专利名称：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
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。所述的导向转盘通过螺栓B和螺母B固定连接于中心转轴的中间位置；具体的高 度根据多杆深层月壤采样器使用的钻杆高度计算；所述的导向把手均勻对称分布在导向转 盘的水平圆周方向上，并通过螺钉A固定于导向转盘上，导向把手的个数与筒形夹具的个 数相同；所述的导向把手为半圆管形结构，各个导向把手的半圆管结构的开口方向一致，并 且半圆管结构的中心轴线平行于中心转轴，各个导向把手均经过磁化处理，以便对钻杆产 生磁力吸引作用，导向把手的内径与钻杆的外径相同，且保证导向把手与筒形夹具同轴心。所述的换杆机构包括定位滑块A、定位滑块B、杠杆框转轴、支点支架、复位弹簧、 杠杆框、螺钉B、支点转轴和齿轮箱。所述的齿轮箱的上表面固定，齿轮箱下表面具有通孔，通孔的大小和形状使定位 滑块A和定位滑块B只产生轴向运动而不产生周向的转动；中心转轴的顶端从上至下分为 齿轮连接轴段、光轴段和外花键结构轴段三个部分，顶端的齿轮连接轴段穿过齿轮箱下表 面的通孔与齿轮箱中的齿轮相配合，由齿轮带动中心转轴转动；所述的定位滑块A和定位 滑块B为具有一定高度的半圆环形结构，且两端具有凸缘，该具有一定高度的半圆环形结 构的内表面具有齿和槽的牙嵌式结构，形状为内花键结构，外表面为光滑表面；将定位滑块 A和定位滑块B的开口对接在一起，并通过螺钉B在凸缘螺钉孔连接固定，组成一个侧面具 有两个凸缘的圆环形完整定位滑块，中心具有内孔。所述的中心转轴的光轴的高度为hl，且hi >h，其中h为定位滑块A和定位滑块B的高度，所述的中心转轴的外花键结构轴段的高度为h2，且l/3h；外花键结构轴
段的齿和槽的大小与完整定位滑块的齿和槽相配合，该外花键结构轴段穿过完整定位滑块 的内孔，通过完整定位滑块的轴向运动与中心转轴进行咬合与分离，咬合时，完整定位滑块 的上端位于齿轮箱的下表面之上，分离时完整定位滑块的下端位于齿轮箱的下表面之下。所述杠杆框的中部为矩形框，矩形框相对的两边框中点位置上连接有两个细长的 臂A和臂B，两个杠杆框转轴分别穿过其余的相对的两个边框上的转轴孔B和定位滑块A、 定位滑块B上的盲孔，将杠杆框与定位滑块A和定位滑块B连接，经过杠杆框转轴的连接后 定位滑块能够随着杠杆框的移动在中心转轴上沿中心转轴的轴向上下移动；所述的复位 弹 簧的一端与杠杆框的臂A边缘固定连接，另一端固定在齿轮箱下表面上；杠杆框的臂B插在 竖直支点支架底端的内部，支点支架的底部具有一个长槽形孔，支点转轴穿过长槽形孔将 支点支架和杠杆框的臂B活动连接，支点支架的顶部固定不动，当臂A向靠近齿轮箱的下表 面运动时，臂B在长槽形孔的小范围内左右移动。一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构的换杆定位方法，包括以下几个步骤步骤一将钻杆从下端支撑机构中取出；钻杆下端处于筒形夹具中，拉紧弹簧处于最大的拉伸状态，筒形夹具上端闭合，钻 杆的上端由上端导向机构上相对应的导向把手进行包覆定位；钻杆在采样器的动力部分的 带动下垂直向上提升，筒形夹具的上端在下端拉紧弹簧的回复力的作用下缓慢张开，钻杆 底部与筒形夹具的内壁接触；钻杆仍被导向把手包覆；随着钻杆继续上升，拉紧弹簧逐渐 恢复原形，筒形夹具上端张开到最大角度不再继续张开，钻杆与筒形夹具的内壁脱离接触； 钻杆随之上升到筒形夹具的正上方；步骤二钻杆换杆准备；钻杆在采样器动力部分的带动下上升到复位弹簧的正下方，与杠杆框的臂A接 触，处于换杆准备状态；随后钻杆在采样器动力部分的带动下继续上升，采样器动力部分上 