一种用于试验模型的自平衡吊装系统及方法

技术领域

本发明涉一种用于试验模型的自平衡吊装系统及方法，属于试验模型吊装技术领域。

背景技术

吊装是指吊车或者起升机构对模型试验或其他设备的安装、就位的统称。模型试验是工程结构性能研究不可或缺的手段之一，是依据与原型结构相似的理论和材料，按照一定缩尺比例开展研究，最后将模型试验成果根据相似常数反推到原型结构上。

在大型地震的振动台模型试验中，需要吊装试验模型，而现有的试验模型吊装技术是通过将试验模型的四端与钢绳连接，再通过钢绳与吊机上的挂钩进行连接，进而使得试验模型被吊起，现有的吊装技术易使得试验模型的重心与挂钩重心不在一条垂直线上，发生偏心现象，导致模型试验结果不准确。

专利申请号为CN202010508987.3的发明专利公开了一种具有平衡稳定性能的起重机吊装机构，两个实心方管中间通过铰接连接，方管两端安装受力调整器，当不平衡时四个受力调整器力值不同，通过调整力值，达到受力平衡。

该方案具有以下缺点：

1、该方案以“力”为调整参数，然而，在起吊过程中，尤其初始起吊，吊装空间状态多样，常常无法准确判断系统空间状态，因此难以建立力值与调整长度之间的数学表达式，无法精确控制，导致调整效率不高，不便于广泛推广。

2、由于量程范围不同，力传感器的检测精度不同，因此当待试验模型的重量偏差较大时，需更换不同量程的力传感器，对工作人员要求高，同时存在一定的吊装风险。

因此，本申请提出一种用于试验模型的自平衡吊装系统，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于试验模型的自平衡吊装系统及方法，能够自动调整吊装平台的空间状态，使其趋向平衡状态。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一方面，本发明提供一种用于试验模型的自平衡吊装系统，包括吊环、控制模组、吊装平台以及多个执行单元；

所述多个执行单元对称设置，各执行单元均包括第一绳索、第二绳索、调整装置以及位移检测装置；

所述调整装置包括调整支架、伺服电机、二级角减速器、蜗轮蜗杆减速器、梯形收放丝杆以及力传感器；

所述吊环连接第一绳索一端，第一绳索另一端连接力传感器，力传感器安装于调整支架一端，调整支架另一端设有梯形收放丝杆；

所述梯形收放丝杆一端连接第二绳索，第二绳索连接吊装平台，吊装平台各角均设有位移检测装置，位移检测装置输出端连接控制模组接收端；

所述控制模组输出端连接伺服电机，伺服电机驱动连接二级角减速器，二级角减速器传动连接蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器与梯形收放丝杆另一端相互螺纹套设。

