具有三自由度主動波浪補償功能的吊機裝置及補償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于船舶領(lǐng)域，具體是具有波浪補償功能的船用吊機裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 船用吊機裝置是海洋平臺等遠洋設(shè)備的后勤補給裝置，對于海上后勤補給作業(yè)， 補給裝置是最重要的組成部分。由于風浪的影響，海上作業(yè)的船舶會隨著海浪進行無規(guī)律 的搖擺，嚴重影響了海上補給效率并存在較大的安全隱患。因此，必須對海上補給裝置進行 波浪補償，以提高海上吊裝的工作效率和安全系數(shù)。
[0003] 波浪補償分為主動波浪補償和被動波浪補償。主動波浪補償是指通過各種傳感器 檢測出船舶由波浪引起的橫搖、縱搖和升沉等參數(shù)，然后根據(jù)補償量控制伺服缸和液壓馬 達的工作對船舶的搖擺進行補償;被動波浪補償是通過在原有設(shè)備中增加補償裝置進行補 償。在主動補償?shù)脑O(shè)備中，穩(wěn)定平臺對橫搖和縱搖的補償效果較好，對升沉的補償效果較 差，如果利用穩(wěn)定平臺補償較大范圍的升沉變化，需要很長的伺服缸，增加了成本、降低了 穩(wěn)定性。有些通用主動升沉補償?shù)鯔C只能對船舶的升沉進行補償，無法對船舶的橫搖和縱 搖實施補償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在提供一種基于三自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺的具有主動波浪補償功能的吊 機裝置及主動波浪補償方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對由風浪引起船舶的橫搖、縱搖和升沉進行實時補 償，同時平穩(wěn)有效地執(zhí)行吊裝任務(wù)。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明具有三自由度主動波浪補償功能的吊機裝置采用的技術(shù) 方案是:包含下方的穩(wěn)定平臺和上方的吊機，穩(wěn)定平臺最下方是圓形靜平臺，圓形靜平臺的 正上方是圓形動平臺，圓形靜平臺和圓形動平臺之間連接沿圓周方向均勻布置的三個伺服 缸，每個伺服缸上各裝有一個線位移傳感器，每個伺服缸的下端分別通過一個第一萬向節(jié) 與圓形靜平臺相連，每個伺服缸上端分別通過一個第二萬向節(jié)與圓形動平臺相連；吊機最 下方是與圓形動平臺固聯(lián)的立柱，立柱上端通過銷軸與吊臂的旋轉(zhuǎn)端連接，立柱與吊臂中 間段之間連接支撐伺服缸，吊臂的旋轉(zhuǎn)端固定設(shè)有液壓馬達，液壓馬達上設(shè)置角位移傳感 器，鋼絲繩的一端與液壓馬達連接，另一端跨過吊臂的自由端后向下延伸連接所吊重物;方 形滑塊支撐柱下端固定連接圓形靜平臺正中間、上端通過第三萬向節(jié)與圓形動平臺正中間 相連，緊靠方形滑塊支撐柱旁側(cè)的圓形靜平臺上設(shè)置姿態(tài)傳感器，姿態(tài)傳感器連接運動控 制器;液壓馬達、支撐伺服缸和所述三個伺服缸各自分別依次連接對應(yīng)的電液伺服閥、功率 放大器、D/A模塊后再連接運動控制器，角位移傳感器、三個線位移傳感器各自分別經(jīng)對應(yīng) 的A/D_旲塊后連接運動控制器。
[0006] 本發(fā)明具有三自由度主動波浪補償功能的吊機裝置的波浪補償方法采用的技術(shù) 方案是包含有以下步驟： A、通過姿態(tài)傳感器測量運動姿態(tài)值，將測得的運動姿態(tài)值傳輸給運動控制器，運動控 制器根據(jù)運動姿態(tài)值求出三個伺服缸和一個液壓馬達的運動值分別為υΛ和mi 和??的相反值即是補償值； B、運動控制器控制三個電液伺服閥分別以補償值遢的模擬電信號輸出相應(yīng)的流 量和壓力，分別控制三個伺服缸伸縮和搖擺，補償橫搖和縱搖，運動控制器控制液壓馬達以 補償值運動，實時補償船舶的升沉。
[0007] 進一步地，三個位移傳感器分別測量出三個伺服缸的位移值么、&，角位移傳感 器測量出液壓馬達的旋轉(zhuǎn)角度:#，將位移值^4和旋轉(zhuǎn)角度#值反饋給運動控制器，運 動控制器求出四個運動控制偏差 ，根據(jù)四個運動控制偏差分別對三個伺服缸和一個液壓馬達進行閉環(huán)控制。
