CN114132451B - 一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于船模拖曳水池试验技术领域，具体涉及一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置。本发明依托于船模拖曳水池实验平台并且能极大的改良优化实验流程以提高实验平台的可操作性与模块化程度，基于摇臂升沉、横倾与旋转三个方向的运动自由度，使用不同位置的手柄进行简单的测量操作即可替代复杂的手工装配流程的。本发明利用其构件间的螺纹耦合与接触支撑作用让连接船模与测量仪器的主摇臂提供多自由度快速定位的功能，并且不需要额外的动力与控制设备进行操纵，可以有效降低实验期间船模与水池拖车、测量设备之间适配安装的时间与人工成本，拓展了实验平台能够模拟的工况，增加了船模阻力实验、稳性实验、耐波性实验的工况设计空间。

Description

一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置

技术领域

本发明属于船模拖曳水池试验技术领域，具体涉及一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置。

背景技术

目前，在船模拖曳水池平台进行的实验中，短时间内多次定位模型浮态、更换模型部件已成为常态，但是受限于拖车平台空间与装备可靠性等因素的影响，将船模安装在实验平台指定位置的工作通常只能得到起重吊机这种大型装备的支援。细微的模型定位工作与构件的拆装往往需要模型多次出水提供空间，实验要求的模型工况布置也需要拆卸、更换大量衔接部件，在缺少标准化模具支撑的间隔中，实验人员进行仪器、设备的安装检测必然会面对很大的困难，许多标准的工况切换都意味着数据测量暂停和实验平台待机，带来了大量人力、物力与时间上的浪费。此外，不同实验对于模型的浮态设计有着繁复的考量，复杂航态的实现需要在实验设计阶段增加大量定位、加强构件，为此付出的精度与可靠性测试和评估工作极大的增加了实验成本。因此，提供一种操作简易、结构简洁而又涵盖大量标准设计工况、整合多个实验流程于一身的模块化辅助装备具备相当的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置。

一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置，包括上侧圆盘5、中部圆盘6、下侧圆盘7、主摇臂14、主摇臂运动控制机构、主体框架；所述上侧圆盘5、中部圆盘6、下侧圆盘7分别安装于主体框架的上、中、下三部；所述上侧圆盘5、中部圆盘6上开设有环形轨道，在上侧圆盘5下方安装有上侧夹板8；所述中部圆盘6上还开设有弦向布置的并行轨道3，在并行轨道上安装有固定用滑块2，用于主摇臂14最终位置的固定，中部外环左右两侧各布置有一组螺纹摇杆23；所述主体框架包括升降杆1、稳定杆21；所述升降杆1与稳定杆21穿过上侧圆盘5、中部圆盘6上的环形轨道，升降杆1与上侧环形轨道、中部环形轨道通过滚动轴承4连接，滚动轴承4可在侧环形轨道、中部环形轨道上滑动进行周向位移，同时滚动轴承4可在升降杆1上实现纵向的进给运动，在升降杆1与稳定杆21下端设有凸台；所述升降杆1下端的凸台卡位在下侧圆盘7底面下方，即可分离式接触；所述稳定杆21下端的凸台与下侧圆盘7底面铰接；所述下侧圆盘7顶面上方安装有下侧夹板12，下侧夹板12上开设有弧形内滑轨16；所述主摇臂14上端通过主轴9夹持在上侧夹板8之间，在主摇臂14底部表面开设有垂向滑轨15，主摇臂14下端由下侧夹板12夹持，且主摇臂14上的垂向滑轨15和下侧夹板12的弧形内滑轨16契合并通过两向运动滑块17连接，两向运动滑块17可同时沿弧形内滑轨16与垂向滑轨15运动

进一步地，所述主摇臂运动控制机构包括手柄10、蜗轮蜗杆传动机构11、传动轴19；通过旋转手柄10带动蜗轮蜗杆传动机构11，进而通过传动轴19控制主摇臂14运动。

进一步地，所述上侧圆盘5包括上侧内环、上侧外环，上侧内环与上侧外环之间通过环内支撑26加固，防止实验带来的振动影响定位；所述中部圆盘6包括中部内环、中部外环，中部内环与中部外环之间通过环内支撑26加固，防止实验带来的振动影响定位；所述环形轨道布置于上侧内环与上侧外环之间、中部内环与中部外环之间；所述弦向布置的并行轨道3布置在中部内环中。

