波浪模擬標定系統(tǒng)的設計

李選群，范秀濤，張繼明，萬曉正，李文慶

(山東省海洋環(huán)境觀測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

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波浪模擬標定系統(tǒng)的設計

李選群，范秀濤，張繼明，萬曉正，李文慶

(山東省海洋環(huán)境觀測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

摘要：基于重力加速度式波浪傳感器的工作原理，設計了一套波高在0.5～9 m范圍可調、周期在2～40 s連續(xù)可調的波浪模擬標定系統(tǒng)。系統(tǒng)根據正弦波浪理論，將波浪傳感器安裝在可做勻速轉動的一圓形桁架上，波浪傳感器的運動軌跡可看做正弦運動，以此進行模擬標定，再由控制系統(tǒng)控制波浪傳感器的旋轉半徑和桁架的轉動周期，從而實現(xiàn)對波高和波周期的模擬和標定。最后通過有限元對桁架的整體結構強度和剛度進行分析，并在理論上對系統(tǒng)的模擬標定精度作出分析，得到波高精確度為±2 mm，周期精確度為±0.1 s，達到設計和使用要求。

關鍵詞：波浪；模擬標定；桁架；ANSYS

隨著國家海洋經濟開發(fā)戰(zhàn)略的大力發(fā)展和持續(xù)推進，各類進口和自主研發(fā)的海洋監(jiān)測儀器裝備被大量使用，其中各種規(guī)格波浪傳感器的應用也逐年增多[1]，相應的計量標定設備作為波浪傳感器數據精確可靠的保證，作用非常重要。

在我國，山東省科學院海洋儀器儀表研究所[2]、國家海洋標準計量中心[3-4]和中山探海儀器有限公司等單位和企業(yè)進行過波浪模擬標定設備的研究，但與國外設備相比仍存在標定精度較低、標定指標范圍達不到使用要求等問題。為了縮短各型波浪傳感器的生產開發(fā)周期和重新標定利用已有的波浪傳感器，必須進行波浪模擬標定系統(tǒng)的設計研究，以滿足國內日益增多的波浪傳感器研發(fā)及標定需求。本文根據重力加速度式波浪傳感器的工作原理，設計了一套波高可調、頻率連續(xù)可調的波浪模擬標定系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設計

1.1設計原理

本系統(tǒng)模擬標定的是基本的簡諧二維波，結合重力加速度式波浪傳感器的工作原理，波浪傳感器的兩個主要參數為波高與周期，波浪的波高變化為正弦波[1,5-7]。因此，為實現(xiàn)波浪模擬功能，系統(tǒng)必須能設置波高的正弦變化，并且周期連續(xù)可調；為實現(xiàn)傳感器的標定功能，系統(tǒng)必須有檢測裝置能夠直接或間接檢測模擬實時波高值及周期值。

本文為實現(xiàn)上述模擬和標定功能，根據正弦波浪理論和重力加速度式波浪浮標[7]計量檢定規(guī)程，設計了一套波高在0.5～9 m范圍內可調，周期在2～40 s連續(xù)可調的波浪模擬標定系統(tǒng)。將波浪傳感器安裝固定在可調整旋轉半徑及周期的桁架上，并驅動傳感器及夾具自身也做旋轉運動，使波浪傳感器在隨桁架的轉動過程中始終保持水平，從而模擬波浪傳感器在實際工作環(huán)境中的運動。其中，系統(tǒng)通過調整波浪傳感器距離桁架旋轉中心的半徑，實現(xiàn)對波高大小的模擬；同時通過實時檢測控制驅動系統(tǒng)的轉速，實現(xiàn)對波浪周期的模擬；并通過波浪傳感器調平系統(tǒng)，實現(xiàn)波浪傳感器對實際工作環(huán)境中的隨波狀態(tài)的模擬。

基于以上分析，提出如圖1所示的系統(tǒng)原理圖，傳感器及夾具旋轉周期與主軸旋轉周期一致，幅值與旋轉半徑相同，那么，主桁架的勻速轉動過程就能夠實現(xiàn)傳感器夾具高度的正弦變化，同時為了使傳感器支架始終保持水平，必須根據桁架主臂與豎直面角度的變化，實時調整桁架主臂與傳感器夾具支架之間的夾角。其中主軸旋轉角度為α，傳感器平臺垂直軸線與桁架主臂夾角為β，機架半徑長度為l，傳感器與水平面的垂直距離為d，若主軸以勻速ω轉動，則有d=l·sinωt，α+β=90°。

