CN116148049A - 一种多点电动伺服组合整体同步加载系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多点电动伺服组合整体同步加载系统、方法。加载系统包括n台电动伺服促动器、m台电动伺服加载控制单元和集中控制台，其中n台电动伺服促动器分为m组，每组均有若干台电动伺服促动器，用于对大型空间结构进行多点整体同步加载；m台电动伺服加载控制单元对应与m组电动伺服促动器控制连接；集中控制台与m台电动伺服加载控制单元控制连接，使得n台电动伺服促动器进行多点整体同步加载。本发明能够完成n个支点按照预定的目标值对大型空间结构进行整体同步等比例加载和卸载，采用分布式的加载布局，适应各种大型空间结构在室内和户外多种场合加载需求，以测试材料和结构体系的力学性能或满足施工需求，具有广泛的适用性。

Description

一种多点电动伺服组合整体同步加载系统、方法

技术领域

本发明涉及一种试验设备检测技术领域，尤其是一种多点电动伺服组合整体同步加载系统、方法。

背景技术

随着我国城市现代化基础建设大规模发展，超高超大型的房屋建筑和大跨度空间结构建筑物拔地而起。大规模的基础建设所涉及的超大型空间结构物的结构布局设计和现场安装施工以及后期维护工作尤为重要。

超大型空间结构物具有竖向振动突出、空间性强、动力特性复杂等特性，特别是轻型材料的介入，为了了解其材料和结构体系在受到复杂的外力和环境对结构造成的影响，通过在设计前进行缩比全生命周期的测试和极限破坏性试验，监测结构物的受损状况，为结构物的设计及施工提供可靠依据。超大型空间结构由于体量大、结构复杂、控制节点多，相比于对其他单一结构测试监测更为困难，利用现有的测试手段很难对其进行整体全面的多支点布点测试监测，无法有效的识别结构损伤并进行安全状态评估。

另外，超大型空间结构物在安装吊装时也会遇到由于其体量大、结构复杂、控制节点多，导致吊装过程中各支点受力不均，造成结构局部损伤风险。众多施工案例表现，在现场施工阶段，往往需要用到具有可移动式、多点支撑同步加载顶升、任意点组合加载等特点的多点伺服加载系统装备，实现对大型结构物做整体同步比例加载。

目前国内对大型结构物加载测试研究设备主要是以液压马达或液压油缸为执行机构的液压或电液式伺服加载系统，这种加载方式适合大吨位的结构物加载，在一些小吨位轻型的结构物加载上使用，存在大惯性以及液压密封摩擦等非线性因素的影响，使得加载精度无法得到保证，对于大型空间轻型结构物，在加载力过大时甚至可能造成结构破坏。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，为了解决大型空间结构多支点整体同步协调加载测试以及施工需求，本发明提供以一种由n路电动伺服促动器、分布式电动伺服加载控制单元、集中控制台组成的多点电动伺服组合整体同步加载系统，来完成n个支点按照预定的目标值对大型空间结构进行整体同步等比例加载和卸载，同时提供精确的控制算法，满足各支点相互之间加载比例均衡和加载稳定性。采用分布式的加载布局，加载结构小型化，移动式的加载结构设计，适应各种大型空间结构在室内和户外多种场合加载需求，以测试材料和结构体系的力学性能或满足施工需求，具有广泛的适用性。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明首先提供一种多点电动伺服组合整体同步加载系统，用于大型空间结构加载试验或现场安装施工，包括n台电动伺服促动器、m台电动伺服加载控制单元和集中控制台，并且n＞m＞1，其中所述n台电动伺服促动器分为m组，每组均有若干台电动伺服促动器，n台电动伺服促动器一端铰接安装于反力底座，另一端铰接支撑于所述大型空间结构表面；所述m台电动伺服加载控制单元对应与m组电动伺服促动器控制连接，用于分别对每组的若干台电动伺服促动器进行加载控制；所述集中控制台与所述m台电动伺服加载控制单元控制连接，用于对m台电动伺服加载控制单元进行集中控制，使得所述n台电动伺服促动器对所述大型空间结构进行多点整体同步加载。

在一些实施例中，所述电动伺服促动器为上下折返式结构，包括缸体、活塞杆和前后铰支座，以及伺服电机组、运动转换装置、压力位移监测装置，其中

伺服电机组安装在后铰支座近旁的缸体一侧，并与所述缸体平行布置，伺服电机组通过所述运动转换装置传动连接所述活塞杆；

运动转换装置一端与所述伺服电机组传动连接，另一端与所述活塞杆传动连接；

压力位移监测装置包括拉压力传感器、位移传感器、拉杆以及连杆，所述拉压力传感器安装在所述活塞杆上，一端与活塞杆连接，另一端与前铰支座连接，所述位移传感器安装在后铰支座近旁的缸体另一侧，位移传感器测头连接所述拉杆，拉杆另一端连接所述连杆，连杆与活塞杆固定连接；

