水下机器人用微型低功耗超高压浮力调节装置的制作方法

1.本实用新型涉及浮力调节装置，具体说是一种水下机器人用微型低功耗超高压浮力调节装置。


背景技术：

2.水下机器人作为一种水下测量、作业平台，已经广泛应用在海洋科学研究、海洋工程、海洋资源勘探、救援打捞等应用领域。通常水下机器人在作业过程中要保持稳定的浮力状态，如中性状态，以保证正常稳定的工作状态。然而，受海水密度变化的影响，水下机器人的浮力状态会发生不同程度的波动，从而影响水下机器人的整体性能。通过专用的水下机器人浮力调节装置，根据水下机器人作业海域的海水密度情况，自动调节水下机器人的排水体积来达到期望的浮力状态。在水下机器人作业过程中浮力调节系统的功耗占比往往在50％以上，随着水下机器人不断朝着高深度、低功耗、长续航、轻量化的方向发展对浮力调节系统亦提出了更高的要求，因此研究模块化、高压力、微型化、高精度、功耗低、稳定可靠的水下机器人用浮力调节装置，对提高水机器人的整体性能具有重要作用。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种水下机器人用微型低功耗超高压浮力调节装置。该浮力调节装置工作可靠、调节精度高，最大作业深度7000米，总体重量不到800克。
4.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
5.本实用新型包括浮力电机密封壳、浮力驱动电机、内油囊活塞、滚动膜片、内油囊外壳、微型单柱塞单元、出油单向阀、曲轴、自锁电磁推杆、端盖、回油单向阀、外油囊及内油囊底盖，其中端盖密封安装于水下机器人上，该端盖上分别安装有出油单向阀及回油单向阀，所述内油囊外壳的一侧与端盖的内侧相连，该内油囊外壳的另一侧连接有内油囊底盖；所述浮力驱动电机及浮力电机密封壳均由内油囊底盖穿入，所述浮力驱动电机安装于端盖上，输出轴与转动安装在所述端盖上的曲轴相连，该浮力驱动电机外套有密封安装在所述端盖上的浮力电机密封壳；所述内油囊活塞套设于浮力电机密封壳上，与该浮力电机密封壳密封滑动连接，所述滚动膜片的一侧与端盖密封连接，另一侧与所述内油囊活塞密封连接；所述微型单柱塞单元及自锁电磁推杆分别安装于端盖的内侧，所述外油囊安装于端盖的外侧，该微型单柱塞单元与所述出油单向阀相对应，所述自锁电磁推杆与回油单向阀相对应，所述浮力驱动电机驱动曲轴旋转，通过所述曲轴推动微型单柱塞单元的活塞往复运动，将内油囊中的液压油通过所述出油单向阀泵入外油囊中，所述外油囊中的液压油通过自锁电磁推杆作用回油单向阀而流回内油囊中。
6.其中：所述曲轴同心部分的轴向中心线与端盖的轴向中心线共线，该曲轴的偏心轴部分套设有深沟球轴承b，所述曲轴通过深沟球轴承b与所述微型单柱塞单元中的活塞滚动接触。
7.所述端盖的内侧设有端盖出油口，该端盖出油口的一侧与所述微型单柱塞单元的
柱塞泵出油口相对，且所述柱塞泵出油口与端盖出油口之间采用o型轴向密封圈密封；所述出油单向阀由端盖外侧开设的螺纹孔拧入端盖中，所述端盖出油口的另一侧与所述出油单向阀相对。
8.所述浮力驱动电机的输出轴通过联轴器与曲轴相连，并采用骨架油封为所述曲轴提供旋转密封。
9.所述滚动膜片的一侧设有径向o型密封圈，该径向o型密封圈套在所述端盖上开设的径向密封槽中，该滚动膜片的另一侧设有轴向o 型密封圈，所述轴向o型密封圈容置于内油囊活塞上开设的轴向密封槽中，并通过压紧盘固定于所述内油囊活塞上。
10.所述内油囊底盖上安装有浮力电位计。
11.所述端盖上开设有向内油囊中注油的注油丝堵。
12.所述内油囊活塞与浮力电机密封壳之间采用星型圈作为动密封。
13.本实用新型的优点与积极效果为：
14.1.本实用新型采用浮力驱动电机直接驱动微型单柱塞单元的活塞往复运动，代替成品柱塞泵；采用自锁电磁推杆配合微型插装的回油单向阀代替成品电磁开关阀，这两项设计有效减少装置的体积重量，总质量仅800克。
