白永明，時(shí)運(yùn)來(lái)

(1. 無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 宜興 214206; 2. 南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

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基于超聲驅(qū)動(dòng)器的巖石樣品采樣設(shè)備

白永明1，時(shí)運(yùn)來(lái)2

(1. 無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 宜興 214206; 2. 南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

摘要：超聲驅(qū)動(dòng)器是近幾十年發(fā)展形成的新型驅(qū)動(dòng)裝置，因其具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)，在某些特殊領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景，特別適合在深空探測(cè)使用。針對(duì)現(xiàn)階段外太空研究中樣品取樣設(shè)備的需求和已有的關(guān)于超聲驅(qū)動(dòng)器研究成果，提出了研制基于超聲驅(qū)動(dòng)器的巖石樣品采樣設(shè)備并進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究，取得了一些初步研究成果。

關(guān)鍵詞：超聲驅(qū)動(dòng)器；巖石樣品；采樣設(shè)備

0引言

據(jù)美、俄對(duì)月球探測(cè)，發(fā)現(xiàn)月球等外星球上含有豐富的礦藏，為人類提供了新的能源來(lái)源。為了準(zhǔn)確了解星外巖石的構(gòu)成和含量，必須對(duì)巖石進(jìn)行采樣分析。但外太空上幾乎是真空環(huán)境，而且溫差變化特別大，在此惡劣的環(huán)境條件下完成巖石樣品采樣的工作一般靠無(wú)人操作的設(shè)備進(jìn)行。采樣設(shè)備包括采樣小車、鉆探器械等裝置。此外，要把大量用于科考的設(shè)備送入外太空，除大推力火箭以外，更需要在科考設(shè)備的材料上下功夫，在滿足使用要求的前提下必須選擇質(zhì)量輕的新材料。

超聲驅(qū)動(dòng)器是20世紀(jì)80年代成型并發(fā)展起來(lái)的一種新型驅(qū)動(dòng)器，它的驅(qū)動(dòng)基于壓電和摩擦技術(shù)，突破傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器依靠電磁驅(qū)動(dòng)的機(jī)理。與電磁驅(qū)動(dòng)相比，超聲驅(qū)動(dòng)器具有斷電自鎖、質(zhì)量輕、低轉(zhuǎn)速大力矩、工作不產(chǎn)生磁場(chǎng)也不受磁場(chǎng)干擾、響應(yīng)快和無(wú)需傳動(dòng)裝置直接驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

因此根據(jù)深空探測(cè)現(xiàn)實(shí)需要和已有關(guān)于超聲驅(qū)動(dòng)的研究成果，提出基于超聲驅(qū)動(dòng)器的新型巖石樣品采樣設(shè)備的研究。

1采樣小車的設(shè)計(jì)[2]

圖1　小車結(jié)構(gòu)原理圖

采樣小車總體設(shè)計(jì)的原理如圖1所示，其中虛線框?yàn)椴蓸有≤嚥糠值臉?gòu)成設(shè)計(jì)。遙控器發(fā)出遙感信號(hào)，控制小車的主要運(yùn)動(dòng)，設(shè)置在飛船艙內(nèi)或者地面控制中心。當(dāng)飛船在外太空著落后小車駛出艙外至設(shè)定的采樣位置，由宇航員或者地面人員在CCD攝像的引導(dǎo)下操作遙控器控制。紅外傳感器和接觸式傳感器作為輔助控制設(shè)備，用于小車到達(dá)指定位置移動(dòng)或鉆探過(guò)程中有障礙物時(shí)的自主位置微調(diào)控制。紅外傳感器通過(guò)紅外波的發(fā)射、接收檢測(cè)對(duì)周圍環(huán)境有無(wú)障礙物進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)非接觸避障；接觸式傳感器即碰撞開(kāi)關(guān)主要在紅外線可能檢測(cè)不到的某些情況下起作用，屬于接觸避障?？刂破鞲鶕?jù)遙感信號(hào)發(fā)出控制小車的如何行走的指令；根據(jù)傳感信號(hào)并在綜合分析的基礎(chǔ)上，控制小車的自主位置微調(diào)。采樣區(qū)域的圖像可由飛船自帶的高速CCD相機(jī)攝取。

