一种舰船医用吊舱设备综合海况试验装置的制作方法

1.本发明属于舰船装载设备试验技术领域，涉及医用吊舱设备产品设计及应用，具体地，涉及一种舰船医用吊舱设备综合海况试验装置。


背景技术：

2.随着国家整体经济实力的提升，舰船系统及装备的建设与发展已日趋多功能化。从近海到远航，医疗救护在舰船卫勤保障方面的需求已愈发苛刻，对舰船装载设备的安全可靠性也日益提高，其产品设计中的海况试验技术也在不断升级和改进。医用吊舱设备，如手术麻醉吊塔、手术室外科塔、icu吊塔等，作为舰船装载设备中卫勤保障实施医疗救护的重要基础条件，不仅应具备一定的承载能力以满足3s设计(强度、刚度、稳定性)要求，而且需达到一定的海况等级试验条件以满足运动参数的振动响应(晃动、摇摆、复合振动)要求，从而保证设备在海上特殊环境下的正常运行，保障其使用高安全性与高可靠性。于是，在设计之初，有必要对医用吊舱设备进行综合海况的实验室试验，用于指导与优化产品设计。
3.经公开文献检索发现：近年来，涉及医用吊舱或吊塔相关产品的开发、优化设计及应用研究已有很多，且已取得了重大的进步，如申请号为202021628461.0的中国实用新型专利，其公开了一种可模块化安装功能部件的医用吊塔；申请号为202011630613.5的中国发明专利，考虑到船上使用时对应的复杂海况环境，其公开了一种用于船载吊塔的固定装置；等等，但鲜有从产品试验角度升级与改进产品质量的研究，特别是实验室试验。当然，实况测试也是一种试验手段，但是完全依赖实况测试，不仅成本巨大、产品研制更新耗时长，而且海上试验风险和难度均非常大、实施难度也很大。进一步，随着国家航运强国战略的提出，用于远航舰船卫勤保障的装载医用吊舱设备仍处于探索推进阶段，在适用性、可靠性、安全性等方面，技术还不够成熟。因此，设计一种舰船医用吊舱设备试验装置进行海况试验的实验室模拟，对设计、改进、升级产品质量等提供试验依据，市场需求及实际意义均非常明显。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种舰船医用吊舱设备综合海况试验装置，其机械结构可有效地承载医用吊舱设备及其荷载，适用于舰船远航时对应海上3级
‑
8级海况试验条件下开展运动参数的振动响应等动态测试，可满足实验室模拟垂荡引起的颠簸抖动、横摇或纵摇引起的摆动摇晃以及两者复合振动响应等要求，便于对升级与改进产品质量进行技术研究以及对产品适用性、可靠性、安全性等进行综合评估。
5.本发明是这样实现的：其构造特征是如图1所示，由上至下依次包括有上层建筑连接板(ⅰ)、型材框架(ⅱ)、第一伺服电动缸(ⅲ)、导向滑块支撑结构(ⅳ)、中部过渡连接板(
ⅷ
)、第二伺服电动缸(
ⅴ
)、支撑轴(2)、摆动连接组件(
ⅵ
)、待试验吊舱设备连接板(
ⅶ
)，第二伺服电动缸(
ⅴ
)通过两个摆动连接组件(
ⅵ
)分别与中部过渡连接板(
ⅷ
)、待试验吊舱设备连接板(
ⅶ
)相联结。
6.所述上层建筑连接板(ⅰ)的构造是如图2所示，在其边缘的四周均布有八个上层建筑连接板安装孔(5)，通过膨胀螺栓联接固定整个试验装置；在其四个角落处分别开设有一个型材框架定位方孔(3)及对应四个角件固定螺纹孔(4)，型材框架定位方孔(3)的沟槽深度为0.2mm，角件固定螺纹孔(4)为穿通螺纹；在中心线位置处开设有六个均布第一伺服电动缸安装沉头孔(6)，通过螺栓联接固定第一伺服电动缸(ⅲ)；在中心线左右对称的两侧设有两个电机驱动器安装位置(7)，通过螺栓联接分别固定第一电机驱动器(1
‑
a)、第二电机驱动器(1
‑
b)。
