本實用新型屬于外太空鉆探技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模擬月球鉆探用的超聲波微鉆試驗臺。

背景技術(shù)：

當(dāng)代太陽系的探測以月球、火星為主線，作為距離地球最近的天體，月球自古以來一直是人類太空探測的第一目標(biāo)。月球富含著人類所急需的礦藏，特別是月壤中蘊(yùn)藏著豐富的氦-3，作為清潔能源對于未來資源匱乏的地球來說，是至關(guān)重要的；且通過對月球環(huán)境、月表礦物及地質(zhì)構(gòu)造等方面的研究，可以提供地球、月球乃至整個宇宙起源的線索，這對人類探索宇宙具有重要的戰(zhàn)略意義；同時，人類可以把月球作為人類探索深空的中繼站，也是中國人近期可探測的太空目標(biāo)；此外，探月計劃的實施必將帶動一系列新技術(shù)的實用新型和革新，促進(jìn)社會的進(jìn)步。

目前，探月工程已被列入《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》，我國的探月計劃分為“繞”、“落”、“回”三步。2007年發(fā)射衛(wèi)星“嫦娥一號”以及2010年發(fā)射的“嫦娥二號”和2013年發(fā)射的“嫦娥三號”，已經(jīng)圓滿完成探月計劃的“繞”和“落”兩部分。目前已進(jìn)入探月工程三期階段。探月工程三期的主要任務(wù)是對月球表面的巡視勘察和采樣返回。由于月球地形環(huán)境復(fù)雜，并且微重力、高真空、高溫高寒、高輻射等一系列特點，勢必意味著其采樣工藝、鉆機(jī)及鉆具不同于地球環(huán)境所用。因此，研究一套適合于月球環(huán)境工況的鉆探工藝是十分必要的。

質(zhì)量和動力約束是月壤鉆探取心(樣)機(jī)具設(shè)計的核心，超聲波鉆機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、適應(yīng)溫度范圍廣、無潤滑和密封等優(yōu)點，作為應(yīng)用于月球探測開發(fā)的新型鉆機(jī)，具有其獨特的性能和潛力。通過設(shè)計超聲波微鉆試驗臺，選定典型部件、典型工況進(jìn)行實驗室模擬評價，是探月工程三期月壤鉆探取心(樣)機(jī)具的基礎(chǔ)科學(xué)問題。在真空環(huán)境下，由于鉆具與月壤接觸表界面沒有氣體、水分子、表面吸附等化學(xué)或物理懸鍵的隔離作用，界面間會產(chǎn)生強(qiáng)烈的黏著作用，造成高摩阻和嚴(yán)重磨損；同時，應(yīng)用于月球鉆探超聲波微型鉆機(jī)參數(shù)模型復(fù)雜，鉆頭壓力、振動頻率等參數(shù)對鉆探效率、取心(樣)性能的影響仍處于起步階段，國內(nèi)外有關(guān)人士對此也在摸索研究之中。為此，以月球鉆探采樣技術(shù)為背景，在模擬月球真空環(huán)境下，研究并優(yōu)化超聲波鉆機(jī)的機(jī)構(gòu)性能與鉆進(jìn)參數(shù)，使鉆探效率最大化，意義深遠(yuǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服研究月球鉆探取心(樣)器具物理試驗條件的不足,本實用新型提供一種模擬月球鉆探用的超聲波微鉆試驗臺，本實用新型通過壓力傳感器返回計算機(jī)的壓力值，控制驅(qū)動系統(tǒng)移動速度，達(dá)到恒鉆壓給進(jìn)，進(jìn)而研究給定鉆壓、鉆時下不同表面處理鉆具對進(jìn)尺速度的影響；通過電流/電壓傳感器，可采集電壓波形，研究鉆探效率最大化的前提下功率與自由質(zhì)量單元的關(guān)系；通過在真空環(huán)境下鉆進(jìn)試驗，模擬超聲波鉆機(jī)外太空鉆進(jìn)過程，為優(yōu)化設(shè)計更適合外太空鉆探取心(樣)的設(shè)備提供技術(shù)支持。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種模擬月球鉆探用的超聲波微鉆試驗臺，包括試驗臺底座，試驗臺底座左部分設(shè)置有絲桿進(jìn)尺機(jī)構(gòu)，試驗臺底座右部分設(shè)置有與試驗臺底座垂直固定連接的右絲桿支座和巖樣夾具；絲桿進(jìn)尺機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在試驗臺底座左部分的絲桿螺母座和左絲桿支座，絲桿螺母座與試驗臺底座滑動連接，絲桿螺母座上固定連接有可調(diào)整夾持架，可調(diào)整夾持架內(nèi)部夾持有水平設(shè)置的超聲波鉆機(jī)，由于試驗研究在實驗室環(huán)境開展，且超聲波鉆機(jī)鉆探性能對鉆壓力參數(shù)敏感，將超聲波鉆機(jī)水平放置，避免地表重力對鉆壓力影響；超聲波鉆機(jī)通過可調(diào)整夾持架夾持，在具體實驗過程中，方便實時根據(jù)實際情況對超聲波鉆機(jī)進(jìn)行調(diào)整、拆卸和安裝，以達(dá)到實驗要求；左絲桿支座上支撐有絲桿，絲桿左端連接有減速器，減速器的輸入軸連接電機(jī)，電機(jī)上設(shè)置有電機(jī)編碼器；絲桿螺紋部分與絲桿螺母座配合連接，絲桿右端連接齒輪軸，齒輪軸右端連接右絲桿支座；通過巖樣夾具固定超真空巖樣夾持室；超聲波鉆機(jī)右端插入超真空巖樣夾持室內(nèi)部對巖樣進(jìn)行微鉆，超真空巖樣夾持室的設(shè)計可在模擬月球真空環(huán)境下，研究超聲波鉆機(jī)對巖樣的鉆進(jìn)過程，從而優(yōu)化設(shè)計更適合外太空鉆探取心(樣)的設(shè)備。

