CN112045397A - 钢拱架拼接装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种钢拱架拼接装置及其工作方法，包括大回转机构，大回转机构上活动设置有机械臂，机械臂上设置有动力机构，所述大回转机构上均匀设置有若干个从站控制盒，从站控制盒均与主站控制箱相连接，从站控制盒两侧且在大回转机构上对称设置有两组机械臂，相邻从站控制盒之间设置有三维扫描仪，三维扫描仪与从站控制盒相连接；所述动力机构上设置有位移监测组件和压力监测组件，位移监测组件和压力监测组件均与从站控制盒相连接。本发明通过各机械臂相互配合实现了钢拱架有序自动抓取拼接，自动微调对接动作，减少了拼接误触判断。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工的技术领域，尤其涉及一种钢拱架拼接装置及其工作方法。
背景技术
TBM施工过程中需要采用钢拱架对已掘进后方及时进行支护，目前采用的支护方式为人工支护，支护过程中将一段段钢拱架拼接成环形，最后将拼装完成的钢拱架撑起在TBM施工后的隧道内，拼接过程采用人工对接各段钢拱架并需要人工拧螺栓将其拧紧。需要工人长时间现场作业，隧道一旦发生塌方，很容易发生人员伤亡事故，安全隐患大，人工支护效率低。实现钢拱架拼装由人工拼装向自动化拼装，对实现TBM更安全、更高效有着重要的意义。
发明内容
针对目前人工支护钢拱架过程中，效率低、安全隐患大的技术问题，本发明提出一种钢拱架拼接装置及其工作方法。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：
一种钢拱架拼接装置，包括大回转机构，大回转机构上活动设置有机械臂，机械臂上设置有动力机构，所述大回转机构上均匀设置有若干个从站控制盒，从站控制盒均与主站控制箱相连接，从站控制盒两侧且在大回转机构上对称设置有两组机械臂，相邻控制盒之间设置有三维扫描仪，三维扫描仪与从站控制盒相连接；所述动力机构上设置有位移监测组件和压力监测组件，位移监测组件和压力监测组件均与从站控制盒相连接。
优选地，所述动力机构包括推进油缸和夹爪油缸，推进油缸的一端与大回转机构相连接，推进油缸的另一端与机械臂相连接，夹爪油缸安装在机械臂上且夹爪油缸与机械臂上活动设置的夹爪相连接；所述推进油缸和夹爪油缸内均设置有位移监测组件，夹爪油缸一侧设置有压力监测组件。
优选地，所述位移监测组件包括伸缩位移传感器，伸缩位移传感器分别内置在推进油缸和夹爪油缸内部；所述压力监测组件包括第一压力传感器，第一压力传感器安装在夹爪油缸一侧；所述推进油缸和夹爪油缸的进油管路上均设置有比例调节阀和第二压力传感器，伸缩位移传感器、比例调节阀、第一压力传感器和第二压力传感器均与从站控制盒相连接。
优选地，所述大回转机构上设置有拖链，主站控制箱和从站控制盒之间的连接线缆布置在拖链上。
一种钢拱架拼接装置的工作方法，包括以下步骤：
S1、作业准备：首先将大回转机构上各从站控制盒依次命名为从站控制盒1、从站控制盒2、从站控制盒3、……、从站控制盒n，各机械臂依次命名为机械臂1、机械臂2、机械臂3、……、机械臂m，各三维扫描仪依次命名为三维扫描仪1、三维扫描仪2、三维扫描仪3、……、三维扫描仪p，机械臂1和机械臂2对称设置在从站控制盒1两侧；
