CN105092206A - 一种紧凑式大摆幅摇板式造波机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑式大摆幅摇板式造波机，包括机架、伺服电机、变速箱、传动系统、皮带系统、造波板和造波控制系统。其中，机架焊接于水槽内，用于支承其它构件；伺服电机固定在机架的外侧；变速箱固定在伺服电机上，用于改变伺服电机的转速和扭矩；传动系统安装在机架上，以将伺服电机的转动传送至皮带系统；皮带系统用于推动造波板；造波板用于推动水体，产生波浪；造波控制系统用于控制伺服电机，以实时监视和控制伺服电机转动，以使造波板的角度符合目标值。本发明的紧凑式大摆幅摇板式造波机具有精度高、操作简单、快捷、节省空间，结构简单，实用性强，造价低廉等特点。

Description

一种紧凑式大摆幅摇板式造波机

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域的装置，尤其涉及一种紧凑式大摆幅摇板式造波机。

背景技术

模型试验是船舶与海洋工程水动力学研究的重要手段。当前所实施的实际船舶或海洋平台，都要在设计前后对其做模型试验研究，在海洋工程水池中模拟真实的风、浪、流等海洋环境条件，以预报其在真实海洋环境中的运动性能和力学特性。

海洋工程波浪水槽是海洋工程研究的重要设备，主要担负着波浪机理性研究和波浪与人工海洋结构物作用研究的任务，在波浪理论研究中发挥着举足轻重的作用。为了模拟不同参数的海洋波浪，造波机的摇板需要做周期往返运动。

在造波的过程中，摇板来回运动，造成依附于其上的水质点跟着摇板来回运动，从而造出与摇板运动周期相同的波浪，波幅与摇板运动的振幅和周期均有关系。普通的造波机由于伺服电机与摇板之间连接不紧凑，可能造成摇板的运动和给定的运动不一致，导致滞后，或者摇板运动最大角度受限，可能无法造出预期的波浪。而造波最终的是，要求摇板在某个时刻必须是某个位置或者速度，即摇板的位置时历或速度时历造波机需要准确地表达出来，并且连贯流畅，曲线光滑。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够准确地模拟波浪、结构紧凑，摇板摇摆顺畅准确，能够准确模拟实验要求的规则或不规则波的造波机。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够准确地模拟波浪、结构紧凑，摇板摇摆顺畅准确，能够准确模拟实验要求的规则或不规则波的造波机。

为实现上述目的，本发明提供了一种紧凑式大摆幅摇板式造波机，包括：

机架，所述机架焊接于水槽内，用于支承所述紧凑式大摆幅摇板式造波机的其它构件；

伺服电机，所述伺服电机固定在所述机架的外侧；

变速箱，所述变速箱固定在所述伺服电机上，以改变所述伺服电机的转速和扭矩；

传动系统，所述传动系统安装在所述机架上，以将所述伺服电机的转动传送至皮带系统；

皮带系统，所述皮带系统用于推动所述造波板；

造波板，所述造波板用于推动水体，产生波浪；

造波控制系统，所述造波控制系统用于控制所述伺服电机，以实时监视和控制伺服电机转动，以使所述造波板的角度符合目标值。

进一步地，所述机架包括：

轴套固定座，所述轴套固定座用于约束所述造波板的运动，使所述造波板具有单一转动自由度；

架子上斜梁，所述架子上斜梁用于安装所述伺服电机和所述传动系统；

架子上横梁，所述架子上横梁用于支承所述传动系统；

架子横向加强梁，所述架子横向加强梁用于固定所述架子上斜梁和所述架子上横梁；

架子竖梁，所述架子竖梁用于支承所述架子上横梁和架子横向加强梁；

架子下斜梁，所述架子下斜梁用于支承所述传动系统，并增加所述机架的刚度；

底盘，所述底盘用于固定所述架子下斜梁、所述架子竖梁和所述轴套固定座。

更进一步地，所述架子上斜梁与所述架子上横梁、所述架子上横梁与所述架子竖梁、所述架子竖梁与所述架子下斜梁、所述架子下斜梁与所述底盘、所述底盘与所述架子竖梁之间均采用三角形肋板固定连接，以增加强度和稳定性。