表面压缩复位弹簧，并克服复位弹簧的弹力将杠杆框臂A的一端抬起，通过杠杆框转轴的 连接将抬升力作用在定位滑块A和定位滑块B上，定位滑块A和定位滑块B轴向上升；步骤三将钻杆与夹持机构分离随着钻杆在采样器动力部分的带动下继续上升，定位滑块A和定位滑块B被完全 抬起，定位滑块A和定位滑块B完全上升到中心转轴的光轴段后，定位滑块A和定位滑块B 与中心转轴的外花键结构轴段上的齿和槽的咬合锁定解除，中心转轴在采样器动力部分驱 动下，带动导向把手随着齿轮箱内部齿轮的转动而转动；使钻杆与导向把手脱离，钻杆完全 从夹持机构中取出，并位于相邻两个筒形夹具中间的间隙位置；步骤四钻杆下降开始工作；采样器动力部分带动钻杆开始下降，钻杆在此间隙处下钻工作；在复位弹簧的回 复力作用下杠杆框开始下降，带动定位滑块A和定位滑块B轴向向下运动，定位滑块A和 定位滑块B上的齿和槽与中心转轴的外花键结构轴段上的槽和齿逐渐咬合，直至定位滑块 A和定位滑块B下降到轴向运动最低端，中心转轴再次被定位锁定，换杆机构处于定位自锁 状态；步骤五钻杆钻探工作结束，采样器动力部分提升钻杆；钻杆钻探工作结束之后，钻杆在采样器动力部分的带动下上升到杠杆框的臂A下端，动力部分的上表面压缩复位弹簧，并克服复位弹簧的弹力将杠杆框臂A的一端抬起，通 过杠杆框转轴的连接将抬升力作用在定位滑块A和定位滑块B上，并将定位滑块A和定位 滑块B抬起；步骤六钻杆重新定位到夹持机构；随着钻杆继续上升，定位 滑块A和定位滑块B被完全抬起，定位滑块A和定位滑块 B上升到中心转轴的光轴段部分后，定位滑块A和定位滑块B与中心转轴上的齿和槽的咬合 锁定解除，中心转轴在采样器动力部分的驱动下，随着齿轮箱内部齿轮的转动带动下而转 动；中心转轴在采样器动力部分的驱动作用下向导向把手的开口方向的转动45°，带动夹 持机构也转动45°，此时钻杆与导向把手及筒形夹具同轴；步骤七将钻杆收起放入下端支撑机构中；采样器动力部分带动钻杆克服导向把手的摩擦力开始下降，在复位弹簧的回复力 作用下杠杆框也开始下降，从而带动定位滑块A和定位滑块B向下平移，定位滑块A和定位 滑块B上的齿和槽与中心转轴的外花键结构轴段上的槽和齿逐渐咬合，直至定位滑块A和 定位滑块B下降到轴向运动最低端，中心转轴再次被定位锁定，换杆机构处于定位自锁状 态；钻杆在采样器动力部分的带动下继续下降，进入筒形夹具中，钻杆底部与筒形夹 具的内壁接触，钻杆继续下降，拉紧弹簧在钻杆下降作用力的作用下缓慢拉伸，筒形夹具的 上端逐渐闭合，直到钻杆底部下降到筒形夹具的最低端，完全放入筒形夹具中，拉紧弹簧处 于最大的拉伸状态，钻杆放回至换杆定位机构的下端支撑机构中。所述的轴向运动最低端为中心转轴顶端外花键结构轴段具有齿和槽结构的最低 位置，平移滑块A和定位滑块B在中心转轴的的外花键结构轴段向下有效运动的终止位置。所述的换杆机构处于定位自锁状态是指定位滑块A和定位滑块B处于轴向运动最 低端，复位弹簧一直处于压缩状态，定位滑块A、定位滑块B和中心转轴的外花键结构轴段 齿和槽相互咬合在一起时，中心转轴被定位锁定。本发明的优点在于1、本发明提出一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构没有添加额外的动力源， 充分利用采样器平移模块的上下运动并配合新的机构实现钻杆的取出、固定和定位机构的 锁定、解锁，能耗低。2、本发明提出一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构在完成钻杆固定和定位 的功能前提下，结构精简，不存在运动干涉。3、本发明提出一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构能实现钻杆固定位置与 下钻位置的精确定位，而且其工作时序与整个采样器配合巧妙，可以在取放钻杆和钻杆下 钻时定位，不需额外控制，简化控制程序。