S2、根据步骤S1，每两组机械臂完成一个钢拱架抓取提升动作，每组三维扫描仪扫描两组钢拱架上设定点位置坐标；将钢拱架依次命名为钢拱架1、钢拱架2、……、钢拱架n，机械臂1和机械臂2夹取钢拱架1，依次类推；三维扫描仪1用于钢拱架1和钢拱架2上设定点位置坐标，依次类推；
S3、夹取钢拱架：主站控制箱控制机械臂1和机械臂2动作首先夹取放置在待夹取位置上的钢拱架；
S4、路径规划：根据工况需要，规划机械臂1和机械臂2的运动路劲，在仿真软件MATLAB中依据规划好的机械臂1和机械臂2的运动路径，调用Robotics System Toolbox函数库求逆解，计算出机械臂1和机械臂2中各油缸从起始点到终点运行的距离L；
S5、根据步骤S4中计算得出的各油缸从起始点到终点运行的距离L，通过插值法将路径L划分成L1、L2、L3、……、LN段；
S6、钢拱架提升：主站控制箱通过控制机械臂1和机械臂2中各推进油缸和夹爪油缸进油管路中的比例调节阀开度，使得各油缸动作完成L1段位移，到达位置T1；随后控制各油缸继续动作完成L2段位移，到达位置T2，依次类推，直至各油缸动作完成LN段位移时，机械臂1和机械臂2带动钢拱架提升到待拼接位置；
S7、下一钢拱架夹取：主站控制箱控制大回转机构转动360/n度带动机械臂3和机械臂4分别运动至机械臂1和机械臂2的初始位置处，主站控制箱控制机械臂3和机械臂4夹取放置在待夹取位置上的钢拱架，重复步骤S3~S5，机械臂3和机械臂4带动钢拱架提升到预拼接位置；
S8、钢拱架拼接：通过机械臂2和机械臂3中间固定的三维扫描仪1扫描在钢拱架1末端和钢拱架2首端上分别设置的三个位置点坐标（x、y、z），根据三个位置点坐标，计算出钢拱架1末端待拼接点的位置和位姿和钢拱架2首端预拼接点位置和位姿；
S9、根据步骤S8，以钢拱架1上待拼接点的位置和位姿为参考点，调整钢拱架2的位姿，计算钢拱架2预拼接点位置至钢拱架1待拼接点位置的运动距离Z，根据运动距离Z计算机械臂3和机械臂4上各油缸伸缩长度，主站控制箱控制各油缸进油管路中比例调节阀开度，控制各油缸到达指定位置，实现钢拱架1与钢拱架2拼接；
S10、根据步骤S9，钢拱架2与钢拱架1拼接完成后，以钢拱架2作为待拼接单元，重复步骤S7~S10依次完成其余各钢拱架拼接；
S11、待各钢拱架全部拼装到位完成后，主站控制箱控制大回转机构上的各机械臂伸缩至指定位置使各拼装完成的钢拱架撑紧，至此各钢拱架撑紧形成环状支护。
优选地，所述步骤S6中各油缸伸缩动作过程中，主站控制箱实时接收从各油缸中伸缩位移传感器反馈的位移值后，主站控制箱控制各油缸进油管路中比例调节阀的开度，实现闭环控制，对各油缸动作位置精准控制。
优选地，所述步骤S6中各油缸伸缩动作过程中，主站控制箱实时接收从各油缸中伸缩位移传感器反馈的位移值后，主站控制箱控制各油缸进油管路中比例调节阀的开度，实现闭环控制，对各油缸动作位置精准控制。
优选地，所述步骤S6中在分段运动过程中，若某个油缸动作位置与其预设动作阈值不同时即主站控制箱接收到各伸缩位移传感器反馈位移值与其预设动作阈值不同时，主站控制箱通过调节对应油缸进油管路中的比例调节阀开度，调节油缸伸出速度加快或降低使各油缸同步到达指定终点位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明通过一主站控制箱协同多组从站控制盒，每组从站控制盒两侧对称安装两组机械臂，便于控制两组机械臂上的多油缸动作，并且布线方便；
2、本发明通过大回转机构旋转带动对应的两组机械臂依次完成抓取工作，抓取方便，效率高；
