多轴控制的波浪模拟系统的制作方法

本发明涉及波浪模拟系统的技术领域，公开了多轴控制的波浪模拟系统。

背景技术：

目前波浪模拟控制系统一般采用总线式、网络式和板卡式等三种控制方式，主要有ethercat、sqynet、rs485等现场总线系统，工业以太网控制系统和基于pc的运动控制卡控制系统。

其中，现场总线系统价格较高、传输距离受限制，远程控制较难实现，且专有化程度高，不易与其它设备兼容；工业以太网控制系统数据传输实时性较难保证，容易造成各推波板之间的不同步；基于板卡的运动控制系统主要由运动控制卡和计算机构成，运动控制卡一般插入计算机的pci/pcie插槽中，传输距离受限，线缆开销大、接口多，不利于安装维护，且可扩展性不足。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供多轴控制的波浪模拟系统，旨在解决现有技术中同步性较差、传输距离受限制、价格偏高的问题。

本发明实施例提供了多轴控制的波浪模拟系统，包括上位机、至少一个多轴管理器、多个控制器以及造波结构，所述多轴管理器通过can总线与多个所述控制器连接，所述上位机与多轴管理器通过i/o端口连接；所述上位机通过以太网下发运动指令，所述多轴管理器通过can总线将运动指令传输至对应的控制器以便执行对应的运动；

所述造波结构包括流道，所述流道的前端连通有蓄水池，所述流道的后端连通有回水池，所述回水池与蓄水池之间连通有抽水管，所述抽水管中设有抽水泵，所述抽水泵将回水池中的水抽至蓄水池中；所述蓄水池位于所述流道的上方，所述蓄水池的侧壁设置有出水口，所述出水口与流道的前端之间通过第一斜坡连接；所述出水口处设置有第一闸门，所述第一闸门由第一电机驱动上下移动；

所述流道的中部设置有凹陷槽，所述凹陷槽呈下小上大扩口状，所述凹陷槽的底部设置有水平板，所述流道的下方设置有第二电机，所述第二电机的电机轴穿过所述凹陷槽的底部，与所述水平板连接，所述第二电机驱动水平板上下移动；

所述抽水泵、第一电机以及第二电机分别与所述控制器电性连接，由所述控制器控制运作。

进一步的，所述水平板具有朝上布置的上端面，所述水平板的上端面设置有多排软制片，多排软制片相间隔平行布置，且所述软制片沿着所述流道的宽度方向延伸布置。

进一步的，所述流道的底部包括位于凹陷槽前方的进水段以及位于凹陷槽后方的出水段，所述进水段与出水段与所述凹陷槽之间圆弧过渡；沿所述流道中的水的流动方向，所述进水段朝下倾斜布置，所述出水段朝上倾斜布置。

进一步的，所述进水段上设置有多个间隔平行布置的进水轨槽，所述进水轨槽沿着所述流道中的水的流动方向延伸布置，且延伸连通至所述凹陷槽。

进一步的，沿着所述流道中的水的流动方向，所述进水轨槽的宽度逐渐加大。

进一步的，所述出水段上设置有多个依序升高布置的台阶，所述台阶沿着所述流道的宽度方向延伸布置。

进一步的，所述回水池具有进水口，所述进水口与所述流道连通，所述进水口中设置有多个纵向布置的格栅板，所述流道的底部设置有第三电机，所述第三电机电性连接所述控制器，所述控制器控制第三电机驱动所述格栅板上下移动。

进一步的，所述流道具有两个相间隔布置的流道壁，所述流道壁具有位于中间位置的中间段，所述中间段与所述凹陷槽位置对应，且所述中间段为软质弹性材料制成；所述流道两侧分别设置有气缸，所述气缸连接有推动板，所述推动板抵压着所述中间段；所述气缸与所述控制器电性连接，由所述控制器控制所述气缸推动所述推动板抵压所述中间段朝内变形。

进一步的，所述蓄水池的底部设置有沉沙层，所述沉沙层铺设有沙子，所述蓄水池的侧壁设置有进气孔，所述进气孔连接有吹气头，所述吹气头与所述控制器电性连接，由所述控制器控制所述吹气头吹出气体，所述气体搅动沉沙层的沙子。

