CN105621275B

CN105621275B - 具有三自由度主动波浪补偿功能的吊机装置及补偿方法

Info

Publication number: CN105621275B
Application number: CN201610113746.2A
Authority: CN
Inventors: 王佳; 卢道华; 高文超
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: CSSC LUZHOU ZHENJIANG MARINE AUXILIARY MACHINERY Co.,Ltd.
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2018-10-12
Anticipated expiration: 2036-03-01
Also published as: CN105621275A

Abstract

本发明公开一种船舶领域中具有三自由度主动波浪补偿功能的吊机装置及补偿方法，圆形静平台的正上方是圆形动平台，圆形静平台和圆形动平台之间连接沿圆周方向均匀布置的三个伺服缸，每个伺服缸上各装有一个线位移传感器，吊机最下方是与圆形动平台固联的立柱，立柱上端通过销轴与吊臂的旋转端连接，吊臂的旋转端固定设有液压马达，液压马达上设置角位移传感器；通过姿态传感器测量运动姿态值，运动控制器根据运动姿态值求出三个伺服缸和一个液压马达的运动值，运动值的相反值即是补偿值，由三个伺服缸实现对船舶横摇、纵摇的实时补偿，由液压马达实现对升沉的实时补偿，能够在恶劣的海况下安全高效地执行吊装任务。

Description

具有三自由度主动波浪补偿功能的吊机装置及补偿方法

技术领域

本发明属于船舶领域，具体是具有波浪补偿功能的船用吊机装置。

背景技术

船用吊机装置是海洋平台等远洋设备的后勤补给装置，对于海上后勤补给作业，补给装置是最重要的组成部分。由于风浪的影响，海上作业的船舶会随着海浪进行无规律的摇摆，严重影响了海上补给效率并存在较大的安全隐患。因此，必须对海上补给装置进行波浪补偿，以提高海上吊装的工作效率和安全系数。

波浪补偿分为主动波浪补偿和被动波浪补偿。主动波浪补偿是指通过各种传感器检测出船舶由波浪引起的横摇、纵摇和升沉等参数，然后根据补偿量控制伺服缸和液压马达的工作对船舶的摇摆进行补偿；被动波浪补偿是通过在原有设备中增加补偿装置进行补偿。在主动补偿的设备中，稳定平台对横摇和纵摇的补偿效果较好，对升沉的补偿效果较差，如果利用稳定平台补偿较大范围的升沉变化，需要很长的伺服缸，增加了成本、降低了稳定性。有些通用主动升沉补偿吊机只能对船舶的升沉进行补偿，无法对船舶的横摇和纵摇实施补偿。

发明内容

本发明旨在提供一种基于三自由度并联稳定平台的具有主动波浪补偿功能的吊机装置及主动波浪补偿方法，能够实现对由风浪引起船舶的横摇、纵摇和升沉进行实时补偿，同时平稳有效地执行吊装任务。

为达到上述目的，本发明具有三自由度主动波浪补偿功能的吊机装置采用的技术方案是：包含下方的稳定平台和上方的吊机，稳定平台最下方是圆形静平台，圆形静平台的正上方是圆形动平台，圆形静平台和圆形动平台之间连接沿圆周方向均匀布置的三个伺服缸，每个伺服缸上各装有一个线位移传感器，每个伺服缸的下端分别通过一个第一万向节与圆形静平台相连，每个伺服缸上端分别通过一个第二万向节与圆形动平台相连；吊机最下方是与圆形动平台固联的立柱，立柱上端通过销轴与吊臂的旋转端连接，立柱与吊臂中间段之间连接支撑伺服缸，吊臂的旋转端固定设有液压马达，液压马达上设置角位移传感器，钢丝绳的一端与液压马达连接，另一端跨过吊臂的自由端后向下延伸连接所吊重物；方形滑块支撑柱下端固定连接圆形静平台正中间、上端通过第三万向节与圆形动平台正中间相连，紧靠方形滑块支撑柱旁侧的圆形静平台上设置姿态传感器，姿态传感器连接运动控制器；液压马达、支撑伺服缸和所述三个伺服缸各自分别依次连接对应的电液伺服阀、功率放大器、D/A模块后再连接运动控制器，角位移传感器、三个线位移传感器各自分别经对应的A/D模块后连接运动控制器。

本发明具有三自由度主动波浪补偿功能的吊机装置的波浪补偿方法采用的技术方案是包含有以下步骤：

A、通过姿态传感器测量运动姿态值，将测得的运动姿态值传输给运动控制器，运动控制器根据运动姿态值求出三个伺服缸和一个液压马达的运动值分别为、、和，、、和的相反值即是补偿值；

