流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪，属于水利工程试验技术领域。
【背景技术】
[0002]当前国内外在研究自升式平台插拔粧的过程中，都是采用单一自由度的竖向加载模式，不实现水平方向、转动方向的多自由度加载，为了更为准确地模拟海洋水动力荷载，需要在试验设备内嵌入多自由度耦合加载控制系统，并合理设计出理想的机械加载设备。本发明就是基于上述关键技术而提出并研发的。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪，以便更好地开展相关实验。
[0004]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
[0005]—种流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪，包括支撑架，支撑架上设置有第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机和线性模组，第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机分别设置在支撑架的竖直和水平方向上，线性模组上连接有信号连接线，信号连接线另一端连接有PLC控制系统；支撑架下部设置有罩体，罩体内部设置有试验容器;试验容器内部设置有粧靴，粧靴上连接有粧腿，粧腿顶部连接有第一圆环、第二圆环和第三圆环;第一圆环、第二圆环和第三圆环相互垂直设置;第一圆环、第二圆环和第三圆环上部分别连接有第四伺服电机、第五伺服电机、第六伺服电机。
[0006]上述系统中，还连接有电脑控制系统，电脑控制系统与PLC控制系统相连接，该系统中的六个自由度包括三个直线和三个转动，三个直线运动由第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机分别驱动各自的线性模组来完成;三个转动由第一圆环、第二圆环和第三圆环来实现;具体的工作方式如下:
[0007](I)线性模组产生三个自由度上的拉压荷载，具体过程为，PLC控制系统向伺服驱动器发送速度和位移脉冲信号，伺服驱动器在脉冲信号的驱动下，控制第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机进行有方向、有快慢的转动;第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机通过联轴器连接着三台线性模组，第一线性模组通过四根水平光滑丝杠连接在上部支架上;第二线性模组能够带动第一台线性模组沿着光滑导轨方向平移;第三组线性模组驱动上部支架发生垂直于四条水平光滑导轨方向的平移;这三组线性模组在空间内形成两两垂直关系，分别同独立的伺服电机连接，来完成三个方向的直线运动;第一线性模组的丝杠与第一伺服电机、第二线性模组的丝杠与第二伺服电机、第三线性模组的丝杠与第三伺服电机同速运转，从而将第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机的转动变化为平移运动；
[0008](2)第一圆环能够进行水平面内的转动，能够施加扭矩荷载;第二圆环和第三圆环能够进行另外两个面内的力矩加载，能够施加力矩荷载；
[0009](3)加载设备上安装有荷载、位移传感器，传感器获得的数据信号作为反馈信号，传给土工试验仪器控制模块。
[0010]通过粧腿顶部的螺栓连接在加载设备上，通过粧腿底部的螺栓连接在粧靴上;粧靴模型有直径8cm，12cm，18cm的不等;粧腿直径只有I种，直径是Icm的合金钢;粧腿长度为30cm，两头都有螺丝；当粧腿需要加长时，就通过螺母将多段30cm的粧腿连接。
[0011]竖轴就是粧腿;粧腿顶端与加载设备相连;联轴器的作用是连接伺服电机轴承和其他部件的，就是说伺服电机的转动轴先连接到联轴器上，然后再通过联轴器连接其他物体，如线性模组或其他转动设备。之所以采用联轴器，是因为伺服电机的转轴较细，而其他的轴承直径一般较粗，两个不同直径的物体没法用螺帽连接，所以采用了联轴器;联轴器可以在两端，分别连接不同直径的轴承。
