CN101701866B - 一种简易海浪运动模拟平台装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易海浪运动模拟平台装置，有一底座，底座上设有竖向的导杆，一支撑架套在导杆上与导杆滑动配合，设在底座上的第一电机固定有一摇杆，摇杆通过滑块与设在支撑架上的导轨相配合，支撑架上设有第二电机，一载物平台的一端铰接在支撑架上，另一端与第二电机的凸轮相配合。本发明装置中的第一电机、摇杆和第二电机、凸轮构成了一个“正弦-凸轮”机构。其正弦机构实现升沉方向的运动，凸轮机构实现横倾方向的运动，两路运动相叠加，通过可调电阻可分别控制两个驱动电机的转速，实现两个方向运动频率的可调；通过改变摇杆的作用距离可以调节升沉方向运动的幅值。

Description

一种简易海浪运动模拟平台装置

技术领域

本发明属于海浪模拟平台装置，具体涉及一种能够模拟船舶在海上航行或作业时甲板的升沉和横倾两自由度运动的简易海浪运动模拟平台装置。

背景技术

船舶在海上航行或作业时，所消耗的物资必须在海上得到不间断的补给。但是在海上有风浪的情况下，海浪的起伏会引起补给船和被补给船的相对运动，这对海上补给的安全作业构成很大威胁。因此，波浪补偿系统能够提高海浪补偿系统的综合性能，实现海上物资全天候安全补给。当前，波浪补偿系统的结构形式多样，按控制模式主要划分为随动式和主动式两大类波浪补偿系统。但是对于任何一类波浪补偿系统来说，在实验研究和样机研制阶段，构建一个能够模拟船舶甲板运动的模拟平台是首要的基础条件，对开展波浪补偿技术研究具有重要意义。

在开放的海洋环境中，由于海风、海浪、洋流的作用以及船舶自身航行运动，两船之间将呈现出横摇、纵摇、升沉、横倾、纵倾、偏航等六自由度的相对运动，其中升沉、横倾和纵倾运动是影响海上补给作业的主要因素。因此，海浪模拟平台必须满足不同海况的自身特点。目前，国内外已经研制了实现不同运动功能的海浪模拟平台，比如三自由度、六自由度海浪模拟平台。对开展波浪补偿系统实验研究来说，这些已有的海浪模拟平台由于结构复杂、体积庞大、造价昂贵，并不太合适，因此更急需设计体积小、效率高的简易海浪模拟平台。

发明内容

本发明的目的是提供一种简易海浪运动模拟平台装置，该装置能够模拟船舶甲板在海浪中升沉和横倾两个自由度运动，以快速构建满足波浪补偿系统研究所需的实验平台。

本发明的简易海浪运动模拟平台装置，有一底座，底座上设有竖向的导杆，一支撑架套在导杆上与导杆滑动配合，设在底座上的第一电机固定有一摇杆，摇杆通过滑块与设在支撑架上的导轨相配合，支撑架上设有第二电机，一载物平台的一端铰接在支撑架上，另一端与第二电机的凸轮相配合。

所述的升沉和横倾运动的频率分别由串联在电机电枢回路中的可调电阻调节电机转速进行控制。

所述滑块可以沿摇杆固定在不同的位置，以构成运动幅值调节结构。

所述运动幅值调节结构由摇杆通过齿配合的压块构成，压块的一端设有螺杆，可用螺母固定在摇杆上，另一端设有连接轴与滑块活动连接，通过调节压块在摇杆上的位置可以改变摇杆的作用距离，从而可以调节升沉方向运动的幅值。

本发明装置采用了“正弦-凸轮”机构，由第一电机驱动摇杆实现载物平台升沉方向的运动，由第二电机驱动凸轮实现载物平台横倾方向的运动，两路运动叠加可模拟两自由度的海浪运动。可通过串联在电机电枢回路中的可调电阻分别控制两个驱动电机的转速，实现两个方向运动频率的可调；通过调节摇杆上滑块的位置改变摇杆对支撑架的作用距离，以控制载物平台升沉运动的幅值。

本发明具有如下特点：一是结构简单，属于一个“正弦-凸轮”组合结构，可实现升沉方向大幅值运动，且易于加工制作；二是控制便捷，只需控制电机转速和调节摇杆作用距离就可以控制运动的频率和幅值，达到模拟不同海浪的目的；三是成本低廉。

附图说明

图1是本发明装置示意图。

图2是正弦机构原理图。

图3是凸轮机构原理图。

图4是第二电机的法兰式安装示意图。

图5是两个方向运动频率调节原理图。

图6是升沉方向运动幅值调节结构示意图。

具体实施方式

本发明的装置如图1所示，有一底座1，底座1上通过导杆座4设有两根竖向的导杆9，一支撑架7通过滑动轴承13套在导杆9上与导杆9滑动配合，底座1上用支架12装有第一电机11，该电机11的转轴上固定有一摇杆10，摇杆10通过滑块3与设在支撑架7上的导轨2相配合，所述滑块3可以沿摇杆11固定在不同的位置，支撑架7上设有第二电机5，一载物平台8的一端通过铰链14连接在支撑架7上，另一端与第二电机5转轴上的凸轮6相配合。

