CN112896421A - 一种船载水下并联稳定平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船载水下并联稳定平台，包括船体，所述船体底部通过连接柱固定设置有圆形的静平台，静平台边缘开设有呈三角形分布的安装槽，各安装槽内设置有控制支链，控制支链的底部设置有动平台；所述控制支链通过伸缩装置内的电动缸控制内杆的伸缩。虎克铰框架通过与近架轴承座的转动配合，实现伸缩装置围绕近架轴承座相对转动；伸缩装置的外筒通过与虎克铰框架的远架轴固定连接，实现伸缩装置围绕远架轴承相对转动。本发明旨在提供一种用以抵消船舶自身运动对船载探测设备的不良影响，并能安装在船体底部的水下并联稳定平台。
Description
技术领域
本发明涉及船舶装备技术领域，尤其涉及一种船载水下并联稳定平台。
背景技术
在海洋探测领域，通常需要由船舶搭载各种探测仪器，如多波束测深系统、多普勒声速剖面仪等，在预定海域展开探测工作。然而，由于受到风、浪、涌等影响，船舶本身会产生六个自由度的运动，包括三个转动自由度、三个平动自由度，分别为横摇、纵摇和艏摇、横荡、纵荡和垂荡，从而造成船体自身位姿的不断变化。对于直接固连在船体上的探测设备来说，载体位姿的不稳定，实际上是对设备的一种外加干扰，将对探测数据的准确度产生不可忽视的影响。尤其对于小型无人探测船来讲，因风浪产生的运动幅度更大，对测量数据造成更大的干扰。与此同时，随着当今海洋领域的快速发展，不论是科学研究还是工程应用，对高精度的测量数据的需求都十分迫切，误差过大的粗糙数据难以符合需求。因此，现亟需一种用以抵消船舶自身运动对船载探测设备不良影响，并能安装在船体底部的水下并联稳定平台。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种用以抵消船舶自身运动对船载探测设备的不良影响，并能安装在船体底部的水下并联稳定平台。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现的：
一种船载水下并联稳定平台，包括船体，所述船体底部通过连接柱固定设置有圆形的静平台，静平台边缘开设有呈三角形分布的安装槽，各安装槽内设置有控制支链，控制支链的底部设置有动平台；
所述动平台包括由内向外位于同一圆心设置的内框、中框、外框和固定框；所述内框的外周通过内框轴承与中框转动配合，且内框的截面为倒U型；所述中框的底侧固定设置有支撑内框轴承的密封盖，中框通过在侧面对称设置的中框转轴与外框转动连接；所述外框通过在侧面对称并垂直于中框转轴设置的外框转轴与固定框转动连接；所述固定框与密封盖的底面之间密封并固定连接有环形的柔性密封罩；
所述控制支链包括伸缩装置和虎克铰框架，伸缩装置由外筒和内杆以及驱动内杆伸缩的电动缸构成，虎克铰框架设置在外筒外部，静平台在各安装槽底端对称的固定设置有近架轴承座，虎克铰框架的近架轴与近架轴承座内的近架轴承转动连接，虎克铰框架的远架轴一端与外筒固定连接，另一端与虎克铰框架的远架轴承转动连接；所述伸缩装置的外筒顶端伸出静平台顶面，伸出外筒底端的内杆端部设置有万向节；所述万向节一端与内杆固定连接，另一端与万向节轴承内的转轴固定连接，各万向节轴承的外圈通过防尘盖与内框固定；
所述静平台的底面与固定框外周之间设置有倒置的圆台状筒型外壳，外壳与静平台、固定框之间的接触面密封并固定，静平台的顶侧固定设置有覆盖静平台，且由外周向静平台凹陷并能让各外筒顶端自由转动的密封罩。
进一步的，所述外壳在朝向船艉的一侧设置有流线型的整流罩。
进一步的，所述柔性密封罩由橡胶构成，且柔性密封罩的截面为折线形。
进一步的，所述近架轴承座和远架轴承均在轴承外圈固定设置有外圈顶盖，在轴承内圈固定设置有内圈顶盖。
进一步的，所述近架轴承座内的近架轴承和虎克铰框架的远架轴承均由圆锥滚子轴承构成。
