CN105668430B - 具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置及补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种海洋船舶领域具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置及补偿方法，下方是固定在甲板上的圆形静平台，圆形静平台正上方是圆形动平台，圆形动平台固定连接吊机，圆形静平台和圆形动平台之间连接六个伺服缸，六个伺服缸中的每个伺服缸各连接一个对应的电液伺服阀，电液伺服阀依次串接功率放大器、D/A模块后连接运动控制器，圆形静平台正中间位置装有姿态传感器；姿态传感器将测得的船舶由风浪引发的横摇、纵摇和升沉值传输给运动控制器，运动控制器先求出六个伺服缸的运动值，再求出与运动值相反的波浪补偿值，六个电液伺服阀根据波浪补偿值输出相应的流量和压力分别控制对应的六个伺服缸伸缩和摇摆，补偿横摇、纵摇和升沉。
Description
技术领域
本发明属于海洋船舶领域，具体是船舶平台上用以安装吊机的装置。
背景技术
船舶平台上的吊机用于海上补给，由于风浪的影响，海上补给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。因此，必须对海上补给装置进行波浪补偿，以提高海上补给的工作效率。波浪补偿分为主动补偿和被动补偿两种，被动补偿系统由随动装置和执行器组成，这种补给系统的参数一般是通过经验设定的，一经确定，在补给作业中就无法随外部状态变化而变化，难以适应复杂多变的环境，影响补给作业的安全高效性。主动补偿系统主要由传感器、控制器和执行器组成，其中核心部分为控制器。控制器根据传感器检测到的船舶平台相对运动信号，产生与之大小相同且方向相反的驱动信号，从而控制执行器实现实时补偿，在现有的主动波浪补偿装置中，波浪补偿平台承重能力小，稳定性差，对船舶升沉的补偿范围小，无法满足实际需要；且现有的通用主动升沉补偿吊机只能补偿船体的升沉，无法实现对船体横摇和纵摇的补偿。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出一种具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置及补偿方法，能够在对船舶的横摇、纵摇和升沉进行大范围补偿，同时使吊机平稳的执行吊装任务
本发明具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置采用的技术方案是：最下方是固定在船舶的甲板上的圆形静平台，圆形静平台的正上方是圆形动平台，圆形动平台固定连接吊机，圆形静平台和圆形动平台之间连接六个伺服缸，每个伺服缸上端通过一个第一十字万向节连接圆形动平台、下端通过一个第二十字万向节连接圆形静平台，圆形静平台正中间位置装有姿态传感器；每个伺服缸上装有一个线位移传感器，姿态传感器输出端通过信号线连接运动控制器，六个伺服缸中的每个伺服缸各连接一个对应的电液伺服阀，电液伺服阀依次串接功率放大器、D/A模块后连接运动控制器，六个所述线位移传感器中的每个线位移传感器各经一个A/D模块后连接运动控制器。
进一步地，六个伺服缸与圆形动平台的上连接点位于半径为R1的圆周上，六个伺服缸与圆形静平台的下连接点位于半径为R2的圆周上，R2>R1，i=1,2,3,4,5,6，半径为R1圆周中心是圆形动平台的中心，半径为R2的圆周中心是圆形静平台的中心。
本发明具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置的补偿方法采用的技术方案是包含以下步骤：
A、姿态传感器将测得的船舶由风浪引发的横摇、纵摇和升沉值传输给运动控制器，运动控制器先求出六个伺服缸的运动值，再求出与运动值相反的波浪补偿值；
B、将波浪补偿值经过D/A模块转换后变成模拟信号，模拟信号经功率放大器放大后传输给对应的六个电液伺服阀，六个电液伺服阀根据波浪补偿值的模拟信号输出相应的流量和压力分别控制对应的六个伺服缸伸缩和摇摆，补偿船舶的横摇、纵摇和升沉。
