流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀，屬于水利工程試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在研究自升式平臺(tái)插拔粧的過(guò)程中，都是采用單一自由度的豎向加載模式，不實(shí)現(xiàn)水平方向、轉(zhuǎn)動(dòng)方向的多自由度加載，為了更為準(zhǔn)確地模擬海洋水動(dòng)力荷載，需要在試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)嵌入多自由度耦合加載控制系統(tǒng)，并合理設(shè)計(jì)出理想的機(jī)械加載設(shè)備。本發(fā)明就是基于上述關(guān)鍵技術(shù)而提出并研發(fā)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀，以便更好地開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0005]—種流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀，包括支撐架，支撐架上設(shè)置有第一伺服電機(jī)、第二伺服電機(jī)、第三伺服電機(jī)和線性模組，第一伺服電機(jī)、第二伺服電機(jī)、第三伺服電機(jī)分別設(shè)置在支撐架的豎直和水平方向上，線性模組上連接有信號(hào)連接線，信號(hào)連接線另一端連接有PLC控制系統(tǒng)；支撐架下部設(shè)置有罩體，罩體內(nèi)部設(shè)置有試驗(yàn)容器;試驗(yàn)容器內(nèi)部設(shè)置有粧靴，粧靴上連接有粧腿，粧腿頂部連接有第一圓環(huán)、第二圓環(huán)和第三圓環(huán);第一圓環(huán)、第二圓環(huán)和第三圓環(huán)相互垂直設(shè)置;第一圓環(huán)、第二圓環(huán)和第三圓環(huán)上部分別連接有第四伺服電機(jī)、第五伺服電機(jī)、第六伺服電機(jī)。
[0006]上述系統(tǒng)中，還連接有電腦控制系統(tǒng)，電腦控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)相連接，該系統(tǒng)中的六個(gè)自由度包括三個(gè)直線和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)由第一伺服電機(jī)、第二伺服電機(jī)、第三伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)各自的線性模組來(lái)完成;三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)由第一圓環(huán)、第二圓環(huán)和第三圓環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn);具體的工作方式如下:
[0007](I)線性模組產(chǎn)生三個(gè)自由度上的拉壓荷載，具體過(guò)程為，PLC控制系統(tǒng)向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送速度和位移脈沖信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器在脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，控制第一伺服電機(jī)、第二伺服電機(jī)、第三伺服電機(jī)進(jìn)行有方向、有快慢的轉(zhuǎn)動(dòng);第一伺服電機(jī)、第二伺服電機(jī)、第三伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接著三臺(tái)線性模組，第一線性模組通過(guò)四根水平光滑絲杠連接在上部支架上;第二線性模組能夠帶動(dòng)第一臺(tái)線性模組沿著光滑導(dǎo)軌方向平移;第三組線性模組驅(qū)動(dòng)上部支架發(fā)生垂直于四條水平光滑導(dǎo)軌方向的平移;這三組線性模組在空間內(nèi)形成兩兩垂直關(guān)系，分別同獨(dú)立的伺服電機(jī)連接，來(lái)完成三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng);第一線性模組的絲杠與第一伺服電機(jī)、第二線性模組的絲杠與第二伺服電機(jī)、第三線性模組的絲杠與第三伺服電機(jī)同速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而將第一伺服電機(jī)、第二伺服電機(jī)、第三伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變化為平移運(yùn)動(dòng)；