7.所述型材框架(ⅱ)的构造是如图3所示，包括有若干个角件(8)和若干个长短不等的工业铝型材(9)，由高强度螺栓或t型螺栓和法兰面自锁螺母联接而成，并通过上层建筑连接板(ⅰ)上开设的型材框架定位方孔(3)及对应角件固定螺纹孔(4)进行定位装配。
8.所述第一伺服电动缸(ⅲ)的构造是如图4所示，由第一电机(10
‑
a)驱动，经第一同步带折返减速器(11
‑
a)带动第一丝杠(12
‑
a)作直线伸缩运动，在第一丝杠(12
‑
a)的末端设有输出外螺纹接头(13)，用作与中部过渡连接板(
ⅷ
)进行固接；在顶部第一同步带折返减速器(11
‑
a)上设有第一伺服电动缸安装螺纹孔(6')，用作与上层建筑连接板(ⅰ)进行固接。
9.所述导向滑块支撑结构(ⅳ)的构造是如图5所示，在支撑导杆(16)上布置有两块导向滑块(15、15')，两端部布置有滑块限位件(14、14'、14”)，导向滑块(15、15')通过螺栓和法兰面自锁螺母固定于型材框架(ⅱ)的一个侧面上，同理，导向滑块支撑结构(ⅳ)同样地将布置于另两个侧面上。
10.所述中部过渡连接板(
ⅷ
)的构造是如图6所示，在其平面上开设有摆动连接组件安装螺纹孔(17)和摆动连接组件定位槽孔(18)，用作法兰连接件(31)位置处摆动连接组件(
ⅵ
)的定位装配；对应导向滑块支撑结构(ⅳ)在型材框架(ⅱ)上的三个安装侧面，在该连接板的三个侧边分别开设有支撑导杆装配孔(19)及滑块限位件连接固定孔(21)，位于支撑导杆(16)一端的两个滑块限位件(14'、14”)经支撑导杆装配孔(19)及滑块限位件连接固定孔(21)，通过螺栓联接将导向滑块支撑结构(ⅳ)固定在该连接板上；在其中心线位置处开设有六个均布支撑轴安装沉头孔(20)，通过螺栓联接固定支撑轴(2)；正中间开设的输出接头螺纹孔(13')用作第一伺服电动缸(ⅲ)的输出外螺纹接头(13)与该连接板的固接。
11.所述摆动连接组件(
ⅵ
)的构造是如图7所示，包括有两个滑动轴承(22、22')和一个连接杆(23)，每个滑动轴承座上开设有两个摆动连接组件安装孔(24)；位于法兰连接件(31)位置处、螺纹连接件(30)位置处以及支撑轴(2)下端位置处的三个摆动连接组件(
ⅵ
)，其定位装配方式是螺栓穿过摆动连接组件安装孔(24)，经摆动连接组件定位槽孔(18、26、29)，并与摆动连接组件安装螺纹孔(17、25、28)进行螺栓固接。
12.所述待试验吊舱设备连接板(
ⅶ
)的构造是如图8所示，在其中心线左右对称的两侧开设有摆动连接组件安装螺纹孔(25、28)和摆动连接组件定位槽孔(26、29)，用作螺纹连接件(30)位置处、支撑轴(2)下端位置处两个摆动连接组件(
ⅵ
)的定位装配，分别可完成第二伺服电动缸(
ⅴ
)、支撑轴(2)与待试验吊舱设备连接板(
ⅶ
)的联接；在对应待试验吊舱设备的安装半径处的圆周方向上开设有六个待试验吊舱设备安装孔(27)，通过螺栓联接固定如图10所示的待试验医用吊舱设备。
13.所述第二伺服电动缸(
ⅴ
)的构造是如图9所示，由第二电机(10
‑
b)驱动，经第二同步带折返减速器(11
‑
b)带动第二丝杠(12
‑
b)作直线伸缩运动，在第二丝杠(12
‑
b)的末端设
有螺纹连接件(30)，螺纹连接件(30)上设有与连接杆(23)间隙配合的转动孔；螺纹连接件(30)位置处的摆动连接组件(
ⅵ
)上的摆动连接组件安装孔(24)，经摆动连接组件定位槽孔(26)并与摆动连接组件安装螺纹孔(25)，共同用作与待试验吊舱设备连接板(
ⅶ
)进行固接；在其顶部设有法兰连接件(31)，法兰连接件(31)上设有与连接杆(23)间隙配合的转动孔；法兰连接件(31)位置处的摆动连接组件(
ⅵ