进一步的，所述内框轴承由圆锥滚子轴承或角接触球轴承构成，所述内框上设置有嵌入内框轴承的环状部。
进一步的，所述内框的顶面高于中框，内框的底面开设有环向分布的安装孔。
进一步的，所述外框与中框转轴之间，以及所述固定框与外框转轴之间均设置有转轴轴承。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明中的动平台采用并联连接形式，相比于传统的串联平台，具有高承重、高动态响应的优势。相比于常见的应用于甲板上方的船载稳定平台，本发明具有密封，可模块化安装与船底入水使用，能够满足海洋探测仪器的水下观测技术需求，填补了水下稳定平台的空白。动平台由内框、中框、外框和固定框构成，内框、中框和外框均可进行相对转动，使动平台具有三转动自由度，且内框的顶面高于中框，可确保安装在内框底面的设备重心与整个动平台的转动中心重合，降低负载转动惯量，在复杂海洋环境中提升动平台的控制稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的仰视结构示意图；
图3为本发明的外部结构示意图；
图4为本发明中动平台的结构示意图；
图5为本发明中动平台的仰视结构示意图；
图6为图5中A-A方向的截面示意图；
图7为本发明中控制支链单体的结构示意图；
图8为本发明的使用状态图；
图9为本发明实施例中静平台与动平台共建的坐标示意图。
附图标记：
1-静平台，2-近架轴承座，3-虎克铰框架，4-伸缩装置，5-万向节，6万向节轴承，7中框，8外框，9内框，10连接柱，11密封罩，12-外壳，13-整流罩，14-固定框，15-柔性密封罩，16-密封盖，17中框转轴，18外框转轴，19转轴轴承，20-内框轴承，21-内杆，22-外筒，23-虎克铰远架轴，24-远架轴承，25-外圈顶盖，26-内圈顶盖，27负载仪器。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图7所示，一种船载水下并联稳定平台，包括船体，所述船体底部通过连接柱10固定设置有圆形的静平台1，静平台1边缘开设有呈三角形分布的安装槽，各安装槽内设置有控制支链，控制支链的底部设置有动平台；
所述动平台包括由内向外位于同一圆心设置的内框9、中框7、外框8和固定框14；所述内框9的外周通过内框轴承20与中框7转动配合，且内框9的截面为倒U型；所述中框7的底侧固定设置有支撑内框轴承20的密封盖16，中框7通过在侧面对称设置的中框转轴17与外框8转动连接；所述外框8通过在侧面对称并垂直于中框转轴17设置的外框转轴18与固定框14转动连接；所述固定框14与密封盖16的底面之间密封并固定连接有环形的柔性密封罩15；
所述控制支链包括伸缩装置4和虎克铰框架3，伸缩装置4由外筒22和内杆21以及驱动内杆21伸缩的电动缸构成，虎克铰框架3设置在外筒22外部，静平台1在各安装槽底端对称的固定设置有近架轴承座2，虎克铰框架3的近架轴与近架轴承座2内的近架轴承转动连接，虎克铰框架3的远架轴一端与外筒22固定连接，另一端与虎克铰框架3的远架轴承24转动连接；所述伸缩装置4的外筒22顶端伸出静平台1顶面，伸出外筒22底端的内杆21端部设置有万向节5；所述万向节5一端与内杆21固定连接，另一端与万向节轴承6内的转轴固定连接，各万向节轴承6的外圈通过防尘盖与内框9固定；
所述静平台1的底面与固定框14外周之间设置有倒置的圆台状筒型外壳12，外壳12与静平台1、固定框14之间的接触面密封并固定，静平台1的顶侧固定设置有覆盖静平台1，且由外周向静平台1凹陷并能让各外筒22顶端自由转动的密封罩11。
如图2和图3所示，所述外壳12在朝向船艉的一侧设置有流线型的整流罩13，朝向船艉的整流罩13能防止在稳定平台的艉部形成湍流，降低水流对测量仪器精度的影响。外壳12采用耐腐蚀的金属材料，例如铝合金制作而成，并在外表面喷涂油漆以增强耐腐蚀性。外壳12为倒置的圆台状筒型结构，外壳12下端通过螺钉与固定框14底部的安装孔相连接，上端通过螺钉与静平台1侧面的安装孔相连接，外壳12与固定框14、静平台1的接触面之间均垫有橡胶圈并涂抹硅胶，实现密封。