其中，所述底盘、所述架子上斜梁、所述架子上横梁、所述架子竖梁、所述架子下斜梁等是所述机架的主要承力构件，共16根组合型材构成所述机架的框架。所述机架还包括侧主板、加强板等板件构件。

进一步地，所述造波板包括：

摇板，所述摇板用于推动水体，产生波浪；

侧面挡水尼龙块，所述侧面挡水尼龙块用于填补水槽和所述摇板两侧的空隙，使水不易从空隙中透出；

摇板转动轴，所述摇板转动轴用于连接所述摇板和所述轴套固定座，使所述造波板围绕所述轴套固定座转动；

横加强梁，所述横向加强梁水平安装于所述摇板的背面，以提高所述摇板的强度和刚度；

加强筋，所述加强筋垂向安装于所述摇板的背面，以提高所述摇板的强度和刚度。

进一步地，所述变速箱通过调整转速比来调节所述伺服电机传递到所述传动系统的转动角度。

进一步地，所述传动系统包括：

中轴，所述中轴与所述变速箱的轴相连；

主同步轮，所述主同步轮安装在所述中轴上，所述中轴将所述伺服电机的转动传送至所述主同步轮，所述主同步轮带动所述皮带系统运动；所述主同步轮设置有两个；

尼龙轮，所述尼龙轮通过固定轴安装在尼龙轮固定板上，所述尼龙轮用于张紧所述皮带系统，并调节所述皮带系统的包角；所述固定轴用于约束所述尼龙轮运动，使所述尼龙轮具有单一旋转自由度；所述尼龙轮固定板安装在所述机架上；所述尼龙轮设置有四个。

进一步地，所述皮带系统包括：

导轨，所述导轨固定安装于所述造波板上，并引导所述造波板围绕所述轴套固定座转动；

皮带，所述皮带的一端固定在所述导轨的顶端，并依次穿过所述主同步轮、所述尼龙轮，所述皮带的另一端缠绕在所述导轨的底部，以将所述主同步轮的旋转运动转换为所述造波板的摆动。

试验时，应保证所述导轨上的所述皮带相互平行且均紧贴导轨面，以确保所述皮带受力均匀，完全受力。

更进一步地，安装时，应保证所述主同步轮、所述皮带和所述导轨处于同一平面内。

进一步地，所述造波控制系统包括：

信号指示灯，所述信号指示灯垂向固定在所述机架的顶部，用于指示所述伺服电机的工作状态；

数据采集卡，所述数据采集卡采集所述造波板的角度数据；

电机控制器，所述电机控制器通过数据线与所述伺服电机相连，所述电机控制器用于控制所述伺服电机转动；

控制计算机，所述控制计算机与所述数据采集卡相连，所述控制计算机通过所述数据采集卡得到所述造波板的角度数据，安装在所述控制计算机中的控制程序根据目标值给定所述造波板的角度时历，并向所述电机控制器发送信号，以控制所述伺服电机转动。

本发明还提供了一种上述紧凑式大摆幅摇板式造波机的造波方法，所述造波方法包括：

利用所述伺服电机提供动力，并通过传送系统和皮带系统将所述伺服电机的转动传送至所述造波板，使所述造波板推动水体产生波浪；

通过所述伺服电机与所述变速箱的传动比以及所述传动系统与所述皮带系统的传动比将所述伺服电机的轴转动角度时历转化为所述造波板的转动角度时历，所述造流控制系统中的控制程序根据目标值给定所述造波板的转动角度时历，控制所述伺服电机转动，以调节所述造波板的转动角度，实现可控的造波板的转动角度输出；

其中，所述伺服电机转动后，通过所述变速箱改变所述伺服电机的转速和扭矩。

本发明的紧凑式大摆幅摇板式造波机构造简洁，各部件分工明确，可以精确地通过程序输出既定的摇板时历。与现有的造波方式相比，本发明紧凑式大摆幅摇板式造波机的精度高、操作简单、快捷、节省空间，结构简单，实用性强，造价低廉。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的紧凑式大摆幅摇板式造波机的结构流程图；