圖1　系統(tǒng)原理示意圖Fig.1　Illustration of system principle

1.2系統(tǒng)組成

波浪模擬標定系統(tǒng)由電控系統(tǒng)、主桁架系統(tǒng)、平動調節(jié)系統(tǒng)、波高調節(jié)系統(tǒng)及配重調節(jié)系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)組成框圖Fig.2　Block diagram of system composition

本系統(tǒng)中，電控系統(tǒng)主要完成波浪頻率設置、各分系統(tǒng)的控制以及對整機運行過程中運行狀態(tài)的監(jiān)測與記錄功能。主桁架系統(tǒng)控制主桁架按照設定的旋轉速度穩(wěn)速運行，其結構主要包括主旋轉桁架、電動機、減速器、離合器、制動器、速度傳感器和電機驅動器等。調平系統(tǒng)控制傳感器支架的旋轉運動，使傳感器支架始終保持水平狀態(tài)，其結構主要包括調平電動機、減速器、角位移傳感器、電機驅動器和主軸角度傳感器等。波高調節(jié)系統(tǒng)用于靜態(tài)時調整傳感器支架的徑向位置即波高，當傳感器支架達到預定位置后，鎖緊機構將鎖緊，其結構主要包括調高電動機、齒輪齒條機構、驅動器和鎖緊機構等。配重調節(jié)系統(tǒng)與波高調節(jié)系統(tǒng)組成相同，控制方法與方式相似，實現(xiàn)靜態(tài)時配重塊位置的調整。系統(tǒng)各部件示意圖及效果圖分別如圖3、圖4所示。

1 波浪傳感器 2 調升滑塊 3 齒條 4 桁架 5 周期檢測裝置 6 導軌 7 配重 8 信息采集器 9 計算機 10 控制器 11 主電機 12 主減速器 13 離合器 14 剎車裝置圖3　系統(tǒng)示意圖Fig.3　Illustration of system

圖4　系統(tǒng)效果圖Fig.4　System effect picture

2系統(tǒng)結構設計

2.1主桁架設計

圖5　主旋轉桁架結構模型Fig.5　Structure model of main rotating truss

為保證系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，本系統(tǒng)主體桁架設計為環(huán)式旋轉結構，如圖5所示。桁架通過旋轉中心的兩個半軸支撐在軸承座上，其中一側的半軸A直接與驅動部分的桁架結構相連，在旋轉桁架上，兩根槽鋼以平行結構排列于桁架上作為主臂，同時，用槽鋼以中心圓盤為中心呈輻射狀分布在桁架上，并在槽鋼之間按順序分布一定數量的支撐桿，使整個桁架結構形成一個有機整體[1-2,8-9]。桁架通過半軸A直接與剎車盤、離合器、減速器和電動機相連，另一側則通過軸承套架在固定于地面的半軸B之上。作為主臂的槽鋼經過加工后成為軌道，在主臂的一端設計有固定被測對象的夾具支架，在主臂的另一端設計有一套配重支架，通過波高調節(jié)系統(tǒng)，夾具支架和配重支架能夠沿主臂導軌在桁架上做徑向移動，這樣既能調節(jié)被測對象旋轉半徑，又能保證桁架平衡和主臂平行度。

2.2平動調節(jié)系統(tǒng)的設計

由于波浪傳感器支架的擺動、振動問題可能會造成傳感器轉動的實際波高與支架主軸的旋轉直徑不符，而這種不符又不能通過簡單測量予以修正[1]。因此，如果傳感器支架能始終保持水平，則在忽略夾具形變后，支架(含傳感器)上各點運動軌跡完全相同。這樣，不論傳感器位置如何偏離夾具的幾何中心，其運動都可以使用夾具安裝孔的中心點來代替，而該點則可完全靜態(tài)準確測量，這樣可以提高波高的標定精度。

雖然使物體在旋轉中保持平動的方法很多，如常平架法、同步平動鏈法等，但這些方法存在結構復雜、加工精度高、控制困難以及成本較高等問題[1]。因此，本文提出采用交流伺服電機位置閉環(huán)控制來實現(xiàn)夾具的平動。波浪傳感器通過支架實現(xiàn)定位，支架又與伺服電機相連，在夾具隨桁架旋轉的同時，波浪傳感器及支架自身也能轉動，當桁架旋轉某一角度時，調平電機根據桁架主臂的瞬時位置，驅動傳感器及支架反向旋轉相同的角度，這就使得支架平面相對地面始終保持不變，即波浪傳感器及支架實現(xiàn)平動，如圖6所示。