所述柔性密封罩15由橡胶构成，且柔性密封罩15的截面为折线形，能够实现拉伸和压缩等变形，以便在动平台运动时能够包裹动平台框架间的缝隙以实现密封功能，同时又不阻碍动平台的运动。柔性密封罩15的外圈通过螺钉与固定框14底部的安装孔相连接，柔性密封罩15的内圈通过螺钉与密封盖16底部的安装孔相连接，柔性密封罩15与固定框14、密封盖16的接触面上均涂抹硅胶，以实现密封。
静平台1顶侧覆盖的密封罩11采用耐腐蚀的金属材料，例如铝合金制作而成，并在外表面喷涂油漆以增强耐腐蚀性。密封罩11外圈通过螺钉与静平台1圆周侧面的安装孔相连接，密封罩11内圈通过螺钉与静平台1上表面环向开设的安装孔相连接，密封罩11与静平台1的接触面之间垫有橡胶圈并涂抹硅胶，实现密封。密封罩11由中部向内凹陷，在靠近静平台1边缘处鼓起，能让外筒22顶端在密封罩11内自由转动。密封罩11的外部轮廓可加工为流线型，从而辅助减少在运动过程中受到的海水阻力。
通过上述密封罩11、外壳12和柔性密封罩15共同配合，将本发明内部的静平台1和各控制支链与海水隔离。
如图4至图6所示的动平台结构，动平台由内框9、中框7、外框8和固定框14这四个框架组成。上述四个框架均由耐腐蚀的金属材料，例如铝合金制作而成。内框9的截面为倒U型，内框9的底面开设有环向分布的安装孔，通过安装孔以方便所搭载设备的安装，内框9的顶面高于中框7，能够确保安装在内框9顶面的设备重心与整个动平台的转动中心重合。
内框9通过内框轴承20与中框7相连接，从而让内框9相对中框7可做旋转运动。所述内框轴承20由圆锥滚子轴承或角接触球轴承构成，所述内框9上设置有嵌入内框轴承20的环状部。内框轴承20采用配对的圆锥滚子轴承或角接触球轴承，可以同时承受轴向的推拉力和径向的压力。中框7底侧安装有支撑内框轴承20的密封盖16，内框9和中框7之间的接触缝隙处可采用0型橡胶圈做密封，以保证两者做相对转动时，缝隙处不渗入海水。
中框7通过中框转轴17与外框8相连接，外框8通过外框转轴18与固定框14相连接，所述外框8与中框转轴17之间，以及所述固定框14与外框转轴18之间均设置有转轴轴承。中框7和外框8通过相互垂直的中框转轴17和外框转轴18，进行相对旋转。
通过上述动平台的并联连接方式，让内框9可实现三个自由度的转动。
如图7所示，控制支链通过伸缩装置4内的电动缸控制内杆21的伸缩。虎克铰框架3通过与近架轴承座2的转动配合，实现伸缩装置4围绕近架轴承座2相对转动。伸缩装置4的外筒22通过与虎克铰框架3的远架轴固定连接，实现伸缩装置4围绕远架轴承24相对转动。所述近架轴承座2和远架轴承24均在轴承外圈固定设置有外圈顶盖25，在轴承内圈固定设置有内圈顶盖26，通过外圈顶盖25和内圈顶盖26锁紧并保护内部轴承。所述近架轴承座2内的近架轴承和虎克铰框架3的远架轴承24均由圆锥滚子轴承构成，所述内框9上设置有嵌入内框轴承20的环状部。环状部和远架轴承24的配合能够让近架轴承和远架轴承24承受轴向推拉力和径向压力，且通过防尘盖安装时对轴承内外圈的夹紧，可一定程度减小轴承间隙，保证各控制支链机械精度。
万向节5和万向节轴承6的组合使用能够起到球铰的作用，实现了内框9绕万向节5中心的三自由度转动。万向节5一端通过销钉与内杆21相连接，另一端通过销钉与万向节轴承6的转轴相连接，万向节轴承6通过在底部的防尘盖上安装螺钉与内框9相固定连接，为了便于万向节轴承6的安装，内框9可在对应的连接位置设置凸台。从而实现了各控制支链两端分别与静平台1和内框9的连接。