[0008](2)第一圓環(huán)能夠進(jìn)行水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠施加扭矩荷載;第二圓環(huán)和第三圓環(huán)能夠進(jìn)行另外兩個(gè)面內(nèi)的力矩加載，能夠施加力矩荷載；
[0009](3)加載設(shè)備上安裝有荷載、位移傳感器，傳感器獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)作為反饋信號(hào)，傳給土工試驗(yàn)儀器控制模塊。
[0010]通過(guò)粧腿頂部的螺栓連接在加載設(shè)備上，通過(guò)粧腿底部的螺栓連接在粧靴上;粧靴模型有直徑8cm，12cm，18cm的不等;粧腿直徑只有I種，直徑是Icm的合金鋼;粧腿長(zhǎng)度為30cm，兩頭都有螺絲；當(dāng)粧腿需要加長(zhǎng)時(shí)，就通過(guò)螺母將多段30cm的粧腿連接。
[0011]豎軸就是粧腿;粧腿頂端與加載設(shè)備相連;聯(lián)軸器的作用是連接伺服電機(jī)軸承和其他部件的，就是說(shuō)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸先連接到聯(lián)軸器上，然后再通過(guò)聯(lián)軸器連接其他物體，如線性模組或其他轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。之所以采用聯(lián)軸器，是因?yàn)樗欧姍C(jī)的轉(zhuǎn)軸較細(xì)，而其他的軸承直徑一般較粗，兩個(gè)不同直徑的物體沒(méi)法用螺帽連接，所以采用了聯(lián)軸器;聯(lián)軸器可以在兩端，分別連接不同直徑的軸承。
[0012]伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)線性模組產(chǎn)生平移運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)豎軸產(chǎn)生Hx、V、Hy三個(gè)方向上的平移運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與豎軸連接的比尺模型產(chǎn)生Hx、V、Hy三個(gè)方向上的平移運(yùn)動(dòng)。其中，H是英語(yǔ)horizontal的縮寫(xiě)，Hx表示X軸方向的水平位移或荷載;Hy表示y軸方向的水平位移或荷載;V表示豎向荷載，vertical的意思。同理Mx中M為力矩moment的意思。線性模組實(shí)現(xiàn)了豎直方向的水平移動(dòng);然后該線性模組被安裝在一個(gè)可以在水平平面內(nèi)移動(dòng)的架子上，這樣就實(shí)現(xiàn)了加載設(shè)備三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)。在三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性模組的情況下，就可以使得加載設(shè)備發(fā)生三個(gè)方向的水平移動(dòng);加載設(shè)備下部的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng);這樣就完成了六個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0013]該發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明是一項(xiàng)土工試驗(yàn)設(shè)備，其實(shí)現(xiàn)了空間內(nèi)6個(gè)自由度的耦合加載功能，能夠進(jìn)行海洋工程領(lǐng)域內(nèi)的土工模型試驗(yàn)，采用雙閉環(huán)自動(dòng)化控制，嵌入了自主推導(dǎo)的六自由度加載程序，改進(jìn)了當(dāng)前自升式平臺(tái)插拔粧過(guò)程中I個(gè)自由度或2個(gè)自由度的土工加載儀，使用更加方便，效果更好。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中所使用裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中的圓環(huán)局部放大示意圖。
[0016]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的圓環(huán)運(yùn)動(dòng)示意簡(jiǎn)圖。
[0017]圖中標(biāo)記說(shuō)明:1、支撐架;2、第一圓環(huán);3、粧腿;4、罩體;5、試驗(yàn)土槽;6、第一伺服電機(jī);7、第二伺服電機(jī);8、第三伺服電機(jī);9、信號(hào)連接線；10、PLC控制系統(tǒng)；11、第一線性模組；12、粧靴；13、第二圓環(huán)；14、第三圓環(huán)；15、第四伺服電機(jī)；16、第五伺服電機(jī)；17、第六伺服電機(jī);18、第二線性模組。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便更好的理解本發(fā)明。
