（机械电子工程专业论文）水下修理平台对接装置控制系统的研究.pdf

哈尔滨j ：程火学硕士学位论文 摘要 本文是结合海军装备部“十五”重点研究项i f l “水下修理平台对接装置” 的研制工作进行的。本文论述了水下对接技术的国内外的研究动态和研究意 义。论证了对接装置的总体方案，对六自由度并联机构液压缸的受力进行了 分析和计算，分析了并联机构装置动平台的作业空间。同时设f - r - t 六自由度 并联机构装置的总体控制方案，论述了液压伺服控制系统，对单缸控制系统 的性能品质进行了分析和仿真。 对针对接实验装置的方案，设计了基于8 9 c 5 1 单片机的控制系统硬件电 路，其中包括a d 转换电路、d a 转换电路、伺服阀驱动电路、电磁阀驱动 电路、p c 机与单片机之间通讯的接口电路等，并完成了控制系统硬件电路的 调试。 针对控制系统硬件电路即对接过程策略，用c 5 1 编制了直接控制机8 9 c 5 1 单片机的软件；采用v b 高级语言编写了p c 机的显控软件及通讯程序；并对 上下位机的软件进行了调试，实现了在控制面板上实时显示对接信息，完成控 制系统软硬件的联调。 在水箱中进行了对接装置的实验联调，综合显控系统实现了对对接装置 的控制，并能实时显示对接装鬻的状态，同时测试了橡胶气囊密封性能，验 证了该种水下密封形式的可行性。 关罐词： 对接装置；控制系统；通讯；密封 哈尔滨：t ：程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri sb a s e do nt h ei m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c t “i n t e r f a c i n g a p p a r a t u s o fu n d e r w a t e rr e p a i r i n gf l a t f o r m ”a m o n gt h e “t e n f i v e ” p r o j e c to ft h ed e p a r t m e n to ft h en a v e le q u i p m e n t t h ep a p e rd i s c u s s e s t h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n di n t e r n a la n de x t e r n a lr e s e n td e v e l o p m e n t o ft h eu n d e r w a t e ri n t e r f a c i n gt e c h n o l o g y t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h e w h o l ep r o j e c to ft h ei n t e r f a c i n ga p p a r a t u s ，a n a l y s e sa n dc a l c u l a t e s t h ef o r c eo ft h eh y d r a u l i ec y l i n d e ro ft h es i x d e g r e ep a r a l l e l s t r u c t u r ea n dt h ew o r k s p a c eo ft h em o v i n gf l a tr o o fo ft h ep a r a l l e l a p p a r a t u s a tt h es a i i l et i m e ， i td e s i g n st h ew h o l ec o n t r o lp r o j e c t o ft h e s i x d e g r e ep a r a l l e l s t r u c t u r ea p p a r a t u s ，d i s c u s s e st h e h y d r a u li c - s e r v oc o n t r o ls y s t e m ，a n a l y s e sa n ds i m u l a t e st h ec h a r a c t e r o ft h ec o n t r o l s y s t e mo ft h es i n g l eh y d r a u l i ce y l i n d e r a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c to ft h ei n t e r f a e i n ge x p e r i m e n t a la p p a r a t u s t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ec o n t r o ls y s t e mw i t h8 9 c 5 1 s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e