一种基于材料挤压成型技术的月壤混凝土制备车及其用途的制作方法

1.本发明属于航天技术领域，具体涉及一种基于材料挤压成型技术的月壤混凝土制备车及其用途。


背景技术：

2.现如今，我国探月工程发展势头迅猛，在月球建立长期的生活与科研基地，也逐渐成为了一个可以实现的计划。目前，国内外围绕月面基地建设相关技术开展了诸多研究，并取得了一定的成果，但因月面环境的特殊性、月壤混凝土制备技术上存在的挑战性，在该技术方面，还存在着诸多问题与技术有待解决和突破。例如简化月壤混凝土制备工艺，减少装置投入以减轻装置重量。
3.目前公开的技术多是采用3d打印技术等制备月壤“混凝土”，但是其至少存在以下缺点：月球上存在高真空、高温高、低温低、高低温温差大、重力轻等问题。而3d打印必须将月壤和添加剂例如氧化镁、氯化镁、水等混合制备成浆料。在上述极端条件下，存在浆料性能不稳定的问题，因此3d打印挤出时容易由于浆料的固化速度过快容易造成打印头的堵塞甚至报废、3d打印出的“混凝土”不稳固、大批量浆料的连续加注容易造成管道爆裂等一系列问题。此外，3d打印技术中混合制浆的发射成本较大，以及能源消耗较大。
4.为了解决以上问题，提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明便是针对现有月壤混凝土制备技术上存在的不足，提出一种基于材料挤压成型技术的自动化系统，以代替3d打印等技术完成月壤混凝土的制备，为我国月面基地的建设提供重要的技术支持。
6.本发明第一方面提供一种基于材料挤压成型技术的月壤混凝土制备车，所述月壤混凝土制备车包括：月壤收集系统、月壤传送系统、混凝土制备与分装系统；
7.所述月壤收集系统用于原地抓取并收集月壤，所述月壤传送系统将所述月壤收集系统收集的月壤传送到混凝土制备与分装系统；
8.所述混凝土制备与分装系统包括：中央收集板18，安装在所述中央收集板18上的外承压盒19，设置在所述外承压盒19正前方的横向推杆17，设置在所述外承压盒19侧前方的纵向推杆5、设置在所述外承压盒19轴向方向的可轴向运动的月壤施压盒4，月壤施压盒4与传动机构连接以控制其轴向往复运动；
9.其中，所述月壤输送管16下方与所述外承压盒19连通，所述横向推杆17前端设有混凝土承载片。
10.优选地，所述月壤收集系统包括：安装在所述月壤混凝土制备车上端的安装板11、安装在所述安装板11上的至少一组机械臂、设置在所述安装板11上的月壤收集盒10，所述机械臂末端设置有三个机械手爪作为末端执行器；
11.月壤收集盒10上方开口。
12.优选地，所述月壤传送系统包括：设置在所述月壤收集盒10下方的月壤输送管16、管道开闭机构、管道开闭机构控制装置；
13.其中，所述月壤输送管16与所述月壤收集盒10连通，两者之间设置有管道开闭机构，所述管道开闭机构控制装置控制所述管道开闭机构的打开与闭合。
14.优选地，所述管道开闭机构控制装置为测定所述月壤收集盒10内月壤压力的压力传感器，并在测定压力达到设定值时控制管道开闭机构打开，在测定压力未达到设定值时控制管道开闭机构关闭。
15.优选地，所述传动机构包括：传动连接的滚珠丝杠2、减速箱21和电机20，所述月壤施压盒4安装在滚珠丝杠2上。
16.优选地，所述纵向推杆5前端设有混凝土承载片。
17.优选地，所述传感器为测定所述月壤收集盒10内月壤压力的压力传感器。
18.优选地，所述机械臂为两组，分别设在所述安装板11的前端和后端，月壤收集盒10设在所述安装板11的中间。
19.优选地，所述月壤输送管16的管径从近安装板端到远安装板端直径渐窄。
20.优选地，所述月壤混凝土制备车还包括：月球车底盘1，所述月球车底盘1具有空腔和上部开口，所述空腔内容纳有月壤传送系统和混凝土制备与分装系统，所述上部开口处安装有安装板11。
21.本发明第二方面提供第一方面所述所述的基于材料挤压成型技术的月壤混凝土制备车的用途，其用于收集月壤并原位挤压成型为混凝土。
22.20世纪70年代，glukhovsky院士提出了非稳定矿物质的接触硬化概念。本发明在此阐述月壤原位挤压成型为混凝土的化学原理：
23.月壤因岩石风化，陨石撞击等而形成，因此月壤含有较多的玻璃状物质，其表面电荷高，粘附性好，月壤颗粒尺寸＜75μm(5～15μm含量为20％)，级配良好。
24.月壤矿物组成包含：钙长石(cao
·
al2o3·