[0019]實(shí)施例
[0020]如圖1所示的流-固-土多項(xiàng)耦合六自由度單、雙向靜動(dòng)態(tài)加載儀，包括支撐架I，支撐架I上設(shè)置有第一伺服電機(jī)6、第二伺服電機(jī)7、第三伺服電機(jī)8和第一線性模組11，第一伺服電機(jī)6、第二伺服電機(jī)7、第三伺服電機(jī)8分別設(shè)置在支撐架I的豎直和水平方向上，第一線性模組11上連接有信號(hào)連接線9，信號(hào)連接線9另一端連接有PLC控制系統(tǒng)10;支撐架I下部設(shè)置有罩體4，罩體4內(nèi)部設(shè)置有試驗(yàn)容器5 ；試驗(yàn)容器5內(nèi)部設(shè)置有粧靴12，粧靴12上連接有粧腿3，粧腿3頂部連接有第一圓環(huán)2、第二圓環(huán)13和第三圓環(huán)14;第一圓環(huán)2、第二圓環(huán)13和第三圓環(huán)14相互垂直設(shè)置;第一圓環(huán)2、第二圓環(huán)13和第三圓環(huán)14上部分別連接有第四伺服電機(jī)15、第五伺服電機(jī)16和第六伺服電機(jī)17。
[0021]上述系統(tǒng)中，還連接有電腦控制系統(tǒng)，電腦控制系統(tǒng)與PL C控制系統(tǒng)1相連接，該系統(tǒng)中的六個(gè)自由度包括三個(gè)直線和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)由第一伺服電機(jī)6、第二伺服電機(jī)7、第三伺服電機(jī)8驅(qū)動(dòng)各自的線性模組來(lái)完成;三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)由第一圓環(huán)2、第二圓環(huán)13和第三圓環(huán)14來(lái)實(shí)現(xiàn);具體的工作方式如下:
[0022](I)第一線性模組11產(chǎn)生3個(gè)自由度上的拉壓荷載，具體過(guò)程為，PLC控制系統(tǒng)10向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送速度和位移脈沖信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器在脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，控制第一伺服電機(jī)6、第二伺服電機(jī)7、第三伺服電機(jī)8進(jìn)行有方向、有快慢的轉(zhuǎn)動(dòng);第一伺服電機(jī)6、第二伺服電機(jī)7、第三伺服電機(jī)8通過(guò)聯(lián)軸器分別連接著第一線性模組11、第二線性模組18和第三線性模組，一共三個(gè)線性模組，分別跟伺服電機(jī)鏈接，來(lái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，第一線性模組11的絲杠與第一伺服電機(jī)6、第二線性模組的絲杠與第二伺服電機(jī)7、第三線性模組的絲杠與第三伺服電機(jī)8同速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而將第一伺服電機(jī)6、第二伺服電機(jī)7、第三伺服電機(jī)8的轉(zhuǎn)動(dòng)變化為平移運(yùn)動(dòng)；
[0023](2)如圖2所示，第一圓環(huán)2能夠進(jìn)行水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠施加扭矩荷載;第二圓環(huán)13和第三圓環(huán)14能夠進(jìn)行另外兩個(gè)面內(nèi)的力矩加載，能夠施加力矩荷載；
[0024](3)加載設(shè)備上安裝有荷載、位移傳感器，傳感器獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)作為反饋信號(hào)，傳給土工試驗(yàn)儀器控制模塊。
[0025]通過(guò)粧腿頂部的螺栓連接在加載設(shè)備上，通過(guò)粧腿底部的螺栓連接在粧靴上;粧靴模型有直徑8cm，12cm，18cm的不等;粧腿直徑只有I種，直徑是Icm的合金鋼;粧腿長(zhǎng)度為30cm，兩頭都有螺絲；當(dāng)粧腿需要加長(zhǎng)時(shí)，就通過(guò)螺母將多段30cm的粧腿連接。
[0026]豎軸就是粧腿;粧腿頂端與加載設(shè)備相連;聯(lián)軸器的作用是連接伺服電機(jī)軸承和其他部件的，就是說(shuō)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸先連接到聯(lián)軸器上，然后再通過(guò)聯(lián)軸器連接其他物體，如線性模組或其他轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。之所以采用聯(lián)軸器，是因?yàn)樗?