)上的摆动连接组件安装孔(24)，经摆动连接组件定位槽孔(18)并与摆动连接组件安装螺纹孔(17)，共同用作与中部过渡连接板(
ⅷ
)进行固接。
14.所述控制关系是：使用pc机作为上位机，由微处理器arm和现场可编程逻辑门阵列fpga组成下位机，通信协议为rs232，其控制流程为arm分析来自pc上位机的控制命令，并通过fpga生成与第一丝杠(12
‑
a)或第二丝杠(12
‑
b)相对应的脉冲信号，脉冲信号通过信号调节模块传递到第一电机驱动器(1
‑
a)或第二电机驱动器(1
‑
b)，驱动第一电机(10
‑
a)或第二电机(10
‑
b)运动；编码器耦合到驱动器，并将编码器信号输出到arm，形成电机运动的闭环控制；所有驱动器均通过rs485总线连接到arm，并形成通信网络。
15.本发明优点及积极效果是：
16.①
本发明上述结构，采用两组伺服电动缸的二自由度海况实验室试验机构，其设计原理通俗易懂、结构灵活简单、加工制造难度低、安装便捷、轻自重大承载、适用性强；适用于舰船远航时对应海上3至8级海况试验条件下开展医用吊舱设备运动参数的振动响应等动态测试，对于颠簸抖动、摆动摇晃、复合振动响应等的海况试验条件控制有更优异的表现，单幅最大值具体包括振幅、振动频率、垂向加速度、横摇或纵摇最大倾斜角度、最大角加速度等，可控制各组伺服电动缸实现综合海况试验。
17.②
本发明上述结构，驱动器固定于上层建筑连接板，避免固定于运动部件中，提高了控制稳定性；第二伺服电动缸的两端采用摆动连接组件，将直线运动转化为弧线转动，有效实现摆动摇晃，以适应并满足不同海况条件下最大倾斜角度、最大角加速度等试验条件。
18.③
进一步，本发明上述控制关系中，rs232协议虽然是一个相对较慢的通信协议，但此协议只用于完成arm和pc机之间状态信息的传输，实时控制好、成本低、底层实现更容易。
19.④
进一步，本发明上述控制关系中，pc机将启动信号和相关配置发送给arm，由arm和fpga共同完成实时运动控制，解决了响应延迟等问题，提高了运动控制精度；具有精度高、动态响应快、控制成本低等特点。
附图说明
20.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显；
21.图1为本发明结构布置总装配示意图；
22.图2为本发明上层建筑连接板(ⅰ)简图；
23.图3为本发明型材框架(ⅱ)三维装配简图；
24.图4为本发明第一伺服电动缸(ⅲ)简图；
25.图5为本发明导向滑块支撑结构(ⅳ)简图；
26.图6为本发明中部过渡连接板(
ⅷ
)简图；
27.图7为本发明摆动连接组件(
ⅵ
)简图；
28.图8为本发明待试验吊舱设备连接板(
ⅶ
)简图；
29.图9为本发明第二伺服电动缸(
ⅴ
)简图；
30.图10为某个待试验医用吊舱设备示意图；
31.图中标号：
ⅰ‑
上层建筑连接板，
ⅱ‑
型材框架，
ⅲ‑
第一伺服电动缸，
ⅳ‑
导向滑块支撑结构，
ⅴ‑
第二伺服电动缸，
ⅵ‑
摆动连接组件，
ⅶ‑
待试验吊舱设备连接板，
ⅷ‑
中部过渡连接板，1
‑
a
‑
第一电机驱动器，1
‑
b
‑
第二电机驱动器，2
‑
支撑轴，3
‑
型材框架定位方孔，4
‑
角件固定螺纹孔，5
‑
上层建筑连接板安装孔，6
‑
第一伺服电动缸安装沉头孔，6'
‑
第一伺服电动缸安装螺纹孔，7
‑
电机驱动器安装位置，8
‑
角件，9
‑
工业铝型材，10
‑
a
‑
第一电机，11
‑
a
‑
第一同步带折返减速器，12
‑
a
‑
第一丝杠，10
‑
b
‑
第二电机，11
‑
b
‑
第二同步带折返减速器，12
‑
b
‑
第二丝杠，13
‑
输出外螺纹接头，13'
‑
输出接头螺纹孔，14、14'、14
”‑