进一步的，所述蓄水池的侧壁上设置有回水口，所述回水口与所述吹水口呈正对布置，所述抽水管连通至所述回水口。

本发明实施例所提供的多轴控制的波浪模拟系统，通过太网传输运动指令至多轴管理器，多轴管理器通过can总线将运动指令传输至对应的控制器，控制器则根据运动指令控制第一电机、第二电机以及抽水泵的运作，以使造波结构完成相应的运动，确保波浪模拟控制的实时性、准确性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多轴控制的波浪模拟系统的控制示意图；

图2为本发明实施例提供的多轴控制的波浪模拟系统的控制示意图；

图3为本发明实施例提供的多轴控制的波浪模拟系统的控制流程图；

图4为本发明实施例提供的多轴控制的波浪模拟系统的造波结构的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的多轴控制的波浪模拟系统的流道的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的多轴控制的波浪模拟系统，包括上位机100、至少一个多轴管理器200、多个控制器300以及造波结构；多轴管理器200通过can总线与多个控制器300连接，上位机100与多轴管理器200通过i/o端口连接。

上位机100通过以太网向多轴管理器200下发运动指令，多轴管理器200通过can总线将运动指令传输至对应的控制器300以便执行对应的运动。

本实施例中，上位机100可以是pc控制机，利用pc控制机运算速度快和存储容量大的特点，由pc控制机实现所有运动轨迹规划，提高控制系统的插补速度和控制精度，一个pc控制机最多可控制32个多轴管理器200，一个多轴管理器200最多可接入16个can总线结点，一个控制器300可接入4个数字驱动单元，一个i/o站可接入不少于16个输入输出信号，该控制系统理论最多可控制256个运动轴。

造波结构包括流道，流道的前端连通有蓄水池401，流道的后端连通有回水池402，回水池402与蓄水池401之间连通有抽水管403，抽水管403中设有抽水泵404，抽水泵404将回水池402中的水抽至蓄水池401中，蓄水池401位于所述流道的上方，蓄水池401的侧壁设置有出水口，出水口与流道的前端之间通过第一斜坡连接；出水口处设置有第一闸门407，第一闸门407由第一电机驱动上下移动。

当第一闸门407打开时，蓄水池401内的水则会通过出水口流入流道中，通过第一斜坡的过渡，模拟波浪效果，流道中的水进入回水池402后，通过抽水泵404则可以将水抽回蓄水池401中，实现水的循环作用。

流道的中部设置有凹陷槽416，凹陷槽416呈下小上大扩口状，凹陷槽416的底部设置有水平板414，流道的下方设置有第二电机415，第二电机415的电机轴穿过凹陷槽416的底部，与水平板414连接，第二电机415驱动水平板414上下移动；抽水泵404、第一电机以及第二电机415分别与控制器300电性连接，由控制器300控制运作。

通过设置凹陷槽416，流道中的水在流动过程中，受到凹陷槽416的阻碍作用，便于形成波浪，并且，根据波浪大小的需求，可以通过第二电机415控制水平板414的上下移动速度及幅度实现。

上述提供的多轴控制的波浪模拟系统，通过太网传输运动指令至多轴管理器200，多轴管理器200通过can总线将运动指令传输至对应的控制器300，控制器300则根据运动指令控制第一电机、第二电机415以及抽水泵404的运作，以使造波结构完成相应的运动，确保波浪模拟控制的实时性、准确性和可靠性。

本实施例中，水平板414具有朝上布置的上端面，水平板414的上端面设置有多排软制片，多排软制片相间隔平行布置，且软制片沿着所述流道的宽度方向延伸布置。

流道中的水在流动的过程，通过水平板414的上下移动，且软制片对水的流动起到阻碍作用，伴随着水平板414的上下移动，软制片也会来回摆动，从而更便于对水流造成波浪。

流道的底部包括位于凹陷槽416前方的进水段408以及位于凹陷槽416后方的出水段410，进水段408与出水段410与所述凹陷槽416之间圆弧过渡；沿流道中的水的流动方向，进水段408朝下倾斜布置，出水段410朝上倾斜布置。