3、本发明通过对各油缸位移路径规划，通过把每个油缸伸长量分成多段，一段一段运行，拟合机械臂油缸位移曲线，以实现机器人末端能够沿固定轨迹运行的目的，在主站控制箱和从站控制盒的控制作用下是的对应的两组机械臂上油缸协调运动，各自沿预定轨迹运动，满足工况需求；
4、本发明整体实现实现了钢拱架的自动抓取、钢拱架抓取提升后的拼接动作执行，同时通过三维扫描仪获取两个相邻需要对接的钢拱架上对接位置，通过主站控制箱控制对应的机械臂动作微调，减少拼接误差判断。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的通信拓扑结构示意图。
图2为本发明中从站控制盒和三维扫描仪的安装位置示意图。
图3为本发明的工作流程图。
图中，1为大回转机构，2为推动油缸，3为夹爪，4为夹爪油缸，5为从站控制盒，6为三维扫描仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：如图1所示，一种钢拱架拼接装置，包括大回转机构1，大回转机构1上活动设置有机械臂，机械臂上设置有动力机构，所述大回转机构上均匀设置有若干个从站控制盒5，从站控制盒5均与主站控制箱相连接，大回转机构1上设置有拖链，主站控制箱和从站控制盒5之间的连接线缆布置在拖链上，利用拖链便于集中整齐布置连接线缆，从站控制盒采用体积较小的I/O模块，节省空间。
如图2所示，从站控制盒5两侧且在大回转机构1上对称设置有两组机械臂，1个从站控制盒控制2个结构对称的机械臂，从站控制盒布置在要控制的2个钢拱架中间，从站的I/O模块用于控制2个机械臂运动，相邻从站控制盒5之间设置有三维扫描仪6，三维扫描仪6与相邻的一组从站控制盒相连接；所述动力机构上设置有位移监测组件和压力监测组件，位移监测组件和压力监测组件均与从站控制盒5相连接。
所述动力机构包括推进油缸2和夹爪油缸4，推进油缸2的一端与大回转机构1相连接，推进油缸2的另一端与机械臂相连接，本实施例中推进油缸的数量优选为3组，其中一组推进油缸作为主推进油缸控制机械臂动作，另外两组推进油缸作为辅推进油缸用于对机械臂进行微调，本实施例中夹爪油缸的数量优选为一组，夹爪油缸4安装在机械臂上且夹爪油缸4与机械臂上活动设置的夹爪3相连接；所述推进油缸2和夹爪油缸4内均设置有位移监测组件，夹爪油缸4一侧设置有压力监测组件。
所述位移监测组件包括伸缩位移传感器，伸缩位移传感器分别内置在推进油缸2和夹爪油缸4内部；所述压力监测组件包括第一压力传感器，第一压力传感器安装在夹爪油缸4一侧，机械臂夹爪通过油缸控制夹紧松开，通过在夹爪油缸一侧配置第一压力传感器，判断夹爪是否夹紧钢拱架；所述推进油缸2和夹爪油缸4的进油管路上均设置有比例调节阀和第二压力传感器，利用第二压力传感器用于测量抓取工件运动时，每个油缸所受的力，便于后续对部分油缸动作异常实时监测反馈，伸缩位移传感器、比例调节阀、第一压力传感器和第二压力传感器均与从站控制盒5相连接，每个油缸采用比例调节阀控制并且内置伸缩位移传感器，控制器通过伸缩位移传感器反馈回来位置，控制比例阀开度，实现油缸位置的精准控制。
实施例2：如图3所示，一种钢拱架拼接装置的工作方法，包括以下步骤：