本发明装置中的第一电机11、摇杆10和第二电机5、凸轮6构成了“正弦-凸轮”机构。第一电机11驱动摇杆10实现升沉方向的运动，第二电机5驱动凸5轮实现横倾方向的运动，两路运动叠加可模拟两自由度的海浪运动。串联在电机电枢回路中的可调电阻分别控制两个驱动电机的转速，实现两个方向运动频率的可调；通过调节滑块3在摇杆10上不同位置以改变摇杆10作用距离可以控制升沉运动的幅值。

正弦机构模拟升沉方向的运动，其结构原理图如图2所示。摇杆10在第一电机11的带动下做圆周运动，滑块3在导轨2中作往复直线运动，支撑架7固定在导轨2上，其竖直方向的运动规律与导轨2一致，这样通过正弦机构就可以将第一电机11的转动转化为载物台8的直线运动。升沉的最大位移量AB与摇杆10的长度L关系为：AB＝2L。滑块3与导轨2相接触的平面(上下表面和突起后表面)需要涂抹润滑油，以减少摩擦阻力和零件磨损，延长其使用寿命。

凸轮机构模拟横倾方向的运动，其结构如图3所示，采用了对顶直动件盘形凸轮机构。载物台8以铰链14为支点作横倾运动时与水平面呈一定夹角，凸轮6与载物台8之间的接触实际上为点接触。凸轮6的设计主要是确定凸轮6的轮廓，通过参考机械设计手册采用“反转法”进行设计。

导杆9是装置实现升沉运动的导向机构，升沉方向运动的平稳性取决于导杆表面的加工质量。为了减小运动摩擦，两根导杆9表面粗糙度和平行度要达到一定的要求，使得支撑架7上的滑动轴承13在导杆9上能顺利滑动。

支撑架7与载物台8之间采用铰链14连接。支撑架7一方面与滑动轴承13固连在一起，沿竖直导杆9做升沉运动；另一方面与载物台8活动连接，使载物台8随支撑架7做升沉运动的同时，还可以在第二电动机5及凸轮6的驱动下做横倾运动。

升沉方向的第一电机11体积大、质量重，采用卧式安装形式，其支架12由40mm×40mm的角钢焊接而成，上部采用螺钉与第一电机11连接，下部采用螺钉与装置底座1连接。横倾方向的第二电机5体积小、质量轻，采用法兰式的电机架15进行安装，电机架15开有圆孔的一面通过螺钉与第二电机5固连，开有方孔的一面通过螺钉与支撑架固连(参见图4)，为了提高机构强度，可以在两块面板的折弯处增加筋板。

电机是整个海浪模拟平台装置的驱动源，电机的选取需要根据实际所需要的功率、转矩和转速来确定。两个电机的驱动采用了WK-SK直流伺服稳压电源，其中小的第二电机5是永磁式，采用WK调速器；大的电动机是他励直流式，采用SK调速器。这两种调速器均采用脉宽调制技术，具有短路保护功能(保证电动机频繁正反转)，且输出电压稳定度高，其电枢电压从零到额定值连续可调。

升沉和横倾运动的频率通过串联在电机电枢回路中的可调电阻分别控制两个驱动电机的转速来调节，如图5所示，其中E_a为电机电枢反电势，I_a为电机电枢电流，T为电磁转矩。电机转速表达式为

$n=\frac{U_a}{C_e\×\mathrm{\Φ}}-\frac{T\×(R_a+R_0)}{C_e\×C_T\×{\mathrm{\Φ}}^2}$

式中：C_e、C_T为固定常数，Ф为电机每极磁通量，n为电机转速，U_a为电机端电压，R_a为电枢内阻，R₀为串联的可调电阻。因此，本发明通过改变R₀大小来改变电机的转速。

升沉运动的幅值通过改变摇杆的作用距离来调节，其运动幅值调节结构如图6所示，它是由摇杆10通过齿配合的压块101构成，压块101的一端设有螺杆，可用螺母102固定在摇杆10上，另一端设有连接轴103与滑块3活动连接，通过调节压块101在摇杆10上的位置可以改变摇杆10的作用距离，从而可以调节升沉方向运动的幅值。

综上所述，利用本发明装置，用户可以快速地构建一个模拟船舶甲板升沉和横倾两个自由度运动的简易装置，并且可以调节运动的幅值和频率，从而为波浪补偿系统研究提供实验平台。

Claims (4)

1.一种简易海浪运动模拟平台装置，其特征是有一底座，底座上设有竖向的导杆，一支撑架套在导杆上与导杆滑动配合，设在底座上的第一电机固定有一摇杆，摇杆通过滑块与设在支撑架上的导轨相配合，实现升沉运动；支撑架上设有第二电机，一载物平台的一端铰接在支撑架上，另一端与第二电机的凸轮相配合，实现横倾运动。

2.根据权利要求1所述的简易海浪运动模拟平台装置，其特征是所述的升沉和横倾运动的频率分别由串联在第一、第二电机电枢回路中的可调电阻调节第一、第二电机转速进行控制。

3.根据权利要求1或2所述的简易海浪运动模拟平台装置，其特征是所述滑块可以沿摇杆固定在不同的位置，以构成升沉运动幅值调节结构。

4.根据权利要求3所述的简易海浪运动模拟平台装置，其特征是所述升沉运动幅值调节结构由摇杆通过齿配合的压块构成，压块的一端设有螺杆，可用螺母固定在摇杆上，另一端设有连接轴与滑块活动连接。

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