这样，便于蓄水池401内的水流入流道中，减缓流道中水流入回水池402，便于水平板414上下移动对流动中的水的造波效果。

进水段408上设置有多个间隔平行布置的进水轨槽409，进水轨槽409沿着流道中的水的流动方向延伸布置，且延伸连通至凹陷槽416。这样，进水轨槽409对流道中的水的流动起到导向作用，可以将流道中的水快速导向凹陷槽416中，在凹陷槽416以及水平板414的沟通作用下，可以更加高效的实现造波效果。

沿着流道中的水的流动方向，进水轨槽409的宽度逐渐加大，可以在最大范围内导向水的流动。

出水段410上设置有多个依序升高布置的台阶418，台阶418沿着流道的宽度方向延伸布置，通过设置台阶418，可以减缓水沿着出水段410的流动速度，这样，进水段408中的水流速度加大，出水段410的水流速度减缓，则可以在进水段408与出水段410之间形成所需的波浪，也就是造波效果。

回水池402具有进水口，进水口与流道连通，进水口中设置有多个纵向布置的格栅板419，流道的底部设置有第三电机，第三电机电性连接控制器300，控制器300控制第三电机驱动格栅板419上下移动。

通过设置格栅板419，可以对进入回水池402中的水起到局部过滤以及阻碍的作用，通过控制第三电机控制格栅板419的上下移动，调节格栅板419对水流的阻碍作用，从而间接控制造波的幅度。

流道具有两个相间隔布置的流道壁，流道壁具有位于中间位置的中间段，中间段与凹陷槽416位置对应，且中间段为软质弹性材料制成；流道两侧分别设置有气缸411，气缸411连接有推动板412，推动板412抵压着中间段；气缸411与所述控制器300电性连接，由控制器300控制所述气缸411推动推动板412抵压所述中间段朝内变形。

这样，通过气缸411驱动推动板412挤压中间段，从而使得中间段的宽度变化，对流道内的会起到挤压扰动作用，配合凹陷槽416以及水平的作用，在纵向以及横向对水流造成干扰，便于流道内的水形成波浪。

蓄水池401的底部设置有沉沙层，沉沙层铺设有沙子，蓄水池401的侧壁设置有进气孔，进气孔连接有吹气头405，吹气头405与控制器300电性连接，由控制器300控制吹气头405吹出气体，气体搅动沉沙层的沙子。

进入了沉沙层，可以更加好的模拟河道的实际情况，且吹气头405吹气对沉沙层造成扰动，沙子飘起对水流造成搅动，可以更加逼真的模拟河流实际情况。

蓄水池401的侧壁上设置有回水口，回水口与所述吹水口呈正对布置，所述抽水管403连通至回水口。

本实施例提供的多轴控制的波浪模拟系统，其同步控制80轴，上位机100实现造波数据导入、运动轨迹生成、数据传输和状态监控等功能，上位机100与多轴管理器200之间通过工业以太网连接，实现造波数据与i/o状态数据的交互，工业以太网的传输速率为100m/s以上，传输距离100m，并可通过中继网络设备进行长距离拓展，解决了大数据量和传输距离的问题。多轴管理器200、i/o站和控制器300组建一个can局域网，多轴管理器200和控制器300为采用arm9开发的嵌入式单元，运行wince实时系统；充分利用can总线的实时性和可靠性，另外，运动指令运算上位机100实现，多轴管理器200与控制器300之间的传输数据仅仅为速度、加速度、位移及反馈的状态位，数据量不大，不影响传输速率及同步性，can局域网采用短帧结构，使得传输的可靠性和实时性进一步得到了保证，各单元can局域网之间的同步性通过统一接入i/o端口发送电平信号实现同步触发。故整个控制系统具有较好的实时性、可靠性和扩展性，满足波浪模拟系统的要求。

本实施例中，上位机100还用于导入波谱数据，并通过三阶样条插值算法生成运动指令。依照“三阶样条插值法”生成运动轨迹，编译成目标轨迹代码，形成运动指令，然后将运动指令通过以太网发送至各个多轴管理器200，由多轴管理器200实现运动控制，所述运动指令包括：启动造波、停止造波、单轴复位、多轴复位、根据波谱数据生成对应的运行轨迹、单轴步进、多轴步进。

本实施例中，上位机100针对每个多轴管理器200，增加一个实时线程，线程优先级设置为实时，以便实现以太网通讯的实时性。除紧急停功能直接接入控制器300进行处理外，其它外部i/o都接入i/o站，以便减轻控制器300的负荷，提高稳定性和可靠性。

