[發明專利]基于并聯機構的多自由度主動式波浪補償模擬器

有效

• 申請號: 201710548049.4
• 申請日: 2017-07-06
• 公開（公告）號: CN107265314B
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發明（設計）人: 姜飛龍;朱荷蕾
• 申請（專利權）人: 嘉興學院
• 主分類號: B66C23/53
• 分類號: B66C23/53
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.基于并聯機構的多自由度主動式波浪補償模擬器，其特征在于，它包括：補給船波浪模擬并聯平臺(1)、轉動系統(2)、波浪補償絞車及吊機(4)、波浪補償終端并聯平臺(3)、鋼絲繩(5)、被吊放貨物(6)、被補給船波浪模擬并聯平臺(7)；所述的轉動系統(2)一端與所述的補給船波浪模擬并聯平臺(1)固定連接，另一端與所述的波浪補償絞車及吊機(4)固定連接，所述的波浪補償終端并聯平臺(3)一端通過所述的鋼絲繩(5)與所述的波浪補償絞車及吊機(4)相連，另一端通過所述的鋼絲繩(5)與所述的被吊放貨物(6)相連；

所述的補給船波浪模擬并聯平臺(1)包括補給船波浪模擬固定平臺(12)、補給船波浪模擬液壓缸一（21）、補給船波浪模擬運動平臺(8)；

所述的轉動系統(2)包括液壓馬達一（32）、馬達固定平板(30)、主動齒輪(34)、從動齒輪(26)；

所述的波浪補償絞車及吊機(4)包括轉動底板(45)、絞車(42)、導向輪三(52)、吊機立柱(40)、吊機吊臂(37)、固定軸一（39）、導向輪一(35)、導向輪二(46)、液壓缸二(49)、吊機液壓缸底座(50)；所述的絞車(42)包括支座（71）、卷筒（72）和液壓馬達二（75）；

所述的波浪補償終端并聯平臺(3)包括吊鉤一(54)、波浪補償終端固定平臺(55)、波浪補償終端液壓缸裝配體、波浪補償終端運動平臺(62)、吊鉤二(63)；

各部件之間的連接關系如下：

所述的補給船波浪模擬固定平臺(12)可轉動地連接所述的液壓缸一（21），所述的液壓缸一（21）可轉動地連接所述的補給船波浪模擬運動平臺(8)；

所述的補給船波浪模擬運動平臺(8)固定連接所述的轉動系統(2)的所述的液壓馬達一（32）的一端，所述的液壓馬達一（32）的另一端固定連接在所述的馬達固定平板(30)，所述的液壓馬達一（32）的輸出軸與所述的主動齒輪(34)相連，所述的從動齒輪(26)與所述的主動齒輪(34)相嚙合，所述的從動齒輪(26)與所述的波浪補償絞車及吊機(4)中的所述的轉動底板(45)固定連接；

所述的轉動底板(45)上固定連接所述的絞車(42)、導向輪三(52)、吊機立柱(40)，所述的吊機吊臂(37)通過所述的固定軸一（39）與所述的吊機立柱(40)可轉動連接，所述的導向輪一(35)、導向輪二(46)分別固定連接在所述的吊機吊臂(37)的兩端，所述的吊機液壓缸底座(50)一端與所述的吊機立柱(40)固定連接，另一端與所述的液壓缸二(49)的一端可轉動連接；所述的液壓缸二(49)的另一端與所述的吊機吊臂(37)中部可轉動連接；所述的液壓缸二(49)驅動所述的吊機吊臂(37)的升降；

所述的支座（71）與所述的卷筒（72）可轉動連接，所述的液壓馬達二（75）與所述的卷筒（72）同軸連接；

所述的波浪補償終端并聯平臺(3)的所述的吊鉤一(54)與所述的波浪補償終端固定平臺(55)固定連接，所述的波浪補償終端液壓缸裝配體一端可轉動地連接在所述的波浪補償終端固定平臺(55)，另一端可轉動地連接所述的波浪補償終端運動平臺(62)，所述的波浪補償終端運動平臺(62)的下表面固定連接所述的吊鉤二(63)，所述的吊鉤一(54)通過所述的鋼絲繩與所述的導向輪二(46)、導向輪一(35)、導向輪三(52)、絞車(42)相連，所述的吊鉤二(63)通過鋼絲繩與所述的被吊放貨物(6)相連；