图1 本发明提出的换杆定位机构的整体结构图；图2 本发明提出的换杆定位机构安装一根钻杆的结构图；图3 本发明提出的换杆定位机构中换杆机构的放大结构图；图4-A 本发明提出的换杆定位机构中筒形夹具的闭合时结构图4-B 本发明提出的换杆定位机构中筒形夹具的张开时结构图；图5 本发明提出的换杆定位机构中支点支架的放大结构图；图6 本发明提出的换杆定位机构中杠杆框结构图；图7 本发明提出的换杆定位机构中定位滑块A和定位滑块B的牙嵌结构示意图；图8 本发明提出的换杆定位机构在钻杆换杆定位时提升过程的位置状态变化 图；图9 本发明提出的换杆定位机构在换杆定位时换杆结构的位置状态变化图；
图10 本发明提出的换杆定位机构在换杆定位时换杆机构解除锁定后的局部图；图11 本发明提出的换杆定位机构在换杆定位时换杆机构处于定位自锁状态图。图中1-齿轮箱； 2-定位滑块A ； 3-定位滑块B; 4_复位弹簧；5-杠杆框； 6-中心转轴；7-导向把手；8-导向转盘；9-筒形夹具；10-夹具转盘；11-筒形夹具转轴；12-拉紧弹簧；13-螺栓 A ； 14-螺母 B; 15-螺钉 A ；16-螺栓 B ；17-螺母B ； 18-杠杆框转轴；19-螺钉B ；20-支点转轴；21-支点支架；22-钻杆；23-夹片；24-臂A ；25-臂B;26-转轴孔A ； 27-齿轮连接轴段；28-光轴段；29-外花键结构轴段；30-转轴孔B。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本发明提出的一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构是在ZL2007101211118 的基础上所做的改进，在专利号为ZL2007101211118的专利中公开一种月球土壤采样器， 该采样器包括动力部分和换杆部分，其中动力部分包括升降电机、传动齿轮、旋转电机、接 头装置等，换杆部分包括齿轮箱、转轴、双爪卡具、单爪卡具和齿盘定位器，本发明对上述专 利中的换杆部分做出改进，设计出一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构，避免了运动 干涉问题，对上述专利的动力部分未做改进，在换杆定位时，仍采用相同的动力部分实现对 钻杆的夹持提升。本发明提出一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构，如图1和图2所示，该换杆 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；如图1、图2所
7J\ ο所述的下端支撑机构包括筒形夹具9、拉紧弹簧12、筒形夹具转轴11、夹具转盘 10、螺栓A13和螺母A14。所述的夹具转盘10为带有对称C型叉架的圆盘结构，中心位置通过螺栓A13和螺 母A14固定连接在中心转轴6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9的两个夹片23连接后相对的两个转轴孔A26的距离相 同；如图4-A和图4-B，筒形夹具9通过对称C型叉架固定在转盘10上。所述的筒形夹具9为中空的圆筒形薄壁结构，如图4-A所示，由两个对称的可张开或闭合的夹片23组成，每个夹片23为半圆筒形薄壁结构，筒形夹具9在闭合时的内径与搭 配使用的钻杆22的外径相同；每个夹片23的两侧边的中间位置分别具有一个凸出的转轴 孔A26，转轴孔A26的外边缘为圆弧形，筒形夹具转轴11穿过转轴孔A26和夹具转盘10的 叉架的插孔，将两个夹片23与夹具转盘10上的叉架相连接，并且两个夹片23的彼此相对 连接，彼此之间留有侧面缝隙；并保证两个夹片23相接触的转轴孔A26的外边缘相切，起到 在筒形夹具9张开和闭合过程中摩擦轮的作用。