B、运动控制器控制三个电液伺服阀分别以补偿值、、的模拟电信号输出相应的流量和压力，分别控制三个伺服缸伸缩和摇摆，补偿横摇和纵摇，运动控制器控制液压马达以补偿值运动，实时补偿船舶的升沉。

进一步地，三个位移传感器分别测量出三个伺服缸的位移值，角位移传感器测量出液压马达的旋转角度，将位移值和旋转角度值反馈给运动控制器，运动控制器求出四个运动控制偏差和，根据四个运动控制偏差分别对三个伺服缸和一个液压马达进行闭环控制。

本发明在海上吊装货物时，通过姿态传感器测量船舶的横摇、纵摇和升沉的运动参数并实时传输给运动控制器，运动控制器计算出横摇、纵摇及升沉的补偿值，将算出的补偿值由数字信号转换成模拟信号，模拟信号经伺服放大器后传输给电液伺服阀，电液伺服阀根据处理后的模拟信号控制3个伺服缸和1个液压马达的运动，由3个伺服缸实现对船舶横摇、纵摇的实时补偿，由液压马达实现对升沉的实时补偿。本发明能够在恶劣的海况下安全高效地执行吊装任务，具有补偿范围广、可靠性高、成本低、功能多等特点。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图；

图2为图1的A-A剖视放大图；

图3为图1中方形滑块支撑柱15的结构放大示意图；

图4为本发明的波浪补偿控制原理框图；

图中: 1.圆形静平台；2.万向节；3-1.第一伺服缸；3-2.第二伺服缸；3-3.第三伺服缸；4-1.第一线位移传感器；4-2.第二线位移传感器；4-3.第三线位移传感器；5.万向节；6.圆形动平台；7.立柱；8.吊臂；9.角位移传感器；10.液压马达；11.钢丝绳；12.支撑伺服缸；13.万向节；14.姿态传感器；15.方形滑块支撑柱；15-1.上杆；15-2.下杆。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明包含下方的稳定平台Ⅰ和上方的吊机Ⅱ两部分。其中，稳定平台Ⅰ的最下方是圆形静平台1，最上方是圆形动平台6，圆形动平台6在圆形静平台1的正上方，圆形静平台1和圆形动平台6相互平行，且两者的中心轴共线。圆形静平台1通过螺栓固定在船舶的甲板上，圆形动平台6与吊机Ⅱ通过螺栓连接。吊机Ⅱ的最下方是立柱7，圆形动平台6与立柱7通过螺栓固定连接，且安装时要保持圆形动平台6与立柱7两者的中心轴共线。立柱7的上端通过销轴与吊臂8的旋转端连接在一起，立柱7与吊臂8中间段之间连接支撑伺服缸12，通过支撑伺服缸12的伸缩调整立柱7与吊臂8的相对夹角。吊臂8的旋转端上固定有液压马达10，液压马达10选用CM-E306ALPS双向液压马达，在液压马达10上设置角位移传感器9，钢丝绳11的一端与液压马达10连接，另一端跨过吊臂8的自由端后向下延伸并且连接所吊重物。

在稳定平台Ⅰ中，圆形静平台1和圆形动平台6之间连接三个伺服缸，伺服缸均为普通的活塞式双向伺服缸，选用HSGK01-80/dE双向伺服缸，三个伺服缸沿圆周方向均匀布置，三个伺服缸分别是第一伺服缸3-1、第二伺服缸3-2、第三伺服缸3-3。每个伺服缸的下端均通过一个万向节2与圆形静平台1相连，每个伺服缸的上端均通过一个万向节5与圆形动平台6相连。万向节2和万向节5都是通用的十字万向节，安装时保证每个伺服缸及与之相连接的万向节同轴心，万向节2和万向节5可以提高稳定平台Ⅰ对摇摆的补偿范围。在每个伺服缸上各安装一个线位移传感器，第一伺服缸3-1、第二伺服缸3-2、第三伺服缸3-3上的对应的线位移传感器分别是第一线位移传感器4-1、第二线位移传感器4-2和第三线位移传感器4-3。

在圆形静平台1和圆形动平台6的正中间连接方形滑块支撑柱15，方形滑块支撑柱15的下端固定焊接在圆形静平台1的正中间上，上端则通过万向节13与圆形动平台6相连，方形滑块支撑柱15可防止圆形动平台6发生扭转并起到支撑吊机Ⅱ的作用。