優(yōu)選的，所述的絲桿螺母座底端通過燕尾導(dǎo)軌連接試驗臺底座，燕尾導(dǎo)軌與絲桿相互平行，燕尾槽是硬軌，可以承受大懸伸，重切削，長期使用精度穩(wěn)定。繩驅(qū)式進(jìn)尺單元受振動沖擊影響顯著，恒定鉆壓力控制困難，重力驅(qū)動鉆探進(jìn)尺與實際工況區(qū)別較大，不便于工程移植，故提出該絲桿進(jìn)尺機(jī)構(gòu)設(shè)計方案。該方案通過電機(jī)帶動絲桿從而帶動絲桿螺母座及與其固定的結(jié)構(gòu)前后運(yùn)動，其中動力部件(如電機(jī)、減速電機(jī)等)對鉆壓力控制準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)緊湊、受振動沖擊影響較小，其動力部件控制方案(如恒力進(jìn)尺、恒速進(jìn)尺)，對真實環(huán)境鉆探具有指導(dǎo)意義。該進(jìn)尺機(jī)構(gòu)相對于齒輪齒條驅(qū)動，通過減速器和絲桿機(jī)構(gòu)二級減速后驅(qū)動鉆機(jī)沿鉆進(jìn)方向作直線運(yùn)動，進(jìn)尺精度更高。由于絲桿機(jī)構(gòu)在其絲桿螺母座與絲桿之間以滾珠滾動方式實現(xiàn)滾動摩擦，傳動效率高、驅(qū)動扭矩降低，減小了對電機(jī)的載荷要求。齒輪齒條傳動中，由于齒輪嚙合運(yùn)動副中齒側(cè)間隙的存在，會產(chǎn)生齒間沖擊，影響齒輪傳動的平穩(wěn)性與傳動精度；相比較，絲桿機(jī)構(gòu)不存在這一問題，能實現(xiàn)正確而平穩(wěn)的微量進(jìn)給，從而通過試驗?zāi)艿玫礁_的試驗數(shù)據(jù)。恒壓鉆進(jìn)過程中，對于齒輪齒條機(jī)構(gòu)速度波動，容易產(chǎn)生沖擊，影響齒輪傳動壽命；對于絲桿機(jī)構(gòu)，絲桿螺母座與絲桿之間是滾動摩擦，可實現(xiàn)較高的疲勞壽命和精度壽命。