该侧面缝隙的距离自转轴孔A26处向上为 平行的等距离，自转轴孔A26处向下为喇叭形逐渐增大的距离，并一直延伸到夹片23的底 面，如图4-B所示，便于筒形夹具9按预期角度张开；两个夹片23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23底面的距离大小相同，两夹片23的底面的 相对的两条边的中心位置固定连接有拉紧弹簧12。所述的筒形夹具9的个数与多杆深层月壤采样器使用的钻杆22的数量和外径尺 寸有关，筒形夹具9的个数设定应根据实际工作需要，并注意避免钻杆22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22的外径尺寸 为20mm 40mm，则筒形夹具9可以选择1 7个，根据实际需要优选为4个；并且筒形夹 具9的个数随着钻杆22的外径的增大而减少。所述的上端导向机构包括导向把手7、螺钉A15、导向转盘8、螺栓B16和螺母B17 ；所述的导向转盘8通过螺栓B16和螺母B17固定连接于中心转轴6的中上部位 置；具体的高度根据多杆深层月壤采样器使用的钻杆22高度计算；所述的导向把手7均勻 对称分布在导向转盘8的水平圆周方向上，并通过螺 钉A15固定于导向转盘8上，导向把手 7的个数与筒形夹具9的个数相同；所述的导向把手7为半圆管形结构，各个导向把手7的 半圆管结构的开口方向一致，并且的中心轴线平行于中心转轴，各个导向把手7均经过磁 化处理，以便对钻杆22产生磁力吸引作用，导向把手7的内径与钻杆22的外径相同，且保 证导向把手7与筒形夹具9同轴心。所述的换杆机构包括定位滑块A2、定位滑块B3、杠杆框转轴18、支点支架21、复位 弹簧4、杠杆框5、螺钉B19、支点转轴20和齿轮箱1，如图3所示。所述的齿轮箱1的上表面固定，齿轮箱1下表面具有通孔，通孔的大小和形状使定 位滑块A2和定位滑块B3只产生轴向运动而不产生周向的转动；中心转轴6的顶端从上至 下分为齿轮连接轴段27、光轴段28和外花键结构轴段29三个部分，如图10和图11，顶端 的齿轮连接轴段27穿过齿轮箱1下表面的通孔与齿轮箱1中的齿轮相配合，由齿轮的带动 中心转轴6转动。所述的定位滑块A2和定位滑块B3为具有一定高度的半圆环形结构，如图7所示， 且两端分别具有凸缘，该具有一定高度的半圆环形结构的内表面为具有齿和槽的牙嵌式结 构，形状为内花键结构，外表面为光滑表面；将定位滑块A2和定位滑块B3的开口对接在一 起，并通过螺钉B19在凸缘螺钉孔连接固定，组成一个侧面具有两个凸缘的圆环形完整定 位滑块，中心具有内孔；组成的完整定位滑块的内孔为具有齿和槽的牙嵌式结构，形状为内 花键结构，并且中心转轴6的外花键结构轴段29上设计有与之相配合槽和齿，形状为外花 键结构。所述的中心转轴6的光轴段28的高度为hi，且hi > h，其中h为定位滑块A2和定 位滑块B3的高度，所述的中心转轴6的外花键结构轴段29的高度为h2，且l/3h ^ h2 ^ h ；外花键结构轴段29的齿和槽的大小与完整定位滑块的齿和槽相配合，该外花键结构轴段 29穿过完整定位滑块的内孔，通过完整定位滑块的轴向运动与中心转轴6进行咬合与分 离，咬合时，完整定位滑块的上端位于齿轮箱1的下表面之上，分离时完整定位滑块的下端 位于齿轮箱1的下表面之下。