进一步地，所述第一绳索包括直接或间接连接的上绳索和下绳索；

所述上绳索连接吊环；

所述下绳索连接力传感器；

进一步地，所述的用于试验模型的自平衡吊装系统包括开度围框架；

所述开度围框架各角均贯穿设有钢柱，各钢柱两端分别连接上绳索和下绳索。

进一步地，所述控制模组包括数据采集仪和控制单元；

所述数据采集仪接收端分别连接力传感器和位移检测装置；

所述数据采集仪输出端连接控制单元接收端，控制单元输出端连接伺服电机。

进一步地，所述位移检测装置包括安装支架、重力块和位移传感器；

所述安装支架一端连接吊装平台，安装支架另一端转动连接重力块，重力块上设有位移传感器。

另一方面，本发明提供一种用于试验模型的自平衡吊装方法，采用上述的用于试验模型的自平衡吊装系统实现，包括以下步骤：

获取吊装平台各角与地面的距离；

判断吊装平台各角与地面的距离是否满足预设的平衡规则Ⅰ：

其中，若满足，则将吊装平台复位落地；

否则，根据吊装平台各角与地面的距离判断吊装平台任一角是否存在未离地状态：

其中，若是，则执行迭代步骤；

否则，判断吊装平台各角与地面的距离是否满足平衡规则Ⅱ：

其中，若满足，则将吊装平台复位落地；

否则，输出吊装平台处于平衡状态信号。

进一步地，所述平衡规则Ⅰ包括下式：

其中，Z

进一步地，所述平衡规则Ⅱ包括下式：

(Z

其中，Z

进一步地，所述迭代步骤包括：

获取各第一绳索承力大小；

基于梯形收放丝杆有效调整长度、预设的力传感器上限值和预设的调整次数上限值，分别判断力是否超限、行程是否超限或调整次数是否超限：

若力超限、行程超限或调整次数超限，则将吊装平台复位落地，并释放超限告警信号；

否则，根据下式调整吊装平台与地面距离最大的角对应的梯形收放丝杆：

其中，Δh

进一步地，所述基于梯形收放丝杆有效调整长度、预设的力传感器上限值和预设的调整次数上限值，分别判断力是否超限、行程是否超限或调整次数是否超限包括：

当梯形收放丝杆有效调整长度满足下式时，则行程超限；

当预设的力传感器上限值满足下式时，则力超限；

当预设的调整次数上限值满足下式时，则调整次数超限；

ΔH

fi＞F

m＞n

其中，ΔH

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明通过吊装平台的空间状态，确定需启动的伺服电机以及伺服电机的转速，并通过多级减速，驱动梯形收放丝杆精准位移，使第二绳索收放，以自动调整吊装平台的空间状态，并使其趋向平衡状态，不仅提高了系统的自动化，还提高了系统的精度。

本发明根据吊装平台各角与地面的距离准确判断吊装平台的空间状态，并根据吊装平台的空间状态，输出吊装平台复位落地信号，或输出吊装平台处于平衡状态信号，或执行迭代步骤，采用多级减速结合连续可调特性，连续启动伺服电机，驱动对应的梯形收放丝杆精准位移，使第二绳索收放，以实现多次自动调整吊装平台的空间状态，并吊装平台逐渐逼近平衡状态，本方法安全可靠高效，适于广泛推广使用。

附图说明

图1是本发明用于试验模型的自平衡吊装系统的一种实施例结构示意图；

图2是本发明调整装置的一种实施例结构示意图；

图3是本发明开度围框架的一种实施例结构示意图；

图4是本发明位移检测装置的一种实施例结构示意图；

图5是本发明用于试验模型的自平衡吊装方法的流程图；

图中：1、上绳索，2、下绳索，3、开度围框架，4、调整装置，5、吊装平台，6、位移检测装置，7、力传感器，8、数据采集仪，9、控制单元，10、试验模型，401、第一连接环，402、调整支架，403、梯形收放丝杆，404、蜗轮蜗杆减速器，405、伺服电机，406、二级角减速器，407、第二连接环，601、位移传感器，602、安装支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的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或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种用于试验模型的自平衡吊装系统，该系统包括吊环、控制模组、吊装平台5以及多个执行单元。

应用中，试验模型10固定安装在吊装平台5上，吊装平台5为矩形或者正方形结构设置，吊装平台5几何中心的正上方设有吊环，吊环与起重机的吊钩连接，并以吊环和吊装平台5几何中心的连线为轴线，对称设置多个执行单元。

参考图1，各执行单元均包括第一绳索、第二绳索、调整装置4以及位移检测装置6。

应用中，调整装置4一端连接第一绳索，各第一绳索均固连吊环，调整装置4另一端连接第二绳索，各第二绳索分别安装在吊装平台5对应的角上，吊装平台5各角均安装有位移检测装置6，各位移检测装置6输出端均连接控制模组接收端，以向控制模组传输吊装平台5各角与地面的距离信号。

参考图2，调整装置4包括调整支架402、伺服电机405、二级角减速器406、蜗轮蜗杆减速器404、梯形收放丝杆403以及力传感器7。

应用中，吊环连接第一绳索一端，第一绳索另一端连接力传感器7，力传感器7安装于调整支架402一端，调整支架402另一端设有梯形收放丝杆403；

实际应用时，调整支架402一端设有第一连接环401，第一连接环401一侧连接第一绳索，第一连接环401另一侧集成设有力传感器7，力传感器7通过第一连接环401的螺栓与第一绳索连接，以监测第一绳索的承力大小。