后铰支座通过一铰接连接座铰接安装于反力底座，前铰支座通过一铰接连接座铰接支撑于所述大型空间结构的表面。

在一些实施例中，所述伺服电机组包括伺服电机、精密减速机、伺服电机支座，其中伺服电机与精密减速机传动连接，伺服电机与精密减速机通过伺服电机支座安装在后铰支座近旁的缸体一侧。

在一些实施例中，所述运动转换装置包括第一同步带轮、同步带、第二同步带轮、滚珠丝杠副支撑单元、滚珠丝杠和滚珠丝杠副螺母，其中

第一同步带轮与所述精密减速机传动连接；

同步带连接所述第一同步带轮与第二同步带轮，第二同步带轮传动连接滚珠丝杠，滚珠丝杠两端分别安装有滚珠丝杠副支撑单元和滚珠丝杠副螺母，滚珠丝杠副螺母通过螺钉安装在活塞杆上，能够带动所述活塞杆轴向运动。

在一些实施例中，所述运动转换装置还包括导向套筒、导向轴承和导向键，其中

导向套筒一端通过所述螺钉与滚珠丝杠副螺母连接固定，另一端与活塞杆尾端连接固定，导向轴承安装在活塞杆前端；

导向键设置在缸体内，导向套筒能够带动所述活塞杆沿导向键轴向滑动。

在一些实施例中，所述压力位移监测装置还包括位移传感器保护罩，位移传感器保护罩平行安装在缸体上，位移传感器、拉杆设置在位移传感器保护罩内，连杆设置在位移传感器保护罩外，拉杆穿出位移传感器保护罩与连杆连接。

在一些实施例中，所述m台电动伺服加载控制单元的每一台均能够控制若干台电动伺服促动器，所述电动伺服加载控制单元包括移动式电控柜、子站PLC控制模块、伺服驱动器模块，其中

移动式电控柜包括有电控柜箱体、万向脚轮、控制面板以及状态显示屏，由所述万向脚轮实现移动式多场景应用；

子站PLC控制模块包括有PLC可编程控制器、数字量信号采集模块、模拟量信号采集模块、工业以太网Ethernet/IP模块以及工业以太网Ethernet/IP交换机；

伺服驱动器模块包括有伺服驱动器隔离稳压电源、伺服驱动器。

在一些实施例中，所述集中控制台包括有控制台柜体、主站PLC控制模块、工控机以及显示器，其中

主站PLC控制模块包括PLC可编程控制器、数字量信号采集模块、模拟量信号采集模块、工业以太网Ethernet/IP模块以及工业以太网Ethernet/IP交换机；

工控机包括工控计算机和工控测控软件。

本发明还提供一种采用所述加载系统的加载方法，包括如下步骤：

在大型空间结构的反力底座上按照设计的加载点位置安装若干铰接连接座，同时在大型空间结构的表面按照设计的加载点位置安装若干铰接连接座；

根据加载点分布情况和加载点的加载力大小，将n台电动伺服促动器的前后铰支座分别与反力底座和大型空间结构表面的铰接连接座通过销轴连接固定；

根据大型空间结构特点和加载点分布情况，将n台电动伺服促动器分为m组，设计分布式控制的电动伺服加载控制单元，布设m台电动伺服加载控制单元对应与m组电动伺服促动器控制连接，同时布设一台集中控制台与m台电动伺服加载控制单元控制连接，形成大型分布式网络控制；

由集中控制台设定加载模式以及加载力或加载位移，并根据预设的各加载点加载力或加载位移大小，自动计算出速度前馈信号，加载力或加载位移信号与速度前馈信号一起经主站PLC控制模块处理后，将控制信号传输至m台电动伺服加载控制单元；

电动伺服加载控制单元内的子站PLC控制模块接收控制信号，经PID计算处理后驱动电动伺服促动器上的伺服电机运转做加载运动；

伺服电机驱动活塞杆做直线运动，对被测大型空间结构的受力节点进行加载；

拉压力传感器和位移传感器实时检测加载力和加载位移，并分别执行：若为力加载模式，拉压力传感器测得实际加载力信号，经信号处理反馈至子站PLC控制模块，进行力闭环控制；若为位移加载模式，位移传感器测得实际加载位移信号，经信号处理反馈至子站PLC控制模块，进行位移闭环控制。

在一些实施例中，所述力闭环控制为：由集中控制台上的工控测控软件设定的加载力值与安装在电动伺服促动器上的拉压力传感器反馈到子站PLC控制模块的实际加载力值进行比较，得出差值，经过子站PLC控制模块的PID运算并叠加力误差积分，输出控制信号给伺服电机，驱动伺服电机做相应的高精度拉应力加载；

所述位移闭环控制为：由集中控制台上的工控测控软件设定的加载位移值与安装在电动伺服促动器上的位移传感器反馈到子站PLC控制模块的实际加载位移值进行比较，得出差值，经过子站PLC控制模块的PID运算后输出控制信号给伺服电机，驱动伺服电机做相应的高精度位移加载。

（三）有益效果

本发明公开了一种多点电动伺服组合整体同步加载系统、方法，其至少具备如下有益效果：

（1）本发明提供多支点整体同步协调加载控制，有利于大型空间结构的多节点加载布局，满足对大型空间结构整体性能加载测试要求。

（2）本发明采用集中控制台远程集中控制结合电动伺服加载控制单元分布式控制，使得每台电动伺服加载控制单元小型化、轻便化，便于移动，适应各种大型空间结构在室内和户外多种场合加载需求。