采樣小車結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由驅(qū)動(dòng)、傳感和控制等模塊構(gòu)成，能裝載鉆探器并移動(dòng)至指定的采樣區(qū)域，如圖2所示。

圖2　模塊構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)在控制模塊的管理下協(xié)調(diào)工作，完成設(shè)定的目標(biāo)。

1.1各功能模塊的功能實(shí)現(xiàn)

a) 驅(qū)動(dòng)模塊

深空環(huán)境條件十分惡劣，為了掌握超聲電機(jī)在深空環(huán)境下的性能，南航精密驅(qū)動(dòng)所開(kāi)展了超聲電機(jī)在高低溫、振動(dòng)和真空環(huán)境下的試驗(yàn)研究，取得了一些更精確的研究數(shù)據(jù)，得出在一定溫度變化范圍內(nèi)、真空環(huán)境下和振動(dòng)條件下超聲電機(jī)能正常工作[3-5]。因此選用新型的60(定子尺寸)超聲電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，不需要傳動(dòng)裝置，以減小機(jī)器人的體積和質(zhì)量。

超聲電機(jī)直接安裝在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上，驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)。小車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作主要包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)兩輪的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和速差即可實(shí)現(xiàn)。兩輪同向同速向前或向后實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)或者后退；左輪旋轉(zhuǎn)右輪停止可實(shí)現(xiàn)小車的右轉(zhuǎn)；右輪旋轉(zhuǎn)右輪停止實(shí)現(xiàn)小車的左轉(zhuǎn)，而小車的轉(zhuǎn)向輪處于隨動(dòng)狀態(tài)。超聲電機(jī)的調(diào)速方式有調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率、電壓和相位三種方式[6]，在此選擇操作相對(duì)方便的調(diào)頻調(diào)速，通過(guò)調(diào)節(jié)超聲電機(jī)諧振點(diǎn)附近的驅(qū)動(dòng)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就使用南航精密驅(qū)動(dòng)研究所自制的超聲電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器。

b) 傳感模塊

小車傳感器位置布置如圖3所示，主要用于采樣位置自主微調(diào)避障。紅外線傳感器紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光，光電接收管接收物體的反射光，據(jù)此機(jī)器人可以判斷是否有障礙物及其與之的距離，用于在前進(jìn)過(guò)程中的提前避障。采用近距離紅外傳感器的優(yōu)點(diǎn)是其體積小、使用方便、對(duì)環(huán)境的要求不高，而且可避開(kāi)外部的干擾光線。接觸式傳感器(碰撞開(kāi)關(guān))布置在小車裙罩周邊，當(dāng)障礙物比較小或紅外傳感器對(duì)障礙物顏色不敏感時(shí)起作用。接觸式傳感器能檢測(cè)到6個(gè)方位的障礙物，如圖4所示。當(dāng)判別出是哪個(gè)方位時(shí)，控制器就發(fā)出向相反方向運(yùn)動(dòng)的指令。紅外線傳感器與碰撞開(kāi)關(guān)一起實(shí)現(xiàn)小車的避障功能。

圖3　傳感器位置布置

圖4　 六個(gè)方位避障

c) 控制模塊

小車運(yùn)動(dòng)的軌跡相對(duì)簡(jiǎn)單，只要完成到預(yù)定位置的行走即可。處理器可以選擇單片機(jī)或DSP，但DSP在運(yùn)算速度、存儲(chǔ)空間以及減少外圍電路等方面具有優(yōu)越性。結(jié)合采樣小車工作環(huán)境的實(shí)際要求，研究的控制器選用TI公司的專門(mén)用于電機(jī)控制的TMS320LF2407A處理器。

控制器的主要功能：接收遙感信號(hào)；檢測(cè)紅外線、碰撞開(kāi)關(guān)和轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)綜合分析發(fā)出指令控制小車的運(yùn)動(dòng)。

制成的樣車如圖5所示。

圖5　取樣小車樣車

2鉆探器的設(shè)計(jì)

