CN115503903A - 一种模拟单点系泊浮筒运动的平台装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，属于海洋工程实验技术领域，包括装置本体，装置本体包括架体，架体包括从上至下依次设置的悬挂板和安装板，安装板包括由上至下的第一安装板、第二安装板、第三安装板、第四安装板和第五安装板，第一安装板和第二安装板之间安装有X轴移动装置，第二安装板和第三安装板之间安装有Y轴移动装置，第三安装板和第四安装板之间安装有Z轴移动装置，第四安装板和第五安装板之间安装有旋转移动装置。本发明针对于单点系泊浮筒的运动而设计，除了X、Y、Z方向的运动来模拟船体的纵荡、横荡与垂荡，在最下层设计了蜗轮蜗杆传动机构，具有合适可控的转速，能够真实模拟单点系泊浮筒在海中的“风标效应”。

Description

一种模拟单点系泊浮筒运动的平台装置

技术领域

本发明属于海洋工程实验技术领域，尤其是涉及模拟单点系泊浮筒运动的平台装置。

背景技术

海上浮式结构在复杂的海洋环境中会产生六个自由度的运动响应，即纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇，但单点系泊浮筒相较于其他海上浮式结构会多出来一个旋转运动，这是因为“风标效应”，即在单点系泊系统中，船体由于受到风、浪、流等环境力的影响，会绕着系泊点进行旋转运动，使自身处于最有利的迎浪方向，并最终停泊在环境力最小的方位上，所以驱使单点系泊浮筒也会发生转动。

海洋工程领域常采用水池试验进行浮式结构(浮式平台、海上风机、单点系泊浮筒等)的动力响应分析，但水池试验存在了操作性低、支出大、周期长等特点，而且水池实验需要一个具有相当面积和深度的水池和足够数量的造波装置，实验要求较高。

针对以上问题，将单点系泊浮筒模型通过机械结构来进行主动控制，这对于研究海上结构物的运动响应具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种结构简单紧凑、可以对单点系浮筒进行四个自由度的运动模拟的平台装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，包括装置本体，所述装置本体包括架体，所述架体包括从上至下依次设置的悬挂板和安装板，安装板包括由上至下的第一安装板、第二安装板、第三安装板、第四安装板和第五安装板，所述第一安装板和第二安装板之间安装有X轴移动装置，所述第二安装板和第三安装板之间安装有Y轴移动装置，所述第三安装板和第四安装板之间安装有Z轴移动装置，所述第四安装板和第五安装板之间安装有旋转移动装置。

进一步地，所述第五安装板下方安装有单点系泊浮筒模型，所述单点系泊浮筒模型与旋转移动装置的输出端相连。

进一步地，本发明还包括旋转筒体，所述旋转筒体安装于悬挂板和第一安装板上，该旋转筒体顶部设置有齿轮。

进一步地，所述悬挂板上安装有管夹。

进一步地，所述X轴移动装置包括X向伺服电机、X向滑块、与X向滑块配合设置的X向滑轨、X向螺纹杆和X向推拉螺母；所述Y轴移动装置包括Y向伺服电机、Y向滑块、与Y向滑块配合设置的Y向滑轨、Y向螺纹杆和Y向推拉螺母；所述Z轴移动装置包括Z向伺服电机、垂直滑轨、垂直滑轨套、Z向螺纹杆和Z向推拉螺母；所述旋转移动装置包括旋转伺服电机、蜗杆、蜗轮、蜗杆蜗轮传动箱、模型传动轴、联轴器和连接杆。