（3）在小吨位的结构物加载工况下，相对于现有的电液伺服加载系统因加载对象的主动运动而对加载系统所造成很强位置干扰、较大的多余力、维护不方便等问题，本发明采用电动伺服促动器取代由液压伺服油缸构成的电动加载系统具有响应快速、体积小、结构简单、控制方便、维护使用方便等优点。

（4）本发明电动伺服促动器设计为上下折返式结构，并在运动转换结构设计中转动仅为滚珠丝杠，其转动惯量组成少且单一，转动惯量数值小，有利于克服多余力矩、提高系统加载效率，在小吨位的结构物加载工况下有利于提高加载系统的动态性能。

（5）本发明在电动伺服促动器上不仅安装了拉压力传感器，同时也安装了位移传感器，降低了现场安装连接误差，降低加载过程中振动所带来的干扰，保证加载测试整体性能。同时安装了位移传感器也解决了常规的电动伺服促动器采用伺服电机编码器作为位移检测，导致加载位移不精确，重复精度差的问题。

（6）本发明加载系统可以根据预设的n个节点的加载位移或加载力不同，将控制指令信号中叠加设计速度前馈信号，同步协调加载，避免不同步加载造成的各支点相互扰动情况发生。

（7）本发明的电动伺服加载系统工控测控软件功能全面，能够满足各种结构物的多种加载模式，工控软件还提供低频往复加载控制指令，能够更有效验证大型空间结构在各种活载环境下全生命周期的疲劳特性。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

还应当理解，本发明任一实施方式的实现并不意味要同时具备或达到上述有益效果的多个或全部。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1是本发明的一种实施例加载系统的整体结构布局示意图。

图2是本发明的一种实施例加载系统的控制框图。

图3是本发明的一种实施例集中控制台的控制框图。

图4是本发明的一种实施例电动伺服促动器整体剖面结构图。

图5是本发明的一种实施例电动伺服促动器局部结构图。

图6是本发明的一种实施例电动伺服促动器侧视结构图。

图7是本发明的一种实施例电动伺服加载控制单元主视结构图。

图8是本发明的一种实施例电动伺服加载控制单元内部结构图。

图9是本发明的一种实施例电动伺服加载控制单元模块原理图。

图10是本发明的一种实施例加载系统的控制原理图。

图11是本发明的一种实施例加载系统的加载方法流程图。

图中编号所代表的含义为：

1-电动伺服促动器，2-电动伺服加载控制单元，3-集中控制台，4-TCP/IP工业以太网通讯总线；

101-伺服电机，102-精密减速机，103-伺服电机支座，104-第一同步带轮，104′-第二同步带轮，105-同步带，106-缸体，107-活塞杆，108-导向键，109-滚珠丝杠副支撑单元，110-滚珠丝杠，111-滚珠丝杠副螺母，112-导向套筒，113-导向轴承，114-端盖板，115-拉压力传感器，116-位移传感器，117-连杆，118-拉杆，119-位移传感器罩，120-前铰支座，121-后铰支座，122-铰接连接座；

201-移动式电控柜，202-子站PLC控制模块，203-伺服驱动器模块，204-数字量信号采集模块，205-模拟量信号采集模块，206-工业以太网Ethernet/IP模块，207-工业以太网Ethernet/IP交换机，208-伺服驱动器隔离稳压电源，209-控制面板，210-状态显示屏；211-万向脚轮，212-PLC可编程控制器，213-伺服驱动器；

301-控制台柜体，302-主站PLC控制模块，303-工控机，304-显示器；

401-PLC指令信号发生器，402-速度前馈信号发生器，403-拉压力传感器数字滤波器。

在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，术语“包括/包含”、“由……组成”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

目前国内对大型结构物加载测试研究设备主要是以液压马达或液压油缸为执行机构的液压或电液式伺服加载系统，这种加载方式适合大吨位的结构物加载，在一些小吨位轻型的结构物加载上使用，存在大惯性以及液压密封摩擦等非线性因素的影响，使得加载精度无法得到保证，对于大型空间结构物，在加载力过大时甚至可能造成结构破坏。

基于此，本发明提供一种用于大型空间结构物做整体同步拉压加载测试和现场安装施工使用的多点电动伺服组合整体同步加载系统，以此来验证大型结构物的理论设计和加工质量校验，同时也可以通过大型空间结构物缩比模型加载测试，给实际的大型空间结构提供设计数据模型支持。本系统进一步提供移动便利性，还可以作为施工安装工具，给现场安装施工带来便利，提高了施工效率和提供了安全保障，具有广泛的适应性。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