rh a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d et h ec i r c u i tf r o ma n a l o g s i g n a l t o d i g i t e l s i g n a l sa n dt h ec i r c u i tf r o md i g i t a l s i g n a l st o a r e a l o gs i g n a l s ，t h ed r i v ec i r c u i to ft h ee l e c t r o m a g n e t is m v a l v ea n d s e r v o v a l v e ，t h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nt h e s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e ra n dp ca n ds oo n a 1 1t h eh a r d w a r ec i f c u i t s h a v eb e e nt e s t e d ， t h es o f t w a r ei nc 5 1l a n g u a g eo ft h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rh a s b e e n d e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls t r a t e g ya n d t h eh a r d w a r e c i r c u i t ：t h ei n t e g r a t e dd i s p l a ya n dc o n t r o ls o f t w a r ea n dc o m m u n i e a t i o n 哈尔滨 程大学硕士学位论文 s o f t w a r ei sd e v e l o p e di nv ba d v a n c e dl a n g u a g ei np c ：t h es o f t w a r eo f t w oa s p e c t sh a sb e e nt e s t e d t h ef u n c t i o no fd i s p l a y i n gt h ei n t e r f a c i n g s t a t u sa ta c t u a lt i m eh a sb e e nr e a l i z e do nc o n t r o lp a n e i t h ec o m b i n e d t e s to ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a sa l s ob e e nd o n e t h ee x p e r i m e n to ft h ei n t e r f a c i n ga p p a r a t u sh a sb e e nd o n ei nt h e w a t e rt a n k t h ef u n c t i o no fc o n t r o l l i n gt h ei n t e r f a c i n ga p p a r a t u sh a s b e e nr e a l i z e da n dt h es t a t u so ft h e i n t e r f a c i n ga p p a r a t u sh a sb e e n d i s p l a y e di np c a tt h es a m et i m e ，t h eh e r m e t i cc h a r a c t e ro ft h el a t e x g a s b a gh a sb e e nt e s t e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h ek i n do ft h eu n d e r w a t e r h e r m e ticf o r mh a sb e e nv a l i d a t e d k e yw o r d s ：i n t e r f a c i n ga p p a r a t u s ；c o n t r o l s y s t e m ：c o m m u n i c a t i o n h e r m e t i c 嗡尔滨工程大学硕士学位论塞一i i i i i i i i i i i 一 一 第1 章绪论 1 。伸是题来源及研究的嗣的翻意义 本课题来源子船舶修理研究蹶委托馁务，海琴装备部十五重点研究璞 嗣。舀的是萋于舰船失事豹背景环境，研究一种装在抢修作她船上的对接装 嚣，阱实现对接装置与失事腿船的正确对接及密封，并完成榍废的捻修工 乍， 以鼓终达到溉船能够在短时问内实现重新作战的能力。 