连接圆形静平台1的三个万向节中的每个万向节的中心与圆形静平台1的中心之间距离等于R，R为圆形静平台1的半径值。在紧靠方形滑块支撑柱15旁侧设置姿态传感器14，将姿态传感器14安装在圆形静平台1上，姿态传感器14选用SMC的IMU-108传感器。

参见图3，方形滑块支撑柱15上端是上杆15-1，下端是下杆15-2，上杆15-1下端伸入下杆15-2内腔中，随着三个伺服缸的伸缩，上杆15-1在下杆15-2内沿轴向作相对滑动运动。方形滑块支撑柱15可防止圆形动平台6相对圆形静平台1发生扭转和水平移动，使圆形动平台6与圆形静平台1在运动时始终同轴心，同时起到支撑吊机Ⅱ的作用。

参见图4，第一伺服缸3-1、第二伺服缸3-2、第三伺服缸3-3中的每个伺服缸分别连接一个电液伺服阀，每个电液伺服阀依次连接功率放大器和D/A模块，每个 D/A转换模块均连接于运动控制器，即第一伺服缸3-1依次经第一电液伺服阀16、第一功率放大器和第一D/A模块后连接运动控制器，第二伺服缸3-2依次经第二电液伺服阀17、第二功率放大器和第二D/A模块后连接运动控制器，第三伺服缸3-3依次经第三电液伺服阀18、第三功率放大器和第三D/A模块后连接运动控制器。运动控制器选用M3000MOOG伺服控制器。运动控制器经每个伺服阀控制与其相连的伺服缸的伸缩，通过3个伺服缸的伸缩和摇摆实现对船舶横摇和纵摇的补偿。支撑伺服缸12连接第四电液伺服阀19，第四电液伺服阀19依次经第四功率放大器、第四D/A模块后连接运动控制器，运动控制器经第四电液伺服阀19控制支撑伺服缸12对吊臂8实现支撑和旋转。液压马达10分别连接第五电液伺服阀20和第六电液伺服阀21，第五电液伺服阀20依次经第五功率放大器、第五D/A模块后连接运动控制器，第六电液伺服阀21依次经第六功率放大器、第六D/A模块后连接运动控制器，运动控制器经第五伺服阀20控制液压马达10运动，实现对船舶升沉的补偿，运动控制器经第六电液伺服阀21控制液压马达10执行吊装货物的任务。角位移传感器9、第一线位移传感器4-1、第二线位移传感器4-2、第三线位移传感器4-3都分别经对应的A/D模块连接运动控制器。姿态传感器14的输出端通过数据总线RS422连接运动控制器的输入端，运动控制器的输出端分别连接各个D/A模块和各个A/D模块。

当船舶在海里运动受到风浪的影响发生横摇、纵摇和升沉时，本发明为保证吊机Ⅱ在执行吊装作业时的平稳性，需要对船舶的横摇、纵摇和升沉进行补偿。具体补偿方法如下:

通过姿态传感器14测量船舶由风浪引发的横摇、纵摇和升沉的运动姿态值，将测得的运动姿态值通过数据总线RS422实时传输给运动控制器。运动控制器根据运动姿态值求出船舶横摇、纵摇和升沉的补偿值。可采用常规的波浪补偿值的反解算法求出船舶横摇、纵摇和升沉的补偿值。波浪补偿值的反解算法的基本方法是：首先根据姿态传感器14测出船舶由风浪引起的横摇运动姿态值、纵摇运动姿态值、升沉值，然后根据测得的横摇运动姿态值、纵摇运动姿态值、升沉值求出第一伺服缸3-1、第二伺服缸3-2、第三伺服缸3-3和液压马达10的运动值，分别为，为了抵消风浪对船舶的影响，运动控制器控制第一伺服缸3-1、第二伺服缸3-2、第三伺服缸3-3和液压马达10的运动值与求出的运动值为相反，即（）；为补偿船舶横摇、纵摇和升沉的三个伺服缸3-1、3-2、3-3和液压马达10的补偿值。

将求出的船舶横摇、纵摇的补偿值数字信号分别经过第一、第二、第三D/A模块转换后变成模拟信号，模拟信号分别经第一、第二、第三功率放大器传输给第一、第二、第三电液伺服阀16、17、18，第一、第二、第三电液伺服阀16、17、18根据输入的船舶横摇和纵摇的补偿值的模拟电信号输出相应的流量和压力分别控制第一、第二、第三伺服缸3-1、3-2、3-3伸缩和摇摆，以此来实时补偿船舶的横摇和纵摇，将求出的船舶升沉的补偿值的数字信号经过第五D/A模块转换后变成模拟信号，模拟信号经第五功率放大器传输给第五电液伺服阀20，第五电液伺服阀20根据输入的船舶升沉的补偿值的模拟电信号输出相应的流量和压力控制液压马达10的运动，利用液压马达10的正转和反转来控制钢丝绳11的收放，以此来实时补偿船舶的升沉。