首先参见图1，本发明提供的一种多点电动伺服组合整体同步加载系统，包括n台电动伺服促动器1、m台电动伺服加载控制单元2和集中控制台3。加载系统用于大型空间结构加载试验或现场安装施工，大型空间结构尤其是大跨度张拉金属薄板空间结构，包括拉索6和金属薄板7，金属薄板7为被加载结构物，由于其具有跨度大、厚度薄的特点，加载力不可过大，传统的液压加载系统并不适用，加载精度无法保证，在加载力过大时甚至可能造成结构破坏。本发明设计n台电动伺服促动器1作为加载执行机构，n台电动伺服促动器1分为m组，每组均有若干台电动伺服促动器1，n台电动伺服促动器1一端铰接安装于大跨度张拉金属薄板空间结构的反力底座8，另一端铰接支撑于大跨度张拉金属薄板空间结构的金属薄板7表面，用于对金属薄板7进行多支点整体同步加载。通过采用n台电动伺服促动器分布式加载，在小吨位的结构物加载工况下，相对于现有的液压伺服加载系统因加载对象的主动运动而对加载系统所造成的位置干扰、较大的多余力、加载精度不高、维护不方便等问题，电动伺服促动器具有响应快速、体积小、结构简单、控制方便、加载精度高、维护方便等优点。

结合图2，为了实现对n台m组电动伺服促动器1的分布式整体同步加载控制，本发明设计m台电动伺服加载控制单元2和一台集中控制台3，m台电动伺服加载控制单元2对应与m组电动伺服促动器1控制连接，用于分别对每组的若干台电动伺服促动器1进行加载控制，并且集中控制台3与m台电动伺服加载控制单元2控制连接，用于对m台电动伺服加载控制单元2进行集中控制，使得n台电动伺服促动器1进行多点整体同步加载。

需要说明，n＞m＞1，本发明较佳的设计不少于30台电动伺服促动器1，即n≥30，30台电动伺服促动器1被划分为5-8组，便于对本大跨度张拉金属薄板空间结构工程进行分布式整体同步加载控制，每一台电动伺服促动器1通过信号电缆5与本组的电动伺服加载控制单元2对应连接，每一台电动伺服加载控制单元2之间通过TCP/IP工业以太网通讯总线4串联在一起，m台电动伺服加载控制单元2又通过TCP/IP工业以太网通讯总线4与集中控制台3通讯连接。通过集中控制台集中控制和电动伺服加载控制单元本地控制，实现大型空间结构的多支点同步协调加载控制，满足对大型空间结构整体性能加载测试，适应各种大型空间结构在室内和户外多种场合加载需求，具体的整体同步加载控制原理和方法将在后续详细阐述。

在一些实施例中，参见图4至图6，电动伺服促动器1设计为上下折返式结构，包括缸体106、活塞杆107和前后铰支座，以及伺服电机组、运动转换装置、压力位移监测装置。

电动伺服促动器1安装在被加载构件（金属薄板7）与反力锚点（反力底座8）之间，且其安装和加载的方向根据结构件的特征任意布置，所以其连接须为铰接连接，故将电动伺服促动器1设计为上下折返式结构，将电动伺服促动器1的伺服电机组设计在后铰支座近旁的缸体上方平行于缸体，摆脱传统的水平直驱式安装，让出缸体底座空间，把缸体底座设计为后铰支座，与反力锚点进行铰接安装。

前后铰支座即缸体的前后两端能够与被加载构件（金属薄板7）和反力锚点（反力底座8）铰接连接安装，在一些实施例中，前铰支座120采用关节轴承，后铰支座121采用铰接耳环座结构，后铰支座121通过一铰接连接座122铰接安装于反力底座8，前铰支座120通过另一铰接连接座122铰接支撑于大跨度张拉金属薄板空间结构的金属薄板7表面，具体为下表面，如图1中所示。铰接连接座122一端为平板，另一端为耳环板，实际加载时铰接连接座122一端的平板可通过粘接胶粘接在反力底座8和金属薄板7上，另一端的耳环板与电动伺服促动器1的前铰支座120、后铰支座121铰接连接，施工方便快速，容易实现结构的快速安装和铰接连接。

在一些实施例中，伺服电机组与运动转换装置的一侧传动连接，运动转换装置的另一侧与活塞杆107传动连接，如此将电机的转动传递至活塞杆107，实现对活塞杆107的直线驱动。伺服电机组构成的电动加载系统具有响应快速、体积小、结构简单、控制方便、维护使用方便等优点。

在一些实施例中，压力位移监测装置包括拉压力传感器115、位移传感器116、拉杆118以及连杆117，拉压力传感器115安装在活塞杆107上，一端与活塞杆107连接，另一端与前铰支座120连接，位移传感器116安装在后铰支座121近旁的缸体106另一侧，位移传感器116测头连接拉杆118，拉杆118另一端连接连杆117，连杆117与活塞杆107固定连接。

具体的，拉压力传感器115一端与活塞杆107的外螺纹连接，另一端与关节轴承的外螺纹连接，拉压力传感器115一侧安装有信号线，信号线将加载力反馈到电动伺服加载控制单元2上，与伺服电机旋转扭矩形成闭环控制，从而精确控制电动伺服促动器1的拉压力。

