專利六自由度吊機

1、發(fā)明名稱一種具有多自由度主動波浪補償功能的吊機裝置摘要一種具有多自由度主動波浪補償功能的吊機裝置，主要由穩(wěn)定平臺和通用吊機兩大部分組成。其中穩(wěn)定平臺的靜平臺與船舶的甲板相連，動平臺與吊機的立柱相連。穩(wěn)定平臺主要用于補償船舶的橫搖、縱搖和升沉運動，吊機主要用于執(zhí)行吊裝貨物的任務(wù)。本裝置可以有效的補償船舶由風浪引起的橫搖、縱搖和升沉，確保吊機在執(zhí)行吊裝作業(yè)時保持平穩(wěn)、有效。本裝置具有穩(wěn)定性高、成本低、功能多等優(yōu)點。權(quán)利要求書1.一種具有多自由度主動波浪補償功能的吊機裝置，其特征在于：主要由穩(wěn)定平臺和通用吊機這兩大部分組成。其中，穩(wěn)定平臺主要用來對船舶的橫搖、縱搖和升沉進行補償，通用吊機主要執(zhí)行吊裝

2、貨物的任務(wù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多自由度主動波浪補償功能的吊機裝置，其特征是通用化的吊機結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多自由度主動波浪補償功能的吊機裝置，其特征是：還包括底座裝置；包括：圓形靜平臺（1）、第一波浪補償伺服缸（3-1）、第二波浪補償伺服缸（3-2）、第三波浪補償伺服缸（3-3）、第四波浪補償伺服缸（3-4）、第五波浪補償伺服缸（3-5）、第六波浪補償伺服缸（3-6）、圓形動平臺（6）、液壓馬達（9）、支撐伺服缸（10）和姿態(tài)傳感器（12）。穩(wěn)定平臺所用的伺服缸均為普通的活塞式雙向伺服缸；六個波浪補償伺服缸的兩端分別通過萬向節(jié)與動平臺和靜平臺相連；姿態(tài)傳感器（1

3、2）安裝在圓形靜平臺（1）的中心位置。圓形動平臺（6）和吊機立柱（7）通過螺栓連接；圓形靜平臺（1）通過螺栓固接在船舶的甲板上。4.根據(jù)權(quán)利要求2，3所述的一種具有多自由度主動波浪補償功能的吊機裝置，其特征是：通過安裝在圓形靜平臺（1）中心位置的姿態(tài)傳感器（12）測量由風浪引起船舶的橫搖、縱搖和升沉姿態(tài)數(shù)據(jù)，將測得的姿態(tài)數(shù)據(jù)實時傳輸給運動控制器，由運動控制器計算出船舶的橫搖、縱搖和升沉補償量，并把補償值轉(zhuǎn)化為信號指令并實時傳輸給六個波浪補償伺服缸，通過六個補償伺服缸的往復(fù)伸縮和搖擺來實時對船舶的橫搖、縱搖和升沉進行補償，確保吊機在執(zhí)行吊裝任務(wù)時保持平穩(wěn)、有效。一種具有多自由度主動波浪補償功能的

4、吊機裝置技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬于一種主動波浪補償?shù)鯔C，尤其涉及一種具有多自由度主動波浪補償功能的船用吊機裝置。背景技術(shù)隨著經(jīng)濟的全球化發(fā)展,資源己成為各國發(fā)展的重要保障。海洋資源豐富，具有高性能的海洋工程裝備己成為開采海洋資源的重要工具，因此需加大對海洋領(lǐng)域研究的深入，船舶海上補給已顯得愈發(fā)重要，海上補給具有多樣性，海上補給裝備有橫向補給裝備、縱向補給裝備、并靠補給裝備和垂直補給裝備等。由于風浪的影響，海上補給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。因此，必須對海上補給裝置進行波浪補償，以提高海上補給的工作效率。波浪補償分為主動補償和被動補償兩種。被動補償系統(tǒng)由隨動裝置和執(zhí)行器組成