伸缩装置4内的电动缸可采用伺服电动缸，具有高动态响应的优势。伺服电动缸基本结构采用电机加滚珠丝杠的形式，主要零部件包括外筒、内杆、滚珠滑块、电机、减速器、刹车等机械构件，此外还包括编码器、压力传感器等传感部件，以便精确控制电动推杆的伸缩长度、伸缩速度以及杆端推拉力的大小。伺服电动缸的内部引线通过军标卡口式插座与外部引线连接，插座接缝处使用橡胶垫片并涂抹硅胶密封，可防止液体侵入。
如图8所示，通过调节各控制支链的转动角度，实现抵消船舶自身运动对内框9底部的负载仪器27测量精度的影响。
如图9所示，为本实施例中静平台1与动平台共建的坐标示意图，通过该坐标系可计算出静平台1和动平台满足试验要求的几何比例关系。
5级海况下，中小型船舶的横摇角度幅值为8°20°，横摇角速度为15.71-17.95rad/s，横摇角加速度为12.3416.11rad/s2，横摇周期为7-8s；纵摇角度幅值为5°，纵摇角速度为6.7rad/s，纵摇角加速度为9.25rad/s2，纵摇周期为4.9s。
由此，确定本发明提供的船载水下并联稳定平台的性能设计指标为：动平台三轴转角范围为±25°，动平台最大角速度为20rad/s，动平台最大角加速度为20rad/s2。本发明提供的船载水下并联稳定平台主要针对水下的海洋探测设备，根据查阅相关产品资料，就应用于近海的多波束测深系统而言，其水下换能器的水中重量通常不超过22kg，因此不妨选定载荷指标为25kg。
以静平台1的中心为中点O，三个沿圆周呈三角形均匀分布的虎克铰框架3中点分别为A1、A2、A3。动平台以内框9的中心为中点0u，内框9上三个沿圆周均匀分布供万向节轴承6连接的凸台的中点分别为B1、B2、B3。动平台外接圆半径为R1，静平台1外接圆半径为R2，静平台1动平台之间的垂向高度为R3。
以静平台1中心O为原点，建立坐标系O-XYZ，X轴由点O指向点A1，Z轴由点O指向点Ou，Y轴满足右手定则。
以动平台中心Ou为原点，建立坐标系Ou-XuYuZu，Xu轴由点0指向点A1，Zu轴于点Ou垂直动平面向上，Yu轴满足右手定则。
驱动各控制支链时，各虎克铰框架3中心Ai在静平台1坐标系中表示为：
Ai＝[r1 cos ηi r1 sin ηi 0]T
各万向节5的中心Bi在动平台坐标系中表示为：
uBi＝[r2 cos ηi r2 sin ηi 0]T
其中，ηi为万向节5中心在动平台平面上与X轴的夹角：
各万向节5的中心Bi在静平台1坐标系中可推导为：
Bi＝OOu+Tt·uBi
其中，Tt为动平台坐标系向静平台1坐标系的坐标变换矩阵：
其中，c表示三角函数cos；s表示三角函数sin；ψ、φ和θ分别为T&T角中的自旋角、进动角和章动角。
根据上述方式能够计算出各支链的长度为：
li＝|BiAi|＝|Bi-Ai|
利用上述公式，并根据设计指标，计算出一种满足要求的机构几何比例关系，R1、R2、R3三者的比例为0.6794∶1.0615∶1.2591。考虑到无人探测船的实际尺寸，优选选定静平台1的半径为200mm，动平台的半径为128mm，二者之间的垂向高度为237mm。
进一步计算得到，控制支链整体的最小长度为199mm，最大长度为323mm，所需行程为124mm，考虑预留一定裕量，可选用行程为150mm的伺服电动缸。
伺服电动缸的所需最大速度根据动平台最大角速度来确定，计算公式为：
v＝ω·R1
其中，R1为动平台外接圆半径。根据上述参数，计算得到控制支链所需最大速度为45mm/s，考虑裕量，确定为100mm/s。
内杆21的推拉力根据在最短的动力臂下，最大负载下的动平台达到最大加速度时，进行估算，估算时不考虑推杆自身的质量和摩擦。计算公式为：
其中，J为动平台及负载的转动惯量，α为动平台最大角加速度，θ为控制支链与竖直方向的夹角。根据上述参数，计算得到控制支链所需最大推力为110N，考虑裕量，确定为200N。
伺服电动缸电机功率为电机扭矩乘上电机转速，电机所需工作扭矩可以根据推杆推拉力和丝杠螺纹参数来计算，为：
其中，T为电机扭矩，单位为N·m，F为推力，单位为N，p为单螺纹丝杠的螺距，单位为m。