滑块限位件，15、15'
‑
导向滑块，16
‑
支撑导杆，17、25、28
‑
摆动连接组件安装螺纹孔，18、26、29
‑
摆动连接组件定位槽孔，19
‑
支撑导杆装配孔，20
‑
支撑轴安装沉头孔，21
‑
滑块限位件连接固定孔，22、22'
‑
滑动轴承，23
‑
连接杆，24
‑
摆动连接组件安装孔，27
‑
待试验吊舱设备安装孔，30
‑
螺纹连接件，31
‑
法兰连接件。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的工程技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
33.参照图1所示，为本发明一实施例中舰船医用吊舱设备综合海况试验装置的结构布置总装配示意图，由上至下依次包括有上层建筑连接板ⅰ、型材框架ⅱ、第一伺服电动缸ⅲ、导向滑块支撑结构ⅳ、中部过渡连接板
ⅷ
、第二伺服电动缸
ⅴ
、支撑轴2、摆动连接组件
ⅵ
、待试验吊舱设备连接板
ⅶ
，第二伺服电动缸
ⅴ
通过两个摆动连接组件
ⅵ
分别与中部过渡连接板
ⅷ
、待试验吊舱设备连接板
ⅶ
相联结；其中第一伺服电动缸ⅲ用于平动参数试验模拟，第二伺服电动缸
ⅴ
用于转动参数试验模拟，两组伺服电动缸构成了二自由度海况实验室试验机构，结构灵活简单，易于加工制造、安装，轻自重、大承载，且可拓展延伸性与适用性强。具体总装配步骤如下：
34.首先，参照图4所示，第一伺服电动缸ⅲ的子装配是由第一电机10
‑
a驱动，经第一同步带折返减速器11
‑
a带动第一丝杠12
‑
a作直线伸缩运动；参照图1、图6所示，在第一丝杠12
‑
a的末端设有输出外螺纹接头13，用作第一伺服电动缸ⅲ与中部过渡连接板
ⅷ
进行固接，将固定联接于中部过渡连接板
ⅷ
的输出接头螺纹孔13'；参照图1、图2所示，将上层建筑连接板ⅰ上的第一伺服电动缸安装沉头孔6与第一伺服电动缸安装螺纹孔6'对齐，通过螺栓联接固定第一伺服电动缸ⅲ；在两个电机驱动器安装位置7处，通过螺栓联接分别固定第一电机驱动器1
‑
a、第二电机驱动器1
‑
b。
35.其次，参照图3所示，型材框架ⅱ的子装配是将若干个角件8和若干个长短不等的工业铝型材9，由高强度螺栓或t型螺栓和法兰面自锁螺母联接而成；参照图1、图2所示，根据上层建筑连接板ⅰ上开设的型材框架定位方孔3及对应角件固定螺纹孔4进行定位装配，
步骤是将型材框架ⅱ的顶部四角置于型材框架定位方孔3中，采用高强度螺栓经角件8固定联接于角件固定螺纹孔4，其中型材框架定位方孔3的沟槽深度为0.2mm，角件固定螺纹孔4为穿通螺纹。
36.再次，参照图5所示，导向滑块支撑结构ⅳ的子装配是在支撑导杆16上布置有两块导向滑块15、15'，两端部布置有滑块限位件14、14'、14”；参照图1、图3所示，导向滑块15、15'通过螺栓和法兰面自锁螺母固定于型材框架ⅱ的一个侧面上，同理，在另两个侧面上，安装布置同样的导向滑块支撑结构ⅳ；参照图3、图6所示，对应导向滑块支撑结构ⅳ在型材框架ⅱ上的一个安装侧面，位于支撑导杆16一端的两个滑块限位件14'、14”经支撑导杆装配孔19及滑块限位件连接固定孔21，通过螺栓联接将导向滑块支撑结构ⅳ固定在中部过渡连接板
ⅷ
上，同理，在另两个侧面上，重复该操作。
37.从次，参照图9所示，第二伺服电动缸
ⅴ
的子装配是由第二电机10
‑
b驱动，经第二同步带折返减速器11
‑
b带动第二丝杠12
‑
b作直线伸缩运动，在第二丝杠12
‑
b的末端设有螺纹连接件30，螺纹连接件30上设有与连接杆23间隙配合的转动孔；在其顶部设有法兰连接件31，法兰连接件31上设有与连接杆23间隙配合的转动孔；参照图7所示，摆动连接组件