位移传感器116为磁致伸缩式位移传感器，传感器电子仓壳体固定在缸体上，测头连接拉杆118，拉杆118另外一端连接在连杆117上，连杆117固定在活塞杆107上，跟随活塞杆107一起做拉压运动，从而可以很精确的检测活塞杆107的实时位移量。位移传感器116具有工业以太网Ethernet/IP通讯协议，将活塞杆107的加载位移信号通过工业以太网通讯协议反馈给电动伺服加载控制单元2上，与伺服电机旋转圈数形成闭环控制，从而精确控制电动伺服促动器1的拉压位移。

在一些实施例中，继续参见图4，伺服电机组包括伺服电机101、精密减速机102、伺服电机支座103，其中伺服电机101与精密减速机102传动连接，伺服电机101与精密减速机102通过伺服电机支座103安装在后铰支座121近旁的缸体一侧。对传统的电动伺服促动器进行改造，在后铰支座121近旁的缸体一侧设计伺服电机支座103安装伺服电机101和精密减速机102，形成上下折返式结构。通过伺服电机101驱动精密减速机102，输出精确、可控的大扭矩力，驱动安装在精密减速机上的同步带轮。

在一些实施例中，继续参见图4，运动转换装置包括第一同步带轮104、同步带105、第二同步带轮104′、滚珠丝杠副支撑单元109、滚珠丝杠110和滚珠丝杠副螺母111，其中第一同步带轮104与精密减速机102传动连接，同步带105连接第一同步带轮104与第二同步带轮104′，第二同步带轮104′传动连接滚珠丝杠110，滚珠丝杠两端分别安装有滚珠丝杠副支撑单元109和滚珠丝杠副螺母111，滚珠丝杠副螺母111通过螺钉安装在活塞杆107上，能够带动活塞杆107轴向运动。具体的，第一同步带轮104安装在精密减速机102的输出端，第二同步带轮104′安装在活塞杆107的尾端，与滚珠丝杠110连接，在两个同步带轮上安装有无间隙高强度的同步带，通过同步带将减速机的旋转驱动力传送到滚珠丝杠上，由于上述连接均为无间隙连接，同时配备高精密的滚珠丝杠，通过伺服电机的扭矩控制可以实现高精度的推拉力加载，满足对大跨度空间薄板结构的加载要求。

在一些实施例中，为了保证活塞杆的加载稳定性，确保加载精度，继续参见图4，运动转换装置还包括导向套筒112、导向轴承113和导向键108，其中导向套筒112安装在缸体106内，一端通过螺钉与滚珠丝杠副螺母111连接固定，另一端与活塞杆107尾端连接固定，具体是与活塞杆107通过螺纹连接，导向轴承113安装在活塞杆107前端，具体是安装在端盖板114上，导向键108设置在缸体106内，导向套筒112能够带动活塞杆107沿导向键108轴向滑动。具体而言，伺服电机101通过精密减速机102经同步带105驱动滚珠丝杠110旋转，滚珠丝杠110带动滚珠丝杠副螺母111旋转，因滚珠丝杠副螺母111和导向套筒112上设计有导向槽，且在缸体106上安装有导向键108，与滚珠丝杠副螺母111和导向套筒112上的导向槽耦合，使得滚珠丝杠副螺母111与导向套筒112不会作转动运动，从而转化成直线运动。

在一些实施例中，继续参见图4，压力位移监测装置还包括位移传感器保护罩119，位移传感器保护罩119平行安装在缸体106上，具体是位于位移传感器116的这一侧，形状为一条形盒结构，其长度至少能够覆盖位移传感器116、拉杆118，位移传感器116、拉杆118设置在位移传感器保护罩119内，连杆117设置在位移传感器保护罩119外，拉杆118穿出位移传感器保护罩119与连杆117连接。如此设计是考虑到大型空间结构物在多点同步加载现场的复杂环境，为了有效的保护拉压力传感器及其信号线的安全，将位移传感器信号线穿过缸体下部的位移传感器保护罩，焊接在位移传感器保护罩上的防水航空插座（图中未示出）上，与拉压力传感器信号线共用1个插座。

电动伺服促动器1与电动伺服加载控制单元2的信号线路连接，考虑到大型空间结构物在多点同步加载现场的复杂环境，为了减少电动伺服促动器1与电动伺服加载控制单元2的信号线路连接，拉压力传感器115与位移传感器116的信号通过一根多芯电缆传输，为了确保传感器信号的稳定性，不受干扰，电缆采用内层4芯双绞线屏蔽电缆，中间层4芯电缆均布，最外层为柔性保护层。

在一些实施例中，参见图2、图7至图9，m台电动伺服加载控制单元2的每一台均能够控制若干台电动伺服促动器1，电动伺服加载控制单元2包括移动式电控柜201、子站PLC控制模块202、伺服驱动器模块203。

移动式电控柜201包括有电控柜箱体、万向脚轮211、控制面板209以及状态显示屏210，由万向脚轮211实现移动式多场景应用。万向脚轮211包括万向前脚轮和定向后脚轮，箱体底部安装有二只万向前脚轮和二只定向后脚轮，具有移动式加载功能，可以根据加载现场的环境要求，对任意一台或n台电动伺服促动器进行加载控制。