圖6　夾具結構模型Fig.6　Structure model of the fixture

2.3波高調節(jié)系統(tǒng)的設計

在實際模擬標定過程中，波高的調節(jié)即是對波浪傳感器旋轉直徑的調節(jié)，本系統(tǒng)采用有極調節(jié)方式，且是在桁架靜止狀態(tài)時進行調節(jié)。在兩平行的主臂上均安裝有齒輪齒條機構和導向導軌，夾具上的調高電機帶動齒輪齒條運動，使整套夾具裝置沿著主臂導軌徑向移動，從而調節(jié)被測設備的旋轉直徑，當夾具到達需要模擬標定波高對應的旋轉半徑時，采用鎖緊機構將夾具裝置與主臂緊固，如圖6所示。

3控制系統(tǒng)設計

根據系統(tǒng)要求，設計電控系統(tǒng)的總體控制框圖，如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)控制框圖Fig.7　System control diagram

整個控制系統(tǒng)主要包括5部分：工控機、主桁架旋轉控制、調平調節(jié)控制、波高調節(jié)控制及配重調節(jié)控制。主桁架的旋轉采用速度閉環(huán)控制實現(xiàn)，傳感器支架的旋轉采用位置閉環(huán)控制實現(xiàn)，傳感器支架和配重在桁架徑向的移動由從控制器指令開環(huán)控制。

為明確整個控制系統(tǒng)的工作過程及各部分之間的關系，現(xiàn)對各部分功能進行詳細分析。

3.1工控機

操作人員通過上位機軟件開發(fā)出操作界面，實現(xiàn)人與機器的交互，通過計算機隨時調整主軸旋轉周期，并且在停機情況下通過計算機對波高電機及配重電機進行點動控制。模擬標定過程中，主軸和調平電機的角度位置由從控制器通過無線傳輸方式送達至工控機，用于屏幕顯示及記錄，同時計算機根據實際返回值計算波浪傳感器的實際運動周期。

3.2主桁架旋轉控制

主軸控制器通過串行通訊方式接收工控機發(fā)來的時間周期，計算得到主軸在此周期下的轉速，并將該轉速值作為速度給定值控制主電機的轉速，同時采用速度閉環(huán)控制，利用增量編碼器測得的速度值作為反饋值，控制原理圖如圖8所示。

圖8　速度閉環(huán)控制框圖Fig.8　Control block diagram of closed loop speed

3.3傳感器支架旋轉控制

模擬標定過程中，必須保證傳感器支架與主軸旋轉角度有關聯(lián)的位置關系。為檢測主軸旋轉角度，在主軸上加裝絕對編碼器，安裝方式為編碼器軸相對地面固定，外圈隨桁架一起旋轉，這樣能夠將傳感器的信號不通過滑環(huán)而直接接入到傳感器支架控制器，經過計算后作為傳感器支架的位置指令，同時采用位置閉環(huán)控制，利用絕對編碼器測得的位置值作為反饋值。控制原理圖如圖9所示。

圖9　位置閉環(huán)控制圖Fig.9　Control block diagram of closed loop position

3.4波高調節(jié)控制和配重調節(jié)控制

波高調節(jié)控制與配重調節(jié)控制的原理一致，分別控制波浪傳感器及支架和配重塊在桁架主臂上的位置。調節(jié)功能采用開環(huán)點動控制，在系統(tǒng)桁架靜態(tài)條件下使用，此時，工控機將波浪傳感器及支架和配重塊的波高調節(jié)指令送達從控制器，輸出啟動和停止信號來控制波高調節(jié)電機或配重調節(jié)電機的正向或反向轉動，驅動夾具裝置或配重裝置在桁架主臂上做徑向移動，到達各自的預定位置后由鎖緊結構固定。

4系統(tǒng)分析

4.1結構分析

本系統(tǒng)中桁架結構材料全部采用普通型鋼，設定桁架轉動最小周期為2 s，足夠的結構強度和剛度直接關系到系統(tǒng)模擬標定過程的準確性和安全性。由于桁架結構件比較多，受力比較復雜，傳統(tǒng)的力學分析方法步驟繁瑣，且結果不精確[10-11]。本文采用ANSYS軟件的結構分析模塊，對主桁架系統(tǒng)整體剛度、強度進行有限元分析。

通過分析系統(tǒng)的實際工況可知，桁架的受力和變形主要來自于不同旋轉周期下的徑向力，因此，本文主要分析桁架在最小周期下沿徑向的應力和應變。首先，建立主桁架有限元模型并定義材料屬性，單元類型采用梁單元，材料定義為結構鋼，然后，采用自由網格的方式劃分網格，共生成5 348個單元，11 427個節(jié)點，再施加約束和初始載荷，約束為圓柱支撐，初始載荷施加重力和最小周期時的旋轉速度(π rad/s)，最后求解得到桁架的應力和應變情況分別如圖10、圖11所示。