本实施例中，上位机100通过i/o端口向多轴管理器200输出电平信号，上位机100通过i/o端口输出由低到高的电平信号时，则多轴管理器200启动造波；或上位机100通过i/o端口输出由高到低的电平信号时，则多轴管理器200停止造波。

图3示出了本实施例提供的多轴控制的波浪模拟系统的控制流程图，为了便于描述，仅示出了与本实施例相关的部分，包括如下步骤：

步骤s11，上位机100通过以太网与多轴管理器200进行连接。

上位机100与多轴管理器200之间通过工业以太网连接，工业以太网的传输速率为100m/s以上，传输距离100m，并可通过中继网络设备进行长距离拓展，解决了大数据量和传输距离的问题。

上位机100启动程序后，首先启动网络服务器，网络服务器为一个独立的进程，优先级为实时，网络服务器自动搜索局域网中相关的多轴管理器200，并尝试建立连接；每成功建立一个连接，新增一个数据交互线程，线程的优先级也实时级别，确保网络通讯的实时性。

步骤s12，上位机100根据波谱数据生成运动指令，并发送运动指令。

待多轴管理器200全部连接成功后，可导入波谱数据，上位机100运用三阶样条插值算法生成运动指令，网络服务器把运动指令分发至多轴管理器200。运动指令的类型包括启动造波、停止造波、单轴复位、多轴复位、根据波谱数据生成对应的运行轨迹、单轴步进、多轴步进。上位机100控制软件开发平台为vc2012，操作系统为win7。

在启动造波后，上位机100采集波高数据；判断波高数据是否符合预设波谱，若符合则停止造波；否则对波谱数据进行修正，重新形成波谱数据。

上位机100根据需求启动波浪数据采集线程，该线程设置为normal级别，通过对采集到的波高数据进行分析，判断模拟的波浪是否满足试验需求，从而决定是否需要进行运动轨迹数据修正。

步骤s13，多轴管理器200接收运动指令，并通过can总线将运动指令传输至对应的控制器300控制执行对应的运动。

多轴管理器200根据接收到的运动指令类型完成对应的运动。当上位机100与多轴管理器200建立网络连接后，程序进入网络通讯事件和i/o同步事件监听，根据收到的不同运动指令进行不同的动作响应。当接收到造波轨迹运动指令时，多轴管理器200把该轨迹数据按照编号顺序存储到寄存器中，当接收到30s以上的造波数据时，多轴管理器200可对造波启动指令进行响应，当接收到造波启动指令即启动造波子线程。上位机100与多轴管理器200之间通过同一个电平i/o电平信号实现同步，上位机100输出由低到高的电平信号时，多轴管理器200则启动造波；上位机100输出由高到低的电平信号时，多轴管理器200则立即停止造波，保证各多轴管理器200之间的同步性，多轴管理器200的操作系统为wince，控制软件采用vs2012开发。

多轴控制的波浪模拟系统的同步性主要包括多轴管理器200之间的同步误差和多轴管理器200内can局域网内的同步误差。多轴管理器200之间因通过同一个i/o电平信号触发，各子多轴管理器200将在一个刷新周期内检测到该信号，因此各多轴管理器200之间的同步性可保证在一个刷新周期内，该多轴管理器200的刷新频率为1000hz，则多轴管理器200的同步误差在1ms以内。can总线本身具有较好的实时性，高优先级的数据最快可在134微妙内得到传输。

多轴管理器200can局域网传输距离在20m以内，通讯速率可达到1m/s，同时采用短帧通讯，进一步提高了通讯速度。控制器300与多轴管理器200之间的通讯的优先级设计为最高，故理论上can局域网的同步误差为小于等于8×134＝1.072ms，因此该多轴控制系统的同步误差小于等于2.5ms。波浪试验的控制点间隔一般为20ms，2.5ms仅为一个控制点间隔的1/8，不会对波浪模拟造成影响，满足波浪试验的要求。将80个轴单元以相同的运动轨迹(每个运动轨迹包含8192个数据点，数据点间隔为20ms)运行，连续运行2小时，各轴的同步误差皆控制在1/4个点间间隔时间内。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。