水中对接是水中两个独立的舱室对接密封后联结成为个整体，对接 毯捂结构上韵联接鞠两者闯的密封。诗前水下对接童谣在援潜救生上，即救 生艇对失事艇的救援中得到威用和发展。二十一世纪是海洋强发的擞纪，地 球7 1 的面捩楚海洋，我国海洋辽阔，可管辖静海域蕊积近3 0 0 力平方公罩， 海洋给人类掇供了丰富的资源，当今世界的资源竞争在很大稷度上就是海洋 豹竞争。随卷海洋事渡麓不断发震，入类在海底豹涌动越来越多，水下对接 技术将在未来海底居健舱室巾人员的转移和物资的供给等方颟起到重震的作 弱。灞魏，纛论在海洋开发，还楚褒援潜藏辍上，水下对接技术都膏重要韵 研究意义和广阔的应用前景。水下对按技术不但包括援港救生，还包括对水 下善耱船灵魏靛蕤静援救与修理。零文裁是舒辩觏船修理丽骈究设计的一种 水下修理平台对接试验装嚣“j 。 艇麓怒海军瘦掰最多豹工具，其有较撩静灵滔橇动鹣。随着餐阐在海 洋的争夺也同髓加剧，舰船的数量逐年增加，然而事故也屡照不鲜。据国外 有关热门投道，1 9 9 0 笨鞋来囊予荟静漾霆失攀靛耱瑟瑟遮1 7 0 艘。使溺稔修 作业船进行战舰抢修，是种能在恶劣环境下实现战舰抢救的重要手段 i j 。 交予承中戆愦况 零熬复杂，实魂对战怒鹣疆嚣日瓣嵇凳骖菲常困 难，海流的大小，能见度的好坏等不可测因豢直接影响对接的成功与否。我 国是一个鼹艟大蟹，海军尤其逐痞受着爨里程黧海疆霸解放台湾翁重要使命。 因此，我们国家有理幽及现实意义进步开展新型抢修作业船的研究。而在 一i i i i i 譬玺鎏王黧銮耋鎏立主耋；至銮 一。- _ _ _ _ i _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ i _ _ _ - _ o o o o o 。一 抢修作业船的作业过程中，对接装爨鲍对接及密封的工作尤为重要，直接影 响到抢修 救工作的成功与否。可见，本谦题所研究的内容有很大的观实意 义。 1 2 国内外相关领域研究现状及发展方向 水下对按技术包括深潜救生和对普通舰船对接修理等。目前，各个国家 在这方瑟都露了一是麴菝术德备。 ( 1 ) 深潜救生 级鼹毽器土一些主要海翠謇家静发震，蔟鞍援失事灌艇豹方法主要有鲁 由上浮法、快速上浮法、着装减压法、救生钟救援法、深潜救生艇救援法、 救，土球救援滚、打捞救援法譬艮耱救援方法。魄较冗耱救援方法，认为鑫蕊 式深潜救生艇的机动性、可靠性和实用性等指标大大优于其他救生系统。深 港救生艇救援毒硬秘方法： 1 ) 悬浮湿救救生艇悬浮在失事艇上方，通邋救生裙内的液压绞车挂 钩联接失事艇，失攀艇内的人员沿绳索进入救生艇内。这秘方法震经减压z 能进入常压环境，救生时间妖，效率低，且受失事艇深度的限制。 2 ) 对口平救救生艇的对接撵与失事艇的对接平台对接密越、接黪褪 内海水后，打开舱盖，失事艇内的人员直接进入救生艇。对阴干救是深潜救 生艇救生的熬要方法d 】。 ( 2 ) 舰船对接修理 在国内有关水下舰艇抢修的研究不是很多，还停篷在褪步麴磅究盼段。 而空例对接嚣及潜艇救援对接器的对接机构中，大多说采用并联机构。在国 外六自由度并联机构的相应技术已达到成熟，尤其在飞行模拟器和妻：联枣i 床 的研究领域，阉内一黧大学和研究机构在九十年代初期也开始了对并联机构 的研究，并取得了一定的成效。以下怒并联枫构在提成领域黔应用帮发展。 1 ) 运动模拟器 】9 6 5 苹，s t e w a r t 蘑先掩拯蝰舞鞭援穆爆俸镤练飞撬驾鼗瑟翡飞行模掇 器，因而这种有两个平台和六根驱动杆所组成的并联机构也被称为“s t e w a r t 晗尔滨：f ：糕入学硕士学能论文 机构”。对般的运动模拟嚣丽言，其运动空蒯并不要求很大，主要强调能够 对各种状态下的加速度进行模拟，并且要求蕻有较尚的承载能力，而这些方 面并联机构楣对于审联机构有着明显的优势。图1 1 为f r a s c a 公嗣研制贻 飞行模拟器。舀箭除了飞行模拟器外并联机构还广泛应用予汽车，潜艇等其 爱1 1f r a s c a 公谣研制静飞幸亍模擞器 他运动模拟器，以及娱乐业的动感电影院等方面 。 2 ) 船对接视构 荠联搬梅还县窍良磐懿力嫒痤镶，匿懿斑鼓盛瘸在空瘸飞爨对接方瑟， 同样在航海上也有类似的应用，如潜艇救援可以用并联机构对潜艇进行对 接。 3 ) 并联机床 1 9 9 4 年，g i d d i n g s & l e w i s 公司在美国慧热爵i 瓣s 9 4 博览会上蕾次震 出了并联机床，标志着并联机构正式进入机床领域。此后各国也纷纷加入 这一领域熬磅究。我匿各藏校帮科磺单位魄投入了力量进行了研究。清华 大学，天津大学，嗡尔滨工业大学，东北大学分别研制出了各自的并联机 床撵机“，溷1 。2 为h e x e lt o r n a d o 公司生产的并联辊床。 4 ) 微动机构 睹尔滨工程大学硕士学饪论文 图1 2h e x e lt o r n a d o 公司生产的并联机床 这种机构要求熊够迸彳予精密的细微操中譬，对工作空间簧求一般也不高， 但对糟度和刚度要求较高，并且不蒋望有摩擦及滋后作用，因丽采用并联 枫构更为通合。并联式微动机构的个应塌实例怒治疗视网膜静脉堵塞的 瀚1 3 莠联镦鍪i 机器人 眼科手术，此外并联机构也用于误差补偿器的研究上。