15.2.本实用新型压力等级高，最大工作压力可达70mpa，可以满足大部分水下机器人深水作业需求。
16.3.本实用新型采用自锁电磁推杆同时配合外油囊的回弹力进行回油，回油过程基本零功耗，有效降低了浮力调节系统功耗，浮力调节系统排油效率55％以上。
17.4.本实用新型采用滚动膜片式内油囊结构，滚动膜片运行过程为滚动摩擦阻力小，且圆柱度好；同时利用浮力电位计检测内油囊活塞的位置，浮力变化线性度较好，可以精确地控制浮力大小。
18.5.本实用新型浮力调节能力大，通过调整内、外油囊的容积，即可灵活调整最大浮力调节量。
附图说明
19.图1为本实用新型的结构原理图；
20.图2为本实用新型的结构剖视图(外油囊处于最小状态)；
21.图3为本实用新型的结构剖视图(外油囊处于最大状态)；
22.其中：1为浮力电位计，2为浮力电机密封壳，3为浮力驱动电机，4为内油囊活塞，5为滚动膜片，6为内油囊外壳，7为十字滑槽联轴器，8为微型单柱塞单元，9为出油单向阀，10为曲轴，11为自锁电磁推杆，12为端盖，13为注油丝堵，14为回油单向阀，15为外油囊，16为内油囊底盖，17为柱塞泵出油口，18为端盖出油口，19 为螺纹孔，20为深沟球轴承a，21为深沟球轴承b，22为压紧盘。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型作进一步详述。
24.如图1～3所示，本实用新型包括浮力电位计1、浮力电机密封壳2、浮力驱动电机3、内油囊活塞4、滚动膜片5、内油囊外壳6、联轴器、微型单柱塞单元8、出油单向阀9、曲轴10、
自锁电磁推杆11、端盖12、注油丝堵13、回油单向阀14、外油囊15及内油囊底盖16，本实施例的端盖12为固定依托，端盖12可以作为水下机器人的耐压端盖密封安装于水下机器人上，同时也作为液压系统的阀块，液压系统的各油路均加工在端盖12上，有效降低了浮力调节装置的零件个数和系统复杂性。
25.端盖12上分别安装有出油单向阀9及回油单向阀14，内油囊外壳6的一侧与端盖12的内侧相连，该内油囊外壳6的另一侧连接有内油囊底盖16；浮力驱动电机3及浮力电机密封壳2均由内油囊底盖16穿入，浮力驱动电机3安装于端盖12上，输出轴与转动安装在端盖12上的曲轴10相连，该浮力驱动电机3外套有密封安装在端盖 12上的浮力电机密封壳2；内油囊活塞4套设于浮力电机密封壳2上，与该浮力电机密封壳2密封滑动连接，滚动膜片5的一侧与端盖12 密封连接，另一侧与内油囊活塞4密封连接；微型单柱塞单元8及自锁电磁推杆11分别安装于端盖12的内侧，外油囊15安装于端盖12 的外侧，该微型单柱塞单元8与出油单向阀9相对应，自锁电磁推杆11与回油单向阀14相对应，浮力驱动电机3驱动曲轴10旋转，通过曲轴10推动微型单柱塞单元8的活塞往复运动，将内油囊中的液压油通过出油单向阀9泵入外油囊15中，外油囊15中的液压油通过自锁电磁推杆11作用回油单向阀14而流回内油囊中。
26.本实施例的曲轴10的两端通过两个深沟球轴承a20转动安装于端盖12上，曲轴10同心部分的轴向中心线与端盖12的轴向中心线共线，同时在曲轴10的偏心轴部分套设有两个深沟球轴承b21，曲轴10通过深沟球轴承b21与微型单柱塞单元8中的活塞滚动接触，从而将曲轴10在旋转推动柱塞过程中与柱塞之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，有效提高系统工作效率。