優(yōu)選的，所述的可調(diào)整夾持架為由“L”形的支撐架、下調(diào)節(jié)螺桿、上調(diào)節(jié)螺桿和調(diào)節(jié)支撐板組成的長方體框架結(jié)構(gòu)；支撐架固定連接于絲桿螺母座上，支撐架右端通過螺母組件連接水平的下調(diào)節(jié)螺桿，支撐架左端頂部通過螺母組件連接水平的上調(diào)節(jié)螺桿；下調(diào)節(jié)螺桿和上調(diào)節(jié)螺桿右端通過調(diào)節(jié)支撐板連接。通過調(diào)整兩個螺母組件，實現(xiàn)上調(diào)節(jié)螺桿和下調(diào)節(jié)螺桿帶動調(diào)節(jié)支撐板左右移動，從而實現(xiàn)實驗人員根據(jù)實驗設(shè)定條件調(diào)整可調(diào)整夾持架的松緊度，達(dá)到預(yù)定的實驗?zāi)繕?biāo)。

優(yōu)選的，所述的超真空巖樣夾持室包括殼體，殼體內(nèi)部設(shè)置有真空室，殼體上表面設(shè)置有上壓蓋，殼體左端固定安裝有密封壓蓋；真空室通過單向閥管道連接真空泵和真空計，通過真空泵抽取真空室達(dá)到真空狀態(tài)，通過真空計測量真空室的真空度，真空室內(nèi)部從左到右依次設(shè)置有塑料套筒、巖樣、密封活塞和壓力傳感器，通過塑料套筒進(jìn)一步限定巖樣的位置，通過密封活塞能夠進(jìn)一步提高真空室的密封度；夾具支座頂端螺紋連接有夾具螺桿，夾具螺桿底端通過鉸接套鉸接上壓蓋。由于夾具螺桿和夾具支座通過螺紋相互配合，通過旋轉(zhuǎn)夾具螺桿，實現(xiàn)夾具螺桿在夾具支座上下運(yùn)動，從而通過上壓蓋實現(xiàn)對真空巖樣夾持室的加壓，避免在超聲波鉆機(jī)鉆進(jìn)的過程中真空巖樣夾持室出現(xiàn)移動的情況發(fā)生；由于夾具螺桿與上壓蓋通過鉸接套鉸接，夾具螺桿不需要與上壓蓋保持垂直的關(guān)系即可實現(xiàn)加壓作用。

優(yōu)選的，所述的超聲波鉆機(jī)從左到右依次設(shè)置有水平的中軸線在同一條直線上的螺栓、上電極、壓電陶瓷、下電極、變幅桿、鉆具接頭、預(yù)緊定位機(jī)構(gòu)和鉆具，變幅桿右端套裝于鉆具接頭內(nèi)部，變幅桿與鉆具接頭之間設(shè)置有自由質(zhì)量單元，鉆具穿過密封壓蓋到達(dá)真空室內(nèi)部；所述的螺栓依次穿過上電極、壓電陶瓷和下電極后連接于變幅桿左端；所述的預(yù)緊定位機(jī)構(gòu)包括連接螺桿，連接螺桿左端連接鉆具接頭，連接螺桿右部分通過導(dǎo)向法蘭套接于調(diào)節(jié)支撐板上，連接螺桿右端連接鉆具；鉆具接頭與調(diào)節(jié)支撐板之間的連接螺桿上套裝有壓縮的彈簧。通過調(diào)頻電源產(chǎn)生的高頻電壓作用在上電極和下電極，使壓電陶瓷產(chǎn)生沿厚度方向的振動，經(jīng)過自由質(zhì)量單元、變幅桿將振動振幅放大，并通過鉆具高頻振動作用在巖石樣品，鉆具與巖石樣品間產(chǎn)生相對滑移，開始鉆進(jìn)。通過調(diào)節(jié)支撐板，上調(diào)節(jié)螺桿、下調(diào)節(jié)螺桿和導(dǎo)向法蘭導(dǎo)正鉆具的方向，使超聲波鉆機(jī)與進(jìn)尺方向平行，且鉆具與巖樣作用面垂直。起振前，預(yù)緊定位機(jī)構(gòu)的彈簧處于壓縮狀態(tài)，保證自由質(zhì)量單元與變幅桿端面接觸，這樣設(shè)計才能保證起振后，自由質(zhì)量單元得到變幅桿端面的初速度；得到初速度的自由質(zhì)量單元離開變幅桿端面撞擊鉆具，釋放動能后返回變幅桿端面處，如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)對巖石樣品的鉆進(jìn)。