哈尔滨工业大学在 微动机器入的研究上已有了一定的研究成桑，图1 3 为并联微型机器人。 嗡尔滨1 ：穰人学硕士学位论文 i i ；i _ - _ _ _ _ _ _ _ _ i i i i i i i - _ _ 一 深潜救生与舰船修理是水下对接技术的爨中体现。前者主要体现的是水 下丞赢对接，而后者则是水下水平对接。 经过对资料蛉收集和整理，六自出度并联机构的性能积优点非常适合本 课题的要求，故此最终决定采用并联羊凡构作为整个装溉的主体结构 1 3 论文主要研究内容及技术途径 率论文主要稷攒装鬟爱颈麓要达到熬稼准，完戏整令装嚣控潮系统鳃惑 体方粱论证，完成相应的硬件电路设计及软件设计。并能在相应的环境下进 谤调试试验。其体磅究内容如下： ( 1 ) 单个液压缸控制系统模型的建立，进行p i d 算法的研究。采用m a t l a b 较 孛实现对控铡系绕模型的仿真。 ( 2 ) 采用p r o t e l 软件来实现对下位机( 9 9 c 5 1 荜片机) 外围硬件电路 熬设诗及姻应滚压元 孛驱动魄路夔设计及调试。本控锻系统采爱下佼礁为擎 片机，上位机为p c 机这样一种上下位机的通讯控制方式。具体的硬件电路示 圈1 4 硬件电路示意图 意图翔图i 4 。设计了压力传感嚣穰壹线位移传感器的静滴理宅路、毫磁阔 驰动电路、伺服阀驱动电路及单片机相应的一些外围电路等。同时也设计了 p e 撬与挚冀氍之澜酌通讯接1 ：2 电路。 ( 3 ) 控制系统软件的设计。包括上位机( p c ) 与f 位机( 9 9 c 5 1 单片机) # 奢尔滨 ! ：椒大学硕士学位论文 一1 1 1 h i i i i ii _ _ 的稷序软件设计。p c 枫软件采用v i s u a lb a s i c 6 。0 赢缀语毒编写，采用e 语 言实观对下位机的软件编程。目前，此软件已经完成了试验调试，蒸本上能 达到控制要求。 ( 4 ) 陆上试验联调。将抢修作妲船对羧试验装嚣机械本体、液压系统、 控制系统硬件与软件程序逑接起来，进行试验联调。并对整个对按装置的 密封效梁邈行测试。 完成本学位论文的技术途径如图l 。5 避诎接日 控带4 系缆模型的建立叫m a t l a b 硬毂：电路设计与势砉蠢卜叫p r o t e l 对萃片瓤瀚赣耱靛计啼| e 语言 p c 视酌软件设计卜州v i s u a lb 图1 5 技术途径与方法流程图 6 略尔滨一翻鼙大学硕士学谴论文 第2 章水下修理平台对接装置总体方案分析 2 1 引言 本章主要势爨承下骖理平台对援装鬟懿构成及装嚣总镕黥控麓方案。势 对数罱的作业空间作以分析。同时对装置各个传感嚣的选用进行了蜕明。 2 2 对接装置的总体构成 该凝桷添爱龚登6 - s p s 势联穰稳，动平台带辩羧裙与失栾船对羧，霞是 平台( 法兰) ，与抢修船法兰圃联，两中心角为3 0 。9 0 。，此种机构的工作 空阊惩一令有一定蓐度的蘑菇空闻。六个液蕊缸两端的共点多轴线运动副采 用球铰。机构的特征尺寸参数如下： 自由度数 6 线移动液压缸数6 动平台外接圆蕨【径2 3 0 0 m m 定平台步 接藏爨径2 7 0 0 嚣n 六边形长边对角 9 0 0 六边影短逮对角 3 0 。 动平台球铰自i ；| 度数3 定平台球铰音国度数 3 在综合考虑对密瓣的要求萃其他趿素后，提出的终梭簿图瓤圆2 + l 所示。 密封采用充气气囊密封形式，气囊边加有一圈碗橡胶裙，可增大密封性能。当 虑部搦宠水出内外压麓捷气囊贴紧黪锩表瑟。往气囊凌帮充气霹实蠛楚穆瓣 与被修船的顺利分离。此外，密封气囊能顺应与船体大曲率对接要求。波纹 哈尔滨一 ：程大学硕士学位论文 管采用钢丝增强型橡胶胶管，内含冈i 丝弹簧嚣架，可默减少抢修 乍渡船对被 修胄诗对接时的冲击。动平台在并联机构的带动下可以到达工作空间的任意位 爨以透应不同对接澎式。 图2 1 对接装置结构简圈 怼接装鬟包括以下足令主要缀成部分 ( 1 ) 动平台 渤平台为乡 径为2 3 0 0 嘴豹强形结构，为与对接裙连接的部分，阏对密封 的气囊也连接在它的上面。液压缸的一端通过球铰与动平台逑接在起。 ( 2 ) 定平台 定平台为外径为2 7 0 0 m m 的圆形结构。通过法兰盘予抢修 乍业船的船体穗 连，同时通过球铰与液压缸的另一端连接在一起。 ( 3 ) 渡惩缸 液压缸通过球铰与动平台和定平台相连接。六个液压缸怒对接装置实现 喻尔滨工程火学硕士学位论文 l i 7 i l i 对接的动力元4 牛。邋过六个液压缸不同的伸缩量丽使得动平台形成不同的姿 态，从而实现对不同曲率船聪的对接。在每个液压缸上装有巍线位移传感器， 酷懿测渡压缸 孛绩懿寝移信号， 乍蠢规划与摭行程序救参考依据。 ( 4 ) 波纹管 波纹管为连接在动平台与定平台之问懿部分。形成一个蕊柱形的空麓， 作为抢修作业时的作业空间。波纹管有一定的伸缩能力，从而可以补偿由于 液疆缸酶 牵缭丽导蒙翡稔穆人员 乍鼗空闻静交往。 ( 5 ) 密封气囊 密封气囊为对接裙的主要部分。抢修作妲船对接装置酌对接成功与否的 关键就在于气囊的密封效果。该部分出橡胶宠气气囊作为主体部分，在其囊 的周边外加圈硬橡胶裙，增强整个装罨的密封效果。 ( 6 ) 对接摄 对接板为模拟被救船的船形而设计的一块钢板。在对接扳的后面装有一 个液压缸，通过液爱缸的伸缩寒实现对接板瀚矮动，丽模蘩不同曲率的麓形。 通过运算可以计算出对接板熊摆动的角度范围。 2 3 对接装置的力分析 ( ) 负载分辑 根据液压装置提供的最大椎力为不超过1 吨推算，在理想状态下并联式 对口的动平台中心点( 即动平台坐标系参照点) 所受的静态负载力最大值为 f 。= l o k n ，力作用的方向为动平台的法向。 山于对l ：1 装置工作姿态为悬伸状态，其自身重量舀完全幽其各个杆件承 受，所以将此重量瞧视为其隧定受载。同时考虑到工作状悫嚣幸海面豁波浪满 动将对装置施加较大的横向切力和纵向推力，这些外界干扰力将使整个装置 戆受鼗培大，嚣且该装萋静备脊受力技凌不瀚，在髯雩活塞脊按强度避行设计 时将综合以上负载因素，选取其中受力状况墩大的孝t ，将其负载e 。作为标 9 哈尔滨f ：群火学硕七学位论文 推进行校舍。 ( 2 ) 装置的静态受力分析 对接装露的受力情况如图2 。3 所示，f = ( e ，只，最) 为动平台腰受熬始 力， m = ( m ，m ， 彳二) 为对动平台中心点o 的外力矩；胄，为铰点嚣，4 h x i i 于 戆矢径：吩为毒_ | ：厶的单位方向矢量：，：为五的驱动力。这样以6 维矢量 f = ( 只，f v ，e ，m ，m ，m ：) 表示平台上的外力，6 维矢量 ，一( z ， ，五，兄，五) 表示输入力时，出震功原理褥输入输出功穗簿，可以 得到动平台的受力平衡方程如一fr ： s , n l + 五以2 + ，- + 五聍3 拳f ( 2 - i ) z kx r + 五，芏! x 宾2 + + 五弹6 飞= 膨 ，、m 配| 强 群2 氇i | 磊 l 胄一“”- r ：。”z 胄。h s jf j k = 阂 简化为：【g 】【厂】= pm r 其中： 沙】= 阮五磊疋磊五f 陋b | 魄 镌 f 。 t 霆l ”1 霞2x 对2 置6 拧6 | g l 称为并联装置动平台与驱动轷之间的力传递矩阵或力雅可比矩阵，利 用此矩阵直接可以把平台上的作用力驴m 】7 映射到关节空间上。 对口装雹褪墨叁黧估计袋魏1 8 k n ：波纹餐重量约为5 k n ；液摄酝攀赶羹 量约0 6 k n ，所以作用在动平台原点的总重力为萨2 6 。6 k n 。其方向为y 轴的 负方向，其中液殛缸和波纹管的重力还将产生沿x 轻方囱的轾矩为 m ，= ( o 6 6 十5 ) h 1 0 3 ( n m ) 哈尔滨工程人学硕士学位论文 无负载馕况f 渡压缸受力努辑型( a ) 负载情况f 液压缸受力分析幽( b ) 溪2 2 液压疑受力分撰鞫 哈尔滨工程人掌坝士号：位论文 其中为裙口和液压缸的重心到动平台原点的距离，该值为平台作业高 度的l 2 。 据反复计算作业液压缸最大负载发生在装雹未受任何外载荷作用时，由 于装置本身的自重对下部液压缸的作用力，其值为 f 。= 2 3 3 8 1 n ( 作用在底部液压缸上) 此时动平台参照点在定坐标系中的位置为( 一3 4 3 7 ，一6 0 6 ，一8 4 0 ) ，进动角 口= 2 2 0 。图2 2 为液压缸受力分析图。 f j l 。 + 四 ， 图2 3 对接装置的力分析 2 4 对接装置作业空间的分析 对接装置主要由定平台、动平台、6 个驱动液压缸所组成，驱动秆的一 端经球铰与动平台相连，另一端经球铰与定平台相连。通过改变6 个驱动缸 的伸缩长度，动平台可以实现不同的位置和姿态。对接装置的并联式结构的 自由度数可由下式计算 ： g ，6 ( ng 1 ) + ， ( 2 2 ) ，t l 式中： n 构件总数； d 屹 ，亿 m o f ， 晗尔滨，j ：秣大学硕士学位论文 z 各运动副的自由度数； g 运动副总数； 由示意熙可见：机构鲍构件总数为1 4 ；运动副总数为1 8 ，其中彀援s 个 定1 p 蠹 波纹管 液骶缸 图2 4 对接装黑结构示意图 1 警由疫匏移动裁( 繇液压敬) ，6 个3 自出度的球铰。将其代入上面公式， 可以尊出对接装置的自由度数为6 。霹见控制6 个液压缸的伸缩可以使动平 台上的对接装篱具有沿三个方向的移动能力，和各种姿态的倾转，完全满足 对接过程中被对接船体侧面蜘各释蟪况，势能在捡修艇无法精确定位豹帻瑗 下提供定的自定位能力。 2 4 1 动平秘的位姿描述与坐标变换 如图2 5 所示，在对接装鼹的法兰( 即抢修艇体) 上建曳与定平台相固 连熬黧标系0 一x y z ，稼为是蹩稼系；建立与动平台( 裙墨) 鹣露联麴登称 系0 - yz ，称为动坐标系。这里将定系作为装置遴动分析的绝对坐标系， 这祥动平台酌空闯位鬻和姿态可以用渤系相对于定系的坐标平移和旋转变化 来描述。 设p 为动平台上任意一点，其动平台的坐标r i r = 【x ”r ”z 1 一】7 与定 哈尔滨l 程人学硕十学位论文 动系到定系的平移变换； p 】- j ，m ，”，i l l ：卅二珂：j 扩】动系到定系的旋转变换矩阵，代表了动系到定系的旋转变换。 f j 的9 个元素中实际只包含3 个独立变量，在并联机构分析中常用e u l e r 角表达。