由圖10可知，桁架結構在徑向上的最大應力為20.5 MPa，發(fā)生在桁架最外圈的十字連接架處，仿真強度遠低于材料的屈服極限，滿足強度設計要求，且安全系數合理。由圖11可知，桁架在徑向的最大變形為1.88 mm，即桁架在最小周期轉動條件下桁架最外邊緣相對旋轉中心的位移量，經判斷，該桁架的剛度也滿足要求。同時在運用ANSYS仿真時發(fā)現(xiàn)，桁架中心處連接盤的強度裕量過大，進而對中心連接盤進行優(yōu)化設計，避免造成浪費。

圖10　桁架結構應力圖Fig.10　Stress diagram of truss structure

圖11　桁架結構應變圖Fig.11　Strain diagram of truss structure

4.2精度分析

系統(tǒng)本身的精度直接影響模擬標定的準確性，因此，必須對系統(tǒng)運行誤差進行分析，以確定系統(tǒng)是否能夠滿足標定功能要求。

本系統(tǒng)的兩個關鍵技術指標是波高和周期。在模擬標定過程中，波浪傳感器的波高即桁架主軸距離波浪傳感器支架主軸中心的距離，此精度由機械結構保證，在系統(tǒng)安裝完成后，對于每個模擬標定波高值，調整完成后都用鎖緊機構固定，可在靜態(tài)時用激光測距儀實際測量每個模擬標定位置的準確長度，與系統(tǒng)的控制精度無關，這樣可以保證系統(tǒng)波高的模擬標定精度達到2 mm的誤差要求；本系統(tǒng)在轉動過程中每個周期負載變化規(guī)律相同，屬于是一個穩(wěn)定慣性負載。主軸控制采用速度閉環(huán)控制，周期變化值很小，一般穩(wěn)速精度可以達到3‰。從測試的角度看，實際周期值是通過讀取桁架主軸上編碼器的反饋值計算周期值，周期采樣由調平控制器采集，調平控制器的采樣周期為小于5 ms，即周期采樣的最大誤差不大于5 ms，完全滿足系統(tǒng)要求。

波浪傳感器支架的水平度是影響波浪傳感器模擬標定結果的主要因素。通過前面系統(tǒng)功能分析，桁架主軸和調平電機的轉動均為勻速轉動，傳感器支架上負載為固定負載，且一直工作在水平位置，傾覆轉矩幾乎無變化，使用交流伺服電動機即能夠達到實時跟蹤主臂角度的功能，并在主軸上安裝絕對式編碼器對波浪傳感器支架的水平控制精度進行檢測。

5結論

本文設計的波高可調、周期連續(xù)可調的波浪模擬標定系統(tǒng)，不僅能夠用于模擬和標定波浪傳感器等測波設備的波高和周期，而且可以模擬標定波高和周期的精度和范圍，較國內現(xiàn)有設備在技術上有了明顯的提高，模擬標定的最大波高達到9 m，精度達到±2 mm，在實現(xiàn)波浪傳感器平動方式上采用伺服系統(tǒng)控制，從根本上消除了以往常平架、平動鏈等技術上的弊端。目前系統(tǒng)結構已加工完畢，正處于調試階段，各項性能均穩(wěn)定可靠，該系統(tǒng)將為確保海洋數據的質量提供重要的基礎保障。

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【海洋科技與裝備】

Design of wave simulation and calibration system

LI Xuan-qun,FAN Xiu-tao, ZHANG Ji-ming, WAN Xiao-zheng, LI Wen-qing

(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, Institute of Oceanographic

Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)

Abstract∶We design a set of wave simulation calibration system based on the principle of gravity acceleration wave sensor.Its parameters are adjustable forwave height of 0.5 ～ 9 m, and cycle of 2 ～ 40 s.We mount a wave sensor on a circular truss of uniform rotation based on sine wave theory.The trajectory of the wave sensor can be considered as a sine wave, which is simulated the calibration.Its control system controls rotational radius of the wave sensor and the rotational cycle of the truss in order to achieve the simulation and calibration for wave height and wave period.We eventually employ finite element analysis for truss overall structural strength and stiffness.We also analyze its calibration precision, and acquire the wave height accuracy of ± 2 mm and wave cycle accuracy of ± 0.1 s.The results satisfy the requirement of design and operation.

Key words∶wave;simulation and calibration; truss; ANSYS

中圖分類號：TH766+.2;TB21

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026(2015)04-0001-07

作者簡介：李選群(1984-)，男，研究實習員，研究方向為海洋裝備結構設計。Email：qunxuanhong@126.com

基金項目：國家自然科學基金(41401435)

收稿日期：2015-04-22

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.001