S1、作业准备：首先将大回转机构1上各从站控制盒5依次命名为从站控制盒1、从站控制盒2、从站控制盒3、……、从站控制盒n，本实施例优选n=5，各机械臂依次命名为机械臂1、机械臂2、机械臂3、……、机械臂m，优选m=10，各三维扫描仪依次命名为三维扫描仪1、三维扫描仪2、三维扫描仪3、……、三维扫描仪p，优选p=5，机械臂1和机械臂2对称设置在从站控制盒1两侧；
S2、根据步骤S1，每两组机械臂完成一个钢拱架抓取提升动作，每组三维扫描仪6扫描相邻两组钢拱架上设定点位置坐标；将钢拱架依次命名为钢拱架1、钢拱架2、……、钢拱架n，机械臂1和机械臂2夹取钢拱架1，依次类推；三维扫描仪1用于扫描钢拱架1和钢拱架2上设定点位置坐标，依次类推；
S3、夹取钢拱架：主站控制箱控制机械臂1和机械臂2动作首先夹取放置在待夹取位置上的钢拱架，钢拱架通过夹具每次固定在相同位置上，机械臂1和机械臂2抓取钢拱架后，带动钢拱架提升到待拼接位置，在提升钢拱架时，机械臂1和机械臂2末端要沿着规划好的运动轨迹运动，以保证抓着钢拱架运动过程中，钢拱架不滑落；
S4、路径规划：根据工况需要，规划机械臂1和机械臂2的运动路劲，在仿真软件MATLAB中依据规划好的机械臂1和机械臂2的运动路径，调用Robotics System Toolbox函数库求逆解，计算出机械臂1和机械臂2中各油缸从起始点到终点运行的距离L；
S5、根据步骤S4中计算得出的各油缸从起始点到终点运行的距离L，通过插值法将路径L划分成L1、L2、L3、……、LN段，通过把每个油缸伸长量分成多段，一段一段运行，拟合机械臂油缸位移曲线，以实现机器人末端能够沿固定轨迹运行的目的；
S6、钢拱架提升：主站控制箱通过控制机械臂1和机械臂2中各推进油缸和夹爪油缸进油管路中的比例调节阀开度，使得各油缸动作完成L1段位移，到达位置T1；随后控制各油缸继续动作完成L2段位移，到达位置T2，依次类推，直至各油缸动作完成LN段位移时，机械臂1和机械臂2带动钢拱架提升到待拼接位置；
S7、下一钢拱架夹取：主站控制箱控制大回转机构1转动360/n度带动机械臂3和机械臂4分别运动至机械臂1和机械臂2的初始位置处，主站控制箱控制机械臂3和机械臂4夹取放置在待夹取位置上的钢拱架，重复步骤S3~S5，机械臂3和机械臂4带动钢拱架提升到预拼接位置，预拼接的钢拱架和待拼接的钢拱架采用棘齿结构进行对接；
S8、钢拱架拼接：由于机械臂不能完全精准的沿规划轨迹运动或者规划运动轨迹有偏差，待拼接的钢拱架末端和预拼接的钢拱架首端并不能一次实现对接，因此通过机械臂2和机械臂3中间固定的三维扫描仪1扫描在钢拱架1末端和钢拱架2首端上分别设置的三个特征位置点坐标x、y、z，根据三个特征位置点坐标，计算出钢拱架1末端待拼接点的位置和位姿和钢拱架2首端预拼接点位置和位姿；
S9、根据步骤S8，以钢拱架1上待拼接点的位置和位姿为参考点，调整钢拱架2的位姿，计算钢拱架2预拼接点位置至钢拱架1待拼接点位置的运动距离Z，根据运动距离Z计算机械臂3和机械臂4上各油缸伸缩长度，主站控制箱控制各油缸进油管路中比例调节阀开度，控制各油缸到达指定位置，实现钢拱架1与钢拱架2拼接；
S10、根据步骤S9，钢拱架2与钢拱架1拼接完成后，以钢拱架2作为待拼接单元，重复步骤S7~S10依次完成其余各钢拱架拼接；
S11、待各钢拱架全部拼装到位完成后，主站控制箱控制大回转机构1上的各机械臂伸缩至指定位置使各拼装完成的钢拱架撑紧，至此各钢拱架撑紧形成环状支护。
实施例3：一种钢拱架拼接装置的工作方法，所述步骤S6中各油缸伸缩动作过程中，主站控制箱实时接收从各油缸中伸缩位移传感器反馈的位移值后，主站控制箱控制各油缸进油管路中比例调节阀的开度，实现闭环控制，对各油缸动作位置精准控制。