进一步地，所述第一安装板下侧安装X向滑块，侧面固定有X向伺服电机；第二安装板上侧安装了X向滑轨和X向推拉螺母。可见，所述第二安装板依靠X向伺服电机、X向滑块及X向滑轨实现X向的运动。所述第二安装板和第三安装板之间安装有Y轴移动装置，该第二安装板侧边安装了Y向伺服电机，下侧安装Y向滑块，所述第三安装板上侧安装了Y向滑轨和Y向推拉螺母。可见，所述第三安装板依靠Y向伺服电机、Y向滑块及Y向滑轨实现Y向的运动。所述第三安装板和第四安装板之间安装有Z轴移动装置，该第三安装板下侧安装了Z向伺服电机和垂直滑轨，所述第四安装板上侧安装了垂直滑轨套，使Z向伺服电机驱使第三安装板和第四安装板之间可以发生竖直方向的运动，第四安装板中间还安装了Z向推拉螺母。可见，第四安装板依靠Z向伺服电机、垂直滑轨和垂直滑轨套实现Z向的运动。所述第四安装板和第五安装板之间安装有旋转移动装置，所述第五安装板上侧通过支柱与第四安装板相连，该第五安装板上侧安装了蜗杆蜗轮传动箱，蜗杆蜗轮传动箱伸出的模型传动轴通过柔性联轴器与单点系泊浮筒模型连接，该第五安装板侧边安装了旋转伺服电机。可见，第五安装板依靠旋转伺服电机、蜗杆及蜗轮实现下方单点系泊浮筒模型的水平旋转。

进一步地，所述垂直滑轨下部设置有限位垫圈。

进一步地，所述蜗杆蜗轮传动箱内是啮合的蜗杆和蜗轮，蜗杆通过联轴器和连接杆与旋转伺服电机连接，蜗轮的模型传动轴通过柔性联轴器与单点系泊浮筒模型连接。

进一步地，所述X向伺服电机、Y向伺服电机、Z向伺服电机和旋转伺服电机由电缆连接到运动控制器，运动控制器由上位工况机控制，实现四个自由度的运动模拟。

进一步地，所述单点系泊浮筒模型在四周连接模拟管线用的绳子，该单点系泊浮筒模型上侧安装有运动传感器，实时接收运动信号。

进一步地，所述悬挂板和安装板均为水平设置，该悬挂板为三角形，安装板为矩形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对于单点系泊浮筒的运动而设计，除了X、Y、Z方向的运动来模拟船体的纵荡、横荡与垂荡，在最下层设计了蜗轮蜗杆传动机构，具有合适可控的转速，能够真实模拟单点系泊浮筒在海中的“风标效应”；该发明也弥补了国内没有通过机械装置控制模型旋转实现“风标效应”的空白。

(2)本发明相较于水池实验，以往的水池实验都是通过模拟外界环境的作用力来实现模型的运动模拟，模型运动是被动的且具有一定的迟滞性，而本发明通过将采集到的浮筒本身的运动信息，通过上位工况机输入到运动控制器来使实现浮筒模型的主动控制，这样只关注浮筒本身的运动，而不关注环境的外界影响，更加便于研究单点系泊浮筒内部结构部件在自身运动下的影响。

(3)本发明采用伺服电机驱动和控制，滑轨机构限制运动，蜗杆蜗轮实现转动，实现三移一转四个自由度，整个机械结构设计紧凑，结构的高度和宽度都适中，对安装的空间要求不高；而且相较于水池实验，本发明不涉及深水池，对于实验操作者更加安全，而且对传感器和零部件的安装也更简单，实验可行性较高。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的剖面图；

图3为本发明旋转移动装置的剖面图；

图4为本发明X轴移动装置的剖面图；

图5为本发明Y轴移动装置的剖面图；

图6为本发明Z轴移动装置的剖面图。

图中：

1、管夹；2、旋转筒体；3、第一安装板；4、X向滑块；5、X向滑轨；6、Y向伺服电机；7、Z向伺服电机；8、支柱；9、固定架；10、蜗杆蜗轮传动箱；11、X向伺服电机；12、Y向推拉螺母；13、Y向螺纹杆；14、垂直滑轨；15、限位垫圈；16、旋转伺服电机；17、连接杆；18、柔性联轴器；19、单点系泊浮筒模型；20、平台垫圈；21、Z向推拉螺母；22、蜗杆；23、蜗轮；24、模型传动轴；26、滚动轴承；27、联轴器；28、X向推拉螺母；29、X向螺纹杆；30、Y向滑块；31、Y向滑轨；32、垂直滑轨套；33、Z向螺纹杆；34、第二安装板；35、第三安装板；36、第四安装板；37、第五安装板；38、悬挂板；39、齿轮。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明一种模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，包括：装置本体，装置本体包括架体、X轴移动装置、Y轴移动装置、Z轴移动装置和旋转移动装置，

