CN109883648A - 一种强迫六自由度运动仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于船模水池流体力学实验技术领域，具体涉及一种强迫六自由度运动仪；包括实验机架、横纵摇连接杆和扭矩伺服电机驱动装置，船模强迫六自由度模拟被动耐波性实验装置能够做六自由度船模运动状态的耐波性实验，分别是纵摇、横摇、升沉、艏摇、纵荡及横荡，通过这几种测量方式得到一个六维水动力系数矩阵，对船模水动力系数如船模运动时的附加质量和阻力系数进行分析和计算，进一步预报船舶在波浪中运动情况。同时本发明通过偏心轮产生正弦的线速度，增加了机构的接触强度和运动稳定性。本发明结构紧凑、合理，操作方便，试验效率高，具有综合性、经济性等优点，应用前景广泛。

Description

一种强迫六自由度运动仪

技术领域

本发明属于船模水池流体力学实验技术领域，具体涉及一种强迫六自由度运动仪。

背景技术

船舶在波浪中航行，在波浪的作用下，产生艏摇、横纵荡等非定常运动。剧烈的摇荡会降低航速，造成货损，损坏船体和机器，使旅客晕船，影响船员生活和工作等，研究船舶的水动力系数，分析计算船舶的附加质量和阻尼系数，进一步预报船舶在波浪中的运动情况。

获得船舶的水动力系数的方法主要有两种方法，一种是船模摇摆的自由衰减试验，但实验结果只能得到共振频率处的船舶附加质量和阻尼，缺乏频率的相关性；另一种是船舶强迫振荡运动试验。为了获得准确的水动力系数主要选用第二种方法，建立一个六维船舶水动力系数的测试方法，分别进行船舶在波浪六个运动自由度纵摇、横摇、艏摇、纵荡、横荡和垂荡的强迫运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实验效率高、易于操作、经济性好的强迫六自由度运动仪。

一种强迫六自由度运动仪，包括实验机架、四个横纵摇连接板、两个扭矩伺服电机驱动装置和艏摇运动机构，一个扭矩伺服电机驱动装置安装于横纵摇连板上，驱动横纵摇连板上下运动，实现船模的横摇、纵摇和升沉，另一个扭矩伺服电机驱动装置安装于实验机架上，位于左边两根横纵摇连接板之间，实现船模的横荡和纵荡，艏摇运动机构安装于实验机架上，位于右边两根横纵摇连接板之间，实现船模艏摇。

所述一种强迫六自由度运动仪，扭矩伺服电机驱动装置包括扭矩伺服电机、减速器、偏心机构、横纵荡连接板和变速器支架，扭矩伺服电机位于变速器上，匀速旋转，提供动力，减速器位于减速器支架上，把高速较低扭矩的输出变为低速高转矩的输出，驱动横纵摇连接板同向或反向协同工作，偏心机构安装与横纵摇连接板上，横纵摇连接板位于减速器支架上，伺服电机同相位转动时，同时驱动横纵摇连接板上下运动，实现船模升沉运动；伺服电机反相位转动时，驱动横纵摇连接板反向运动，实现船模纵摇运动；将船模旋转90度，利用伺服电机反相位转动，驱动横纵摇连接板反向运动，实现船模横摇运动。横纵摇连接板下端船内角支接为X向滑动角支接，保证船模纵倾角度变化时两杆水平距离不变而角支转动点直线距离变化带来的刚性限位问题。

所述一种强迫六自由度运动仪，扭矩伺服电机装置安装于实验机架上，位于左边两根横纵摇连接板之间，组成横荡和纵荡运动机构，扭矩伺服电机匀速转动，经减速器把高速较低扭矩的输出变为低速高转矩的输出，驱动横纵荡连接板，后经圆形转接盘带动船模实现纵荡；将船模旋转90度，就可以带动船模实现横荡。

所述一种强迫六自由度运动仪，艏摇运动机构包括回转动力仪、减速器、扭矩天平和艏摇天平连接盘，回转动力仪产生角速度正弦摆动的简谐运动，经减速器将高速低转矩变为低速高转矩，在输出轴的下方通过刚性连接轴连接单分量扭矩天平，经艏摇天平连接盘与艏摇转动杆连接，带动船模艏摇，在艏摇转动杆的一端经联轴器连接圆柱扭矩天平。

所述一种强迫六自由度运动仪，扭矩伺服电机驱动装置通过轴上减速器，将高速低扭矩转动转化成低速高扭矩转动，运用偏心轮产生正弦的线速度的上下运动。

所述一种强迫六自由度运动仪，扭矩伺服电机驱动装置上的偏心轮产生正弦的线速度，由偏心轮原本的线接触被换为滑块的面接触，实现了机构高副低代。

本发明的有益在于

本发明能够做六自由度船模运动状态的耐波性实验，分别是纵摇、横摇、升沉、艏摇、纵荡及横荡，建立一个六维的水动力系数矩阵，对船模水动力系数如船模运动时的附加质量和阻力系数进行分析和计算，能够预报船舶在波浪中运动情况。同时本发明通过偏心轮产生正弦的线速度，增加了机构的接触强度和运动稳定性。本发明结构紧凑、合理，操作方便，试验效率高，具有综合性、经济性等优点。