ⅵ
的子装配是连接杆23穿过相应配合件的转动孔，两端置于滑动轴承22、22'中；参照图6、图7所示，采用高强度螺栓经法兰连接件31位置处的摆动连接组件
ⅵ
上的摆动连接组件安装孔24，经摆动连接组件定位槽孔18并与摆动连接组件安装螺纹孔17，固接于中部过渡连接板
ⅷ
的下表面；参照图1、图6所示，采用高强度螺栓经支撑轴安装沉头孔20，将支撑轴2与中部过渡连接板
ⅷ
进行固接；参照图1、图8所示，采用高强度螺栓经螺纹连接件30位置处的摆动连接组件
ⅵ
上的摆动连接组件安装孔24，经摆动连接组件定位槽孔26并与摆动连接组件安装螺纹孔25，固接于待试验吊舱设备连接板
ⅶ
的上表面；采用高强度螺栓经支撑轴2下端位置处的摆动连接组件
ⅵ
上的摆动连接组件安装孔24，经摆动连接组件定位槽孔29并与摆动连接组件安装螺纹孔28，固接于待试验吊舱设备连接板
ⅶ
的上表面；
38.最后，参照图1、图2所示，采用膨胀螺栓经上层建筑连接板安装孔5将整个试验装置进行联接固定；参照图8、图10所示，将待试验医用吊舱设备顶部的螺栓穿过待试验吊舱设备连接板
ⅶ
上对应的待试验吊舱设备安装孔27，将待试验医用吊舱设备进行联接固定；整个试验装置的控制关系是使用pc机作为上位机，由微处理器arm和现场可编程逻辑门阵列fpga组成下位机，通信协议为rs232，其控制流程为arm分析来自pc上位机的控制命令，并通过fpga生成与第一丝杠12
‑
a或第二丝杠12
‑
b相对应的脉冲信号，脉冲信号通过信号调节模块传递到第一电机驱动器1
‑
a或第二电机驱动器1
‑
b，驱动第一电机10
‑
a或第二电机10
‑
b运动；编码器耦合到驱动器，并将编码器信号输出到arm，形成电机运动的闭环控制；所有驱动器均通过rs485总线连接到arm，并形成通信网络。
39.参照图10所示，以某个待试验医用吊舱设备为例，舰船远航时对应海上3至8级海况试验条件下开展运动参数的振动响应等动态测试的试验方案是这样实现的：对于垂荡引起的颠簸抖动，仅控制第一伺服电动缸ⅲ，振幅和垂荡加速度可根据不同海况等级进行调整，最大试验值可满足振幅为650mm，额定速度为250mm/s，最大垂荡加速度为5.2m/s2；对于横摇或纵摇引起的摆动摇晃，仅控制第二伺服电动缸
ⅴ
，振幅、角加速度、倾斜角度可根据不同海况等级进行调整，最大试验值可满足振幅为100mm，额定速度为125mm/s，最大倾斜角度为22.5
°
、最大角加速度为4.85rad/s2；对于两者复合振动响应，同时控制第一伺服电动
缸ⅲ和第二伺服电动缸
ⅴ
，垂荡振幅、垂荡加速度、横摇或纵摇倾斜角度、角加速度等均可根据不同海况等级进行调整；综合所有海况试验条件，本发明通过上述各试验方案，其试验单幅最大值分别为横摇或纵摇最大倾斜角度22.5
°
、最大角加速度4.85rad/s2、最大垂荡加速度5.2m/s2、垂荡有义波高1.3m、激励频率错开幅度不小于15％、最大负载300kg，具有结构紧凑、承载能力大、精度高、动态响应快、控制成本低等特点，可满足舰船医用吊舱设备海况试验的实验室模拟，便于对升级与改进产品质量进行技术研究以及综合评估。
40.补充说明：
41.本发明上述中的所有结构尺寸及伺服电动缸功率、丝杆行程等，均可根据实际空间参数限制、具体的海况试验条件或客户特殊参数要求等作出调整，实现同样的实验室试验模拟功能。
42.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内作出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。