进一步地，所述主体框架由两根升降杆1与两根稳定杆21组成。

进一步地，试验时，船模安装在主摇臂14下部，船模的吃水深度通过同步旋转升降杆1实现上侧圆盘5与下侧圆盘7的升沉运动，船模横倾角的控制通过调整中部圆盘6左右两侧的螺纹摇杆23实现，船模纵倾角的控制通过主摇臂运动控制机构改变主摇臂14的位置实现，船模航向或者结构物同波浪、流的夹角通过旋转升降杆1和稳定杆21，使杆系借助滚动轴承4在上侧圆盘5、中部圆盘6中的环形轨道中沿圆弧滑动实现。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种多自由度定位辅助装备以改良传统船模拖曳水池实验平台的成本消耗与技术应用空间，该装置依托于船模拖曳水池实验平台并且能极大的改良优化实验流程以提高实验平台的可操作性与模块化程度，基于摇臂升沉、横倾与旋转三个方向的运动自由度，使用不同位置的手柄进行简单的测量操作即可替代复杂的手工装配流程的。本发明利用其构件间的螺纹耦合与接触支撑作用让连接船模与测量仪器的主摇臂提供多自由度快速定位的功能，并且不需要额外的动力与控制设备进行操纵，可以有效降低实验期间船模与水池拖车、测量设备之间适配安装的时间与人工成本，拓展了实验平台能够模拟的工况，增加了船模阻力实验、稳性实验、耐波性实验的工况设计空间。

附图说明

图1为本发明的一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置的主视图。

图2为本发明的一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置的侧视图。

图3为本发明的一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置的上侧圆盘的示意图。

图4为本发明的一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置的中部圆盘的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明专利属于一种结构简单、可靠性高、易于维护与改装适应性良好的实验辅助装置。因为当前船模拖曳水池进行实验测量时，只能依靠简单梁结构实现船模在各倾角和航向的设置，并且其固定方式大多由螺栓与板材结构所限，缺少灵活性且单独构件繁多，在工况切换时需要在狭窄空间下进行较长时间的手工操作，所以本发明提出了一种多自由度定位辅助装备以改良传统船模拖曳水池实验平台的成本消耗与技术应用空间，该装置依托于船模拖曳水池实验平台并且能极大的改良优化实验流程以提高实验平台的可操作性与模块化程度，基于摇臂升沉、横倾与旋转三个方向的运动自由度，使用不同位置的手柄进行简单的测量操作即可替代复杂的手工装配流程的。

一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置，包括上侧圆盘5、中部圆盘6、下侧圆盘7、主摇臂14、主摇臂运动控制机构、主体框架；所述上侧圆盘5、中部圆盘6、下侧圆盘7分别安装于主体框架的上、中、下三部；

所述上侧圆盘5、中部圆盘6上开设有环形轨道，在上侧圆盘5下方安装有上侧夹板8；所述中部圆盘6上还开设有弦向布置的并行轨道3，在并行轨道上安装有固定用滑块2，用于主摇臂14最终位置的固定，中部外环左右两侧各布置有一组螺纹摇杆23；

所述主体框架由两根升降杆1与两根稳定杆21组成；所述升降杆1与稳定杆21穿过上侧圆盘5、中部圆盘6上的环形轨道，升降杆1与上侧环形轨道、中部环形轨道通过滚动轴承4连接，滚动轴承4可在侧环形轨道、中部环形轨道上滑动进行周向位移，同时滚动轴承4可在升降杆1上实现纵向的进给运动，在升降杆1与稳定杆21下端设有凸台；所述升降杆1下端的凸台卡位在下侧圆盘7底面下方，即可分离式接触；所述稳定杆21下端的凸台与下侧圆盘7底面铰接；