电动伺服加载控制单元2具有移动式加载功能，还表现在控制面板209上设置有本机控制按钮，状态显示屏210为触摸显示屏。本机控制按钮结合触摸显示屏的加载数据设定，具有本地控制电动伺服促动器加载功能，同时本机控制按钮也提供本地急停功能，紧急情况下，可以停止电动伺服促动器加载功能。

子站PLC控制模块202包括有PLC可编程控制器212、数字量信号采集模块204、模拟量信号采集模块205、工业以太网Ethernet/IP模块206以及工业以太网Ethernet/IP交换机207。电动伺服加载控制单元2为分布式控制，每台电动伺服加载控制单元2均安装有工业以太网Ethernet/IP接口，相互之间通过网线并联连接，最终与集中控制台3上的工业以太网Ethernet/IP接口连接，实现加载数据监控。

伺服驱动器模块203包括有伺服驱动器隔离稳压电源208、伺服驱动器213，伺服驱动器213有多台。伺服驱动器213与电动伺服促动器1信号连接，伺服驱动器213与伺服电机101之间的驱动信号线有二根，一根为驱动动力信号，另外一根为伺服电机内部编码器信号。通过电动伺服加载控制单元2内部安装有伺服驱动器模块203，子站PLC控制模块202接收到集中控制台3发出的加载控制指令，下发给伺服驱动器模块203，驱动伺服电机101做加载运动。

在一些实施例中，再参见图2、图3，集中控制台3包括有控制台柜体301、主站PLC控制模块302、工控机303以及显示器304。主站PLC控制模块302包括PLC可编程控制器、数字量信号采集模块、模拟量信号采集模块、工业以太网Ethernet/IP模块以及工业以太网Ethernet/IP交换机；工控机303包括工控计算机和工控测控软件。控制台柜体301上布置有控制按钮和显示器304，控制按钮结合工控测控软件，完成电动伺服促动器的控制布局设置和单台以及n台的同步加载任务。

具体的，工控计算机上安装有工控测控软件，通过工控测控软件可以设定加载模式并将控制指令通过Ethernet/IP通信协议发送给电动伺服加载控制单元2的子站PLC控制模块202的PLC可编程控制器212，PLC可编程控制器212对指令进行处理后发送给伺服驱动器模块203的伺服驱动器213，由伺服驱动器213驱动伺服电机101完成加载任务，同时拉压力传感器115、位移传感器116采集实时加载力和位移数据并反馈给PLC可编程控制器212进行闭环控制，PLC可编程控制器212将数据通过工业以太网Ethernet/IP通信协议，发送给集中控制台3的主站PLC控制模块和工控测控软件进行显示和存储。

集中控制台3安装有2台工控计算机，内部均安装有工控测控软件，2台工控计算机互为备份，测试过程中一台有故障发生，另外一台即可替换使用，无间隙的完成加载任务。

集中控制台3还具有远程控制功能，通过联网，实现后台的远程集中控制。

工控测控软件还具有设定电动伺服促动器三种加载模式，分别为力加载、位移加载和位移力均衡加载。位移力均衡加载模式主要表现为在位移加载的同时，将实时加载力引入到位移加载控制指令内进行权值修正，避免大型结构件的位移加载过程中，由于结构件刚性过大造成加载力过大，对结构件造成的意外损伤。

工控测控软件提供各种结构物的多点同步模拟加载、伺服模拟加载、传动机构的精度测量、机构力学特性试验、机构的极限承载能力及可靠性试验等功能，伺服模拟加载形式包括恒值加载、波形加载和同步比例加载。

工控测控软件还提供低频往复加载控制指令，控制指令不限于正弦波、三角波和随机波，如此能够更有效验证大跨度张拉金属薄板空间结构在各种活载环境下（风载荷或雨水载荷以及地震带来的震动载荷）的全生命周期的疲劳特性。

继续参见图10，本发明的系统控制原理中包含PLC指令信号发生器401、速度前馈信号发生器402、拉压力传感器数字滤波器403，根据工控测控软件工作模式设置，PLC指令信号发生器401自动生成指令信号，根据工控测控软件的速度设定，速度前馈信号发生器402自动生成速度前馈信号，拉压力传感器数字滤波器403处理得到稳定的拉压力信号，确保实时加载力信号的稳定和高精度。

参见图11，结合以上多点电动伺服组合整体同步加载系统，加载方法包括如下步骤：

在大型空间结构的反力底座上按照设计的加载点位置安装若干铰接连接座，同时在大型空间结构的表面按照设计的加载点位置安装若干铰接连接座；反力底座上的铰接连接座与反力底座通过螺栓连接，大型空间结构表面的铰接连接座根据加载力大小可通过胶粘或螺栓连接。

根据加载点分布情况和加载点的加载力大小，将n台电动伺服促动器的前后铰支座分别与反力底座和大型空间结构表面的铰接连接座通过销轴连接固定；n台电动伺服促动器可以是各种规格的电动伺服促动器，根据加载点的距离和加载力大小选用；铰接连接能够适应加载过程中加载的角度变化。