所述杠杆框5的中部为矩形框，矩形框相对的两边框中点位置上连接有两个细长 的臂A24和臂B25，如图6所示，杠杆框转轴18穿过其余的相对的两个边框上的转轴孔B30 以及定位滑块A2和定位滑块B3上的盲孔，将杠杆框5与定位滑块A2和定位滑块B3连接， 经过杠杆框转轴18的连接后定位滑块能够随着杠杆框5的移动在中心转轴6上沿中心转 轴6的轴向上下移动；所述的复位弹簧4的一端与杠杆框5的臂A24边缘固定连接，如图5 所示，另一端固定在齿轮箱1的下表面上；杠杆框5的臂B25竖直插在支点支架21底端的 内部，支点支架21的底部具有一个水平长槽形孔，支点转轴20穿过长槽形孔将支点支架21 和杠杆框5活动连接，如图5所示，支点支架21的顶部固定不动，当臂A24在复位弹簧4的 带动下运动时使臂B25在长槽形孔的小范围内左右移动。—种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构的换杆定位方法，包括以下几个步骤步骤一将钻杆22从下端支撑机构中取出；钻杆22下端处于筒形夹具9中，如图8所示，拉紧弹簧 12处于拉伸状态，筒形夹 具9上端闭合，钻杆22的上端由上端导向机构上相对应的导向把手7进行包覆定位；钻杆 22在采样器的动力部分的带动下垂直向上提升，筒形夹具9的上端在下端拉紧弹簧12的回 复力的作用下缓慢张开，钻杆22底部与筒形夹具9的内壁接触；钻杆22仍被导向把手7包 覆；随着钻杆22继续上升，拉紧弹簧12逐渐恢复原形，筒形夹具9上端张开到最大角度不 再继续张开，钻杆22与筒形夹具9的内壁脱离接触；钻杆22随之上升到筒形夹具9的正上 方，图8中钻杆22在提升过程中的位置状态变化图，为带有筒形夹具9局部剖的主视图；步骤二 钻杆22换杆准备；钻杆22在采样器动力部分的带动下上升到复位弹簧4的正下方，与杠杆框5的臂 A24接触，处于换杆准备状态；随后钻杆22在采样器动力部分的带动下继续上升，动力部分 的上表面压缩复位弹簧4，并克服复位弹簧4的弹力将杠杆框5臂A24的一端抬起，通过杠 杆框转轴18的连接将抬升力作用在定位滑块A2和定位滑块B3上，定位滑块A2和定位滑 块B3轴向上升；如图9所示；步骤三将钻杆22与夹持机构分离随着钻杆22在采样器动力部分的带动下继续上升，定位滑块A2和定位滑块B3被 完全抬起，定位滑块A2和定位滑块B3完全上升到中心转轴6的光轴段28部分后，定位滑 块A2和定位滑块B3与中心转轴6的外花键结构轴段29上的齿和槽的咬合锁定解除，如图 10所示，中心转轴6在采样器动力部分驱动下，随着齿轮箱1内部齿轮的转动带动下而转 动，向导向把手7的开口方向的反方向转动45°，使钻杆22与导向把手7脱离，钻杆22完 全从夹持机构中取出，并位于相邻两个筒形夹具9中间的间隙位置；步骤四钻杆22下降开始工作；采样器动力部分带动钻杆22开始下降，钻杆22在此间隙处下钻工作；在复位弹簧 4的回复力作用下杠杆框5开始下降，带动定位滑块A2和定位滑块B3轴向向下运动，定位 滑块A2和定位滑块B3上的齿和槽与中心转轴6的外花键结构轴段29上的槽和齿逐渐咬合，直至定位滑块A2和定位滑块B3下降到轴向运动最低端，中心转轴6再次被定位锁定， 换杆机构处于定位自锁状态，如图11所示；步骤五钻杆22钻探工作结束，采样器动力部分提升钻杆22 ；钻杆22在采样器动力部分的带动下上升到杠杆框5的臂A24下端，采样器动力部 分的上表面压缩复位弹簧4，并克服复位弹簧4的弹力将杠杆框5臂A24的一端抬起，通过 杠杆框转轴18的连接将抬升力作用在定位滑块A2和定位滑块B3上，并将定位滑块A2和 定位滑块B3抬起；步骤六钻杆22重新定位到夹持机构；随着钻杆22继续上升，定位滑块A2和定位滑块B3被完全抬起，定位滑块A2和定 位滑块B3上升到中心转轴6的光轴部分28后，定位滑块A2和定位滑块B3与中心转轴6 外花键结构轴段29上的齿和 槽的咬合锁定解除，中心转轴6在采样器动力部分的驱动下， 随着齿轮箱1内部齿轮的转动带动下而转动；中心转轴6在采样器动力部分的驱动作用下向导向把手7的开口方向的转动 