申請人在試驗過程中設(shè)計了沒有自由質(zhì)量單元的超聲波鉆機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、性能穩(wěn)定，但動力輸出端面振幅小、鉆探巖石效率低。故在變幅桿動力輸出端面與鉆具接頭之間，引入自由質(zhì)量單元，對鉆具的振幅進(jìn)行二次放大。超聲換能器的變幅桿輸出的振動為超聲頻、小振幅振動，振幅一般為微米級(幾微米至幾十微米)。在變幅桿激勵下，自由質(zhì)量單元在變幅桿底端與鉆具接頭之間作聲頻范圍的大振幅振動(振動頻率一般為幾百赫茲至幾千赫茲，振幅一般為毫米級)。從而實現(xiàn)了從變幅桿微米級振幅變?yōu)殂@具毫米級振幅的轉(zhuǎn)換。球形自由質(zhì)量單元，通過鉆具接頭內(nèi)壁限制其運(yùn)動空間。自由質(zhì)量單元與鉆具接頭內(nèi)壁之間為滑滾摩擦，摩擦力小。沖擊面近似點接觸，沖量傳遞穩(wěn)定。鉆具接頭內(nèi)壁與球形自由質(zhì)量單元表面摩擦損耗低，高頻沖擊后形變小，受振動沖擊影響小。由于封閉式導(dǎo)向設(shè)計，自由質(zhì)量單元的振動不易受到外界影響，動力傳遞穩(wěn)定，傳遞動量效率高。

優(yōu)選的，所述的密封活塞與殼體之間設(shè)置有活塞徑向密封圈；所述的鉆具與密封壓蓋之間設(shè)置有鉆具徑向密封圈；所述的密封壓蓋與殼體之間設(shè)置有壓蓋軸向密封圈，通過活塞徑向密封圈、鉆具徑向密封圈和壓蓋軸向密封圈實現(xiàn)對真空室的較好的密封，保證真空室的真空度。

優(yōu)選的，該超聲波微鉆試驗臺還包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括滾動軸承，滾動軸承的內(nèi)圈通過螺母組件固定套裝在下調(diào)節(jié)螺桿上，滾動軸承外圈套裝于傳動齒輪內(nèi)，傳動齒輪上設(shè)置有螺釘和限位壓蓋，螺釘將限位壓蓋固定于傳動齒輪側(cè)壁上，限位壓蓋左端面對滾動軸承外圈定位固定；傳動齒輪頂端嚙合連接鉆具接頭，傳動齒輪底端嚙合連接齒輪軸。齒輪軸在絲桿的帶動下轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)齒輪軸與傳動齒輪嚙合傳動，傳動齒輪帶動鉆具接頭調(diào)整方向，從而實現(xiàn)對鉆進(jìn)角度的控制。通過設(shè)置回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)高頻振動回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，可以有效提高進(jìn)尺速度和鉆具的壽命，克服堵心與粘卡事故的發(fā)生，提高鉆進(jìn)效率；可以鉆進(jìn)更堅硬的巖樣，提高可鉆地層范圍；通過更換鉆具接頭，換為外表面不帶齒輪，試驗臺將實現(xiàn)單高頻振動鉆進(jìn)，從而可方便的進(jìn)行高頻振動回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與單高頻振動這兩種鉆進(jìn)模式下鉆進(jìn)參數(shù)的采集與試驗對比；總之，通過設(shè)置回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，增加了試驗臺的功能與可研究范圍，從而為研究設(shè)計效率更高、穩(wěn)定性更好、壽命更長的月球取心(樣)鉆機(jī)提供技術(shù)支持。