2sio2)、橄榄石[(mg,fe)2sio4和辉石[(ca,mg,fe)(si,al)2o6]等硅酸盐及铝硅酸盐矿物，其化学组成为：sio2、al2o3、cao、fe2o3等。这些都是具有无定型态以及亚稳、亚结晶态的硅酸盐、铝酸盐及铝硅酸盐物质的宏观分散粉体，拥有较高的自由能，具有与金属粉末相似的性能。即这类材料在压制过程中，粒子间极易形成结构键，从而发生硬化，形成本发明所述的月壤“混凝土”。
[0025]
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0026]
月球存在真空散热困难、引力小、昼夜温差(
‑
160～180℃)、月震、陨石雨冲击等问题。因此月球上应用的设备要有较强的抗干扰能力。本发明的月壤混凝土制备车的制备工艺不受到外界条件的影响，完全仅仅依靠机械挤压即可在月球上完成月壤“混凝土”的制备。本发明的装置没有精密仪器，抗损耗性强，结实耐用，维修简单。此外，该装置操作简单、车重小，容易转移运输。
附图说明
[0027]
图1为实施例1月壤混凝土制备车的结构爆炸图。
[0028]
图2为实施例1月壤混凝土制备车的结构爆炸图上部分。
[0029]
图3为实施例1月壤混凝土制备车的结构爆炸图下部分。
[0030]
图4为实施例1月壤混凝土制备车整车外观结构图。
[0031]
图5为实施例1月壤混凝土制备车的安装板11及其上安装的部分零件的俯视图。
[0032]
图6为实施例1月壤混凝土制备车的安装板11及其上安装的部分零件的仰视图。
[0033]
图7为实施例1月壤混凝土制备车的安装板11与中央收集板18及两者之间安装的部分零件的结构图。
[0034]
图8为实施例1月壤混凝土制备车的中央收集板18及其上设置的零件结构图，其中，第一纵向推杆5和第二纵向推杆6处于工作状态。
[0035]
图9为实施例1月壤混凝土制备车的中央收集板18及其上设置的零件结构图，其中，推动状态是横向推杆17处于工作状态。
[0036]
1、月球车底盘，2、滚珠丝杠，3、滚珠丝杠轴承座，4、月壤施压盒、5、第一纵向推杆、6，第二纵向推杆，7、第一机械臂转动马达，8、第一机械臂，9、第二机械臂，10、月壤收集盒，11、安装板，12、马达，13、纵向锥齿轮，14、横向锥齿轮，15、第二机械臂转动马达，16、月壤输送管，17、横向推杆，18、中央收集板，19、月壤外部承压盒，20、电机，21、减速箱，22、太阳能帆板。
具体实施方式
[0037]
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
[0038]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。
[0039]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0040]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0041]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0042]
实施例1
[0043]
一种基于材料挤压成型技术的月壤混凝土制备车，采用电气方式进行驱动，主要包括：月壤收集系统、月壤传送系统、混凝土制备与分装系统、电力提供系统以及控制系统5个子系统。
[0044]
电力提供系统用于负责电力的收集与分配，电力的收集主要通过安装在月球车外部的太阳能帆板22收集板实现。
[0045]
控制系统需要协调和控制其余4个子系统，监视每个子系统的状态并完成联动和集成控制，此外，将各个系统的状态数据返回给宇航员以便其对月球车进行远程操作也是控制系统的主要任务之一。
[0046]
月壤收集系统、月壤传送系统、混凝土制备与分装系统是该月球制备车的核心部分，在这三个子系统的联合作用下，可实现月壤的采集、混凝土制备和分装等一系列动作。
[0047]
控制系统还包括相适配的通讯天线和像机。
[0048]
这三个子系统的具体结构如下：
[0049]
所述月壤收集系统包括：安装在所述月壤混凝土制备车上端的安装板11、安装在所述安装板11上的2组机械臂，即第一机械臂8和第二机械臂9，设置在所述安装板11上的月壤收集盒10；其中，所述机械臂末端设置有三个机械手爪作为末端执行器，所述月壤收集盒10上方开口。
[0050]
所述机械臂为两组，分别设在所述安装板11的前端和后端，月壤收集盒10设在所述安装板11的中间。
[0051]