附图说明

图1为本发明的总体布置图；

图2为本发明的实验机架主视图；

图3a为实验时所用的扭矩伺服电机驱动装置，图3b为伺服电机减速器支架，图3c为偏心轴放大结构；

图4为横纵荡连接板；

图5为横纵荡连接板；

图6为艏摇运动船模内连接和测试装置。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做进一步描述：

如附图1所示，为本发明的总体布置图；如附图2所示，为本发明的实验机架主视图；一种强迫六自由度运动仪，包括实验机架1、横纵摇连接杆3、横纵摇连接杆4、横纵摇连接杆5、横纵摇连接杆6、扭矩伺服电机驱动装置2、扭矩伺服电机驱动装置7和回转动力仪8组成，本装置能够做六自由度船模运动状态的耐波性实验，分别是纵摇、横摇、升沉、艏摇、纵荡及横荡。利用扭矩伺服电机驱动装置，驱动横纵摇连接板，从而实现船模的横摇、纵摇和升沉，利用图1中扭矩伺服电机驱动装置7可以进行船模的横荡和纵荡，利用图1中回转动力仪8可以进行艏摇试验。

如附图3a所示，为实验时所用的扭矩伺服电机驱动装置，如附图3b所示，为伺服电机减速器支架，如附图3c所示，为偏心轴放大结构；扭矩伺服电机驱动装置，由扭矩伺服电机1、减速器2、偏心机构3、变速器支架5、横纵荡连接板4五部分组成。当该装置工作时，交流电机的转动经减速器，可以形成低速高转矩的转速，然后带动偏心轮形成正弦的线速度运功，带动横纵摇连接板实现稳定的上下运动，偏心轮外部结构设计为滑块，进行此设计是为了增大滑块与滑道的接触面积，增加了该在装置的负载和强度。由于是产生正弦的线速度，消除了滑块与滑道的刚性冲击，使速度更加的稳定，增加了零件的使用寿命。

建立一个六维水动力系数的测试，分析和计算船模的附加质量和阻尼系数，测试各个主运动的主驱动力和运动趋势力，对船模运动所受各个力进行测量，见表1，待测矩阵中有18个未知量，又由矩阵对称关系其中6个为不可替代量，12个为六组对称量。

表1待测矩阵表

其中对角线上为本自由度运动的驱动力或力矩，为直接测量量。其余为主运动带来的趋势附运动量，因此选择合适的测量组合。分解组合实验，得到最佳方案为：

1.纵荡：11，测量Fx。2.横荡：22、26，测量Fy、Mz。3.垂荡：31、33，测量Fx、Fz。4.横摇：42、44，测量Fy、Mx。5.纵摇：51、52、55，测量Fx、Fz、My。6.艏摇：64、66，测量Mx、Mz。

对于船模的升沉、横摇、纵摇，通过扭矩伺服电机的匀速旋转提供动力，经减速器把高速较低扭矩的输出变为满足试验要求的低速高转矩的输出，驱动横纵摇连接板同向或反向协同工作。当伺服电机同相位转动时，同时驱动横纵摇连接板3和横纵摇连接板6上下运动，从而实现船模升沉运动；当伺服电机反相位转动时，驱动横纵摇连接板3和横纵摇连接板6反向运动，从而实现船模纵摇运动；将船模旋转90度，利用伺服电机反相位转动，驱动横纵摇连接板4和横纵摇连接板5反向运动。从而实现船模横摇运动。

垂荡运动：测量主运动所受的升沉力Fz。运动由横纵摇连接板3和横纵摇连接板6同向运动，两个横纵摇连接板3和横纵摇连接板6下端连接两个竖直天平，通过两天平所受的合力就是所受升沉力Fz。其中3和6两杆下端船内角支接为X向滑动角支接，保证船模纵倾角度变化时3和6两杆水平距离不变而角支转动点直线距离变化带来的刚性限位问题，并屏蔽水平力，通过中间从动杆的水平布置天平获得水平x方向的趋势力Fx。

纵摇运动：测量主运动纵摇的扭矩My和两个趋势力Fz、Fx。运动由横纵摇连接板3和横纵摇连接板6反向运动，两个横纵摇连接板3和横纵摇连接板6下端连接两个竖直天平，通过两天平所受的合力就是所受升沉力Fz，两板天平相对转动轴的力矩和为My，通过中间从动杆水平天平测量Fx。

横摇运动：测量主运动横摇扭矩Mx和水平y方向趋势力Fy。船模旋转90度，连接两个横纵摇连接板4和横纵摇连接板5，4和5两连接板反向运动，两连接板天平相对转动轴的力矩和为Mx，中间从动杆水平天平测量Fy。