图2是本发明的一个较佳实施例的紧凑式大摆幅摇板式造波机的结构示意图；

图3是图1中伺服电机和变速箱的结构示意图；

图4是图1中机架的结构示意图；

图5是图1中造波板的结构示意图；

图6是图1中传动系统的示意图；

图7是图1中皮带系统的示意图；

图8是图1中造波控制系统的示意图；

图9是本发明的一个较佳实施例的造流控制系统中的控制程序流程示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种紧凑式大摆幅摇板式造波机，包括机架1、伺服电机2、变速箱3、传动系统4、皮带系统5、造波板6和造波控制系统7。其中，机架1焊接于水槽内，用于支承本实施例的紧凑式大摆幅摇板式造波机的其它构件；伺服电机2固定在机架1的外侧；变速箱3固定在伺服电机1上，用于改变伺服电机1的转速和扭矩；变速箱3通过调整转速比来调节伺服电机1传递到传动系统4的转动角度(参见图3)。传动系统4安装在机架1上，以将伺服电机1的转动传送至皮带系统5；皮带系统5用于推动造波板6；造波板6用于推动水体，产生波浪8；造波控制系统7用于控制伺服电机2，以实时监视和控制伺服电机2转动，以使造波板6的角度符合目标值。本实施例的造波控制系统7和伺服电机2分别采用220V和380V电源，造波控制系统7通过数据线与伺服电机2连接，测量伺服电机2的角度时历。

如图4所示，机架1包括底盘9、架子下斜梁10、架子竖梁11、架子上斜梁12、架子上横梁13、架子横向加强梁14、和轴套固定座15。其中，轴套固定座15用于约束造波板6的运动，使造波板6具有单一转动自由度；架子上斜梁12用于安装伺服电机2和传动系统4；架子上横梁13用于支承传动系统4；架子横向加强梁14用于固定架子上斜梁10和架子上横梁13；架子竖梁11用于支承架子上横梁13和架子横向加强梁14；架子下斜梁10用于支承传动系统4，并增加机架1的刚度；底盘9用于固定架子下斜梁10、架子竖梁11和轴套固定座15。

本实施例的架子上斜梁12与架子上横梁13、架子上横梁13与架子竖梁11、架子竖梁11与架子下斜梁10、架子下斜梁10与底盘9、底盘9与架子竖梁11之间均采用三角形肋板固定连接，以增加强度和稳定性。

其中，底盘9、架子上斜梁12、架子上横梁13、架子竖梁11、架子下斜梁10等是机架1的主要承力构件，共16根组合型材构成所述机架的框架。机架1还包括侧主板、加强板等板件构件。

如图5所示，造波板6包括摇板24、侧面挡水尼龙块25、摇板转动轴26、横加强梁27和加强筋28。其中，摇板24用于推动水体，产生波浪；侧面挡水尼龙块25用于填补水槽和摇板24两侧的空隙，使水不易从空隙中透出；摇板转动轴26用于连接摇板24和轴套固定座15，使造波板6围绕轴套固定座15转动；横向加强梁27水平安装于摇板24的背面，以提高摇板24的强度和刚度；加强筋28垂向安装于摇板24的背面，以提高摇板24的强度和刚度。

如图6所示，传动系统4包括中轴16、主同步轮17和尼龙轮18。其中，中轴16与变速箱3的轴相连；主同步轮17安装在中轴16上，中轴16将伺服电机2的转动传送至主同步轮17，主同步轮17带动皮带系统5运动；主同步轮17设置有两个；尼龙轮18通过固定轴安装在尼龙轮固定板上，尼龙轮18用于张紧皮带系统5，并调节皮带系统5的包角；固定轴用于约束尼龙轮18运动，使尼龙轮18具有单一旋转自由度；尼龙轮固定板安装在机架1上；尼龙轮18设置有四个。