[0012]伺服电机转动带动线性模组产生平移运动，从而带动竖轴产生Hx、V、Hy三个方向上的平移运动，从而带动与竖轴连接的比尺模型产生Hx、V、Hy三个方向上的平移运动。其中，H是英语horizontal的缩写，Hx表示X轴方向的水平位移或荷载;Hy表示y轴方向的水平位移或荷载;V表示竖向荷载，vertical的意思。同理Mx中M为力矩moment的意思。线性模组实现了竖直方向的水平移动;然后该线性模组被安装在一个可以在水平平面内移动的架子上，这样就实现了加载设备三个方向的直线运动。在三个伺服电机驱动线性模组的情况下，就可以使得加载设备发生三个方向的水平移动;加载设备下部的圆环结构，能实现三个方向的转动;这样就完成了六个自由度的转动。
[0013]该发明的有益效果在于:本发明是一项土工试验设备，其实现了空间内6个自由度的耦合加载功能，能够进行海洋工程领域内的土工模型试验，采用双闭环自动化控制，嵌入了自主推导的六自由度加载程序，改进了当前自升式平台插拔粧过程中I个自由度或2个自由度的土工加载仪，使用更加方便，效果更好。
【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例中所使用装置结构示意图。
[0015]图2是本发明实施例中的圆环局部放大示意图。
[0016]图3是本发明实施例中的圆环运动示意简图。
[0017]图中标记说明:1、支撑架;2、第一圆环;3、粧腿;4、罩体;5、试验土槽;6、第一伺服电机;7、第二伺服电机;8、第三伺服电机;9、信号连接线；10、PLC控制系统；11、第一线性模组；12、粧靴；13、第二圆环；14、第三圆环；15、第四伺服电机；16、第五伺服电机；17、第六伺服电机;18、第二线性模组。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便更好的理解本发明。
[0019]实施例
[0020]如图1所示的流-固-土多项耦合六自由度单、双向静动态加载仪，包括支撑架I，支撑架I上设置有第一伺服电机6、第二伺服电机7、第三伺服电机8和第一线性模组11，第一伺服电机6、第二伺服电机7、第三伺服电机8分别设置在支撑架I的竖直和水平方向上，第一线性模组11上连接有信号连接线9，信号连接线9另一端连接有PLC控制系统10;支撑架I下部设置有罩体4，罩体4内部设置有试验容器5 ；试验容器5内部设置有粧靴12，粧靴12上连接有粧腿3，粧腿3顶部连接有第一圆环2、第二圆环13和第三圆环14;第一圆环2、第二圆环13和第三圆环14相互垂直设置;第一圆环2、第二圆环13和第三圆环14上部分别连接有第四伺服电机15、第五伺服电机16和第六伺服电机17。
[0021]上述系统中，还连接有电脑控制系统，电脑控制系统与PL C控制系统1相连接，该系统中的六个自由度包括三个直线和三个转动，三个直线运动由第一伺服电机6、第二伺服电机7、第三伺服电机8驱动各自的线性模组来完成;三个转动由第一圆环2、第二圆环13和第三圆环14来实现;具体的工作方式如下:
[0022](I)第一线性模组11产生3个自由度上的拉压荷载，具体过程为，PLC控制系统10向伺服驱动器发送速度和位移脉冲信号，伺服驱动器在脉冲信号的驱动下，控制第一伺服电机6、第二伺服电机7、第三伺服电机8进行有方向、有快慢的转动;第一伺服电机6、第二伺服电机7、第三伺服电机8通过联轴器分别连接着第一线性模组11、第二线性模组18和第三线性模组，一共三个线性模组，分别跟伺服电机链接，来实现三个直线运动，第一线性模组11的丝杠与第一伺服电机6、第二线性模组的丝杠与第二伺服电机7、第三线性模组的丝杠与第三伺服电机8同速运转，从而将第一伺服电机6、第二伺服电机7、第三伺服电机8的转动变化为平移运动；
[0023](2)如图2所示，第一圆环2能够进行水平面内的转动，能够施加扭矩荷载;第二圆环13和第三圆环14能够进行另外两个面内的力矩加载，能够施加力矩荷载；
[0024](3)加载设备上安装有荷载、位移传感器，传感器获得的数据信号作为反馈信号，传给土工试验仪器控制模块。
[0025]通过粧腿顶部的螺栓连接在加载设备上，通过粧腿底部的螺栓连接在粧靴上;粧靴模型有直径8cm，12cm，18cm的不等;粧腿直径只有I种，直径是Icm的合金钢;粧腿长度为30cm，两头都有螺丝；当粧腿需要加长时，就通过螺母将多段30cm的粧腿连接。
[0026]竖轴就是粧腿;粧腿顶端与加载设备相连;联轴器的作用是连接伺服电机轴承和其他部件的，就是说伺服电机的转动轴先连接到联轴器上，然后再通过联轴器连接其他物体，如线性模组或其他转动设备。之所以采用联轴器，是因为伺