5、，這種補給系統(tǒng)的參數(shù)一般是通過經(jīng)驗設(shè)定的，一經(jīng)確定，在補給作業(yè)中就無法隨外部狀態(tài)變化而變化，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，影響補給作業(yè)的安全高效性。主動補償系統(tǒng)主要由傳感器、控制器和執(zhí)行器組成，其中核心部分為控制器?？刂破鞲鶕?jù)傳感器檢測到的船舶平臺相對運動信號，產(chǎn)生一種與之大小相同且方向相反的驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)控制執(zhí)行器實現(xiàn)實時補償，在現(xiàn)有的主動波浪補償裝置中，現(xiàn)有的主動波浪補償平臺承重能力小，穩(wěn)定性差，對船舶升沉的補償范圍小，無法滿足實際需要；且現(xiàn)有的通用AHC（主動升沉補償）吊機只能補償船體的升沉，無法實現(xiàn)對船體橫搖和縱搖的補償。針對上述研究背景，本發(fā)明設(shè)計了一種多自由度主動波浪補償?shù)鯔C裝置，能

6、夠在對船舶的橫搖、縱搖和升沉進行大范圍補償?shù)耐瑫r平穩(wěn)的執(zhí)行吊裝任務(wù)，具有穩(wěn)定性高、成本低、功能多等優(yōu)點。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在提供一種基于多自由度并聯(lián)穩(wěn)定平臺機構(gòu)的具有主動波浪補償功能的吊機裝置，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，并平穩(wěn)有效地執(zhí)行吊裝貨物的任務(wù)。為達到上述目的，本發(fā)明設(shè)計了一種在對船舶的橫搖、縱搖和升沉進行大范圍實時補償?shù)耐瑫r執(zhí)行吊裝任務(wù)的新式吊機裝置。該裝置主要包括以下構(gòu)件：靜平臺、動平臺、姿態(tài)傳感器、伺服缸、液壓馬達、伺服閥、十字萬向軸、運動控制器、400L液壓泵站等。其中姿態(tài)傳感器的信號輸出端接入運動控制器，伺服閥的信號輸入端用于接收運動控制器處理過的信

7、號，伺服閥的輸出端連接液壓缸，液壓泵站為本裝置提供液壓動力。本發(fā)明包括以下結(jié)構(gòu)特征：（1）所屬機構(gòu)為具有對由風浪引起船舶的橫搖、縱搖和升沉進行實時補償和平穩(wěn)執(zhí)行吊裝任務(wù)這兩種功能的新式裝置；（2）所述的六個補償伺服缸均通過萬向節(jié)與靜平臺和動平臺相聯(lián)；（3）所述的穩(wěn)定平臺用于補償船舶的橫搖、縱搖和升沉，吊機用于執(zhí)行吊裝貨物的任務(wù)；本發(fā)明注重的是在對船舶的橫搖、縱搖和升沉進行大范圍補償?shù)耐瑫r平穩(wěn)有效地執(zhí)行吊裝任務(wù)。本裝置在海上執(zhí)行吊裝貨物任務(wù)時，通過姿態(tài)傳感器測量船舶的橫搖、縱搖和和升沉的運動參數(shù)并實時傳輸給運動控制器，運動控制器根據(jù)波浪補償值的反解算法計算出橫搖、縱搖及升沉的補償值，將算出的波浪

8、補償值由數(shù)字信號經(jīng)數(shù)/模器轉(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，伺服閥根據(jù)處理后的模擬信號控制6個伺服缸的運動，實現(xiàn)對船舶橫搖、縱搖和升沉的實時補償，同時平穩(wěn)有效的執(zhí)行吊裝貨物的任務(wù)。本發(fā)明能夠大范圍的補償船舶的橫搖、縱搖和升沉運動，并同時執(zhí)行吊裝貨物的任務(wù)。該裝置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、功能多等特點。附圖說明圖1為本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)簡圖；圖4為本發(fā)明的液壓系統(tǒng)原理圖；圖5為本發(fā)明的控制原理圖圖中: 1.圓形靜平臺、2.十字萬向節(jié)、3-1.第一伺服缸、3-2.第二伺服缸、3-3.第三

