電動沖箱式造波機的研制

電動沖箱式造波機的研制

首先，設(shè)計和建造軍艦和海上建設(shè)項目的首先需要在實驗池中進(jìn)行耐波性和適應(yīng)性驗證。波機是與實驗池相連的重要設(shè)備。新造波機可以在實驗池中產(chǎn)生不同的波長和高波，以滿足船舶性能研究和實驗的需要。結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，占地面積小。它的工作是可靠的。它可以生成各種波譜波，正確模擬不同的海況。保護(hù)和監(jiān)控的功能完善，控制軟件界面友好，操作簡單，維護(hù)管理方便。1組成和工作原則1.1沖箱式造波機電動式國內(nèi)外造波機的造波方式主要有搖板式、沖箱式、活塞式、轉(zhuǎn)筒式和氣動式等,其基本機理都是通過造波部件的機械運動對水體施加擾動產(chǎn)生波浪.其中用得較多的是搖板式和沖箱式,沖箱式造波機結(jié)構(gòu)簡單,性能優(yōu)越,能生成各種波譜,且適合本實驗水池的結(jié)構(gòu)特點.造波機驅(qū)動方式有電機驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動.它們各有優(yōu)缺點,使用范圍亦各不相同.其中電機驅(qū)動方式(即電動式)啟動容易,控制性能好,快速響應(yīng)能力強且無污染,與其他驅(qū)動方式相比,在高速、高精度、小型節(jié)能方面更能滿足使用要求.新型造波機采用了電動沖箱式結(jié)構(gòu),圖1為該造波機系統(tǒng)示意圖.它主要由6套伺服電機和控制器及電動缸、6臺沖箱、控制臺(含工控機)、主電路、控制電路和軟件系統(tǒng)以及機械部分等組成.1.2自動空氣濾波器伺服電機是造波運動部件的動力設(shè)備.型號為MHMA302A1G,使用交流三相200V電源,額定功率3kW,額定轉(zhuǎn)速2000r/min.在控制臺上控制電機的啟動、停止,并設(shè)計有相應(yīng)的指示燈,便于觀察系統(tǒng)的工作狀態(tài).在主電路供電系統(tǒng)中,交流三相380V電源經(jīng)380V/200V變壓器降壓后再供電給伺服電機.每臺變壓器和電機均設(shè)計安裝有自動空氣斷路器Q,它們既用作主電路電源開關(guān),又用來對變壓器和電機進(jìn)行過載、短路保護(hù).沖箱是造波機造波的執(zhí)行部件,其結(jié)構(gòu)、外型、材料均有特殊要求.沖箱的結(jié)構(gòu)既要有足夠的強度和剛度,又要盡可能輕,以減少運動慣量,降低能耗,采用δ=4mm的玻璃鋼加工成內(nèi)部為空心、外部為特殊形狀的加筋柱體.其上面中間位置與電動缸剛性連接,兩端設(shè)計有兩根導(dǎo)向桿及機械裝置,以確保沖箱運行穩(wěn)定可靠.1.3系統(tǒng)的控制特點控制系統(tǒng)是造波機的中樞,關(guān)系到整個裝置能否正常運行,能否造出符合要求的波浪.作為實時控制系統(tǒng)核心部件的計算機更應(yīng)配置得當(dāng).為此,本系統(tǒng)選用了工業(yè)控制計算機(IPC),它具有實時性好,可靠性高,輸入輸出能力和網(wǎng)絡(luò)支持能力強等普通計算機不可比擬的優(yōu)點.并根據(jù)實際系統(tǒng)需要,配置了兩塊PCL-839控制卡.PCL-839是一種3軸高速伺服電機控制卡,它有3路獨立的脈沖發(fā)生器,輸出的脈沖(PULSE)信號和方向(DIR)信號能控制3臺伺服電機運行;有5路限位輸入開關(guān)用于對輸出信號的控制.根據(jù)本控制系統(tǒng)的需要,選用了3路輸入信號(ORG,EL+和EL-)和2路輸出信號(DIR,PULSE)(參見圖2),用于對造波機系統(tǒng)的控制.圖2給出了一臺伺服電機的控制電路圖.