所述的被補給船波浪模擬并聯平臺(7)的結構與所述的補給船波浪模擬并聯平臺(1)相同；

所述的補給船波浪模擬運動平臺(8)帶動波浪補償絞車及吊機(4)模擬補給船波浪運動，所述的主動齒輪(34)帶動所述的波浪補償絞車及吊機(4)轉動到合適的位置吊放被吊放貨物(6)到被補給船波浪模擬并聯平臺(7)，通過控制所述的波浪補償終端液壓缸裝配體消除所述的轉動底板(45)隨著所述的液壓馬達一(32)轉動引起的搖晃和擺動或進行波浪補償。

2.一種控制上述權利要求所述的基于并聯機構的多自由度主動式波浪補償模擬器的系統，其還包括制動油缸一(74)、換向閥一(76)、比例溢流閥(77)、減壓閥一(78)、換向閥二(79)、平衡閥一(80)、梭閥一(81)、多路比例閥一(82)、減壓閥二(83)、溢流閥(84)、壓力平衡閥一(85)、梭閥二(86)、變量泵(87)、油箱(88)、制動油缸二(89)、減壓閥三(90)、平衡閥二(91)、梭閥三(92)、多路比例閥二(93)、壓力平衡閥二(94)、梭閥四(95)、平衡閥三(96)、平衡閥四(97)、多路比例閥三(98)、壓力平衡閥三(99)、梭閥五(100)、平衡閥五(101)、平衡閥六(102)、液壓鎖(103)、多路比例閥四(104)、壓力平衡閥四(105)、梭閥六(106)、計算機(107)、數據采集卡(108)、拉線式位移傳感器(109)、傾角傳感器一(110)、傾角傳感器二(111)、壓力傳感器一(112)、壓力傳感器二(113)、角度傳感器(114)、壓力傳感器三(115)、壓力傳感器四(116)、拉力傳感器(117)、傾角傳感器三(118)；

其中，所述的拉線式位移傳感器(109)同時與所述的吊機吊臂(37)、所述的被補給船波浪模擬并聯平臺(7)的上端平臺相連；所述的傾角傳感器一（110）設置在所述的波浪補償終端運動平臺（62）上；所述的傾角傳感器二（111）設置在所述的補給船波浪模擬運動平臺（8）上；所述的傾角傳感器三（118）設置在所述的被補給船波浪模擬并聯平臺（7）的上端平臺上；所述的壓力傳感器一（112）、壓力傳感器二（113）分別設置在液壓缸一（21）的有桿腔和無桿腔；所述的壓力傳感器三（115）、壓力傳感器四（116）分別設置在所述的液壓缸二（49）的有桿腔和無桿腔；所述的角度傳感器（114）同軸安裝在所述的固定軸一（39）上；所述的拉力傳感器（117）通過所述的鋼絲繩（5）連接于所述的導向輪二（46）和所述的波浪補償終端固定平臺（55）之間；

所述的換向閥一(76)、比例溢流閥(77)、換向閥二(79)、多路比例閥一(82)、多路比例閥二(93)、多路比例閥三(98)、多路比例閥四(104)、拉線式位移傳感器(109)、傾角傳感器一(110)、傾角傳感器二(111)、壓力傳感器一(112)、壓力傳感器二(113)、角度傳感器(114)、壓力傳感器三(115)、壓力傳感器四(116)、拉力傳感器(117)、傾角傳感器三(118)均與所述的數據采集卡(108)相連，所述的數據采集卡(108)與所述的計算機(107)相連；

控制系統的液壓回路為：

油箱(88)連接變量泵（87）的進油口，變量泵（87）的出油口分別連接減壓閥二（83）和溢流閥（84）的進油口，溢流閥（84）的出油口連接油箱(88)，減壓閥二(83)的出油口通過壓力平衡閥一(85)與多路比例閥一(82)相連、通過壓力平衡閥二(94)與多路比例閥二(93)相連、通過壓力平衡閥三(99)與多路比例閥三(98)相連、通過壓力平衡閥四(105)與多路比例閥四(104)相連；

所述的液壓馬達二(75)的液壓回路如下：

當多路比例閥一（82）在上位工作時，多路比例閥一(82)的出油口同時連接換向閥二(79)、平衡閥一(80)的進油口，換向閥二(79)和平衡閥一(80)的出油口同時連接液壓馬達二(75)的第一油口(B1)和換向閥一(76)的進油口，換向閥一(76)的出油口通過比例溢流閥(77)連接油箱(88)，液壓馬達二(75)的第二油口(A1)同時連接梭閥一(81)和多路比例閥一(82)的進油口，梭閥一(81)的出油口通過減壓閥一(78)與制動油缸一(74)相連，多路比例閥一(82)的出油口與油箱(88)相連；