與其他市面上的沖擊鉆、電錘等鉆探設(shè)備相比，超聲波鉆探器具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、質(zhì)量輕、功耗低、無(wú)需提供大的軸向力，不存在運(yùn)動(dòng)副，不需要潤(rùn)滑、鉆頭無(wú)需刃口，不存在鉆頭磨鈍問(wèn)題，整個(gè)裝置無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無(wú)需保持旋轉(zhuǎn)力矩；可在高溫或低溫條件下工作等，非常適合深空探測(cè)研究使用。當(dāng)前國(guó)內(nèi)、外也正在開(kāi)展此項(xiàng)研究，期望將其用于深空探測(cè)研究中。

蘭杰文振子結(jié)構(gòu)，如圖6所示，是一種利用壓電陶瓷的縱向效應(yīng)(d33)構(gòu)造的超聲壓電振子，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、允許輸入較大的電功率、振子的輸出端具有較高的振動(dòng)速度的位移振幅和聚能作用等優(yōu)點(diǎn)。因此采用蘭杰文振子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆探器。

圖6　蘭杰文振子

當(dāng)前已有的大多數(shù)超聲加工技術(shù)是利用變幅桿來(lái)放大蘭杰文振子的振動(dòng)，經(jīng)研究證實(shí)此種結(jié)構(gòu)的振幅太小，對(duì)一些堅(jiān)硬物質(zhì)的破碎效果不佳。經(jīng)過(guò)適當(dāng)改進(jìn)，增加能量積蓄/轉(zhuǎn)換部件—自由質(zhì)量(圖7)，取得較好的試驗(yàn)效果[7]。

圖7　超聲鉆探器實(shí)物

圖8和圖9為上述超聲波鉆探器鉆探的實(shí)際效果。

圖8　混凝土鉆探效果

圖9　磚塊鉆探效果

3結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的小車能在一定的地表環(huán)境行走，基本達(dá)到設(shè)定的要求。但是要用于深空探測(cè)還需開(kāi)展更深入的試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)上還需改進(jìn)。

設(shè)計(jì)的超聲鉆探器也達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，能鉆探混凝土等堅(jiān)硬材質(zhì)。

研究拓展了超聲驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用領(lǐng)域，為超聲驅(qū)動(dòng)器在月球探測(cè)中的應(yīng)用作了一些探索性研究，但外太空物質(zhì)采樣設(shè)備的研制是一個(gè)綜合工作，還需要聯(lián)合多個(gè)相關(guān)單位共同攻關(guān)。

參考文獻(xiàn):

[1] 趙淳生，朱華. 超聲電機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化，2008，37(3)： 1-9.

[2] 王宏建. 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自主吸塵機(jī)器人研制[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2006：9-14.

[3] 鄭偉，趙淳生. 低溫環(huán)境下超聲電機(jī)定子特性[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41(1)：1-4.

[4] 鄭偉，朱春玲，蘆丹，等. 高溫環(huán)境下旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)性能研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2008，28(21)：85-89.

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[6] 白永明. 激光多普勒面內(nèi)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2007：25-30.

[7] 郭俊杰. 新型超聲波鉆探器的研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2008：5-1.

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Lunar Soil Sampling Equipment Based on Ultrasonic Actuator

BAI Yong-ming1, SHI Yun-lai2

(1.Wuxi Institute of arts and Technology，Yixing 214206, China;

2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016, China)

Abstract:Ultrasonic actuator is a new drive device developed in recent decades. Because of its significant advantages, it has a good application prospects in some special fields, especially suitable for use in deep space exploration. According to the demand of sampling device in outer space research, and the existing research results on ultrasonic actuator development, a rock samples sampling equipment is desiged based on ultrasonic actuator, then some experimental researches are made and some preliminary research results are got.

Keywords:ultrasonic actuator; rock specimen; sampling equipment

收稿日期：2014-04-22

中圖分類號(hào)：TH248

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0080-03

作者簡(jiǎn)介：白永明(1982-)，男，江蘇宜興人，碩士，講師，從事機(jī)電一體化研究。