架体包括六块水平板，六块水平板包括从上至下设置的一个三角形的悬挂板38和五个矩形的安装板，

X轴移动装置包括X向伺服电机11、X向滑块4、与X向滑块4配合设置的X向滑轨5、X向螺纹杆29和X向推拉螺母28；

Y轴移动装置包括Y向伺服电机6、Y向滑块30、与Y向滑块30配合设置的Y向滑轨31、Y向螺纹杆13和Y向推拉螺母12；

Z轴移动装置包括Z向伺服电机7、垂直滑轨14、垂直滑轨套32、限位垫圈15、Z向螺纹杆33和Z向推拉螺母21；

旋转移动装置包括旋转伺服电机16、蜗杆22、蜗轮23、蜗杆蜗轮传动箱10、模型传动轴24、联轴器27和连接杆17。

五个矩形的安装板从上至下依次分为第一安装板3、第二安装板34、第三安装板35、第四安装板36和第五安装板37，五个安装板从上到下分别有不同的作用，

悬挂板38上安装有管夹1，旋转筒体2安装于悬挂板38和第一安装板3上，旋转筒体2与悬挂板38之间安装有平台垫圈20，该旋转筒体顶部设置有齿轮39，用于手动调节，通过手动操作转动上方的齿轮39，带动下方的整个装置运动，方便安装的时候调节角度和方向。旋转筒体2承受整个装置本体的重量。

第一安装板3和第二安装板34之间安装有X轴移动装置，该第一安装板3下侧安装了四个X向滑块4，侧面通过电机固定架将X向伺服电机11固定；第二安装板34上侧安装了两排X向滑轨5，还有推拉螺母固定架，在推拉螺母固定架上X向推拉螺母28通过两侧卡环固定。可见，第二安装板34依靠X向伺服电机11、X向滑块4及X向滑轨5实现X向的运动。

第二安装板34和第三安装板35之间安装有Y轴移动装置，该第二安装板34侧边安装了Y向伺服电机6和电机固定架，第二安装板34下侧安装了四个Y向滑块30，第三安装板35上侧安装了两排Y向滑轨31、以及Y向推拉螺母12的固定架。可见，第三安装板35依靠Y向伺服电机6、Y向滑块30及Y向滑轨31实现Y向的运动。

第三安装板35和第四安装板36之间安装有Z轴移动装置，该第三安装板35下侧安装了电机底座，电机底座上安装了Z向伺服电机7，四角位置安装了四个垂直滑轨14，第四安装板36上侧安装了垂直滑轨套32，使Z向伺服电机7驱使第三安装板35和第四安装板36之间可以发生竖直方向的运动，第四安装板36中间还安装了推拉螺母底座和Z向推拉螺母21。可见，第四安装板36依靠Z向伺服电机7、垂直滑轨14和垂直滑轨套32实现Z向的运动。

第四安装板36和第五安装板37之间安装有旋转移动装置，第五安装板37上侧通过支柱8与第四安装板36相连，该第五安装板37上侧安装了蜗杆蜗轮传动箱10，模型传动轴24通过柔性联轴器18与单点系泊浮筒模型19连接，该第五安装板37侧边安装了旋转伺服电机16和电机固定架。可见，第五安装板37依靠旋转伺服电机16、蜗杆22及蜗轮23实现下方单点系泊浮筒模型19的水平旋转。