如图7所示，皮带系统5包括导轨21和皮带20。导轨21固定安装于造波板6上，并引导造波板6围绕轴套固定座15转动；皮带20的一端固定在导轨21的顶端，并依次穿过主同步轮17、尼龙轮18，皮带20的另一端缠绕在导轨21的底部，以将主同步轮17的旋转运动转换为造波板6的摆动。试验时，应保证导轨21上的皮带20相互平行且均紧贴导轨面，以确保皮带20受力均匀，完全受力。另外，安装时，应保证主同步轮17、皮带20和导轨21处于同一平面内。皮带系统还包括导轨辅助梁22和导轨固定管23。

如图8所示，造波控制系统7包括控制计算机29、电机控制器30、信号指示灯31和数据采集卡32。其中，信号指示灯31垂向固定在机架1的顶部，用于指示伺服电机2的工作状态；数据采集卡32采集造波板6的角度数据；电机控制器30通过数据线与伺服电机2相连，电机控制器30用于控制伺服电机2转动；控制计算机2与数据采集卡32相连，控制计算机29通过数据采集卡32得到造波板6的角度数据，安装在控制计算机29中的控制程序根据目标值给定造波板6的角度时历，并向电机控制器30发送信号，以控制伺服电机2转动。

本实施例的紧凑式大摆幅摇板式造波机的工作原理为：

利用伺服电机2提供动力，并通过传送系统4和皮带系统5将伺服电机2的转动传送至造波板6，使造波板6推动水体产生波浪8；

通过伺服电机2与变速箱3的传动比以及传动系统4与皮带系统5的传动比将伺服电机2的轴转动角度时历转化为造波板6的转动角度时历，造流控制系统7中的控制程序根据目标值给定造波板6的转动角度时历，控制伺服电机2转动，以调节造波板6的转动角度，实现可控的造波板6的转动角度输出；

其中，伺服电机2转动后，通过变速箱3改变伺服电机2的转速和扭矩。

如图9所示，在造流控制系统7中的控制程序启动后，首先输入造波板的角度时历，记为Yp(t)；电机控制器每隔一段时间从控制计算机中读取时历，将其转化为伺服电机的角度时历Ye(t)，伺服电机转动后，经过变速器，主同步轮和皮带的传递，得出已知的传动比n。Yp(t)＝Ye(t)*n，即是所得到的造波板的转动角度时历。在整个试验过程中控制程序持续工作，控制伺服电机的扭矩，使皮带上来回往复做运动从而形成波浪，直至试验结束。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种紧凑式大摆幅摇板式造波机，其特征在于，包括：

机架，所述机架焊接于水槽内，用于支承所述紧凑式大摆幅摇板式造波机的其它构件；

伺服电机，所述伺服电机固定在所述机架的外侧；

变速箱，所述变速箱固定在所述伺服电机上，以改变所述伺服电机的转速和扭矩；

传动系统，所述传动系统安装在所述机架上，以将所述伺服电机的转动传送至皮带系统；

皮带系统，所述皮带系统用于推动所述造波板；

造波板，所述造波板用于推动水体，产生波浪；

造波控制系统，所述造波控制系统用于控制所述伺服电机，以实时监视和控制伺服电机转动，以使所述造波板的角度符合目标值。

2.根据权利要求1所述紧凑式大摆幅摇板式造波机，其特征在于，所述机架包括：

轴套固定座，所述轴套固定座用于约束所述造波板的运动，使所述造波板具有单一转动自由度；

架子上斜梁，所述架子上斜梁用于安装所述伺服电机和所述传动系统；

架子上横梁，所述架子上横梁用于支承所述传动系统；

架子横向加强梁，所述架子横向加强梁用于固定所述架子上斜梁和所述架子上横梁；

架子竖梁，所述架子竖梁用于支承所述架子上横梁和架子横向加强梁；

架子下斜梁，所述架子下斜梁用于支承所述传动系统，并增加所述机架的刚度；

底盘，所述底盘用于固定所述架子下斜梁、所述架子竖梁和所述轴套固定座。

3.根据权利要求2所述紧凑式大摆幅摇板式造波机，其特征在于，所述架子上斜梁与所述架子上横梁、所述架子上横梁与所述架子竖梁、所述架子竖梁与所述架子下斜梁、所述架子下斜梁与所述底盘、所述底盘与所述架子竖梁之间均采用三角形肋板固定连接。