进一步地，六个线位移传感器将测量出的对应的六个伺服缸的位移值反馈给运动控制器，运动控制器先求出六个运动控制偏差：、、、、、，再根据这六个运动控制偏差分别对对应的六个伺服缸进行闭环控制。
本发明具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置在海上执行吊装货物任务时，通过姿态传感器测量船舶的横摇、纵摇和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，将算出的波浪补偿值传输给电液伺服阀，电液伺服阀控制6个伺服缸的运动，实现对船舶横摇、纵摇和升沉的实时补偿，使吊机平稳有效的执行吊装货物的任务。本发明吊机装置能够大范围地补偿船舶的横摇、纵摇和升沉运动，具有补偿范围广、可靠性高、功能多等特点。
附图说明
图1为本发明具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置的三维结构示意图；
图2为图1中下方稳定平台的几何结构简图；
图3为图2中圆形动平台6的俯视放大图；
图4为图2中圆形静平台1的俯视放大图；
图5为本发明所述吊机装置的波浪补偿控制框图。
图中: 1.圆形静平台；2.十字万向节；3-1.第一伺服缸；3-2.第二伺服缸；3-3.第三伺服缸；3-4.第四伺服缸；3-5.第五伺服缸；3-6.第六伺服缸；4-1.线位移传感器；4-2.线位移传感器；4-3.线位移传感器；4-4.线位移传感器；4-5.线位移传感器；4-6.线位移传感器；5.十字万向节；6.圆形动平台；7.立柱；8.吊臂；9.液压马达；10.支撑伺服缸；11.钢丝绳；12.姿态传感器。
具体实施方式
参见图1所示，本发明具有多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通用吊机两部分。其中，稳定平台最下方是圆形静平台1，圆形静平台1通过螺栓固定在船舶的甲板上；圆形静平台1的正上方是圆形动平台6，圆形动平台6固定连接吊机。圆形静平台1和圆形动平台6相互平行，且圆形静平台1和圆形动平台6的中心轴共线。在圆形静平台1和圆形动平台6之间连接六个伺服缸。每个伺服缸的上端通过一个十字万向节5连接圆形动平台6，每个伺服缸的下端通过一个十字万向节2连接圆形静平台1。在圆形静平台1的正中间位置安装姿态传感器12，检测圆形静平台1的位姿。
吊机的下方是立柱7，圆形动平台6与立柱7通过螺栓连接且使圆形动平台6与立柱7两者同轴心。吊机的上方是吊臂8，吊臂8的旋转端通过销轴与吊机立柱7的上端连接在一起，在吊臂8的旋转端处安装液压马达9，液压马达9连接钢丝绳11一端，钢丝绳11另一端向吊臂8的自由端延伸并跨过吊臂8的自由端后向下连接重物。在立柱7中间段和吊臂8的中间段之间连接支撑伺服缸10，通过支撑伺服缸10的伸缩调整立柱7与吊臂8之间相对角度。
六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、第四伺服缸3-4、第五伺服缸3-5和第六伺服缸3-6。在每个伺服缸上安装一个线位移传感器，6个伺服缸上的对应的线位移传感器分别是线位移传感器4-1、线位移传感器4-2、线位移传感器4-3、线位移传感器4-4、线位移传感器4-5和线位移传感器4-6。
姿态传感器12选用SMC的IMU-108传感器；伺服缸选用HSGK01-80/dE双向伺服缸；液压马达9选用CM-E306ALPS双向液压马达；线位移传感器选用的型号是LWH-0450；十字万向节2和十字万向节5都选用Φ15*40万向节。
参见图2所示的稳定平台的几何结构简图，6个伺服缸和圆形静平台1、圆形动平台6安装时，建立以圆形动平台6中心为原点的坐标系和以圆形静平台1中心为原点的坐标系，轴和轴垂直于圆形静平台1和圆形动平台6，轴与圆形动平台6的一条直径重合，轴与圆形静平台1的一条直径重合，轴和轴相互平行位于同一垂直面内。六个伺服缸与圆形动平台6的上连接点位于半径为R1的圆周上，六个伺服缸与圆形静平台1的下连接点位于半径为R2的圆周上，并且R2>R1，半径为R1和R2的圆周的中心就是圆形动平台6的中心（原点）。上连接点与下连接点间的初始垂直距离为。