参考图2，所述控制模组输出端连接伺服电机405，伺服电机405安装在调整支架402上，伺服电机405驱动连接二级角减速器406，二级角减速器406传动连接蜗轮蜗杆减速器404，蜗轮蜗杆减速器404与梯形收放丝杆403另一端相互螺纹套设。

此外，梯形收放丝杆403一端设有第二连接环407，第二连接环407连接第二绳索一端，第二绳索另一端连接吊装平台5，吊装平台5各角均设有位移检测装置6，位移检测装置6输出端连接控制模组接收端。

实际应用时，控制模组输出端控制伺服电机405转动，伺服电机405驱动二级角减速器406转动，二级角减速器406不仅能够降低伺服电机405的输出速度，还能够通过联轴器带动蜗轮蜗杆减速器404转动，蜗轮蜗杆减速器404带动梯形收放丝杆403转动，使得梯形收放丝杆403向上或向下发生位移，达到第二绳索收放的效果。本实施例采用多级减速，实现减速增力和自锁功能。

本发明通过吊装平台的空间状态，确定需启动的伺服电机以及伺服电机的转速，并通过多级减速，驱动梯形收放丝杆精准位移，使第二绳索收放，以自动调整吊装平台的空间状态，并使其趋向平衡状态。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例用于试验模型的自平衡吊装系统包括开度围框架。

参考图1，第一绳索包括直接或间接连接的上绳索1和下绳索2。其中，上绳索1一端连接吊环，上绳索1另一端连接开度围框架3；下绳索2一端连接力传感器7，下绳索2另一端连接开度围框架3。

参考图3，开度围框架3为上下贯通的方形或者矩形设置，开度围框架3各角均贯穿设有钢柱，各钢柱两端分别设有第一连接件和第二连接件，以连接上绳索1和下绳索2，从而使钢柱为主承力结构，减小开度围框架3的承力压力。

应用中，开度围框架3尺寸设置与试验模型10的尺寸密切相关，如果试验模型10高耸，则需要满足试验模型10能够从开度围框架3中部穿过，并且各上绳索1和下绳索2均不会碰触试验模型10，以避免试验模型10受损。

实施例3

在实施例1或2的基础上，本实施例介绍了控制模组和位移检测装置。

其中，控制模组包括数据采集仪8和控制单元9；数据采集仪8接收端分别连接力传感器7和位移检测装置6；数据采集仪8输出端连接控制单元9接收端，控制单元9输出端连接伺服电机405。

控制单元9通过读取数据采集仪8输出的数据，判断吊装平台5的空间状态，确定对应启动的伺服电机405以及转速，驱动梯形收放丝杆403向上或向下转动，达到第二绳索收放的效果，以调整吊装平台5的空间状态。

应用中，控制模组还包括人机交互单元，人机交互单元的输出端连接控制单元9接收端，控制单元9输出端连接人机交互单元接收端。

参考图4，位移检测装置6包括安装支架602、重力块和位移传感器601，应用中，位移传感器601为激光位移传感器。安装支架602一端连接吊装平台5，安装支架602另一端转动连接重力块，重力块上设有位移传感器601。

应用中，重力块包括连接把手和重块；连接把手一端通过轴承转动连接安装支架602，连接把手另一端固定连接重块一侧，重块另一侧自由设置并安装有位移传感器601，确保吊装平台5处于任何空间状态时，位移传感器601的探头始终垂直向下，以准确测量吊装平台5各角与地面的距离。

实际应用中，连接把手、轴承与安装支架602之间存在阻尼特性，以确保吊装平台5空间状态变化时，位移传感器601能快速恢复稳定状态，提高检测结果的准确性。

实施例4

在实施例1的基础上，本实施例提供一种用于试验模型的自平衡吊装方法，参考图5，包括以下步骤：

首先，初始化用于试验模型的自平衡吊装系统，预设安全起吊距离，并将验模型10固定安装在吊装平台5上，将吊环套设在起重机的吊钩上，启动起重机吊起吊装平台5，且吊装平台5各角与地面的距离小于等于安全起吊距离。