優(yōu)選的，該超聲波微鉆試驗臺還包括數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)包括I/U傳感器、壓力傳感器、電機(jī)編碼器、數(shù)據(jù)采集卡、PC、電機(jī)驅(qū)動器和調(diào)頻電源；數(shù)據(jù)采集卡分別監(jiān)測和獲取超聲波鉆機(jī)傳遞給I/U傳感器的電流和電壓數(shù)據(jù)、電機(jī)編碼器的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和壓力傳感器檢測到巖樣受到的鉆壓力數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集卡將監(jiān)測和獲取的實時數(shù)據(jù)傳遞給PC，通過PC進(jìn)行綜合分析和整合，PC通過控制信號分別控制調(diào)頻電源和電機(jī)驅(qū)動器，調(diào)頻電源為超聲波鉆機(jī)提供高頻電流，超聲波鉆機(jī)高頻振動，實現(xiàn)對巖樣的鉆進(jìn)。通過電機(jī)編碼器對電機(jī)鉆速數(shù)據(jù)采集；通過調(diào)頻電源控制超聲波鉆機(jī)兩電極之間的激勵頻率、激勵波形和激勵電壓；通過壓力傳感器實現(xiàn)對鉆壓力數(shù)值采集；通過I/U傳感器實現(xiàn)對超聲波鉆機(jī)電流和電壓的數(shù)據(jù)采集；根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度可以計算鉆機(jī)進(jìn)尺大小(即鉆速值)；通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，調(diào)節(jié)鉆壓力的大小，從而實現(xiàn)鉆壓力、鉆速、鉆削深度、輸入電壓、輸入電流等實時監(jiān)測與控制。

本實用新型的優(yōu)點是：

(1)本實用新型將超聲波鉆機(jī)水平放置，可以避免地表重力對鉆頭壓力影響，有效地防止了鉆具自重對模擬月球環(huán)境下高頻振動鉆進(jìn)試驗參數(shù)的干擾，解決了月球“微重力”對模擬實驗帶來的影響；

(2)本實用新型中通過設(shè)置回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)高頻振動回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，可以有效提高鉆進(jìn)效率和鉆具的壽命，且克服了堵心與粘卡事故的發(fā)生，保證了外太空鉆探孔內(nèi)的安全性；可以鉆進(jìn)更堅硬的巖層，提高可鉆地層范圍；通過更換鉆具接頭，換為外表面不帶齒輪，試驗臺將實現(xiàn)單高頻振動鉆進(jìn)，從而可方便的進(jìn)行高頻振動回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與單高頻振動這兩種鉆進(jìn)模式下鉆進(jìn)參數(shù)的采集與試驗對比，增加了試驗臺的功能與可研究范圍，從而為研究設(shè)計效率更高、穩(wěn)定性更好、壽命更長的月球取心(樣)鉆機(jī)提供技術(shù)支持；

(3)本實用新型中的可調(diào)整夾持架可以實現(xiàn)實驗人員根據(jù)實驗設(shè)定條件調(diào)整可調(diào)整夾持架的松緊度，達(dá)到預(yù)定的實驗?zāi)繕?biāo)；

(4)本實用新型中設(shè)置了真空巖樣夾持室，可模擬月球真空環(huán)境下超聲波鉆機(jī)外太空鉆進(jìn)過程，為優(yōu)化設(shè)計更適合外太空鉆探取心(樣)的設(shè)備提供技術(shù)支持；

(5)本實用新型中采用超聲波鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、適應(yīng)溫度范圍廣、無潤滑和密封等優(yōu)點，具有其獨特的性能和市場潛力；并且在超聲波鉆機(jī)內(nèi)設(shè)置了自由質(zhì)量單元，實現(xiàn)了從變幅桿微米級振幅變?yōu)殂@具毫米級振幅的轉(zhuǎn)換，并且自由質(zhì)量單元的振動不易受到外界影響，動力傳遞穩(wěn)定，傳遞動量效率高；

(6)本實用新型采用絲桿進(jìn)尺機(jī)構(gòu)，通過減速器和絲桿機(jī)構(gòu)二級減速后驅(qū)動鉆機(jī)沿鉆進(jìn)方向作直線運(yùn)動，進(jìn)尺精度更高，精確控制所取巖心(樣)品長度，有效判別地層變化；絲桿機(jī)構(gòu)在其絲桿螺母座與絲桿之間以滾珠滾動方式實現(xiàn)滾動摩擦，傳動效率高、驅(qū)動扭矩降低，減小了對電機(jī)的載荷要求，可實現(xiàn)較低的功耗、較高的疲勞壽命和精度壽命；