考虑到大型空间结构体系庞大，加载支撑点众多，本发明根据大型空间结构特点和加载点分布情况，将n台电动伺服促动器分为m组，设计分布式控制的电动伺服加载控制单元，布设m台电动伺服加载控制单元对应与m组电动伺服促动器控制连接，同时布设一台集中控制台与m台电动伺服加载控制单元控制连接；电动伺服加载控制单元分布式布置不受空间和环境的影响，就近布置，使得施工效率大大提高。每台电动伺服加载控制单元可以控制若干个电动伺服促动器，从而实现m台电动伺服加载控制单元与n台电动伺服促动器通过控制线路连接，同时设计1台集中控制台与m台电动伺服加载控制单元过工业以太网Ethernet/IP连接，形成了大型的分布式网络控制。

由集中控制台上的工控测控软件设定加载模式及加载力或加载位移，工控测控软件提供位移加载或拉压力加载模式选择，并根据预设的各加载点加载力或加载位移大小，自动计算出速度前馈信号S₁，满足等速同步加载或不等速同步加载的控制。加载力或加载位移信号与速度前馈信号S₁一起经主站PLC控制模块处理后，通过工业以太网Ethernet/IP通信协议将控制信号传输至m台电动伺服加载控制单元。

电动伺服加载控制单元内的子站PLC控制模块接收控制信号，经PID计算处理后驱动电动伺服促动器上的伺服电机运转做加载运动；

伺服电机经精密减速机放大输出扭矩，通过第一同步带轮、同步带和第二同步带轮驱动滚珠丝杠，经滚珠丝杠螺母转换推动活塞杆做直线运动，对被测大型空间结构的受力节点进行加载；

拉压力传感器和位移传感器实时检测加载力和加载位移。如果工控测控软件上选择拉压力加载，安装在活塞杆头端的拉压力传感器测得实际加载力信号，经信号处理反馈至子站PLC控制模块，形成力闭环控制。如果工控测控软件上选择位移加载，安装在活塞杆尾端的位移传感器测得实际加载位移信号，经信号处理反馈至子站PLC控制模块，形成位移闭环控制。

力闭环控制具体为：由集中控制台上的工控测控软件设定的加载力值与安装在电动伺服促动器上的拉压力传感器反馈到子站PLC控制模块的实际加载力值进行比较，得出差值，经过PLC的PID运算并叠加力误差积分信号△₁，输出控制信号（即电机转速信号△₂），同时电机转速信号△₂与速度前馈信号S₁进行叠加输出，驱动伺服电机做相应的高精度拉应力加载，即驱动伺服电机做相应的高精度加力或卸力的运动。

位移闭环控制具体为：由集中控制台上的工控测控软件设定的加载位移值与安装在电动伺服促动器上的位移传感器反馈到子站PLC控制模块的实际加载位移值进行比较，得出差值，经过PLC的PID运算后输出控制信号给伺服电机，驱动伺服电机做相应的高精度位移加载，即驱动伺服电机做相应的高精度增加位移或减少位移的运动。

此外，由于被加载的结构件的位移变化和拉压力变化不能完全成线性关系，所以本发明设计工控测控软件在选择位移加载同时提供最大加载力的保护限定，以防止位移加载时，结构件由于刚度过大而产生结构损坏或破坏。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本发明的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

Claims (10)

1.一种多点电动伺服组合整体同步加载系统，用于大型空间结构加载试验或现场安装施工，其特征在于，包括n台电动伺服促动器、m台电动伺服加载控制单元和集中控制台，并且n＞m＞1，其中

所述n台电动伺服促动器分为m组，每组均有若干台电动伺服促动器，n台电动伺服促动器一端铰接安装于反力底座，另一端铰接支撑于所述大型空间结构表面；

所述m台电动伺服加载控制单元对应与m组电动伺服促动器控制连接，用于分别对每组的若干台电动伺服促动器进行加载控制；

所述集中控制台与所述m台电动伺服加载控制单元控制连接，用于对m台电动伺服加载控制单元进行集中控制，使得所述n台电动伺服促动器对所述大型空间结构进行多点整体同步加载。

2.根据权利要求1所述的加载系统，其特征在于：所述电动伺服促动器为上下折返式结构，包括缸体、活塞杆和前后铰支座，以及伺服电机组、运动转换装置、压力位移监测装置，其中

伺服电机组安装在后铰支座近旁的缸体一侧，并与所述缸体平行布置，伺服电机组通过所述运动转换装置传动连接所述活塞杆；

运动转换装置一端与所述伺服电机组传动连接，另一端与所述活塞杆传动连接；

压力位移监测装置包括拉压力传感器、位移传感器、拉杆以及连杆，所述拉压力传感器安装在所述活塞杆上，一端与活塞杆连接，另一端与前铰支座连接，所述位移传感器安装在后铰支座近旁的缸体另一侧，位移传感器测头连接所述拉杆，拉杆另一端连接所述连杆，连杆与活塞杆固定连接；