参见图3，在以圆形动平台6中心为原点的坐标系中，连接线与轴夹角为，，连接线与关于轴对称，连接线与轴夹角为，连接线与连接线之间的夹角为。连接线和连接线分别为和的角平分线，连接线和连接线之间的夹角为；与关于轴对称，与关于轴对称。
参见图4，在以圆形静平台1中心为原点的坐标系中，连接线与轴夹角为，，且连接线与连接线关于轴对称，连接线与轴夹角为，连接线与连接线之间的夹角为，连接线和连接线分别为和的角平分线，且连接线和连接线之间的夹角为；连接线与连接线关于轴对称，连接线与连接线关于轴对称。
第一伺服缸3-1的上下端分别通过连接点和连接点分别与圆形动平台6和圆形静平台1相连，第二伺服缸3-2的上下端分别通过连接点和与圆形动平台6和圆形静平台1相连，第三伺服缸3-3的上下端分别通过连接点和与圆形动平台6和圆形静平台1相连，第四伺服缸3-4的上下端分别通过连接点和与圆形动平台6和圆形静平台1相连，第五伺服缸3-5的上下端分别通过连接点和与圆形动平台6和圆形静平台1相连，第六伺服缸3-6的上下端分别通过连接点和与圆形动平台6和圆形静平台1相连。
参见图5，姿态传感器12的输出端通过信号线连接运动控制器，六个伺服缸中的每个伺服缸各连接一个对应的电液伺服阀，电液伺服阀依次串接功率放大器、D/A模块后连接运动控制器，每个电液伺服阀控制与其相连接的伺服缸动作。六个线位移传感器中的每个线位移传感器各经一个A/D模块后连接运动控制器。具体是：第一伺服缸3-1依次串接第一电液伺服阀13、第一功率放大器、第一D/A模块后连接运动控制器，第二伺服缸3-2依次串接第二电液伺服阀14、第二功率放大器、第二D/A模块后连接运动控制器，第三伺服缸3-3依次串接第三电液伺服阀14、第三功率放大器、第三D/A模块后连接运动控制器，第四伺服缸3-4依次串接第四电液伺服阀15、第四功率放大器、第四D/A模块后连接运动控制器，第五伺服缸3-5依次串接第五电液伺服阀15、第五功率放大器、第五D/A模块后连接运动控制器，第六伺服缸3-6依次串接第六电液伺服阀16、第六功率放大器、第六D/A模块后连接运动控制器。第一线位移传感器4-1经第一A/D模块后连接运动控制器，第二线位移传感器4-2经第二A/D模块后连接运动控制器，第三线位移传感器4-3经第三A/D模块后连接运动控制器，第四线位移传感器4-4经第四A/D模块后连接运动控制器。
电液伺服阀选用MOOG-D663-4025伺服阀；运动控制器选用M3000MOOG伺服控制器。
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，为保证吊机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，具体补偿过程是:
通过安装在圆形静平台1上的重心位置的姿态传感器12测量船舶由风浪引发的横摇、纵摇和升沉值，将测得的姿态值通过数据总线RS422实时传输给运动控制器。运动控制器根据常用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。反解算法首先是根据姿态传感器12测出的船舶由风浪引起的横摇、纵摇和升沉值的运动姿态值，分别是横摇姿态值、纵摇姿态值、升沉值，然后姿态值、、求出六个伺服缸的运动值，第一至第六个伺服缸的运动值分别是。为了抵消风浪对船舶的影响，控制六个伺服缸的补偿值与运动值相反，即（），为补偿船舶横摇、纵摇和升沉时六个伺服缸的波浪补偿值。将求出波浪补偿值由数字信号经过D/A模块转换后变成模拟信号，模拟信号经功率放大器放大后传输给对应的六个电液伺服阀，六个电液伺服阀根据波浪补偿值的模拟电信号输出相应的流量和压力分别控制对应的六个伺服缸的伸缩和摇摆，实时补偿船舶由风浪引起的横摇、纵摇和升沉。
六个线位移传感器4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6分别测量出对应的六个伺服缸的位移值，从第一至第六个伺服缸的位移值分别是，将测得的位移值由模拟信号经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。运动控制器根据六个伺服缸的运动值和六个伺服缸的位移值求出六个运动控制偏差，六个运动控制偏差分别是：、、、、、。运动控制器根据这六个运动控制偏差分别对对应的六个伺服缸进行闭环控制，即根据运动控制偏差控制第一伺服缸3-1，根据运动控制偏差控制第二伺服缸3-2，根据运动控制偏差控制第三伺服缸3-3，根据运动控制偏差控制第四伺服缸3-4，根据运动控制偏差控制第五伺服缸3-5，根据运动控制偏差控制第六伺服缸3-6，通过六个伺服缸往复伸缩和摇摆实时补偿船舶由风浪引起的横摇、纵摇和升沉，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六个电液伺服阀任何控制信号，仅控制液压马达9工作，由液压马达带动钢丝绳11执行吊机的吊装任务。