9、伺服缸、3-4.第四伺服缸、3-5.第五伺服缸、3-6.第六伺服缸、4-1.線位移傳感器、4-2.線位移傳感器、4-3.線位移傳感器、4-4.線位移傳感器、4-5.線位移傳感器、4-6.線位移傳感器、5.十字萬向節(jié)、6.圓形動平臺、7.吊機立柱、8.吊臂、9.液壓馬達、10.支撐伺服缸、11.鋼絲繩、12.姿態(tài)傳感器。具體實施方式現(xiàn)結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進一步描述。本發(fā)明使用的裝置型號是：姿態(tài)傳感器選用SMC的IMU-108傳感器；伺服缸選用HSGK01-80/dE雙向伺服缸；液壓馬達選用CM-E306ALPS雙向液壓馬達；伺服閥選用MOOG-D663-4025伺服閥；線位移傳感器選用的型

10、號是LWH-0450；十字萬向節(jié)選用15*40萬向節(jié)；運動控制器選用M3000MOOG伺服控制系統(tǒng)，以及400L液壓泵站。圖1所示為本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖中包含穩(wěn)定平臺和通用吊機兩部分。其中，穩(wěn)定平臺中的圓形靜平臺1通過螺栓固定在船舶的甲板上；圓形動平臺6與通用吊機的立柱7通過螺栓連接且安裝時要保證兩者同軸心。吊臂8通過銷軸與吊機立柱7連接在一起，支撐伺服缸10安裝于立柱7與吊臂8之間，通過支撐伺服缸10的伸縮調(diào)整立柱7與吊臂8的相對角度；液壓馬達9固定在吊臂8上，鋼絲繩11用于連接重物。圖2為穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。在穩(wěn)定平臺中，主要包含圓形靜平臺1、第一伺服缸3-1、第二伺服缸3-2、第

11、三伺服缸3-3、第四伺服缸3-4、第五伺服缸3-5、第六伺服缸3-6、線位移傳感器4-1、線位移傳感器4-2、線位移傳感器4-3、線位移傳感器4-4、線位移傳感器4-5、線位移傳感器4-6、十字萬向節(jié)5及姿態(tài)傳感器12。圖3為穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)簡圖。為了能夠清晰的表達伺服缸和上下平臺的安裝關(guān)系，建立以動平臺中心為原點的坐標系和以靜平臺中心為原點的坐標系。在圖3中，為六個伺服缸與動平臺的連接點，六個連接點位于半徑為R1的圓周上；為六個伺服缸與靜平臺的連接點，六個連接點位于半徑為R2的圓周上（R2>R1）。上連接點與下連接點間的初始垂直距離為。由圖3可知，在以動平臺中心為原點的坐標系中，各個連接

12、點的位置分布如下：與軸夾角為，且與關(guān)于軸對稱，與軸夾角為，與之間的夾角為，和分別為和的角平分線，且和之間的夾角為；與關(guān)于軸對稱，與關(guān)于軸對稱。在以靜平臺中心為原點的坐標系中，各個連接點的位置分布如下：與軸夾角為，且與關(guān)于軸對稱，與軸夾角為，與之間的夾角為，和分別為和的角平分線，且和之間的夾角為；與關(guān)于軸對稱，與關(guān)于軸對稱。伺服缸3-1通過連接點和與動平臺和靜平臺相連，伺服缸3-2通過連接點和與動平臺和靜平臺相連，伺服缸3-3通過連接點和與動平臺和靜平臺相連，伺服缸3-4通過連接點和與動平臺和靜平臺相連，伺服缸3-5通過連接點和與動平臺和靜平臺相連，伺服缸3-6通過連接點和與動平臺和靜平臺相連。