电机所需的最大工作转速可以根据推杆的速度和丝杠螺纹参数来计算，为：
其中，n为电机转速，单位r/min，v为推杆速度，单位m/s，p单螺纹丝杠的螺距，单位为m。
电机功率的计算为：
根据以上计算，F＝200N，v＝0.1m/s，计算得P＝3.18W，考虑裕量，取电机功率为15W以上。
通过上述计算，可使静平台与动平台之间的比例尺寸，以及控制支链上的电动缸功率，满足稳定平台的性能设计指标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种船载水下并联稳定平台，包括船体，其特征在于：所述船体底部通过连接柱(10)固定设置有圆形的静平台(1)，静平台(1)边缘开设有呈三角形分布的安装槽，各安装槽内设置有控制支链，控制支链的底部设置有动平台；
所述动平台包括由内向外位于同一圆心设置的内框(9)、中框(7)、外框(8)和固定框(14)；所述内框(9)的外周通过内框轴承(20)与中框(7)转动配合，且内框(9)的截面为倒U型；所述中框(7)的底侧固定设置有支撑内框轴承(20)的密封盖(16)，中框(7)通过在侧面对称设置的中框转轴(17)与外框(8)转动连接；所述外框(8)通过在侧面对称并垂直于中框转轴(17)设置的外框转轴(18)与固定框(14)转动连接；所述固定框(14)与密封盖(16)的底面之间密封并固定连接有环形的柔性密封罩(15)；
所述控制支链包括伸缩装置(4)和虎克铰框架(3)，伸缩装置(4)由外筒(22)和内杆(21)以及驱动内杆(21)伸缩的电动缸构成，虎克铰框架(3)设置在外筒(22)外部，静平台(1)在各安装槽底端对称的固定设置有近架轴承座(2)，虎克铰框架(3)的近架轴与近架轴承座(2)内的近架轴承转动连接，虎克铰框架(3)的远架轴一端与外筒(22)固定连接，另一端与虎克铰框架(3)的远架轴承(24)转动连接；所述伸缩装置(4)的外筒(22)顶端伸出静平台(1)顶面，伸出外筒(22)底端的内杆(21)端部设置有万向节(5)；所述万向节(5)一端与内杆(21)固定连接，另一端与万向节轴承(6)内的转轴固定连接，各万向节轴承(6)的外圈通过防尘盖与内框(9)固定；
所述静平台(1)的底面与固定框(14)外周之间设置有倒置的圆台状筒型外壳(12)，外壳(12)与静平台(1)、固定框(14)之间的接触面密封并固定，静平台(1)的顶侧固定设置有覆盖静平台(1)，且由外周向静平台(1)凹陷并能让各外筒(22)顶端自由转动的密封罩(11)。
2.根据权利要求1所述的一种船载水下并联稳定平台，其特征在于：所述外壳(12)在朝向船艉的一侧设置有流线型的整流罩(13)。
3.根据权利要求1所述的一种船载水下并联稳定平台，其特征在于：所述柔性密封罩(15)由橡胶构成，且柔性密封罩(15)的截面为折线形。
4.根据权利要求1所述的一种船载水下并联稳定平台，其特征在于：所述近架轴承座(2)和远架轴承(24)均在轴承外圈固定设置有外圈顶盖(25)，在轴承内圈固定设置有内圈顶盖(26)。
5.根据权利要求4所述的一种船载水下并联稳定平台，其特征在于：所述近架轴承座(2)内的近架轴承和虎克铰框架(3)的远架轴承(24)均由圆锥滚子轴承构成。
6.根据权利要求1所述的一种船载水下并联稳定平台，其特征在于：所述内框轴承(20)由圆锥滚子轴承或角接触球轴承构成，所述内框(9)上设置有嵌入内框轴承(20)的环状部。
7.根据权利要求6所述的一种船载水下并联稳定平台，其特征在于：所述内框(9)的顶面高于中框(7)，内框(9)的底面开设有环向分布的安装孔。
8.根据权利要求1所述的一种船载水下并联稳定平台，其特征在于：所述外框(8)与中框转轴(17)之间，以及所述固定框(14)与外框转轴(18)之间均设置有转轴轴承(19)。
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