(7)本實用新型通過數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過壓力傳感器返回計算機(jī)的壓力值，控制驅(qū)動系統(tǒng)移動速度，達(dá)到恒鉆壓給進(jìn)，進(jìn)而研究同種月壤條件，在給定鉆壓、鉆時下不同表面處理方法對鉆具進(jìn)尺速度的影響；通過電流/電壓傳感器，可采集電壓波形，研究鉆探效率最大化的前提下功率與自由質(zhì)量單元的關(guān)系；通過在真空環(huán)境下鉆進(jìn)試驗，模擬超聲波鉆機(jī)外太空鉆進(jìn)過程；在試驗過程中更換不同規(guī)格變幅桿、自由質(zhì)量單元，可研究其對鉆進(jìn)效率的影響，為優(yōu)化設(shè)計更適合外太空鉆探取心(樣)的設(shè)備提供技術(shù)支持。

附圖說明

圖1為本實用新型的主視圖；

圖2為本實用新型的左視圖；

圖3為本實用新型的俯視圖；

圖4為圖1中I部分的放大圖；

圖5為本實用新型中采集/控制系統(tǒng)的原理圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步的說明：

一種模擬月球鉆探用的超聲波微鉆試驗臺，包括試驗臺底座10，試驗臺底座10左部分設(shè)置有絲桿進(jìn)尺機(jī)構(gòu)，試驗臺底座10右部分設(shè)置有與試驗臺底座10垂直固定連接的右絲桿支座13和巖樣夾具28；絲桿進(jìn)尺機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在試驗臺底座10左部分的絲桿螺母座11和左絲桿支座12，絲桿螺母座11通過燕尾導(dǎo)軌19與試驗臺底座10滑動連接，絲桿螺母座11上固定連接有可調(diào)整夾持架，可調(diào)整夾持架內(nèi)部夾持有水平設(shè)置的超聲波鉆機(jī)，由于試驗研究在實驗室環(huán)境開展，且超聲波鉆機(jī)鉆探性能對鉆壓力參數(shù)敏感，將超聲波鉆機(jī)水平放置，避免地表重力對鉆壓力影響；超聲波鉆機(jī)通過可調(diào)整夾持架夾持，在具體實驗過程中，方便實時根據(jù)實際情況對超聲波鉆機(jī)進(jìn)行調(diào)整、拆卸和安裝，以達(dá)到實驗要求；左絲桿支座12上支撐有絲桿14，絲桿14左端連接有減速器15，減速器15的輸入軸連接電機(jī)16，電機(jī)16上設(shè)置有電機(jī)編碼器17；絲桿進(jìn)尺機(jī)構(gòu)通過減速器15與絲桿14二級減速實現(xiàn)高進(jìn)尺精度控制，使得鉆壓力控制準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)緊湊、受振動沖擊影響較小，獲得對真實環(huán)境鉆探具有指導(dǎo)意義的試驗數(shù)據(jù)；絲桿14螺紋部分與絲桿螺母座11配合連接，絲桿14右端連接齒輪軸18，齒輪軸18右端連接右絲桿支座13；通過巖樣夾具28固定超真空巖樣夾持室，超真空巖樣夾持室內(nèi)部夾持有巖樣33；超聲波鉆機(jī)右端插入超真空巖樣夾持室內(nèi)部對巖樣33進(jìn)行微鉆，超真空巖樣夾持室的設(shè)計可在模擬月球真空環(huán)境下，研究超聲波鉆機(jī)對巖樣的鉆進(jìn)過程，從而優(yōu)化設(shè)計更適合外太空鉆探取心(樣)的設(shè)備。

為了實現(xiàn)絲桿進(jìn)尺機(jī)構(gòu)帶動超聲波鉆機(jī)沿直線平穩(wěn)進(jìn)尺，絲桿螺母座11底端通過燕尾導(dǎo)軌19連接試驗臺底座10，燕尾導(dǎo)軌19與絲桿14相互平行。