當多路比例閥一(82在下位工作時，多路比例閥一(82)的出油口同時連接液壓馬達二(75)第二油口(A1)和梭閥一(81)的進油口，梭閥一(81)通過減壓閥一(78)與制動油缸一(74)相連，馬達二(75)第一油口(B1)同時連接換向閥一(76)、換向閥二(79)、平衡閥一(80)的進油口，換向閥一(76)通過比例溢流閥(77)連接油箱(88)，換向閥一(76)、換向閥二(79)的出油口與多路比例閥一(82)的進油口相連，多路比例閥一(82)的出油口與油箱(88)相連；

所述的液壓馬達一（32）的液壓回路如下：

當多路比例閥二(93)在上位工作，多路比例閥二(93)的出油口連接平衡閥二(91)的進油口，平衡閥二(91)的出油口連接液壓馬達一(32)的第一油口(B2)，液壓馬達一(32)的第二油口(A2)連接梭閥三(92)的進油口，梭閥三(92)的出油口通過減壓閥三(90)與制動油缸二(89)相連，多路比例閥二(93)的出油口與油箱(88)相連；

當多路比例閥二(93)在下位工作時，多路比例閥二(93)的出油口同時連接液壓馬達一(32)的第二油口(A2)和梭閥三(92)的進油口，梭閥三(92)的出油口通過減壓閥三(90)與制動油缸二(89)相連，液壓馬達一(32)的第一油口(B2)連接油箱(88)；

所述的液壓缸一（21）的液壓回路如下：

當多路比例閥三(98)在上位工作時，多路比例閥三(98)的出油口與平衡閥四(97)的進油口相連，平衡閥四(97)的出油口與液壓缸一(21)的有桿腔相連，液壓缸一(21)的無桿腔與平衡閥三(96)的進油口相連，平衡閥三(96)的出油口與多路比例閥三(98)的進油口相連，多路比例閥三(98)的出油口與油箱(88)相連；

當多路比例閥三(98)在下位工作時，多路比例閥三(98)的出油口與平衡閥三(96)的進油口相連，平衡閥三(96)的出油口與液壓缸一(21)的無桿腔相連，液壓缸一(21)的有桿腔與平衡閥四(97)的進油口相連，平衡閥四(97)的出油口與多路比例閥三(98)的進油口相連，多路比例閥三(98)的出油口與油箱(88)相連；

所述的液壓缸二（49）的液壓回路如下：

當多路比例閥四(104)在上位工作時，多路比例閥四(104)的出油口與液壓鎖(103)的進油口相連，液壓鎖(103)的出油口與平衡閥六(102)的進油口相連，平衡閥六(102)的出油口與液壓缸二(49)的有桿腔相連，液壓缸二(49)的無桿腔與平衡閥五 (101)的進油口相連，平衡閥五 (101)的出油口與液壓鎖103的進油口相連，液壓鎖(103)的出油口與多路比例閥四(104)的進油口相連，多路比例閥四(104)的出油口與油箱(88)相連；

當多路比例閥四(104)在下位工作時，多路比例閥四(104)的出油口與液壓鎖(103)的進油口相連，液壓鎖(103)的出油口與平衡閥五(101)的進油口相連，平衡閥五(101)的出油口與液壓缸二(49)的無桿腔相連，液壓缸二(49)的有桿腔與平衡閥六 (102)的進油口相連，平衡閥六 (102)的出油口與液壓鎖(103)的進油口相連，液壓鎖(103)的出油口與多路比例閥四(104)的進油口相連，多路比例閥四(104)的出油口與油箱(88)相連；

所述的波浪補償終端并聯平臺(3)和被補給船波浪模擬并聯平臺(7)中的液壓缸的液壓回路與所述液壓缸一（21）的回路相同；

液壓系統的工作過程如下：

打開電源，按下啟動按鈕，變量泵(87)開始向系統供油，通過調節溢流閥(84)的壓力確定向系統供油的最大壓力，液壓油首先經過作為三通補償器使系統實時負載適應的減壓閥二(83)，然后經過系統各支路的使單個油路實現負載壓力補償的壓力平衡閥一(85)、壓力平衡閥二(94)、壓力平衡閥三(99)、壓力平衡閥四(105)分別向多路比例閥一(82)、多路比例閥二(93)、多路比例閥三(98)、多路比例閥四(104)供油；當多路比例閥一(82)、多路比例閥二(93)、多路比例閥三(98)、多路比例閥四(104)處于中位時，分別通過梭閥二(86)、梭閥四(95)、梭閥五(100)、梭閥六(106)反饋給變量泵(87)停止供油；