机械臂的具体结构采用常规设计即可。例如每个机械臂配置有四个驱动电机，包括第一机械臂转动马达7和第二机械臂转动马达15。在四个电机的联合驱动下，机械臂末端能较好地遍历制备车周围的月面区域。机械臂末端连接有三个机械手爪形状的末端执行器和小型电动推杆，电动推杆作为电动执行机构，其推杆能够在一定的行程内做往返运动。电动推杆通过连杆与机械手爪连接，通过控制推杆的伸出长度即可控制手爪的开合程度。手爪呈锥状进行闭合，该结构设计可保证月壤在随手爪的移动过程不会发生撒落。
[0052]
所述月壤传送系统包括：设置在所述月壤收集盒10下方的月壤输送管16、管道开闭机构；其中，所述月壤输送管16与所述月壤收集盒10连通，两者之间设置有传感器，所述传感器控制所述管道开闭机构的打开与闭合。
[0053]
如图6所示，管道开闭机构可以是设置在月壤收集盒10底部的旋转开合机构，具体为：互相啮合的纵向锥齿轮14和横向锥齿轮13，横向锥齿轮13传动连接有叶片组，通过控制叶片组的开启与闭合实现管道的开启与闭合，纵向锥齿轮与马达12连接。
[0054]
当收集一定质量的月壤时，传感器发出信号，步进电机转动，在互相啮合的纵向锥齿轮和横向锥齿轮的啮合传动下，月壤收集盒10底部的叶片组打开，月壤落入月壤输送管16内。随后，月壤经月壤输送管16进入混凝土制备系统中。
[0055]
所述混凝土制备与分装系统包括：设置安装板11下方的中央收集板18，安装在所述中央收集板18上的外承压盒19，设置在所述外承压盒19正前方的横向推杆17，设置在所述外承压盒19侧前方的第一纵向推杆5和第二纵向推杆6、设置在所述外承压盒19轴向方向的可轴向运动的月壤施压盒4，月壤施压盒4与传动机构连接以控制其轴向往复运动；
[0056]
其中，所述月壤输送管16下方与所述外承压盒19连通，所述横向推杆17前端设有l形混凝土承载片，其中，第一纵向推杆5、第二纵向推杆6和前端设有混凝土承载片。具体的，
所述横向推杆17和第一纵向推杆5、第二纵向推杆6都设置在所述中央收集板18上，两个推杆呈直角设置。
[0057]
其中，所述传动机构包括：传动连接的滚珠丝杠2、减速箱21和电机20，所述月壤施压盒4安装在滚珠丝杠2上。所述月壤施压盒4为长方体，当然其外形可以根据所需混凝土外形进行更改。滚珠丝杠2安装在滚珠丝杠轴承座3上。
[0058]
初步设定混凝土外形为长方体，长为10～50cm,宽和高为5～25cm。月壤混凝土挤压成型所需要的压强大小为20mpa。因此，根据式f＝ps，计算该制备系统至少需要提供的推进挤压力以完成混凝土的挤压成型。因此，型号为ffzd4006的滚珠丝杠副可满足本系统的设计要求。
[0059]
所述月壤输送管16的管径从近安装板端到远安装板端直径渐窄，以节省空间并方便月壤收集。
[0060]
所述月壤混凝土制备车还包括：月球车底盘1，所述月球车底盘1具有空腔和上部开口，所述空腔内容纳有月壤传送系统和混凝土制备与分装系统，所述上部开口处安装有安装板11。月球车底盘1下安装有车轮。月球车底盘1内设有电力系统和控制系统，以向上述机械臂、传感器、传动机构等供应电力并实现智能控制。
[0061]
另外，本发明需要做好对活动部件特别是轴承的润滑与密封，防止月壤颗粒落入，以提高装置的使用寿命。
[0062]
下面，以从月壤混凝土制备车开始运行工作到完成一次月壤采集的过程为例，说明该月壤混凝土制备车的工作方式：
[0063]
1、控制系统控制机械臂的驱动电机，当机械臂末端到达月面至设定的高度后，控制机械手爪进行月壤的抓取；
[0064]
2、当完成对月壤的抓取后，四个驱动电机再次联合工作，控制机械臂末端到达月壤收集盒10上方，随后控制电动推杆将手爪打开，将月壤放置在月壤收集盒10内，随后再重复月壤采集工作。在该过程中，两个机械臂错开依次工作；
[0065]
3、当收集一定的月壤时，马达12控制月壤收集盒10底部的叶片打开，使月壤落入到所述外承压盒19中，以便制备系统进行混凝土的加工。此时，所述横向推杆17前端设有l形混凝土承载片伸入所述外承压盒19内承接有月壤，如图8所示。
[0066]
4、控制系统控制电机20进行旋转，经减速箱21的动力传递与力矩放大作用后，滚珠丝杠副上方2的月壤施压盒4会产生横向的移动，从而进入外承压盒19内，对采集的月壤进行挤压成型得到混凝土块。
[0067]
5、当混凝土制备系统完成一次月壤加工后，便会回到初始位置等待月壤的采集以便进行下一次加工，此时三个电动推杆则完成加工后混凝土的分装工作。具体为：所述横向推杆17轴向缩回，并带动混凝土块移出外承压盒19，到所述纵向推杆5对应位置，然后第一纵向推杆5和第二纵向推杆6启动，其前端的混凝土承载片推动混凝土块脱离中央收集板18进入月球车底盘1空腔内，如图9所示。然后所述横向推杆17、所述纵向推杆5、月壤施压盒4复位，等待下一次加工和分装工作。