為了實現(xiàn)實驗人員根據(jù)實驗設(shè)定條件調(diào)整可調(diào)整夾持架的松緊度，達(dá)到預(yù)定的實驗?zāi)繕?biāo)，所述的可調(diào)整夾持架為由“L”形的支撐架20、下調(diào)節(jié)螺桿21、上調(diào)節(jié)螺桿22和調(diào)節(jié)支撐板23組成的長方體框架結(jié)構(gòu)；支撐架20固定連接于絲桿螺母座11上，支撐架20右端通過螺母組件連接水平的下調(diào)節(jié)螺桿21，支撐架20左端頂部通過螺母組件連接水平的上調(diào)節(jié)螺桿22；下調(diào)節(jié)螺桿21和上調(diào)節(jié)螺桿22右端通過調(diào)節(jié)支撐板23連接。

為了在真空環(huán)境下鉆進(jìn)試驗，模擬超聲波鉆機(jī)外太空鉆進(jìn)過程，為優(yōu)化設(shè)計更適合外太空鉆探取心(樣)的設(shè)備提供技術(shù)支持，所述的超真空巖樣夾持室包括殼體24，殼體24內(nèi)部設(shè)置有真空室25，殼體24上表面設(shè)置有上壓蓋26，殼體24左端固定安裝有密封壓蓋27；真空室25通過單向閥29管道連接真空泵30和真空計31，真空室25內(nèi)部從左到右依次設(shè)置有塑料套筒32、巖樣33、密封活塞34和壓力傳感器35，塑料套筒32的作用是固定巖樣33和預(yù)壓緊壓力傳感器35，保證真空室25負(fù)壓狀態(tài)時壓力傳感器35仍處于壓緊狀態(tài)；夾具支座28頂端螺紋連接有夾具螺桿36，夾具螺桿36底端通過鉸接套37鉸接上壓蓋26。

為了實現(xiàn)較好的鉆進(jìn)工作，使得鉆機(jī)的功耗低、性能穩(wěn)定，所述的超聲波鉆機(jī)從左到右依次設(shè)置有水平的中軸線在同一條直線上的螺栓38、上電極39、壓電陶瓷40、下電極41、變幅桿42、鉆具接頭43、預(yù)緊定位機(jī)構(gòu)和鉆具45，變幅桿42右端套裝于鉆具接頭43內(nèi)部，變幅桿42與鉆具接頭43之間設(shè)置有自由質(zhì)量單元46，鉆具45穿過密封壓蓋27到達(dá)真空室25內(nèi)部；所述的螺栓38依次穿過上電極39、壓電陶瓷40和下電極41后連接于變幅桿42左端；所述的預(yù)緊定位機(jī)構(gòu)包括連接螺桿47，連接螺桿47左端連接鉆具接頭43，連接螺桿47右部分通過導(dǎo)向法蘭48套接于調(diào)節(jié)支撐板23上，連接螺桿47右端連接鉆具45；鉆具接頭43與調(diào)節(jié)支撐板23之間的連接螺桿47上套裝有壓縮的彈簧49，通過同步旋擰下調(diào)節(jié)螺桿21、上調(diào)節(jié)螺桿22上的螺母組件調(diào)整調(diào)節(jié)支撐板23相對鉆具接頭43左右移動，從而調(diào)節(jié)彈簧49的伸縮量。

為了保證密封室的真空度，所述的密封活塞34與殼體24之間設(shè)置有活塞徑向密封圈50；所述的鉆具45與密封壓蓋27之間設(shè)置有鉆具徑向密封圈51；所述的密封壓蓋27與殼體24之間設(shè)置有壓蓋軸向密封圈52。

為了實現(xiàn)高頻振動回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，有效提高進(jìn)尺速度和鉆具的壽命，克服堵心與粘卡事故的發(fā)生，提高鉆進(jìn)效率，該超聲波微鉆試驗臺還包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括滾動軸承53，滾動軸承53的內(nèi)圈通過螺母組件固定套裝在下調(diào)節(jié)螺桿21上，滾動軸承53外圈套裝于傳動齒輪54內(nèi)，傳動齒輪54上設(shè)置有螺釘55和限位壓蓋56，螺釘55將限位壓蓋56固定于傳動齒輪54側(cè)壁上，限位壓蓋56左端面對滾動軸承53外圈定位固定；傳動齒輪54頂端嚙合連接鉆具接頭43，傳動齒輪54底端嚙合連接齒輪軸18。齒輪軸18在絲桿14的帶動下轉(zhuǎn)動，嚙合傳動于傳動齒輪54，傳動齒輪54嚙合傳動于鉆具接頭43，從而實現(xiàn)對鉆具45的旋轉(zhuǎn)控制。