4.根据权利要求2所述紧凑式大摆幅摇板式造波机，其特征在于，所述造波板包括：

摇板，所述摇板用于推动水体，产生波浪；

侧面挡水尼龙块，所述侧面挡水尼龙块用于填补水槽和所述摇板两侧的空隙，使水不易从空隙中透出；

摇板转动轴，所述摇板转动轴用于连接所述摇板和所述轴套固定座，使所述造波板围绕所述轴套固定座转动；

横加强梁，所述横向加强梁水平安装于所述摇板的背面，以提高所述摇板的强度和刚度；

加强筋，所述加强筋垂向安装于所述摇板的背面，以提高所述摇板的强度和刚度。

5.根据权利要求1所述紧凑式大摆幅摇板式造波机，其特征在于，所述变速箱通过调整转速比来调节所述伺服电机传递到所述传动系统的转动角度。

6.根据权利要求1所述紧凑式大摆幅摇板式造波机，其特征在于，所述传动系统包括：

中轴，所述中轴与所述变速箱的轴相连；

主同步轮，所述主同步轮安装在所述中轴上，所述中轴将所述伺服电机的转动传送至所述主同步轮，所述主同步轮带动所述皮带系统运动；

尼龙轮，所述尼龙轮通过固定轴安装在尼龙轮固定板上，所述尼龙轮用于张紧所述皮带系统，并调节所述皮带系统的包角；所述固定轴用于约束所述尼龙轮运动，使所述尼龙轮具有单一旋转自由度；所述尼龙轮固定板安装在所述机架上。

7.根据权利要求6所述紧凑式大摆幅摇板式造波机，其特征在于，所述皮带系统包括：

导轨，所述导轨固定安装于所述造波板上，并引导所述造波板围绕所述轴套固定座转动；

皮带，所述皮带的一端固定在所述导轨的顶端，并依次穿过所述主同步轮、所述尼龙轮，所述皮带的另一端缠绕在所述导轨的底部，以将所述主同步轮的旋转运动转换为所述造波板的摆动。

8.根据权利要求6所述的紧凑式大摆幅摇板式造波机，其特征在于，所述主同步轮、所述皮带和所述导轨处于同一平面内。

9.根据权利要求1所述紧凑式大摆幅摇板式造波机，其特征在于，所述造波控制系统包括：

信号指示灯，所述信号指示灯垂向固定在所述机架的顶部，用于指示所述伺服电机的工作状态；

数据采集卡，所述数据采集卡采集所述造波板的角度数据；

电机控制器，所述电机控制器通过数据线与所述伺服电机相连，所述电机控制器用于控制所述伺服电机转动；

控制计算机，所述控制计算机与所述数据采集卡相连，所述控制计算机通过所述数据采集卡得到所述造波板的角度数据，安装在所述控制计算机中的控制程序根据目标值给定所述造波板的角度时历，并向所述电机控制器发送信号，以控制所述伺服电机转动。

10.一种如权利要求1～9中任意一项所述的紧凑式大摆幅摇板式造波机的造波方法，其特征在于，所述造波方法包括：

利用所述伺服电机提供动力，并通过传送系统和皮带系统将所述伺服电机的转动传送至所述造波板，使所述造波板推动水体产生波浪；

通过所述伺服电机与所述变速箱的传动比以及所述传动系统与所述皮带系统的传动比将所述伺服电机的轴转动角度时历转化为所述造波板的转动角度时历，所述造流控制系统中的控制程序根据目标值给定所述造波板的转动角度时历，控制所述伺服电机转动，以调节所述造波板的转动角度，实现可控的造波板的转动角度输出；

其中，所述伺服电机转动后，通过所述变速箱改变所述伺服电机的转速和扭矩。