所述下侧圆盘7顶面上方安装有下侧夹板12，下侧夹板12上开设有弧形内滑轨16；所述主摇臂14上端通过主轴9夹持在上侧夹板8之间，在主摇臂14底部表面开设有垂向滑轨15，主摇臂14下端由下侧夹板12夹持，且主摇臂14上的垂向滑轨15和下侧夹板12的弧形内滑轨16契合并通过两向运动滑块17连接，两向运动滑块17可同时沿弧形内滑轨16与垂向滑轨15运动。

所述主摇臂运动控制机构包括手柄10、蜗轮蜗杆传动机构11、传动轴19；通过旋转手柄10带动蜗轮蜗杆传动机构11，进而通过传动轴19控制主摇臂14运动。

所述上侧圆盘5包括上侧内环、上侧外环，上侧内环与上侧外环之间通过环内支撑26加固，防止实验带来的振动影响定位；所述中部圆盘6包括中部内环、中部外环，中部内环与中部外环之间通过环内支撑26加固，防止实验带来的振动影响定位；所述环形轨道布置于上侧内环与上侧外环之间、中部内环与中部外环之间；所述弦向布置的并行轨道3布置在中部内环中。

试验时，船模安装在主摇臂14下部，船模的吃水深度通过同步旋转升降杆1实现上侧圆盘5与下侧圆盘7的升沉运动，船模横倾角的控制通过调整中部圆盘6左右两侧的螺纹摇杆23实现，船模纵倾角的控制通过主摇臂运动控制机构改变主摇臂14的位置实现，船模航向或者结构物同波浪、流的夹角通过旋转升降杆1和稳定杆21，使杆系借助滚动轴承4在上侧圆盘5、中部圆盘6中的环形轨道中沿圆弧滑动实现。

结构上，此定位装置由三个圆盘组成平台主体，并由两组杆结构提供位移功能与稳定支撑，其中升降杆和稳定杆各两根，构件间的连接通过带螺纹的支撑滚轴来实现。其中，上侧圆盘通过支撑滚轴随升降杆运动；安装在中部圆盘上的带内螺纹的支撑滚轴作为装置的承重核心，利用咬合作用维持着升降杆的纵向位置；最终，下侧圆盘由升降杆底部的凸台提起，实现了整个下部结构的运动，此外，下侧圆盘与稳定杆凸台之间的连接是铰接起来的，与其同升降杆之间的可分离接触不同。功能上，船模的吃水深度将通过同步旋转升降杆来实现上侧圆盘与下侧圆盘的升沉运动；船模横倾角的控制可以通过调整中部圆盘边缘处的两根螺纹摇杆的相对位置来实现；纵倾角可以通过安装在上侧夹板的蜗杆-螺杆结构实现；而船模航向或者结构物同波浪、流的夹角可以通过旋转支撑杆和升降杆，使杆系借助滚轴和螺纹的支撑在中部圆盘中预留的内导轨中沿圆弧滑动，再使用可变更位置环内撑杆进行加固，防止实验带来的振动影响定位。最终整个装置可以通过吊机将具有承重和固定功能的中部圆盘安装在水池拖车的承重梁上，而后使用模块化操作来实现设计工况。

本发明可以有效降低实验期间船模与水池拖车、测量设备之间适配安装的时间与人工成本，拓展了实验平台能够模拟的工况，增加了船模阻力实验、稳性实验、耐波性实验的工况设计空间。

实施例1：

一种由三个不同的环状圆盘、四根主要杆件和一个带轨道的摇臂搭配蜗杆、滚动轴承、导轨、螺杆、摇动手柄、夹板、梁架等辅助构件组成的，并且适用于船模拖曳水池实验平台轨道式拖车上的定位辅助装置，定位辅助功能基于结构提供的升沉、横倾、纵倾和旋转四自由度运动实现。

中部圆盘及其附属构件作为直接载体安装于拖车上，两根升降杆利用自身中部的螺纹同滚轴内侧螺纹之间的咬合作用固定在装置上，并能实现纵向的进给运动；上侧圆盘使用轴承径向的突起与升降杆连接，下侧圆盘利用升降杆下方凸台和结构自重实现伴随运动；圆盘内部留有同心的环形轨道，同升降杆咬合的滚动轴承可以在轨道上滑动进行周向位移；焊接在上、下侧圆盘上的夹板中间安装了摇臂，该摇臂做摆动运动的轴心位于上侧夹板中央，摇臂下部用于连接测量装置与船模；中部圆盘安装有弦向布置的导轨，穿过导轨的滑块作为支撑实现摇臂最终位置的固定。