27.本实施例的微型单柱塞单元8通过两个m6螺钉固定连接在端盖 12上，在端盖12的内侧设有端盖出油口18，该端盖出油口18的一侧与微型单柱塞单元8的柱塞泵出油口17相对，且柱塞泵出油口17 与端盖出油口18之间采用o型轴向密封圈起到密封作用；出油单向阀9由端盖12外侧开设的螺纹孔19拧入端盖12中，端盖出油口18 的另一侧与出油单向阀9相对。微型柱塞单元8产生的压力油可以通过出油单向阀9流入外油囊15中，而反向不能流动。
28.本实施例的浮力驱动电机3通过钟形罩固定于端盖12上，浮力驱动电机3的输出轴与曲轴10通过联轴器相连接，同时用骨架油封为曲轴10提供旋转密封；本实施例的联轴器为十字滑槽联轴器7。之后将浮力电机密封壳2套在浮力驱动电机3外侧，并通过螺钉固定在端盖12上，端盖12和浮力电机密封壳2之间采用径向o型圈密封，使得内油囊中的油液与浮力驱动电机3隔绝开来。浮力驱动电机3旋转带动曲轴10转动，从而带动微型单柱塞单元8的活塞上下往复运动，进而将内油囊中的油液泵向外油囊15中。
29.本实施例的回油单向阀14由端盖12内侧开设的螺纹孔19拧入端盖12中，自锁电磁推杆11通过固定件同样安装在端盖12上。正常状态外油囊15中的液压油无法通过回油单向阀14流回内油囊，自锁电磁推杆11的推杆通电时可以进行往复运动；正向通电时，自锁电磁推杆11的推杆伸出，将回油单向阀14的阀芯顶开，从而可以进行反向流动，此时在外油囊15回弹力的作用下液压油流回内油囊，断电后自锁电磁推杆11的推杆保持伸出状态，直至完成回油过程；之后反向通电，自锁电磁推杆11的推杆缩回，断电后自锁电磁推杆11的推杆保持缩回状态，回油单向阀14关闭。端盖12上开设有向内油囊中注油的注油丝堵13。
30.本实施例的外油囊15采用弹性较高的橡胶制作而成，油囊硫化成型时上面自带径向o型圈，通过卡环固定安装于端盖12上。
31.本实施例的滚动膜片5的一侧设有径向o型密封圈，该径向o型密封圈套在端盖12上开设的径向密封槽中，该滚动膜片5的另一侧设有轴向o型密封圈，轴向o型密封圈容置于内油囊活塞4上开设的轴向密封槽中，并通过压紧盘22固定于内油囊活塞4上。滚动膜片 5与内油囊活塞4通过滚动膜片5上自带的轴向o型密封圈进行密封，滚动膜片5的径向o型密封圈套在端盖12的径向密封槽里，之后对滚动膜片5进行卷积处理，后将内油囊外壳6套在滚动膜片5的外侧、并与端盖12通过螺钉固定连接。内油囊底盖16通过螺钉固定在内油囊外壳6上，浮力电位计1通过螺钉固定于内油囊底盖16上。内油囊活塞4在工作过程中可以在浮力电机密封壳2上来回滑动，浮力电机密封壳2起到了很好的导向作用，防止活塞偏斜造成测量不准。内油囊活塞4和浮力电机密封壳2之间采用星型圈作为动密封。
32.本实用新型的微型单柱塞单元8为市购产品，购置于德国哈威公司，型号为mpe4。本实用新型的自锁电磁推杆11为市购产品，购置于深圳宗泰机电有限公司，型号为sdk2
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33.本实用新型的工作原理为：
34.当水下机器人需要增加载体排水体积时，需要将内油囊中的液压油排到外油囊15中，此时自锁电磁推杆11的推杆保持缩回状态，回油单向阀14关闭。浮力驱动电机3通电转动，通过十字滑槽联轴器 7带动曲轴10旋转，曲轴10在转动过程中推动微型单柱塞单元8的活塞进行往复运动，实现吸排油动作，将内油囊中的液压油通过出油单向阀14泵入外油囊15中，由图2的状态变为图3所示的状态，实现外油囊15排水体积的增加。
35.当水下机器人在水面需要减少载体排水体积实现下潜动作时，自锁电磁推杆11正向施加脉冲电压(约50ms)，此时自锁电磁推杆11的推杆伸出，克服回油单向阀14阀芯中的复位弹簧的弹力作用而将阀芯顶开，使得回油单向阀14可以反向流动，在外油囊15的回弹力作用下液压油通过回油单向阀14被动流回内油囊中，由图3的状态变为图2所示的状态，实现外油囊15排水体积的减少。