后铰支座通过一铰接连接座铰接安装于反力底座，前铰支座通过一铰接连接座铰接支撑于所述大型空间结构的表面。

3.根据权利要求2所述的加载系统，其特征在于：所述伺服电机组包括伺服电机、精密减速机、伺服电机支座，其中伺服电机与精密减速机传动连接，伺服电机与精密减速机通过伺服电机支座安装在后铰支座近旁的缸体一侧。

4.根据权利要求3所述的加载系统，其特征在于：所述运动转换装置包括第一同步带轮、同步带、第二同步带轮、滚珠丝杠副支撑单元、滚珠丝杠和滚珠丝杠副螺母，其中

第一同步带轮与所述精密减速机传动连接；

同步带连接所述第一同步带轮与第二同步带轮，第二同步带轮传动连接滚珠丝杠，滚珠丝杠两端分别安装有滚珠丝杠副支撑单元和滚珠丝杠副螺母，滚珠丝杠副螺母通过螺钉安装在活塞杆上，能够带动所述活塞杆轴向运动。

5.根据权利要求4所述的加载系统，其特征在于：所述运动转换装置还包括导向套筒、导向轴承和导向键，其中

导向套筒一端通过所述螺钉与滚珠丝杠副螺母连接固定，另一端与活塞杆尾端连接固定，导向轴承安装在活塞杆前端；

导向键设置在缸体内，导向套筒能够带动所述活塞杆沿导向键轴向滑动。

6.根据权利要求2所述的加载系统，其特征在于：所述压力位移监测装置还包括位移传感器保护罩，位移传感器保护罩平行安装在缸体上，位移传感器、拉杆设置在位移传感器保护罩内，连杆设置在位移传感器保护罩外，拉杆穿出位移传感器保护罩与连杆连接。

7.根据权利要求1所述的加载系统，其特征在于：所述m台电动伺服加载控制单元的每一台均能够控制若干台电动伺服促动器，所述电动伺服加载控制单元包括移动式电控柜、子站PLC控制模块、伺服驱动器模块，其中

移动式电控柜包括有电控柜箱体、万向脚轮、控制面板以及状态显示屏，由所述万向脚轮实现移动式多场景应用；

子站PLC控制模块包括有PLC可编程控制器、数字量信号采集模块、模拟量信号采集模块、工业以太网Ethernet/IP模块以及工业以太网Ethernet/IP交换机；

伺服驱动器模块包括有伺服驱动器隔离稳压电源、伺服驱动器。

8.根据权利要求1所述的加载系统，其特征在于：所述集中控制台包括有控制台柜体、主站PLC控制模块、工控机以及显示器，其中

主站PLC控制模块包括PLC可编程控制器、数字量信号采集模块、模拟量信号采集模块、工业以太网Ethernet/IP模块以及工业以太网Ethernet/IP交换机；

工控机包括工控计算机和工控测控软件。

9.一种采用权利要求1至8任一项所述加载系统的加载方法，其特征在于包括如下步骤：

在大型空间结构的反力底座上按照设计的加载点位置安装若干铰接连接座，同时在大型空间结构的表面按照设计的加载点位置安装若干铰接连接座；

根据加载点分布情况和加载点的加载力大小，将n台电动伺服促动器的前后铰支座分别与反力底座和大型空间结构表面的铰接连接座通过销轴连接固定；

根据大型空间结构特点和加载点分布情况，将n台电动伺服促动器分为m组，设计分布式控制的电动伺服加载控制单元，布设m台电动伺服加载控制单元对应与m组电动伺服促动器控制连接，同时布设一台集中控制台与m台电动伺服加载控制单元控制连接，形成大型分布式网络控制；

由集中控制台设定加载模式以及加载力或加载位移，并根据预设的各加载点加载力或加载位移大小，自动计算出速度前馈信号，加载力或加载位移信号与速度前馈信号一起经主站PLC控制模块处理后，将控制信号传输至m台电动伺服加载控制单元；

电动伺服加载控制单元内的子站PLC控制模块接收控制信号，经PID计算处理后驱动电动伺服促动器上的伺服电机运转做加载运动；

伺服电机驱动活塞杆做直线运动，对被测大型空间结构的受力节点进行加载；

拉压力传感器和位移传感器实时检测加载力和加载位移，并分别执行：若为力加载模式，拉压力传感器测得实际加载力信号，经信号处理反馈至子站PLC控制模块，进行力闭环控制；若为位移加载模式，位移传感器测得实际加载位移信号，经信号处理反馈至子站PLC控制模块，进行位移闭环控制。

10.根据权利要求9所述的加载方法，其特征在于：所述力闭环控制为：由集中控制台上的工控测控软件设定的加载力值与安装在电动伺服促动器上的拉压力传感器反馈到子站PLC控制模块的实际加载力值进行比较，得出差值，经过子站PLC控制模块的PID运算并叠加力误差积分，输出控制信号给伺服电机，驱动伺服电机做相应的高精度拉应力加载；

所述位移闭环控制为：由集中控制台上的工控测控软件设定的加载位移值与安装在电动伺服促动器上的位移传感器反馈到子站PLC控制模块的实际加载位移值进行比较，得出差值，经过子站PLC控制模块的PID运算后输出控制信号给伺服电机，驱动伺服电机做相应的高精度位移加载。

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