上侧圆盘和中部圆盘内部留有环形空间作为轴承滚动的轨道，下侧圆盘不具备上述特征。中部圆盘边缘留有两个关于圆心对称分布的螺纹孔。每个圆盘的环形空间内留有四根可沿内外环边界做圆周运动的撑杆。

所述装置的滑块，其中间留有与导轨契合的空间，一侧有着穿透表面的螺孔，安装于螺孔内带扳手的螺杆可通过进给程度改变与导轨间的摩擦，实现位置的固定。

所述装置的摇臂，其上侧留有轴孔，下侧留有进行滑块运动的条状镂空轨道，轨道两端装有橡胶减振。

所述装置的夹板，上侧两块夹板在内侧中央留有轴孔，下侧两块夹板镂空有弧形滑到，中间有同曲率的内滑轨，滑轨两端装有橡胶减振。

所述的摇臂与夹板结构，是通过一个中心孔洞同弧形内导轨契合、同时在升沉方向可以与摇臂滑轨相对运动的滑块进行连接的。

本发明目的是提出一种简易的升降结构，利用其构件间的螺纹耦合与接触支撑作用让连接船模与测量仪器的主摇臂提供多自由度快速定位的功能，并且不需要额外的动力与控制设备进行操纵。

本发明的目的是这样实现的：假设指定的船模实验需要模型以x(基于静止水面高度),θ₁(横倾角)，θ₂(纵倾角)，

(航-流向夹角)的状态进行实验，则需要依次对螺纹摇杆、稳定杆和升降杆进行操作，这是因为，一旦模型入水，内部液体和附连水会使手柄和杆件旋转、滑动的阻力大幅增加，不易操作。下面将分为三部分介绍改装置的功能实现流程。

1)首先旋转蜗杆-螺杆箱上部的手柄，使主摇臂倾斜θ₂。使用中部圆盘边缘处的螺纹摇杆，以相反的旋向进行操作，设左右两根摇杆在各自的进给方向上的位移分别为x_l和x_r，则达到指定横倾角θ₁需要满足tanθ₁＝(x_l+x_r)/d_m这一条件。其中d_m为关于圆盘圆心对称布置的两根螺纹摇杆轴线间的距离，作为装置的设计指标出现，无需测量。

2)在环内撑杆无径向张力、处于可移动状态时，旋转稳定杆和升降杆使其在周向进行

的角位移，而后固定环内撑杆锁死周向运动机制。由于稳定杆下部是与下侧圆盘铰接在一起的，所以操作稳定杆进行旋转时，下侧圆盘与夹板将会作伴随运动，该运动同样会由摇臂传递到装置上侧，实现整个摇臂在周向的旋转与固定。

3)完成两个角度上的调整后，即可使用扳手同步旋转两个升降杆，使其下降指定距离x，升降杆的螺纹会提供阻力维持高度。

完成以上三个部分的定位调整后，移动并行导轨上的滑块到达指定位置加固，并再次检查其他构件间的连接是否稳固，即可进入后续的实验操作流程。

将定位辅助装置的升降杆摇至最高，锁定各滑块与环形撑杆防止晃动。使用吊机将定位装置安装在拖车的承重梁上，并使用夹具固定中部圆盘6。而后吊装模型进入船坞，平移至装置下方再吊起进行连接，并通过圆盘中空的空间放置所需的仪器(如果船模尺寸较小，可通过狭窄的拖车空间，此步骤可跳过，模型、仪器与定位装置直接在宽阔空间装配并统一吊装至拖车)。根据纵倾角要求使用手柄10旋转蜗杆11，提供足够的长程，再使用水平仪和量角设备测量上侧夹板8水平上沿和主摇臂14边缘的夹角是否与θ₂相等。初步移动并行导轨3上的固定用滑块2使其贴近主摇臂14两侧壁面。根据横倾角要求与附图2中螺纹摇杆23最大进程确定合适的x_l与x_r，摇动手柄使其达到目标位置。当摇臂进行倾角定位并固定后，旋转附图2中稳定杆21并带动下侧圆盘和夹板迫使主摇臂14进行相等的角位移