45°，带动夹持机构也转动45°，此时钻杆22与导向把手7及筒形夹具9同轴；步骤七采样器动力部分带动钻杆22克服导向把手7的摩擦力开始下降，在复位 弹簧4的回复力作用下杠杆框5也开始下降，从而带动定位滑块A2和定位滑块B3向下平 移，定位滑块A2和定位滑块B3上的齿和槽与中心转轴的外花键结构轴段29上的槽和齿逐 渐咬合，直至定位滑块A2和定位滑块B3下降到轴向运动最低端，中心转轴6再次被定位锁 定，换杆机构处于定位自锁状态；钻杆22在采样器动力部分的带动下继续下降，进入筒形夹具9中，钻杆22底部与 筒形夹具9的内壁接触，钻杆22继续下降，拉紧弹簧12在钻杆22下降作用力的作用下缓 慢拉伸，筒形夹具9的上端逐渐闭合，直到钻杆22底部下降到筒形夹具9的最低端，完全放 入筒形夹具9中，拉紧弹簧12处于最大的拉伸状态，钻杆22完成放回至换杆定位机构中。所述的定位滑块A和定位滑块B下降到轴向运动最低端为中心转轴6顶端外花键 结构轴段29具有齿和槽结构的最低位置，平移滑块A2和定位滑块B3在中心转轴的的外花 键结构轴段29向下有效运动的终止位置。所述的换杆机构处于定位自锁状态是指定位滑块A2和定位滑块B3处于轴向运动 最低端，复位弹簧4 一直处于压缩状态，定位滑块A2、定位滑块B3和中心转轴6的外花键结 构轴段29齿和槽相互咬合在一起时，中心转轴被定位锁定；每个钻杆在开始进行换杆定位 前，换杆机构均处于定位自锁状态，并且中心转轴6处于定位锁定。所述的多杆深层月壤采 样器中固定的其余钻杆22同样按照所述的步骤一到步骤七的步骤从换杆定位机构中取出 进行换杆定位。
权利要求
一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构，其特征在于所述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上；每个C型叉架的两个自由端上分别具有两个插孔；所述的筒形夹具为中空的圆筒形薄壁结构，由两个对称的夹片组成，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；每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，筒形夹具转轴穿过两个转轴孔A和夹具转盘的C型叉架的插孔，将两个夹片与夹具转盘上的叉架相连接；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；所述的导向转盘通过螺栓B和螺母B固定连接于中心转轴的中间位置；所述的导向把手均匀对称分布在导向转盘的水平圆周方向上，并通过螺钉A固定于导向转盘上，所述的导向把手为半圆管形结构，各个导向把手的半圆管结构的开口方向一致，并且半圆管结构的中心轴线平行于中心转轴，各个导向把手均经过磁化处理，以便对钻杆产生磁力吸引作用，导向把手的内径与钻杆的外径相同，且导向把手半圆管与筒形夹具同轴心布置；所述的换杆机构包括定位滑块A、定位滑块B、杠杆框转轴、支点支架、复位弹簧、杠杆框、螺钉B、支点转轴和齿轮箱；所述的齿轮箱的上表面固定，齿轮箱下表面具有通孔，通孔的大小和形状使定位滑块A和定位滑块B只产生轴向运动而不产生周向的转动；中心转轴的顶端从上至下分为齿轮连接轴段、光轴段和外花键结构轴段三个部分，顶端的齿轮连接轴段穿过齿轮箱下表面的通孔与齿轮箱中的齿轮相配合，由齿轮带动中心转轴转动；所述的定位滑块A和定位滑块B均为半圆环形结构，两端具有凸缘，该半圆环形结构的内表面具有齿和槽，形状为内花键结构，外表面为光滑表面；将定位滑块A和定位滑块B的开口对接在一起，并通过螺钉B在凸缘处连接固定，组成一个圆环形的完整定位滑块，中心具有内孔；所述的中心转轴的光轴段的高度为h1，且h1＞h，其中h为定位滑块A和定位滑块B的高度