圖中工控機輸出的脈沖PULSE和方向DIR信號送到伺服電機控制器,控制電動機運轉(zhuǎn)的方向和行程,控制電源為+15V.沖箱正、反向運動的最大沖程設(shè)定為200mm,通過位置傳感器設(shè)定沖箱運動的原點ORG,每臺伺服電機驅(qū)動沖箱在+200mm~-200mm范圍內(nèi)作正、反向往復(fù)運動.為了避免沖箱的運動超過規(guī)定沖程,造成機械損傷,在沖箱裝置的頂端和底端各設(shè)置有一個常開型限位開關(guān),用來禁止沖箱運動超出限制范圍.當(dāng)沖箱沖程超出+200mm或-200mm時,限位開關(guān)1或限位開關(guān)2閉合,接通+15V電源,應(yīng)急停止限位EL+或EL-信號輸入到工控機,工控機立即禁止驅(qū)動信號輸出,伺服電機停止運轉(zhuǎn),使系統(tǒng)得到保護(hù).在控制電路中,由限位開關(guān)和位置傳感器輸入的信號通過限流電阻經(jīng)光耦隔離后再輸入到工控機內(nèi)部電路,工控機的輸出信號亦是經(jīng)光耦隔離后再送到外部電路(伺服電機控制器).這種在I/O電路中采用光電耦合器的優(yōu)點是工控機系統(tǒng)與外部電路之間的電磁兼容性好.即采用光電耦合器將工控機控制系統(tǒng)與外部電路之間隔離成兩個相互獨立的系統(tǒng),I/O信號在它們之間僅通過光來傳遞,避免了外部電路對工控機系統(tǒng)的干擾,保證了工控機控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性,同時也可避免工控機控制系統(tǒng)對外部電路的影響,有效地消除了相互之間的電磁干擾.要支持硬件正常工作,必須有相應(yīng)的軟件控制,使之既能給出恰當(dāng)?shù)脑觳?qū)動信號,又能給用戶提供一個友好、方便的界面,使用戶易于操作和觀察及分析系統(tǒng)運行情況.針對本系統(tǒng)的控制特點,采用了Windows98操作系統(tǒng),編程語言為VisualC++6.0.該造波機在軟件系統(tǒng)的控制下,通過位置傳感器可將6臺沖箱調(diào)整在同一水平位置,每臺伺服電機經(jīng)電動缸驅(qū)動沖箱在4m水深的水池中作上、下同步往復(fù)運動,水的質(zhì)點因受到?jīng)_箱弧面的沖擊而離開其平衡位置,作為恢復(fù)力的重力又使質(zhì)點回到平衡位置,但由于慣性,質(zhì)點在回到平衡位置時將繼續(xù)朝前運動,這樣恢復(fù)力矩又將發(fā)揮作用,因此,水的質(zhì)點將反復(fù)振蕩,在自由水面上形成波浪.沖箱往復(fù)一次,產(chǎn)生一個波浪,產(chǎn)生一個波浪的時間就是波浪的周期T.沖箱在某一往復(fù)運動周期T和某一水深H下,沖程愈大,速度愈高,波峰就愈高.但至某一極限值時,沖箱即將水沖成水花.由此可知,波高由沖箱的沖程控制,波長由頻率確定.沖箱的運動由電動伺服系統(tǒng)來控制,從而造出各種波浪.2相同驅(qū)動信號的模擬電動沖箱式造波機在長L=175m,寬B=6m,深H=4m的實驗水池中進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗、重復(fù)性試驗和最大波高試驗,分別測量了波長λ=1m,2m,3m,4m,5m,6m,7m,8m,9m(對應(yīng)周期T=0.80s,1.13s,1.38s,1.60s,1.78s,1.96s,2.12s,2.26s,2.40s)的波高值,該造波機在同一驅(qū)動信號的控制下,沖箱運動周期和幅度在連續(xù)時間內(nèi)保持穩(wěn)定,穩(wěn)定性誤差小于1.5%;用同一控制信號在不同時間啟動造波機時,各次造出的波浪具有良好的相同性,重復(fù)性誤差小于1%;波高調(diào)節(jié)范圍為0.06m~0.23m,波長調(diào)節(jié)范圍為1m~9m,在各