最终，使用扳手同步旋转升降杆进行上侧圆盘5和下侧圆盘7的移动，使摇臂纵向运动位移x满足模型指定的吃水深度。至此，实验设计中的船模安装与定位需求就被满足了。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (4)

1.一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置，其特征在于：包括上侧圆盘(5)、中部圆盘(6)、下侧圆盘(7)、主摇臂(14)、主摇臂运动控制机构、主体框架；所述上侧圆盘(5)、中部圆盘(6)、下侧圆盘(7)分别安装于主体框架的上、中、下三部；所述上侧圆盘(5)、中部圆盘(6)上开设有环形轨道，在上侧圆盘(5)下方安装有上侧夹板(8)；所述中部圆盘(6)上还开设有弦向布置的并行轨道(3)，在并行轨道上安装有固定用滑块(2)，用于主摇臂(14)最终位置的固定，中部外环左右两侧各布置有一组螺纹摇杆(23)；所述主体框架包括升降杆(1)、稳定杆(21)；所述升降杆(1)与稳定杆(21)穿过上侧圆盘(5)、中部圆盘(6)上的环形轨道，升降杆(1)与上侧环形轨道、中部环形轨道通过滚动轴承(4)连接，滚动轴承(4)可在侧环形轨道、中部环形轨道上滑动进行周向位移，同时滚动轴承(4)可在升降杆(1)上实现纵向的进给运动，在升降杆(1)与稳定杆(21)下端设有凸台；所述升降杆(1)下端的凸台卡位在下侧圆盘(7)底面下方，即可分离式接触；所述稳定杆(21)下端的凸台与下侧圆盘(7)底面铰接；所述下侧圆盘(7)顶面上方安装有下侧夹板(12)，下侧夹板(12)上开设有弧形内滑轨(16)；所述主摇臂(14)上端通过主轴(9)夹持在上侧夹板(8)之间，在主摇臂(14)底部表面开设有垂向滑轨(15)，主摇臂(14)下端由下侧夹板(12)夹持，且主摇臂(14)上的垂向滑轨(15)和下侧夹板(12)的弧形内滑轨(16)契合并通过两向运动滑块(17)连接，两向运动滑块(17)可同时沿弧形内滑轨(16)与垂向滑轨(15)运动；所述主摇臂运动控制机构包括手柄(10)、蜗轮蜗杆传动机构(11)、传动轴(19)；通过旋转手柄(10)带动蜗轮蜗杆传动机构(11)，进而通过传动轴(19)控制主摇臂(14)运动。

2.根据权利要求1所述的一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置，其特征在于：所述上侧圆盘(5)包括上侧内环、上侧外环，上侧内环与上侧外环之间通过环内支撑(26)加固，防止实验带来的振动影响定位；所述中部圆盘(6)包括中部内环、中部外环，中部内环与中部外环之间通过环内支撑(26)加固，防止实验带来的振动影响定位；所述环形轨道布置于上侧内环与上侧外环之间、中部内环与中部外环之间；所述弦向布置的并行轨道(3)布置在中部内环中。

3.根据权利要求1所述的一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置，其特征在于：所述主体框架由两根升降杆(1)与两根稳定杆(21)组成。

4.根据权利要求1所述的一种船模拖曳水池多自由度定位辅助装置，其特征在于：试验时，船模安装在主摇臂(14)下部，船模的吃水深度通过同步旋转升降杆(1)实现上侧圆盘(5)与下侧圆盘(7)的升沉运动，船模横倾角的控制通过调整中部圆盘(6)左右两侧的螺纹摇杆(23)实现，船模纵倾角的控制通过主摇臂运动控制机构改变主摇臂(14)的位置实现，船模航向或者结构物同波浪、流的夹角通过旋转升降杆(1)和稳定杆(21)，使杆系借助滚动轴承(4)在上侧圆盘(5)、中部圆盘(6)中的环形轨道中沿圆弧滑动实现。

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