，所述的中心转轴的外花键结构轴段的高度为h2，且1/3h≤h2≤h；外花键结构轴段的齿和槽的大小与完整定位滑块的齿和槽相配合，该外花键结构轴段穿过完整定位滑块的内孔，通过完整定位滑块的轴向运动与中心转轴进行咬合与分离；咬合时，完整定位滑块的上端位于齿轮箱的下表面之上，分离时完整定位滑块的下端位于齿轮箱的下表面之下；所述杠杆框的两端连接有两个细长的臂A和臂B，臂A和臂B在同一直线上，两个杠杆框转轴分别穿过杠杆框上的两个转轴孔B和定位滑块A上的盲孔、定位滑块B上的盲孔，将杠杆框与定位滑块A和定位滑块B连接，经过杠杆框转轴的连接后完整定位滑块随着杠杆框的移动在中心转轴上沿中心转轴的轴向上下移动；所述的复位弹簧的一端与杠杆框的臂A边缘固定连接，另一端固定在齿轮箱下表面上；杠杆框的臂B插在竖直支点支架底端的内部，支点支架的底部具有一个水平长槽形孔，支点转轴穿过长槽形孔将支点支架和杠杆框的臂B活动连接，支点支架的顶部固定不动，当臂A向靠近齿轮箱的下表面运动时，臂B在长槽形孔内左右移动。
2.根据权利要求1所述的换杆定位机构，其特征在于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，钻杆的外径尺寸为20mm 40mm，则筒 形夹具选择1 7个，并且筒形夹具的个数随着钻杆的外径的增大而减少。
3.根据权利要求1或2所述的一种多杆深层月壤采样器的换杆定位机构，其特征在于 所述的筒形夹具的个数为4个。
4.根据权利要求1所述的换杆定位机构，其特征在于所述的C型叉架两个自由端上 的两个插孔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 具通过筒形夹具转轴固定在夹具转盘的C型叉架上。
5.根据权利要求1所述的换杆定位机构，其特征在于所述的两个夹片彼此相对连接， 彼此之间留有侧面缝隙；并保证两个夹片相接触的转轴孔A的外边缘部位相切，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。
6.根据权利要求1所述的换杆定位机构，其特征在于所述的导向把手的个数与筒形 夹具的个数相同。
7.一种多杆深层月壤采样器的换杆定位方法，其特征在于包括以下几个步骤步骤一将钻杆从下端支撑机构中取出；钻杆下端处于筒形夹具中，拉紧弹簧处于拉伸状态，筒形夹具上端闭合，钻杆的上端由 上端导向机构上相对应的导向把手进行包覆定位；钻杆在采样器的动力部分的带动下垂直 向上提升，筒形夹具的上端在下端拉紧弹簧的回复力的作用下缓慢张开，钻杆底部与筒形 夹具的内壁接触；钻杆仍被导向把手包覆；随着钻杆继续上升，拉紧弹簧逐渐恢复原形，筒 形夹具上端张开到最大角度不再继续张开，钻杆与筒形夹具的内壁脱离接触；钻杆随之上 升到筒形夹具的正上方；步骤二 钻杆换杆准备；钻杆在采样器动力部分的带动下上升到复位弹簧的正下方，与杠杆框的臂A接触，处 于换杆准备状态；随后钻杆在采样器动力部分的带动下继续上升，采样器动力部分的上表 面压缩复位弹簧，并克服复位弹簧的弹力将杠杆框臂A的一端抬起，通过杠杆框转轴的连 接将抬升力作用在定位滑块A和定位滑块B上，定位滑块A和定位滑块B轴向上升；步骤三将钻杆与夹持机构分离；随着钻杆在采样器动力部分的带动下继续上升，定位滑块A和定位滑块B被完全抬起， 定位滑块A和定位滑块B完全上升到中心转轴的光轴段后，定位滑块A和定位滑块B与中心 转轴的外花键结构轴段上的齿和槽的咬合锁定解除，中心转轴在采样器动力部分驱动下， 带动导向把手随着齿轮箱内部齿轮的转动而转动；使钻杆与导向把手脱离，钻杆完全从夹 持机构中取出，并位于相邻两个筒形夹具中间的间隙位置；步骤四钻杆下降开始工作；采样器动力部分带动钻杆开始下降，钻杆在此间隙处下钻工作；在复位弹簧的回复力 