13、圖4為本裝置的液壓系統(tǒng)原理圖。其中由泵站和溢流閥為系統(tǒng)提供額定壓力的液壓油。電液伺服閥1318分別控制伺服缸3-1、3-2、.、3-6，通過穩(wěn)定平臺中的6個伺服缸往復(fù)伸縮和搖擺來實時補償船舶由風浪引起的橫搖、縱搖和升沉；電液伺服閥19控制支撐伺服缸10對吊臂8實現(xiàn)支撐和旋轉(zhuǎn)；手動輸入吊裝貨物的控制信號傳輸給電液伺服閥20，來控制液壓馬達9執(zhí)行吊裝貨物的任務(wù)。 圖5為本發(fā)明的主動波浪補償控制系統(tǒng)，包括姿態(tài)傳感器，運動控制器，A/D，D/A，電液伺服閥13，電液伺服閥14，電液伺服閥15，電液伺服閥16，電液伺服閥17，電液伺服閥18，伺服缸3-1，伺服缸3-2，伺服缸3-3，伺服缸3-4，伺服缸

14、3-5，伺服缸3-6，其中姿態(tài)傳感器的輸出端連接運動控制器的輸入端，運動控制器的輸出端連接D/A的輸入端，D/A的輸出端連接電液伺服閥13-18，電液伺服閥13-18的輸出端連接伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4、3-5和3-6，線位移傳感器4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6的輸入端連接伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4、3-5和3-6，輸出端連接A/D的輸入端，A/D的輸出端連接運動控制器。本發(fā)明涉及的一種具有多自由度主動波浪補償功能的船用吊機，主動波浪補償?shù)木唧w控制過程如下：1、若船舶在海里運動時受到風浪的影響發(fā)生橫搖、縱搖和升沉，為保證多自由度主動補償?shù)鯔C在執(zhí)行吊裝作業(yè)時

15、的平穩(wěn)性，需要對船舶的橫搖、縱搖和升沉進行補償，具體補償過程如下:步驟1：開啟電源，給裝置中的姿態(tài)傳感器，運動控制器等部分供電預(yù)熱。步驟2：通過安裝在靜平臺上重心位置的姿態(tài)傳感器12測量船舶由風浪引發(fā)的橫搖、縱搖和升沉值，將測得的姿態(tài)值通過數(shù)據(jù)總線RS422實時傳輸給運動控制器。步驟3：運動控制器根據(jù)波浪補償值的反解算法，求出船舶橫搖、縱搖和升沉的補償值；其中反解算法是指：首先根據(jù)姿態(tài)傳感器12測出船舶由風浪引起的運動姿態(tài)值（橫搖、縱搖和升沉值），假設(shè)測出的船舶的運動姿態(tài)值分別為，然后根據(jù)測得的船舶運動姿態(tài)值求出伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4、伺服缸3-5和伺服缸3-6

16、的運動值，假設(shè)分別為，為了抵消風浪對船舶的影響，必須控制伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4、伺服缸3-5和伺服缸3-6的運動值與上述求出的運動值相反，即（）；其中表示為補償船舶橫搖、縱搖和升沉伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4、3-5和3-6的運動值，上述公式即為波浪補償值的反解算法。步驟4:將求出的船舶橫搖、縱搖和升沉波浪補償值由數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后變成模擬信號，模擬信號經(jīng)伺服放大器傳輸給電液伺服閥13-18。步驟5：電液伺服閥13-18根據(jù)輸入的船舶橫搖、縱搖和升沉補償值的模擬電信號輸出相應(yīng)的流量和壓力分別控制伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4

17、、伺服缸3-5和伺服缸3-6的伸縮和搖擺，以此來實時補償船舶由風浪引起的橫搖、縱搖和升沉。步驟6：利用線位移傳感器4-1、4-2、4-3、4-4、4-5和4-6測量出伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4、伺服缸3-5和伺服缸3-6的位移值；將測得的位移值由模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號反饋給運動控制器。步驟7：將反饋給運動控制器的伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4、伺服缸3-5和伺服缸3-6的位移值和反解算法求出的為補償船舶橫搖、縱搖和升沉的六個伺服缸的運動位移值構(gòu)成運動控制偏差，其中運動控制偏差是指：反解算法求出的六個伺服缸的運動位移值