e u l s r 角是将动系的当前姿态用自与定系重合的位置丌始的以下3 然后绕动系f 轴转动； 7 1 = t ( z ，a ) t ( y ，p ) t ( z ，y ) ( 2 5 ) =。8三-sina。1二。s卢。sinpjl。os，r-siny7sin c o s o 0010 s i n cos。00 0 l i e s i n f l 0 c o s f l j 00 1 = l 口 i ioy，| l li j c o s a c o s f l c o s y s i n a s i n y - c o s a c o s y s i n r s i n a c o s y c o s a s i n f l 2 ls i n a c o s f l c o s y + c o s o ：s i n y s i n a c o s f l s i n y + c o s , 8 c o s y s i n a s i n , f l l l s i nf l c o s r s i n f l s i n yc o s f l j e u l e r 角具有非常明确的几何意义，如图2 6 所示： 口称为进动角，为动平台法线在水平面内的投影与x 轴之问的兴角，口指 明了动平台倾斜的方向： 称为章动角，为动平台法线与竖直方向之间的夹角，也即动平台相对 于水平面的倾斜角； y 称为自旋角，为动平台绕其法线作自旋运动的角度，由于前后两次分 1 s 哈尔滨r 群大学硕十学位论文 系中的坐标r r2 ，耳，z ， 7 之间的坐标变化可由下式表达： z 0。y x i r a 。：a j & f l 。 r 8 j p o 肖。一 堕y 丑 图2 5 并联装置坐标系示意图 动系到定系： x n 巧 z ， ll 。棚，以 2 l n y l z ：聊：也 定系到动系 + x d y 0 z f 参 2 陲蒌耋 7 耋三妻。 或简 己为： r ，= p k ，+ 月， 及：r ，= i t 7 ( r ，一月。) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中：r 一= f x o ，艺。，z 0 + r 动坐标系原点d l 在定系下的坐标，代表了 4 哈尔滨l ：程大学硕士学位论文 动平台 户 j 图2 6 z l 妒= 口+ y 、 z ， 口 e u l e r 角的几何意义说明 别绕z 轴旋转了d 和y 角，故实际上的转角应为：妒2 口+ y 。 2 4 2 工作空间的3 维表达方法 工作空间的形式可以表示成如下的形式： q = q ( ，y ，z ，口，y ) 这是一个6 维形式的工作空间，无法进行直接观察，因而也难咀评价。 这里提出一种将并联机构工作空间降维的方法，通过对角度变量进行合理处 理，最终使工作空间变成不含角度变量的3 维形式，可以在计算机上直观地 处理工作空间的大小。过程如下”】： ( 1 ) ，角的处理 y 角与并联机构绕z 轴的回转运动相重合，可以根据性能最佳原则将之 同定，分析结果表明，2 - o r 时，并联机构的性能晟佳，因此可以作，2 一口处 理，将工作空间变为了5 维： q = q ( 卫hz ，a ， ( 2 ) 口角的处理 6 哈尔滨。i i 稗火学硕士学位论文 为动平台倾斜的角度，而口为动平台倾剁运动的方向，为了消除口的 影响，在空间的某一点p 处，对于一个给定的角，可以令口在o “3 6 0 。范围 内进行全程搜索，若全都能转通则认为p 在工作空间之内，只要有一处不能转 通即认为p 在工作空间之外。与之相对应的实际上应进一步定义为全方位 倾斜角，即在口= 0 。3 6 0 。方位上都有能实现的倾斜角。经过处理后就可以 将口在工作空间的表达中消去了，工作空i 、自j 变成了4 维形式： q = q ( x ，】，z ，) ( 3 ) p 角的处理 为了进一步降维，可将角离散化，4 - p = 0 。、1 0 。、2 0 。、，依次生成不 同户下的工作空间，称为定倾斜角空间，显然这样的空间是3 维的。 q = q ( 肖，y ，z ) 以下具体分析本并联机构的工作空间，机构的主要参数为： 定平台铰点分布角九23 0 。； 动平台铰点分布角九= 9 0 。； 动平台铰点分布半径r 。= 1 1 5 0 r a m ； 定平台铰点分布半径r 。= 1 3 5 0 m m ； 本并联动静平台都采用球铰。 动平台铰点的主方向为： n m = l 一0 4 3 8 40 4 3 8 40 2 0 6 10 6 4 4 50 6 4 4 5 0 2 0 6 l 0 4 9 儿0 4 9 1 10 6 2 5 20 1 3 4 1 0 1 3 4 10 6 2 5 2 0 7 5 2 70 7 5 2 70 7 5 2 7 0 7 5 2 7 0 7 5 2 70 7 5 2 7 ： 动平台球铰的最大允许摆角为：0 3 0 。