其余工作方法与实施例2相同。
实施例4：一种钢拱架拼接装置的工作方法，所述步骤S6中当各油缸动作完成LN段位移时，主站控制箱实时接收从夹爪油缸4一侧安装的压力传感器反馈的压力值，通过压力值判断机械臂上的夹爪3是否夹紧钢拱架。
其余工作方法与实施例2相同。
实施例5：一种钢拱架拼接装置的工作方法，所述步骤S6中在分段运动过程中，若某个油缸动作位置与其预设动作阈值不同时即主站控制箱接收到各伸缩位移传感器反馈位移值与其预设动作阈值不同时，主站控制箱通过调节对应油缸进油管路中的比例调节阀开度，调节油缸伸出速度加快或降低使各油缸同步到达指定终点位置。
其余工作方法与实施例2相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种钢拱架拼接装置，包括大回转机构（1），大回转机构（1）上活动设置有机械臂，机械臂上设置有动力机构，其特征在于，所述大回转机构上均匀设置有若干个从站控制盒（5），从站控制盒（5）均与主站控制箱相连接，从站控制盒（5）两侧且在大回转机构（1）上对称设置有两组机械臂，相邻从站控制盒（5）之间设置有三维扫描仪（6），三维扫描仪（6）与从站控制盒（5）相连接；所述动力机构上设置有位移监测组件和压力监测组件，位移监测组件和压力监测组件均与从站控制盒（5）相连接。
2.根据权利要求1所述的钢拱架拼接装置，其特征在于，所述动力机构包括推进油缸（2）和夹爪油缸（4），推进油缸（2）的一端与大回转机构（1）相连接，推进油缸（2）的另一端与机械臂相连接，夹爪油缸（4）安装在机械臂上且夹爪油缸（4）与机械臂上活动设置的夹爪（3）相连接；所述推进油缸（2）和夹爪油缸（4）内均设置有位移监测组件，夹爪油缸（4）一侧设置有压力监测组件。
3.根据权利要求1或2所述的钢拱架拼接装置，其特征在于，所述位移监测组件包括伸缩位移传感器，伸缩位移传感器分别内置在推进油缸（2）和夹爪油缸（4）内部；所述压力监测组件包括第一压力传感器，第一压力传感器安装在夹爪油缸（4）一侧；所述推进油缸（2）和夹爪油缸（4）的进油管路上均设置有比例调节阀和第二压力传感器，伸缩位移传感器、比例调节阀、第一压力传感器和第二压力传感器均与从站控制盒（5）相连接。
4.根据权利要求1所述的钢拱架拼接装置，其特征在于，所述大回转机构（1）上设置有拖链，主站控制箱和从站控制盒（5）之间的连接线缆布置在拖链上。
5.根据权利要求1或2或4所述的一种钢拱架拼接装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、作业准备：首先将大回转机构（1）上各从站控制盒（5）依次命名为从站控制盒1、从站控制盒2、从站控制盒3、……、从站控制盒n，各机械臂依次命名为机械臂1、机械臂2、机械臂3、……、机械臂m，各三维扫描仪依次命名为三维扫描仪1、三维扫描仪2、三维扫描仪3、……、三维扫描仪p，机械臂1和机械臂2对称设置在从站控制盒1两侧；
S2、根据步骤S1，每两组机械臂完成一个钢拱架抓取提升动作，每组三维扫描仪（6）扫描两组钢拱架上设定点位置坐标；将钢拱架依次命名为钢拱架1、钢拱架2、……、钢拱架n，机械臂1和机械臂2夹取钢拱架1，依次类推；三维扫描仪1用于钢拱架1和钢拱架2上设定点位置坐标，依次类推；