為了實現(xiàn)鉆進(jìn)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集/控制，該超聲波微鉆試驗臺還包括數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)包括I/U傳感器、壓力傳感器、電機(jī)編碼器、數(shù)據(jù)采集卡、PC、電機(jī)驅(qū)動器和調(diào)頻電源；數(shù)據(jù)采集卡分別監(jiān)測和獲取超聲波鉆機(jī)傳遞給I/U傳感器的電流和電壓數(shù)據(jù)、電機(jī)編碼器的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和壓力傳感器檢測到巖樣受到的鉆壓力數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集卡將監(jiān)測和獲取的實時數(shù)據(jù)傳遞給PC，通過PC進(jìn)行綜合分析和整合，PC通過控制信號分別控制調(diào)頻電源和電機(jī)驅(qū)動器，調(diào)頻電源為超聲波鉆機(jī)提供高頻電流，驅(qū)動超聲波鉆機(jī)高頻振動，實現(xiàn)對巖樣的鉆進(jìn)，電機(jī)驅(qū)動器將控制信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電信號驅(qū)動電機(jī)。通過電機(jī)編碼器對電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集；通過調(diào)頻電源控制超聲波鉆機(jī)兩電極之間的激勵頻率、激勵波形和激勵電壓；通過壓力傳感器實現(xiàn)對鉆壓力數(shù)值采集；通過I/U傳感器實現(xiàn)對超聲波鉆機(jī)電流和電壓的數(shù)據(jù)采集；根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度可以計算鉆機(jī)進(jìn)尺大小(即鉆速值)；通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，調(diào)節(jié)鉆壓力的大小，從而實現(xiàn)鉆壓力、輸入電壓、輸入電流、鉆速、鉆削深度等實時監(jiān)測與控制。

本實用新型的具體試驗方法：

(1)將巖樣33、塑料套筒32依次放入真空室25，巖樣33與密封活塞34端面接觸，塑料套筒32表面的通孔與單向閥29對齊，將鉆具45插入密封壓蓋27，依次擰緊連接螺桿47、鉆具接頭43，上緊密封壓蓋27；

(2)將超真空巖樣夾持室通過巖樣夾具進(jìn)行固定，通過旋擰上調(diào)節(jié)螺桿22和下調(diào)節(jié)螺桿21上的螺母組件，調(diào)節(jié)彈簧49的伸縮量，設(shè)置變幅桿42與自由質(zhì)量單元46的合適壓緊力；

(3)驅(qū)動鉆機(jī)向前移動，將鉆具45頂在巖樣33表面；

(4)啟動真空泵30，觀察真空計31，將超真空巖樣夾持室內(nèi)壓力降到合適壓力值；

(5)當(dāng)只進(jìn)行高頻振動鉆進(jìn)性能工藝參數(shù)研究時，使用無齒輪齒鉆具接頭43，鉆具45不旋轉(zhuǎn)；設(shè)定電機(jī)16轉(zhuǎn)速、超聲波振動頻率等參數(shù)，開始試驗，采集數(shù)據(jù)；通過設(shè)定不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速及超聲波振動頻率，可得到不同的鉆壓力與鉆進(jìn)速度；通過更換不同規(guī)格變幅桿42、自由質(zhì)量單元46，可研究其對鉆進(jìn)效率的影響；

(6)當(dāng)進(jìn)行高頻振動回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)性能工藝參數(shù)研究時，使用有齒輪齒鉆具接頭43，鉆具45隨進(jìn)尺同步旋轉(zhuǎn)；設(shè)定電機(jī)16轉(zhuǎn)速、超聲波振動頻率等參數(shù)，開始試驗，采集數(shù)據(jù)；通過設(shè)定不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速及超聲波振動頻率，可得到不同的鉆壓力與鉆進(jìn)速度；通過更換不同規(guī)格變幅桿42、自由質(zhì)量單元46，可研究其對鉆進(jìn)效率的影響；

(7)更換巖樣33，重復(fù)1～6，進(jìn)行下一組試驗。

最后應(yīng)說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護(hù)范圍之中。