[0008] 本發(fā)明在海上吊裝貨物時，通過姿態(tài)傳感器測量船舶的橫搖、縱搖和升沉的運動 參數(shù)并實時傳輸給運動控制器，運動控制器計算出橫搖、縱搖及升沉的補償值，將算出的補 償值由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，模擬信號經(jīng)伺服放大器后傳輸給電液伺服閥，電液伺服 閥根據(jù)處理后的模擬信號控制3個伺服缸和1個液壓馬達的運動，由3個伺服缸實現(xiàn)對船舶 橫搖、縱搖的實時補償，由液壓馬達實現(xiàn)對升沉的實時補償。本發(fā)明能夠在惡劣的海況下安 全高效地執(zhí)行吊裝任務(wù)，具有補償范圍廣、可靠性高、成本低、功能多等特點。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1的A-A剖視放大圖； 圖3為圖1中方形滑塊支撐柱15的結(jié)構(gòu)放大示意圖； 圖4為本發(fā)明的波浪補償控制原理框圖； 圖中：1.圓形靜平臺；2.萬向節(jié);3-1.第一伺服缸;3-2.第二伺服缸;3-3.第三伺服缸； 4-1.第一線位移傳感器;4-2.第二線位移傳感器;4-3.第三線位移傳感器;5 .萬向節(jié);6.圓 形動平臺；7.立柱;8.吊臂;9.角位移傳感器；10.液壓馬達；11.鋼絲繩；12.支撐伺服缸；13. 萬向節(jié);14.姿態(tài)傳感器;15.方形滑塊支撐柱;15-1.上桿;15-2.下桿。
【具體實施方式】
[0010] 參見圖1和圖2,本發(fā)明包含下方的穩(wěn)定平臺I和上方的吊機Π 兩部分。其中，穩(wěn)定 平臺I的最下方是圓形靜平臺1，最上方是圓形動平臺6,圓形動平臺6在圓形靜平臺1的正上 方，圓形靜平臺1和圓形動平臺6相互平行，且兩者的中心軸共線。圓形靜平臺1通過螺栓固 定在船舶的甲板上，圓形動平臺6與吊機Π 通過螺栓連接。吊機Π 的最下方是立柱7,圓形動 平臺6與立柱7通過螺栓固定連接，且安裝時要保持圓形動平臺6與立柱7兩者的中心軸共 線。立柱7的上端通過銷軸與吊臂8的旋轉(zhuǎn)端連接在一起，立柱7與吊臂8中間段之間連接支 撐伺服缸12,通過支撐伺服缸12的伸縮調(diào)整立柱7與吊臂8的相對夾角。吊臂8的旋轉(zhuǎn)端上固 定有液壓馬達10,液壓馬達10選用CM-E306ALPS雙向液壓馬達，在液壓馬達10上設(shè)置角位移 傳感器9,鋼絲繩11的一端與液壓馬達10連接，另一端跨過吊臂8的自由端后向下延伸并且 連接所吊重物。
[0011] 在穩(wěn)定平臺I中，圓形靜平臺1和圓形動平臺6之間連接三個伺服缸，伺服缸均為普 通的活塞式雙向伺服缸，選用HSGKOl-80/dE雙向伺服缸，三個伺服缸沿圓周方向均勻布置， 三個伺服缸分別是第一伺服缸3-1、第二伺服缸3-2、第三伺服缸3-3。每個伺服缸的下端均 通過一個萬向節(jié)2與圓形靜平臺1相連，每個伺服缸的上端均通過一個萬向節(jié)5與圓形動平 臺6相連。萬向節(jié)2和萬向節(jié)5都是通用的十字萬向節(jié)，安裝時保證每個伺服缸及與之相連接 的萬向節(jié)同軸心，萬向節(jié)2和萬向節(jié)5可以提高穩(wěn)定平臺I對搖擺的補償范圍。在每個伺服缸 上各安裝一個線位移傳感器，第一伺服缸3-1、第二伺服缸3-2、第三伺服缸3-3上的對應(yīng)的 線位移傳感器分別是第一線位移傳感器4-1、第二線位移傳感器4-2和第三線位移傳感器4-3〇
[0012]在圓形靜平臺1和圓形動平臺6的正中間連接方形滑塊支撐柱15,方形滑塊支撐柱 15的下端固定焊接在圓形靜平臺1的正中間上，上端則通過萬向節(jié)13與圓形動平臺6相連， 方形滑塊支撐柱15可防止圓形動平臺6發(fā)生扭轉(zhuǎn)并起到支撐吊機Π 的作用。
[0013 ]連接圓形靜平臺1的三個萬向節(jié)中的每個萬向節(jié)的中心與圓形靜平臺1的中心之 間距離等于|R，R為圓形靜平臺1的半徑值。在緊靠方形滑塊支撐柱15旁側(cè)設(shè)置姿態(tài)傳感器 14,將姿態(tài)傳感器14安裝在圓形靜平臺1上，姿態(tài)傳感器14選用SMC的頂U-108傳感器。
[0014] 參見圖3,方形滑塊支撐柱15上端是上桿15-1，下端是下桿15-2,上桿15-1下端伸 入下桿15-2內(nèi)腔中，隨著三個伺服缸的伸縮，上桿15-1在下桿15-2內(nèi)沿軸向作相對滑動運 動。方形滑塊支撐柱15可防止圓形動平臺6相對圓形靜平臺1發(fā)生扭轉(zhuǎn)和水平移動，使圓形 動平臺6與圓形靜平臺1在運動時始終同軸心，同時起到支撐吊機Π 的作用。
[0015] 參見圖4,第一伺服缸3-1、第二伺服缸3-2、第三伺服缸3-3中的每個伺服缸分別連 接一個電液伺服閥，每個電液伺服閥依次連接功率放大器和D/A模塊，每個D/A轉(zhuǎn)換模塊均 連接于運動控制器，即第一伺服缸3-1依次經(jīng)第一電液伺服閥16、第一功率放大器和第一D/ A模塊后連接運動控制器，第二伺服缸3-2依次經(jīng)第二電液伺服閥17、第二功率放大器和第 二D/A模塊后連接運動控制器，第三伺服缸3-3依次經(jīng)第三電液伺服閥18、第三功率放大器 和第三D/A模塊后連接運動控制器。運動控制器選用M3000M00G伺服控制器。運動控制器經(jīng) 每個伺服閥控制與其相連的