电动冲箱式造波机的研制

电动冲箱式造波机的研制

首先，设计和建造军舰和海上建设项目的首先需要在实验池中进行耐波性和适应性验证。波机是与实验池相连的重要设备。新造波机可以在实验池中产生不同的波长和高波，以满足船舶性能研究和实验的需要。结构紧凑，体积小，占地面积小。它的工作是可靠的。它可以生成各种波谱波，正确模拟不同的海况。保护和监控的功能完善，控制软件界面友好，操作简单，维护管理方便。1组成和工作原则1.1冲箱式造波机电动式国内外造波机的造波方式主要有摇板式、冲箱式、活塞式、转筒式和气动式等,其基本机理都是通过造波部件的机械运动对水体施加扰动产生波浪.其中用得较多的是摇板式和冲箱式,冲箱式造波机结构简单,性能优越,能生成各种波谱,且适合本实验水池的结构特点.造波机驱动方式有电机驱动、气压驱动和液压驱动.它们各有优缺点,使用范围亦各不相同.其中电机驱动方式(即电动式)启动容易,控制性能好,快速响应能力强且无污染,与其他驱动方式相比,在高速、高精度、小型节能方面更能满足使用要求.新型造波机采用了电动冲箱式结构,图1为该造波机系统示意图.它主要由6套伺服电机和控制器及电动缸、6台冲箱、控制台(含工控机)、主电路、控制电路和软件系统以及机械部分等组成.1.2自动空气滤波器伺服电机是造波运动部件的动力设备.型号为MHMA302A1G,使用交流三相200V电源,额定功率3kW,额定转速2000r/min.在控制台上控制电机的启动、停止,并设计有相应的指示灯,便于观察系统的工作状态.在主电路供电系统中,交流三相380V电源经380V/200V变压器降压后再供电给伺服电机.每台变压器和电机均设计安装有自动空气断路器Q,它们既用作主电路电源开关,又用来对变压器和电机进行过载、短路保护.冲箱是造波机造波的执行部件,其结构、外型、材料均有特殊要求.冲箱的结构既要有足够的强度和刚度,又要尽可能轻,以减少运动惯量,降低能耗,采用δ=4mm的玻璃钢加工成内部为空心、外部为特殊形状的加筋柱体.其上面中间位置与电动缸刚性连接,两端设计有两根导向杆及机械装置,以确保冲箱运行稳定可靠.1.3系统的控制特点控制系统是造波机的中枢,关系到整个装置能否正常运行,能否造出符合要求的波浪.作为实时控制系统核心部件的计算机更应配置得当.为此,本系统选用了工业控制计算机(IPC),它具有实时性好,可靠性高,输入输出能力和网络支持能力强等普通计算机不可比拟的优点.并根据实际系统需要,配置了两块PCL-839控制卡.PCL-839是一种3轴高速伺服电机控制卡,它有3路独立的脉冲发生器,输出的脉冲(PULSE)信号和方向(DIR)信号能控制3台伺服电机运行;有5路限位输入开关用于对输出信号的控制.根据本控制系统的需要,选用了3路输入信号(ORG,EL+和EL-)和2路输出信号(DIR,PULSE)(参见图2),用于对造波机系统的控制.图2给出了一台伺服电机的控制电路图.图中工控机输出的脉冲PULSE和方向DIR信号送到伺服电机控制器,控制电动机运转的方向和行程,控制电源为+15V.冲箱正、反向运动的最大冲程设定为200mm,通过位置传感器设定冲箱运动的原点ORG,每台伺服电机驱动冲箱在+200mm~-200mm范围内作正、反向往复运动.为了避免冲箱的运动超过规定冲程,造成机械损伤,在冲箱装置的顶端和底端各设置有一个常开型限位开关,用来禁止冲箱运动超出限制范围.当冲箱冲程超出+200mm或-200mm时,限位开关1或限位开关2闭合,接通+15V电源,应急停止限位EL+或EL-信号输入到工控机,工控机立即禁止驱动信号输出,伺服电机停止运转,使系统得到保护.在控制电路中,由限位开关和位置传感器输入的信号通过限流电阻经光耦隔离后再输入到工控机内部电路,工控机的输出信号亦是经光耦隔离后再送到外部电路(伺服电机控制器).这种在I/O电路中采用光电耦合器的优点是工控机系统与外部电路之间的电磁兼容性好.即采用光电耦合器将工控机控制系统与外部电路之间隔离成两个相互独立的系统,I/O信号在它们之间仅通过光来传递,避免了外部电路对工控机系统的干扰,保证了工控机控制系统工作的稳定性和可靠性,同时也可避免工控机控制系统对外部电路的影响,有效地消除了相互之间的电磁干扰.要支持硬件正常工作,必须有相应的软件控制,使之既能给出恰当的造波驱动信号,又能给用户提供一个友好、方便的界面,使用户易于操作和观察及分析系统运行情况.针对本系统的控制特点,采用了Windows98操作系统,编程语言为VisualC++6.0.该造波机在软件系统的控制下,通过位置传感器可将6台冲箱调整在同一水平位置,每台伺服电机经电动缸驱动冲箱在4m水深的水池中作上、下同步往复运动,水的质点因受到冲箱弧面的冲击而离开其平衡位置,作为恢复力的重力又使质点回到平衡位置,但由于惯性,质点在回到平衡位置时将继续朝前运动,这样恢复力矩又将发挥作用,因此,水的质点将反复振荡,在自由水面上形成波浪.冲箱往复一次,产生一个波浪,产生一个波浪的时间就是波浪的周期T.冲箱在某一往复运动周期T和某一水深H下,冲程愈大,速度愈高,波峰就愈高.但至某一极限值时,冲箱即将水冲成水花.由此可知,波高由冲箱的冲程控制,波长由频率确定.冲箱的运动由电动伺服系统来控制,从而造出各种波浪.2相同驱动信号的模拟电动冲箱式造波机在长L=175m,宽B=6m,深H=4m的实验水池中进行了稳定性试验、重复性试验和最大波高试验,分别测量了波长λ=1m,2m,3m,4m,5m,6m,7m,8m,9m(对应周期T=0.80s,1.13s,1.38s,1.60s,1.78s,1.96s,2.12s,2.26s,2.40s)的波高值,该造波机在同一驱动信号的控制下,冲箱运动周期和幅度在连续时间内保持稳定,稳定性误差小于1.5%;用同一控制信号在不同时间启动造波机时,各次造出的波浪具有良好的相同性,重复性误差小于1%;波高调节范围为0.06m~0.23m,波长调节范围为1m~9m,在各