t 定平台铰点的主方向为： 矿2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 5 0 2 5 - 0 5 0 2 50 5 0 2 5 0 5 0 2 5 0 5 8 0 30 5 8 0 3 0 2 9 0 1 0 2 9 0 1 0 2 9 0 102 9 0 1 0 8 1 4 40 8 1 4 4 0 8 1 4 40 8 1 4 4 0 8 1 4 4 0 8 1 4 4 3 ： 1 7 哈尔滨：i ：科大学硕十学位论文 定平台球铰的最大允许摆角为：0 茎4 0 。： 驱动杆的杆长允许范围为：7 0 0 m m _ ，1 3 5 0 m m ；： x o y 静j 面图高度h = 9 0 0 x o z 中心剖意图 p = 0 0p = 5 0 = 1 0 8 = 15 。8 = 2 0 。b = 2 2 。 z = 9 0 0 m m 处横槭面 x 口= 2 2 。f = 2 0 0 口= i5 。声= lc ) 。口= 5 。，= 0 0 工作空间纵截面 图2 7 作业空间分析图 图2 7 为= o 。，5 。，1 0 , 1 5 4 ，2 0 。，2 2 。时纵截面图和z ：9 0 0 唧时的横截面图。 综合考虑在使用中的需要，选择动平台的作业伸长量为8 0 0 1 0 0 0 m m ，平 移范围为以z 轴为圆心偏移半径为2 0 0 m m ，在此工作区域内具有不小t - o 。的 全方位工作倾角。 2 5 本章小结 本章对对接装置的总体方案进行了介绍。同时分析了液压缸的受力状况 和对接装置作业空间。 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第3 章对接装置液压系统研究 率高，可按比例环节处理，前者增益为k 。，后者增益为k 。液压动力机构的数 引班kx_筹ko；(1 v , 。， 其中：x 。一液压缸活塞杆位移输出 一。一伺服阀阀芯位移输入 k 。一伺服阀流量增益 a r 一液压缸活塞有效工作面积 k 。，一总流量一压力系数 e 一有效体积弹性模量 一液压缸两个油腔的总容积 f 外扰力 出。一液压固有频率 民阻尼比 9 喻尔滨：i ：程大学硕士学位论文 位移传感器按比例环节处理，比例系数为f ，。则电液位置控制伺服系统 框图如图3 1 所示。其开环传递函数如式( 3 2 ) ： 午弓k 荨v u rhh ( 3 2 ) 其中系统开环增益k ，= 也世。k ，a ，； 精确的单出秆液压缸液压固有频率为抓i = 面，其中，c 。为油 液弹性刚度，c 。= 髻，4 ，以为液压缸无杆腔和有杆腔工 a p a 4 作面积，s 为缸行程，吒，和k ：为油缸两腔至伺服阀管路容积，m 为系统驱 动臆液压阻舭肌每序+ 鲁愿谢帖糊唢戡的 粘性阻尼系数。图3 2 为对称阀控非对称液压缸示意图。 图3 1 电液位置控制伺服系统框图 冶象滨1 ：糕失学壤七学位逢文 l， l 办 ! 文 图3 + 2 对稼溜控 瑟稼滚蓬瓿示意圈 3 3 液压缸结构参数计算 由负载分析可知，并联机构形式的对接装置在实际作业空间中，其伸缩 港蠡i 所受瓣受载主要是辘离受匿，矮大德为2 3 4 k n ，根攒_ l 迸值按强度对各油 缸进行设计。 ( 1 ) 活塞稃直径d 由于液压缸工作时主要承受轴向的压力，所以对活塞姆按承受轴惫载薅 强度条件进行设计，参考公式如式( 3 - - 3 ) 。 吼 一 一 l|；i= r 三u 1 一一一可鞋i 澄 略尔溪f 程大学硕士学位论文 i f 南弱5 7 j 裔 咱 其中：，l 黼。= 2 3 4 n 为蕈缸最大承载； 仃 取抗胍屈服应力， o - = 口，卜7 8 5 m p a ； 氰 啦3 5 7 蔗1 6 咖 ( 3 _ 4 ) 由于液压蠢在对接：蓬程中主要承受匿载，孝于必须满足匿褥稳定谴豹要求， 经反复计算，取活塞杆直径d = 4 5 m m ，液压缸最大伸长量为6 0 0 m m ，两端铰接 ( 一粥为球铰，一蛹也为球铰) ，单秆最大受压力为2 3 4 n ，液压缸压秆稳定 性校合需满足如式( 3 - - 5 ) ， 。 生( 3 5 ) n k 式中咒一临界熊载，如式( 3 - - 6 ) ； e ：忑n - 2 e ji(3-6) ， 以2 万万i 豫一安全系数，敬3 4 ，承受渖鸯裁萄辩敬大鼗 = 1 ，两端铰接型； e z2 1x 1 0 2 n m 2 i f = 0 6 m ； j = 署= 、0 0 4 5 广4 n - 观t 。m t ； 则e ；坐警竽 得 = 11 5 7 2 3 4 = 4 9 4 符合压杆稳定性要求。 ( 2 ) 波疆缸缸径选释 出于活塞打径d = 4 5 嘲；取缸径d = 8 0 玎 m ，则 2 2 暗角；滨一翻鼙火学硕_ ：学位论文 液厦艇无杼腔面积如式( 3 7 ) ： 爿：生。0 0 8 2 竺。5 0 2 7 l o 一4 ( m2 )( 3 7 ) ”44 液压缸有卡t 腔面积如式( 3 8 ) ： 山：擘一车：3 4 3 7 1 0 1 ( 3 ” 44 。 双淘速琵为痧= 1 4 6 ( 郄有脊腔和无秆筵魏蕊积院若= 0 6 8 ) 。 ( 3 ) 系统压力选择 系统负栽压力如式( 3 9 ) ： 只。垒：黑：4 6 5 m p a ( 3 - - 9 ) “ a 。5 0 2 7 1 0 “ 一般情况下取鬣佳效率患，即负载压力只，：孚，刚系统供油艨力如式 ( 3 1 0 ) ： 。