控制系統的工作過程如下：

補給船波浪模擬并聯平臺(1)模擬波浪運動的工作過程：

在計算機(107)的控制程序中輸入需要控制的量，數據采集卡(108)輸出的模擬量控制多路比例閥三(98)，當多路比例閥三(98)在上位工作時，液壓油經過平衡閥四(97)向液壓缸一(21)的有桿腔供油，進油口連接有壓力傳感器一(112)實時測量有桿腔的油壓，液壓缸一(21)的無桿腔連接有壓力傳感器二(113)實時測量無桿腔的油壓，無桿腔的液壓油經過平衡閥三(96)、多路比例閥三(98)回油箱(88)，此時液壓缸一(21)處于回程的工作狀態；當液壓缸一(21)需要做進程運動時，多路比例閥三(98)切換到下位工作，傾角傳感器二(111)測量補給船波浪模擬運動平臺(8)的角度，通過運動學反解可以算出每個時刻每個液壓缸應有的長度，與壓力傳感器一(112)、壓力傳感器二(113)相結合實現對其長度進行實時動態的控制；

被補給船波浪模擬并聯平臺(7)中的液壓缸、波浪補償終端并聯平臺(3)的波浪補償終端液壓缸裝配體一(56)中的液壓缸的工作過程與液壓缸一(21)相同；

當不需要做波浪補償時，數據采集卡(108)輸出的模擬量控制多路比例閥一(82)，當多路比例閥一(82)在上位工作時，液壓油經過平衡閥一(80)，進入液壓馬達二(75)的第一油口(B1)，液壓馬達二(75)的第二油口(A1)一部分通過梭閥一(81)、減壓閥一(78)打開制動油缸一(74)，另一部分通過多路比例閥一(82)回油箱(88)，完成收攬的動作；當需要放纜時，多路比例閥一(82)在下位工作；

液壓馬達一(32)正轉，多路比例閥二(93)在上位工作，液壓油通過平衡閥二(91)、液壓馬達一(32)、梭閥三92)、減壓閥三(90)、制動油缸二(89)、多路比例閥二(93)，反之，多路比例閥二(93)在下位工作；

當需要進行波浪補償時，拉線式位移傳感器(109)測量補給船波浪模擬并聯平臺(1)、被補給船波浪模擬并聯平臺(7)在垂直方向上的相對距離，拉線式位移傳感器(109)采集的模擬量通過數據采集卡(108)輸入給計算機(107)，計算機(107)通過數據采集卡(108)輸出開關量使得換向閥一(76)、換向閥二(79)接通狀態，計算機(107)通過數據采集卡(108)輸出模擬量控制比例溢流閥(77)與溢流閥(84)之間的壓差，形成恒定的張力吊放被吊放貨物(6)，與鋼絲繩(5)連接的拉力傳感器(117)測量張力的大小，張力通過數據采集卡(108)反饋給計算機(107)，進一步調節比例溢流閥(77)的溢流壓力，傾角傳感器一(110)、傾角傳感器三(118)測量波浪補償終端并聯平臺(3)、被補給船波浪模擬并聯平臺(7)的絕對角度，傾角傳感器一(110)、傾角傳感器三(118)采集的模擬量通過數據采集卡(108)輸入給計算機(107)，在計算機(107)內部做差，計算波浪補償終端并聯平臺(3)、被補給船波浪模擬并聯平臺(7)之間的相對角度，計算機(107)通過數據采集卡(108)輸出模擬量控制波浪補償終端液壓缸裝配體的液壓缸，實時保證在恒定張力狀態下補給船波浪模擬并聯平臺(1)、被補給船波浪模擬并聯平臺(7)之間在升沉、橫搖、縱搖方向波浪補償；

數據采集卡(108)輸出的模擬量控制多路比例閥四(104)，當多路比例閥四(104)在上位工作時，液壓油經過液壓鎖(103)、平衡閥六(102)向液壓缸二(49)的有桿腔供油，進油口連接有壓力傳感器三(115)實時測量有桿腔的油壓，液壓缸二(49)的無桿腔連接有壓力傳感器四(116)實時測量無桿腔的油壓，無桿腔的液壓油經過平衡閥五(101)、液壓鎖(103)回油箱(88)，固定軸一(39)同軸安裝的角度傳感器(114)實時測量吊機吊臂(37)、吊機立柱(40)之間的相對角度，反之，液壓缸二(49)需要做進程運動時，多路比例閥四(104)切換到下位工作，壓力傳感器三(115)、壓力傳感器四(116)與角度傳感器(114)相結合調節吊機吊臂(37)、吊機立柱(40)之間的相對角度。