作用下杠杆框开始下降，带动定位滑块A和定位滑块B轴向向下运动，定位滑块A和定位滑 块B上的齿和槽与中心转轴的外花键结构轴段上的槽和齿逐渐咬合，直至定位滑块A和定 位滑块B下降到轴向运动最低端，中心转轴再次被定位锁定，换杆机构处于定位自锁状态；步骤五钻杆钻探工作结束，采样器动力部分提升钻杆；钻杆在采样器动力部分的带动下上升到 杠杆框的臂A下端，采样器动力部分的上表面 压缩复位弹簧，并克服复位弹簧的弹力将杠杆框臂A的一端抬起，通过杠杆框转轴的连接 将抬升力作用在定位滑块A和定位滑块B上，并将定位滑块A和定位滑块B抬起；步骤六钻杆重新定位到夹持机构；随着钻杆继续上升，定位滑块A和定位滑块B被完全抬起，定位滑块A和定位滑块B上 升到中心转轴的光轴段后，定位滑块A和定位滑块B与中心转轴的外花键结构轴段上的齿 和槽的咬合锁定解除，中心转轴在采样器动力部分的驱动下，随着齿轮箱内部齿轮的转动 带动下而转动；中心转轴在采样器动力部分的驱动作用下向导向把手的开口方向的转动45°，带动夹 持机构也转动45°，此时钻杆与导向把手及筒形夹具同轴；步骤七将钻杆收起放入下端支撑机构中；采样器动力部分带动钻杆克服导向把手的摩擦力开始下降，在复位弹簧的回复力作用 下杠杆框也开始下降，从而带动定位滑块A和定位滑块B向下平移，定位滑块A和定位滑块 B上的齿和槽与中心转轴的外花键结构轴段上的槽和齿逐渐咬合，直至定位滑块A和定位 滑块B下降到轴向运动最低端，中心转轴再次被定位锁定，换杆机构处于定位自锁状态；钻杆在采样器动力部分的带动下继续下降，进入筒形夹具中，钻杆底部与筒形夹具的 内壁接触，钻杆继续下降，拉紧弹簧在钻杆下降作用力的作用下缓慢拉伸，筒形夹具的上端 逐渐闭合，直到钻杆底部下降到筒形夹具的最低端，完全放入筒形夹具中，拉紧弹簧处于最 大的拉伸状态，钻杆放回至换杆定位机构的下端支撑机构中。
8.根据权利要求7所述的换杆定位方法，其特征在于所述的定位滑块A和定位滑块B 下降到轴向运动最低端为中心转轴顶端外花键结构轴段具有齿和槽结构的最低位置，平移 滑块A和定位滑块B在中心转轴的的外花键结构轴段向下有效运动的终止位置。
9.根据权利要求7所述的换杆定位方法，其特征在于所述的换杆机构处于定位自锁 状态是指定位滑块A和定位滑块B处于轴向运动最低端，复位弹簧一直处于压缩状态，定位 滑块A、定位滑块B和中心转轴的外花键结构轴段齿和槽相互咬合在一起时，中心转轴被定 位锁定。
10.根据权利要求7所述的换杆定位方法，其特征在于所述的中心转轴在采样器动力 部分驱动下，带动导向把手随齿轮箱内部齿轮的转动，换杆定位机构具有4个筒形夹具，转 动的角度为45°。
全文摘要
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。所述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下端支撑机构、上端导向机构和中心转轴。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；所述的换杆机构包括定位滑块A、定位滑块B、杠杆框转轴、支点支架、复位弹簧、杠杆框、螺钉B、支点转轴和齿轮箱。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在换杆定位时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。
文档编号G01N1/08GK101936822SQ201010241978
公开日2011年1月5日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者丁希仑, 安迎和, 李可佳 申请人:北京航空航天大学