曼= 孚= 半9 8 m p a ( 3 - - 1 0 ， 实际上由于沿程阻力等损耗( 约o 5 m p a ) ，压力应大于此德，故逸取系绞 标准供油藤力为8 m p a ，以留有一定的裕量。实际使用时阀压降 只，= 8 0 ，5 4 。6 5 = 2 。8 5 鼢a 。 3 。4 控制阂鳇参数计算麓选择 耀匏最大受载滤爨q 。( 辩应予o ，1 m s 遮凌) 螽式( 3 - - 1 1 ) ， q ，= 爿f 。、= 5 0 2 7 l o 。4 o 1 x 6 0 x 1 0 3 = 3 0 1 6 ( 1 r a i n ) ( 3 - - 1 1 ) 由予饲勰阀班7 m p a 阀瑶降对静流量为额定流量，粥如式( 3 一t 2 ) ， 喻尔滨t 秘火学硕士学像论文 r ：i q i = 岔t 0 互去= 4 7 2 7 ( 1 m i n ) ( 3 一1 2 ) 可选用上海艇舶没各蹬究掰生产的c s d y 3 6 0 型甓黢阉，该阀懿技术揆 标如下： 额定电流：8 m a 空载流量：6 0l r a i n 线圈电陵：1 0 0 0 1 0 0 f 2 额定压力：2 1 m p a 线性度：( 7 ，5 对称度： 7 0 h z ( 一9 0 。9 0 h z 还必须考虑到最低平稳遮度要求，最低平稳速度；。= s m m s ，对应的最 小流爨为有抒腔载流量，即 绒。，= a d 。h = 3 4 3 7 x 1 0 “x 5 x 6 0 = 1 0 3 ( 1 m i n ) 在润降厦为7 m p a 时，栩应的瀛爨为 筑。2 d m 。去= 1 6 l ( 1 角i n ) 所选伺服阀颞能控制鼹最小滚鲎必须小予其滞环域分瓣褰，n n n n g 为兰3 t ，分辨率为o 2 5 t ，则 游繇3 x 6 0 = 8 ( 1 m i n ) 分辨率0 2 5 6 0 = 0 1 5 ( 1 m i n ) 踩当用浚阀囊殛液压缸无秆腔时，根辫分辨率，其可达最低速度为 0 1 ( 1 m i n ) ，能满足最低平稳速度要求。 ；2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 5 油源计算与分析 由伺服系统静态计算分析可知，系统压力为8m p a ，最大工作流量为动平 台以0 度工作倾角沿z 轴正方向运动时，六个液压缸以最高速度运动所需流 量之利。系统所需工作流量为平均速度= o 0 1m m i n 对应的最大流量，即 流量： q = a 。u 。6 = 5 0 2 7 1 0 。0 0 1 1 0 3 6 0 6 = 1 8 1 0 ( 1 m i n ) 工作流量：q ，= q x l 0 5 = 1 8 1 0 x 1 0 5 = 2 0 ( 1 m i n ) 所需功率：p = 只q = 1 0 x 1 0 6 2 0 x 1 0 一6 0 = 3 3 4 ( k w ) 出于选用电机系列，实际装机容量大于此值。此外，若使系统留有一定 裕量，压力要适当提高，功率需增加，还有系统冷却所需的功率及电控功率 等，设备工作时需约5 k w 。 为了稳定压力、减少能耗，采用蓄能器补油和稳压。用蓄能器补油时， 若按1 0 压力下降、o 5 h z 方波运动计算，则蓄能器总容量计算如下： 系统腰力变化：只= 8 m p a ； 只= 7 2 m p a ； 充气压力： 最= o 8 5 罡= 6 1 2 m p a 绝热指数： 行= 1 4 ( 快速补油，绝热条件下) ： 单个液压缸所需补充的油液容积( 按最大速度持续1 秒计) ： 矿= ( 。，一k ) a 。t = ( o 1 一o 0 2 ) x 5 0 2 7 x 1 0 - 4 = 0 4 0 2 ( 1 ) 按等温过程计算，则单缸所需容积如式( 3 1 3 ) ， v o = v 赢而 叫3 0 4 0 2 = 6 2 2 8 ( 1 ) 一1lj 一4 l 一8 ( 一 茚 上他 一h一 26 哈尔滨e 程大学硕_ ：学位论文 从控制稳定的角度出发，为保证并联形式的六个液压缸均有较高的稳定 性，为每个液压缸单独设置蓄能器。考虑到最大速度时持续时间的不确定及 蓄能器补油的可能性和泄漏损失等，则单个蓄能器所需容积为71 ，即需要7l 的蓄能器6 只。 3 6 对接试验装置总体结构 在水下对接技术中密封效果的好坏直接影响到整个对接抢修作业的成功 与否。为此验证水下修理平台对接装置对接裙的密封效果，特此设计了对接 试验装置。整个试验装罱是实现对接裙与被对接钢板的对接及其密封，而在 对接的实现上采用加载推进，在装置的下部安装导轨以实现其整个装置的平 稳推进。而在被对接钢板上，考虑到模拟船形的不同曲线及其不同的海况， 而为使实验效果贴近实际情况，故此设计成能够可拆卸可替换的钢板，同时 能够模拟不同曲率的船型，在钢板一个支点固定的基础上，我们通过调节钢 板的另个支点以达到预期所要实现的不同曲率船形的效果。 根掘整个实验装置的工作机理。所以对于整个实验装置的控制系统的研 究上，主要是侧重对接装罱与被对接钢板的推进方式，及其被对接钢板另一 个支点的调节控制。在推进方式上我们通过采用卧式双液压缸来实现，采用 电液伺服控制系统