S3、夹取钢拱架：主站控制箱控制机械臂1和机械臂2动作首先夹取放置在待夹取位置上的钢拱架；
S4、路径规划：根据工况需要，规划机械臂1和机械臂2的运动路劲，在仿真软件MATLAB中依据规划好的机械臂1和机械臂2的运动路径，调用Robotics System Toolbox函数库求逆解，计算出机械臂1和机械臂2中各油缸从起始点到终点运行的距离L；
S5、根据步骤S4中计算得出的各油缸从起始点到终点运行的距离L，通过插值法将路径L划分成L1、L2、L3、……、LN段；
S6、钢拱架提升：主站控制箱通过控制机械臂1和机械臂2中各推进油缸和夹爪油缸进油管路中的比例调节阀开度，使得各油缸动作完成L1段位移，到达位置T1；随后控制各油缸继续动作完成L2段位移，到达位置T2，依次类推，直至各油缸动作完成LN段位移时，机械臂1和机械臂2带动钢拱架提升到待拼接位置；
S7、下一钢拱架夹取：主站控制箱控制大回转机构（1）转动360/n度带动机械臂3和机械臂4分别运动至机械臂1和机械臂2的初始位置处，主站控制箱控制机械臂3和机械臂4夹取放置在待夹取位置上的钢拱架，重复步骤S3~S5，机械臂3和机械臂4带动钢拱架提升到预拼接位置；
S8、钢拱架拼接：通过机械臂2和机械臂3中间固定的三维扫描仪1扫描在钢拱架1末端和钢拱架2首端上分别设置的三个位置点坐标（x、y、z），根据三个位置点坐标，计算出钢拱架1末端待拼接点的位置和位姿和钢拱架2首端预拼接点位置和位姿；
S9、根据步骤S8，以钢拱架1上待拼接点的位置和位姿为参考点，调整钢拱架2的位姿，计算钢拱架2预拼接点位置至钢拱架1待拼接点位置的运动距离Z，根据运动距离Z计算机械臂3和机械臂4上各油缸伸缩长度，主站控制箱控制各油缸进油管路中比例调节阀开度，控制各油缸到达指定位置，实现钢拱架1与钢拱架2拼接；
S10、根据步骤S9，钢拱架2与钢拱架1拼接完成后，以钢拱架2作为待拼接单元，重复步骤S7~S10依次完成其余各钢拱架拼接；
S11、待各钢拱架全部拼装到位完成后，主站控制箱控制大回转机构（1）上的各机械臂伸缩至指定位置使各拼装完成的钢拱架撑紧，至此各钢拱架撑紧形成环状支护。
6.根据权利要求5所述的钢拱架拼接装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S6中各油缸伸缩动作过程中，主站控制箱实时接收从各油缸中伸缩位移传感器反馈的位移值后，主站控制箱控制各油缸进油管路中比例调节阀的开度，实现闭环控制，对各油缸动作位置精准控制。
7.根据权利要求5所述的钢拱架拼接装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S6中当各油缸动作完成LN段位移时，主站控制箱实时接收从夹爪油缸（4）一侧安装的压力传感器反馈的压力值，通过压力值判断机械臂上的夹爪（3）是否夹紧钢拱架。
8.根据权利要求5或6所述的钢拱架拼接装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S6中在分段运动过程中，若某个油缸动作位置与其预设动作阈值不同时即主站控制箱接收到各伸缩位移传感器反馈位移值与其预设动作阈值不同时，主站控制箱通过调节对应油缸进油管路中的比例调节阀开度，调节油缸伸出速度加快或降低使各油缸同步到达指定终点位置。
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