所述安装板上各向的滑块均通过螺栓紧固，各向的滑块嵌入对应的滑轨上，在各个伺服电机的带动下做往复运动。X向伺服电机11、Y向伺服电机6、Z向伺服电机7都分别通过各自的驱动螺纹杆旋转，从而通过各自的推拉螺母产生推拉作用力，该作用力通过推拉螺母的固定架作用在安装板上，从而推动安装板产生运动。四个垂直滑轨14下部均设置了限位垫圈15。蜗杆蜗轮传动箱10内是啮合的蜗杆22和蜗轮23，蜗杆22通过联轴器27和连接杆17与旋转伺服电机16连接，蜗轮23的模型传动轴24通过柔性联轴器18与单点系泊浮筒模型19连接。蜗杆22和蜗轮23的轴通过两侧滚动轴承26固定位置，滚动轴承26径向固定在蜗杆蜗轮传动箱10的圆形切口处，轴向固定在金属垫圈和轴台之间，金属垫圈由六个螺钉固定。四个伺服电机由电缆连接到运动控制器，运动控制器由上位工况机通过应用软件控制，实现本发明四个自由度的运动模拟。单点系泊浮筒模型19包括了按比例缩小的单点系泊浮筒模型19和外转塔，以及外转塔周围连接的模拟管线，单点系泊浮筒模型19上平面放置运动传感器(加速度传感器)，并通过柔性联轴器18与模型传动轴24连接，模拟管线与地面设置的锚点相连。

具体的工作方式如下：

如图3所示，蜗杆22、蜗轮23、模型传动轴24和滚动轴承26安装于蜗杆蜗轮传动箱10内，蜗杆22和蜗轮23两端通过滚动轴承26固定在蜗杆蜗轮传动箱10上，滚动轴承26一侧通过金属垫圈固定，金属垫圈通过螺钉固定在蜗杆蜗轮传动箱10上；蜗杆蜗轮传动箱10通过四个固定架9固定在第五安装板37上。蜗杆22和蜗轮23相互配合，蜗轮23和模型传动轴24通过键连接，模型传动轴24通过柔性联轴器18与单点系泊浮筒模型19连接。

如图4所示，第二安装板34上通过四个X向滑块4和两个平行的X向滑轨5与第一安装板3连接并产生X向的相对运动；X向伺服电机11通过电机固定架固定在第二安装板34的侧边，X向螺纹杆29安装在X向伺服电机11的输出轴上；X向推拉螺母28由推拉螺母固定架固定在第二安装板34的上方，X向推拉螺母28与X向螺纹杆29相配合，当X向伺服电机11带着X向螺纹杆29转动时，X向推拉螺母28给整个第二安装板34产生一个X方向的力，使第二安装板34通过四个X向滑块4和两个平行的X向滑轨5进行往复运动。

如图5所示，Y向运动的第三安装板35上的机械机构和第二安装板34上一致，只是将各部件的位置从X向换到了Y向。

如图6所示，第四安装板36的Z向运动是通过四个垂直滑轨14、四个垂直滑轨套32、Z向伺服电机7、Z向螺纹杆33和Z向推拉螺母21实现；垂直滑轨14上端连接第三安装板35，下端安装了限位垫圈15来防止Z向运动过大而脱落，外侧紧密配合了垂直滑轨套32，垂直滑轨套32通过螺钉固定在第四安装板36上；Z向伺服电机7安装在第三安装板35中央设计的电机平台上，Z向螺纹杆33连接在Z向伺服电机7上，Z向伺服电机7驱使着Z向螺纹杆33进行转动，Z向螺纹杆33会使Z向推拉螺母21进行Z向的运动，从而使整个安装板进行运动。