第一、第二、第三线位移传感器4-1、4-2、4-3分别测量第一、第二、第三伺服缸3-1、3-2、3-3的位移值，位移值分别是；角位移传感器9测量出液压马达10的旋转角度，将测得的位移值和旋转角度值由模拟信号分别经A/D转换后变成数字信号，将转换后的数字信号反馈给运动控制器。

运动控制器根据位移值、旋转角度和反解算法求出的三个伺服缸的运动位移值和液压马达10的旋转角度值构成运动控制偏差，运动控制偏差为：和；运动控制器根据四个运动控制偏差分别对三个伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3和液压马达10进行闭环控制，以此提高对船舶横摇、纵摇和升沉补偿的实时性和准确性，确保吊机在进行吊装任务时平稳和有效。

若不需要对船舶进行波浪补偿，则运动控制器不传输给相应的电液伺服阀任何控制信号，仅控制第六电液伺服阀21工作，由液压马达10执行吊装任务。

Claims

1.一种具有三自由度主动波浪补偿功能的吊机装置，包含下方的稳定平台和上方的吊机，其特征是：稳定平台最下方是圆形静平台（1），圆形静平台（1）的正上方是圆形动平台（6），圆形静平台（1）和圆形动平台（6）之间连接沿圆周方向均匀布置的三个伺服缸，每个伺服缸上各装有一个线位移传感器，每个伺服缸的下端分别通过一个第一万向节（2）与圆形静平台（1）相连，每个伺服缸上端分别通过一个第二万向节（5）与圆形动平台（6）相连；吊机最下方是与圆形动平台（6）固联的立柱（7），立柱（7）上端通过销轴与吊臂（8）的旋转端连接，立柱（7）与吊臂（8）中间段之间连接支撑伺服缸（12），吊臂（8）的旋转端固定设有液压马达（10），液压马达（10）上设置角位移传感器（9），钢丝绳（11）的一端与液压马达（10）连接，另一端跨过吊臂（8）的自由端后向下延伸连接所吊重物；方形滑块支撑柱（15）下端固定连接圆形静平台（1）正中间、上端通过第三万向节（13）与圆形动平台（6）正中间相连，紧靠方形滑块支撑柱（15）旁侧的圆形静平台（1）上设置姿态传感器（14），姿态传感器（14）连接运动控制器；液压马达（10）、支撑伺服缸（12）和所述三个伺服缸各自分别依次连接对应的电液伺服阀、功率放大器、D/A模块后再连接运动控制器，角位移传感器（9）、三个线位移传感器各自分别经对应的A/D模块后连接运动控制器；方形滑块支撑柱（15）上端是上杆（15-1）、下端是下杆（15-2），上杆（15-1）下端伸入下杆（15-2）内腔中，随着所述三个伺服缸的伸缩，上杆（15-1）在下杆（15-2）内沿轴向滑动；圆形静平台（1）和圆形动平台（6）相互平行且中心轴共线，圆形动平台（6）与立柱（7）中心轴共线；连接圆形静平台（1）的三个第一万向节（2）中的每个万向节中心与圆形静平台（1）中心之间的距离等于R，R为圆形静平台（1）的半径。

2.一种如权利要求1所述具有三自由度主动波浪补偿功能的吊机装置的补偿方法，其特征是包含有以下步骤：

A、通过姿态传感器（14）测量运动姿态值，将测得的运动姿态值传输给运动控制器，运动控制器根据运动姿态值求出三个伺服缸和一个液压马达（10）的运动值分别为、、和，、、、的相反值即是补偿值；

B、三个线位移传感器分别测量出三个伺服缸的位移值，角位移传感器（9）测量出液压马达（10）的旋转角度，将位移值和旋转角度值反馈给运动控制器，运动控制器求出四个运动控制偏差和，根据四个运动控制偏差分别对三个伺服缸和一个液压马达（10）进行闭环控制；运动控制器控制三个电液伺服阀分别以补偿值、、的模拟电信号输出相应的流量和压力，分别控制三个伺服缸伸缩和摇摆，补偿横摇和纵摇，运动控制器控制液压马达（10）以补偿值运动，实时补偿船舶的升沉。