苏联已有成功的月球土壤采样经历，此外国内外的学者也提出了各种各样的采样器方案，已公开的采样器方案各具特色，但普遍存在诸如采样深度浅、采样量小、所采样品不能保持原样、样品易遗失或者采样器只能进行一次采样的不足。面向月壤采集的多杆深层采样器能同时改善这些缺陷，采样器理论上钻探深度可达1.5米，可以反复钻探取样。采集到的样品既可以存在回收箱内，也可以保留在钻杆中——空心钻杆中的防脱落装置保证样品不遗失，因此可以实现大量采样和保持样品原样采集。

然而，在专利号为ZL2007101211118的专利中记载的采样器的样机试验中仍然发现一些不足：第一，换杆定位机构均采用电磁铁加弹簧方式实现固定钻杆和定位的功能，工作能耗较大。在钻杆下钻过程中，大量电能用于产生克服弹簧的弹性势能的电磁力，这些能耗大大降低了采样器的工作时间，能量的有效利用率低。第二，钻杆夹持机构的四组夹持器均由4个夹片和4个弹簧构成，结构比较复杂。复杂的机构使整个系统的重量增加，采样器的发射成本和故障率都会随之增加。此外，采用电磁铁方式夹持钻杆还需要添加相应的控制模块，增加了控制系统的复杂程度。第三，动力部分中旋转电机输出轴连接的齿轮箱和联轴器在垂直方向运动到钻杆夹持机构处时会出现干涉，影响钻杆的继续下钻，导致实际的采样深度没有达到理论深度。在已公开的申请号为200820231882.2的专利中给出了一种配有独立的电机的钻杆夹紧机构，采用一个电机驱动两个对称的夹块实现钻杆的夹持，为每个钻杆均配备这样一个夹紧装置显然能耗也很大，而且体积也过于庞大。因此，如何对该深层月壤采样器进行内部结构改进，使得它能够克服以上不足是本发明的宗旨。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构及换杆定位方法。该换杆定位机构的结构简单，能耗低，简化了控制过程，同时该换杆定位机构还解决了运动干涉问题，使钻杆能实现完全下钻，达到预期的采样深度。

所述的多杆深层月壤采样器的换杆定位机构包括夹持机构和换杆机构。

所述的夹持机构包括上端导向机构、下端支撑机构和中心转轴。所述的换杆机构、上端导向机构和下端支撑机构分别位于中心转轴的顶端、中间位置和底端。

所述的下端支撑机构包括筒形夹具、拉紧弹簧、筒形夹具转轴、夹具转盘、螺栓A和螺母A。

所述的夹具转盘为带有对称C型叉架的圆盘结构，中心位置通过螺栓A和螺母A固定连接在中心转轴的底端；每个C型叉架的两个自由端方向上分别具有两个插孔，两个插孔间的距离与筒形夹具的两个夹片连接后相对的两个转轴孔A的距离相同；筒形夹具通过对称C型叉架固定在转盘上。

所述的筒形夹具为中空的圆筒形薄壁结构，由两个对称的可张开或闭合的夹片组成，每个夹片为半圆筒形薄壁结构，两个夹片的半径大小满足筒形夹具在闭合时的内径与搭配使用的钻杆的外径相同；两个夹片的两条侧边的中部分别具有一个凸出的转轴孔A，转轴孔A的外边缘为圆弧形，筒形夹具转轴穿过转轴孔A和夹具转盘的叉架的插孔，将夹片与夹具转盘上的叉架相连接，并且两个夹片的彼此相对连接，彼此之间留有侧面缝隙；并保证两个夹片相接触的圆弧形边缘部位相切，起到在筒形夹具张开和闭合中摩擦轮的作用。该侧面缝隙的距离自转轴孔A处向上为平行的等距离，自转轴孔A处向下为喇叭形逐渐增大的距离，并一直延伸到夹片的底面，便于筒形夹具按预期角度张开；两个夹片的底面之间也留有平行的底面缝隙，底面缝隙的大小与侧面缝隙在夹片底面的距离大小相同，两夹片的底面的相对的两条边的中心位置固定连接有拉紧弹簧。

所述的筒形夹具的个数与多杆深层月壤采样器使用的钻杆的数量和外径尺寸有关，筒形夹具的个数设定应根据实际工作需要，并注意避免钻杆在下钻过程中与下端支撑机构产生运动干涉的问题；通常多杆深层月壤采样器使用的钻杆的外径尺寸为20mm～40mm，则筒形夹具可以选择1～7个，根据实际需要优选为4个；并且筒形夹具的个数随着钻杆的外径的增大而减少。

所述的上端导向机构包括导向把手、螺钉A、导向转盘、螺栓B和螺母B。