进行横、纵荡试验利用图1中扭矩伺服电机驱动装置7，利用扭矩伺服电机的匀速转动，经减速器把高速较低扭矩的输出变为满足试验要求的低速高转矩的输出，驱动横纵荡连接板，图4和图5所示，后经圆形转接盘带动船模实现纵荡；将船模旋转90度，就可以带动船模实现横荡。

横荡运动：测量主运动水平驱使力Fy和艏摇趋势力Mz。船模旋转90度，在圆形转接盘上方连接水平面三分量天平，通过天平直接测得Fy、Mz。

纵荡运动：测量主运动驱使力Fx，按照上述连接船模，在圆形转接盘上方连接水平拉压天平，通过天平直接测得Fx。

进行艏摇试验利用图1中艏摇运动机构，用回转动力仪8产生角速度正弦摆动的简谐运动，经减速器将高速低转矩变为低速高转矩满足试验要求的运动，通过刚性连接轴连接扭矩天平，经艏摇天平连接盘与船模连接，进而带动船模实现艏摇。

艏摇运动：如附图6所示，为艏摇运动船模内连接和测试装置；测量主驱动力Mz和横摇趋势力Mx。为保证测量数据的精度，采用二维扭矩拆分机构，直接在输出轴的下方连接单分量扭矩天平，测量主驱动力Mz，经艏摇天平连接盘与艏摇转动杆连接，带动船模艏摇，在艏摇转动杆的一端经联轴器连接圆柱扭矩天平，船模的横摇趋势经艏摇转动杆传动到圆柱型扭矩天平，进而测得横摇趋势力Mx。

整理实验数据，然后求解水动力系数矩阵方程。利用该装置可以做完六自由度的船模试验，节省试验时间。

Claims (6)

1.一种强迫六自由度运动仪，包括实验机架、四个横纵摇连接板、两个扭矩伺服电机驱动装置和艏摇运动机构，其特征在于：一个扭矩伺服电机驱动装置安装于横纵摇连板上，驱动横纵摇连板上下运动，实现船模的横摇、纵摇和升沉，另一个扭矩伺服电机驱动装置安装于实验机架上，位于左边两根横纵摇连接板之间，实现船模的横荡和纵荡，艏摇运动机构安装于实验机架上，位于右边两根横纵摇连接板之间，实现船模艏摇。

2.根据权利要求1所述一种强迫六自由度运动仪，其特征在于：所述扭矩伺服电机驱动装置包括扭矩伺服电机、减速器、偏心机构、横纵荡连接板和变速器支架，扭矩伺服电机位于变速器上，匀速旋转，提供动力，减速器位于减速器支架上，把高速低扭矩的输出变为低速高转矩的输出，驱动横纵摇连接板同向或反向协同工作，偏心机构安装与横纵摇连接板上，横纵摇连接板位于减速器支架上，伺服电机同相位转动时，同时驱动横纵摇连接板上下运动，实现船模升沉运动；伺服电机反相位转动时，驱动横纵摇连接板反向运动，实现船模纵摇运动；将船模旋转90度，利用伺服电机反相位转动，驱动横纵摇连接板反向运动，实现船模横摇运动，横纵摇连接板下端船内角支接为X向滑动角支接，保证船模纵倾角度变化时两杆水平距离不变而角支转动点直线距离变化带来的刚性限位问题。

3.根据权利要求1所述一种强迫六自由度运动仪，其特征在于：所述扭矩伺服电机装置安装于实验机架上，位于左边两根横纵摇连接板之间，组成横荡和纵荡运动机构，扭矩伺服电机匀速转动，经减速器把高速低扭矩的输出变为低速高转矩的输出，驱动横纵荡连接板，后经圆形转接盘带动船模实现纵荡；将船模旋转90度，带动船模实现横荡。

4.根据权利要求1所述一种强迫六自由度运动仪，其特征在于：所述艏摇运动机构包括回转动力仪、减速器、扭矩天平和艏摇天平连接盘，回转动力仪产生角速度正弦摆动的简谐运动，经减速器将高速低转矩变为低速高转矩，在输出轴的下方通过刚性连接轴连接单分量扭矩天平，经艏摇天平连接盘与艏摇转动杆连接，带动船模艏摇，在艏摇转动杆的一端经联轴器连接圆柱扭矩天平。

5.根据权利要求1所述一种强迫六自由度运动仪，其特征在于：所述扭矩伺服电机驱动装置通过轴上减速器，将高速低扭矩转动转化成低速高扭矩转动，运用偏心轮产生正弦的线速度的上下运动。

6.根据权利要求1所述一种强迫六自由度运动仪，其特征在于：所述扭矩伺服电机驱动装置上的偏心轮产生正弦的线速度，由偏心轮原本的线接触被换为滑块的面接触，实现了机构高副低代。