单点系泊浮筒模型19根据缩尺比进行模型定制，该单点系泊浮筒模型19上的内转塔或者外转塔所在的位置通过一个圆柱和柔性联轴器18与上侧的模型传动轴24连接，使单点系泊浮筒模型19随着装置本体的运动而产生三移一转的运动；该单点系泊浮筒模型19可以在四周连接模拟管线用的绳子，研究模型在运动中的系泊力；该单点系泊浮筒模型19上侧安装运动传感器，实时接收运动信号。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，其特征在于：包括装置本体，所述装置本体包括架体，所述架体包括从上至下依次设置的悬挂板和安装板，安装板包括由上至下的第一安装板、第二安装板、第三安装板、第四安装板和第五安装板，所述第一安装板和第二安装板之间安装有X轴移动装置，所述第二安装板和第三安装板之间安装有Y轴移动装置，所述第三安装板和第四安装板之间安装有Z轴移动装置，所述第四安装板和第五安装板之间安装有旋转移动装置。

2.根据权利要求1所述的模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，其特征在于：所述第五安装板下方安装有单点系泊浮筒模型，所述单点系泊浮筒模型与旋转移动装置的输出端相连。

3.根据权利要求1所述的模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，其特征在于：还包括旋转筒体，所述旋转筒体安装于悬挂板和第一安装板上，该旋转筒体顶部设置有齿轮。

4.根据权利要求1所述的模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，其特征在于：所述悬挂板上安装有管夹。

5.根据权利要求2所述的模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，其特征在于：所述X轴移动装置包括X向伺服电机、X向滑块、与X向滑块配合设置的X向滑轨、X向螺纹杆和X向推拉螺母；所述Y轴移动装置包括Y向伺服电机、Y向滑块、与Y向滑块配合设置的Y向滑轨、Y向螺纹杆和Y向推拉螺母；所述Z轴移动装置包括Z向伺服电机、垂直滑轨、垂直滑轨套、Z向螺纹杆和Z向推拉螺母；所述旋转移动装置包括旋转伺服电机、蜗杆、蜗轮、蜗杆蜗轮传动箱、模型传动轴、联轴器和连接杆。

6.根据权利要求5所述的模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，其特征在于：所述第一安装板下侧安装X向滑块，侧面固定有X向伺服电机；第二安装板上侧安装了X向滑轨和X向推拉螺母；所述第二安装板和第三安装板之间安装有Y轴移动装置，该第二安装板侧边安装了Y向伺服电机，下侧安装Y向滑块，所述第三安装板上侧安装了Y向滑轨和Y向推拉螺母；所述第三安装板和第四安装板之间安装有Z轴移动装置，该第三安装板下侧安装了Z向伺服电机和垂直滑轨，所述第四安装板上侧安装了垂直滑轨套，使Z向伺服电机驱使第三安装板和第四安装板之间发生竖直方向的运动，第四安装板中间还安装了Z向推拉螺母；所述第四安装板和第五安装板之间安装有旋转移动装置，所述第五安装板上侧通过支柱与第四安装板相连，该第五安装板上侧安装了蜗杆蜗轮传动箱，所述蜗杆蜗轮传动箱内是啮合的蜗杆和蜗轮，蜗杆通过联轴器和连接杆与旋转伺服电机连接，蜗轮的模型传动轴通过柔性联轴器与单点系泊浮筒模型连接，该第五安装板侧边安装了旋转伺服电机。

7.根据权利要求6所述的模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，其特征在于：所述垂直滑轨下部设置有限位垫圈。

8.根据权利要求6所述的模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，其特征在于：所述X向伺服电机、Y向伺服电机、Z向伺服电机和旋转伺服电机由电缆连接到运动控制器，运动控制器由上位工况机控制，实现四个自由度的运动模拟。

9.根据权利要求2所述的模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，其特征在于：所述单点系泊浮筒模型在四周连接模拟管线用的绳子，该单点系泊浮筒模型上侧安装有运动传感器，实时接收运动信号。

10.根据权利要求1至9任一所述的模拟单点系泊浮筒运动的平台装置，其特征在于：所述悬挂板和安装板均为水平设置，该悬挂板为三角形，安装板为矩形。

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