接着，获取吊装平台各角与地面的距离；

然后，判断吊装平台各角与地面的距离是否满足预设的平衡规则Ⅰ：

其中，若满足，则将吊装平台复位落地，减小安全起吊距离，重新启动起重机；

否则，根据吊装平台各角与地面的距离判断吊装平台任一角是否存在未离地状态，以确定吊装平台所处空间状态：

其中，若是，则执行迭代步骤；

否则，判断吊装平台各角与地面的距离是否满足平衡规则Ⅱ：

其中，若满足，则将吊装平台复位落地，减小安全起吊距离，重新启动起重机；

否则，输出吊装平台处于平衡状态信号，控制模组驱动起重机继续作业，完成吊装试验模型作业。

应用中，由于吊装平台5为矩形或者正方形结构设置，吊装平台所处空间状态包括三种：吊装平台5两个角离地状态、吊装平台5三个角离地状态以及吊装平台5四个角离地状态，且吊装平台离地的各角按顺时针或逆时针连续分布，能够避免试验模型10偏心造成倾覆破坏，因此本方法安全可靠。

本发明根据吊装平台各角与地面的距离准确判断吊装平台的空间状态，并根据吊装平台的空间状态，输出吊装平台复位落地信号，或输出吊装平台处于平衡状态信号，或执行迭代步骤，连续启动伺服电机，驱动对应的梯形收放丝杆精准位移，使第二绳索收放，以实现多次自动调整吊装平台的空间状态，并吊装平台逐渐逼近平衡状态。

实施例5

在实施例4的基础上，本实施例详细介绍了平衡规则Ⅰ、平衡规则Ⅱ以及迭代步骤。

(一)平衡规则Ⅰ

通过下式确定吊装平台5是否满足最大倾覆要求，以避免试验模型偏心时，发生起吊破坏：

其中，Z

应用中，吊装平台边长a＝3000mm，b＝2000mm，Z

(二)平衡规则Ⅱ

当吊装平台四个角均离地时，吊装平台的偏心有限，则根据下式判断吊装平台是否处于平衡状态：

Z

(三)迭代步骤

当吊装平台四个角未均离地时，吊装平台的偏心较大，则按照以下步骤进行调整吊装平台的空间状态：

S1获取各第一绳索承力大小；

S2基于梯形收放丝杆有效调整长度、预设的力传感器上限值和预设的调整次数上限值，分别判断力是否超限、行程是否超限或调整次数是否超限：

当梯形收放丝杆有效调整长度满足ΔH

当预设的力传感器上限值满足fi＞F时，则力超限；

当预设的调整次数上限值满足m＞n时，则调整次数超限；

其中，ΔH

应用中，考虑到实验室振动台载重能力、起重机起吊重量范围、试验模型重量以及试验模型偏心冗余量等因素，本实例实际应用时，系统总载重量小于等于20吨，即上绳索和下绳索的载重量分别小于等于10吨，则应选择量程小于等于10吨的力传感器，并预设力传感器上限值为量程的80％，即F小于等于8吨。

若力超限、行程超限或调整次数超限，则将吊装平台复位落地，并释放超限告警信号，减小安全起吊距离，重新启动起重机；否则，调整吊装平台与地面距离最大的角对应的梯形收放丝杆。

应用中，考虑到调整过程中梯形收放丝杆与吊装平台的夹角处于动态变化，无法精确计算梯形收放丝杆位移的大小，本实施例基于近似方法，通过下式多次调整梯形收放丝杆的位移，使吊装平台自平衡：

其中，Δh

实施例6

在实施例4或5的基础上，本实施例详细介绍了伺服电机控制信号转换关系。

根据梯形收放丝杆调整的位移大小以及伺服电机控制信号转换关系，确定对应启动的伺服电机以及伺服电机的转速，驱动梯形收放丝杆向上或向下转动，达到第二绳索收放的效果，以调整吊装平台5的空间状态。

伺服电机控制信号转换关系包括下式：

其中，k为伺服电机转速，d为梯形收放丝杆的直径，f

应用中，二级角减速器406的传动比为20:1，蜗轮蜗杆减速器的传动比为23:1，梯形收放丝杆的规格为Tr42*12mm，梯形收放丝杆有效调整长度为100mm，伺服电机扭矩为12N.m。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。