Claims (4)
1.一种具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置，最下方是固定在船舶的甲板上的圆形静平台（1），圆形静平台（1）的正上方是圆形动平台（6），圆形动平台（6）固定连接吊机，其特征是：
吊机的下方是立柱（7）、上方是吊臂（8），圆形动平台（6）与立柱（7）连接且两者同轴心，吊臂（8）的旋转端通过销轴与立柱（7）上端连接，吊臂（8）的旋转端处装有液压马达（9），液压马达（9）连接钢丝绳（11）一端，钢丝绳（11）另一端向吊臂（8）的自由端延伸并跨过吊臂（8）的自由端后向下连接重物；在立柱（7）中间段和吊臂（8）的中间段之间连接支撑伺服缸（10），通过支撑伺服缸（10）的伸缩调整立柱（7）与吊臂（8）之间相对角度；
圆形静平台（1）和圆形动平台（6）之间连接六个伺服缸，每个伺服缸上端通过一个第一十字万向节连接圆形动平台（6）、下端通过一个第二十字万向节连接圆形静平台（1），圆形静平台（1）正中间位置装有姿态传感器（12）；每个伺服缸上装有一个线位移传感器，姿态传感器（12）输出端通过信号线连接运动控制器，六个伺服缸中的每个伺服缸各连接一个对应的电液伺服阀，电液伺服阀依次串接功率放大器、D/A模块后连接运动控制器，六个所述线位移传感器中的每个线位移传感器各经一个A/D模块后连接运动控制器；
六个伺服缸与圆形动平台（6）的上连接点位于半径为R1的圆周上，六个伺服缸与圆形静平台（1）的下连接点位于半径为R2的圆周上，R2>R1，i=1,2,3,4,5,6，半径为R1圆周中心是圆形动平台（6）的中心，半径为R2的圆周中心是圆形静平台（1）的中心；
连接线与轴夹角，，连接线与关于轴对称，轴与圆形动平台（6）的一条直径重合，连接线与轴夹角为，连接线与连接线之间的夹角为，连接线和连接线分别为和的角平分线，连接线和连接线之间的夹角为，与关于轴对称，与关于轴对称；
连接线与轴夹角，，连接线与连接线关于轴对称，轴与圆形静平台（1）的一条直径重合，且轴和轴相互平行并位于同一垂直面内，连接线与轴夹角为，连接线与连接线之间的夹角为，连接线和连接线分别为和的角平分线，且连接线和连接线之间的夹角为，连接线与连接线关于轴对称，连接线与连接线关于轴对称。
2.根据权利要求1所述具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置，其特征是：圆形静平台（1）和圆形动平台（6）相互平行且中心轴共线。
3.一种如权利要求1所述具有多自由度主动波浪补偿功能的吊机装置的波浪补偿方法，其特征是包含以下步骤：
A、姿态传感器（12）将测得的船舶由风浪引发的横摇、纵摇和升沉值传输给运动控制器，运动控制器先求出六个伺服缸的运动值，再求出与运动值相反的波浪补偿值；
B、将波浪补偿值经过D/A模块转换后变成模拟信号，模拟信号经功率放大器放大后传输给对应的六个电液伺服阀，六个电液伺服阀根据波浪补偿值的模拟信号输出相应的流量和压力分别控制对应的六个伺服缸伸缩和摇摆，补偿船舶的横摇、纵摇和升沉。
4.根据权利要求3所述的波浪补偿方法，其特征是：六个线位移传感器将测量出的对应的六个伺服缸的位移值反馈给运动控制器，运动控制器先求出六个运动控制偏差：、、、、、，再根据这六个运动控制偏差分别对对应的六个伺服缸进行闭环控制。
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| CN105668430A (zh) | 2016-06-15 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |