CN112836303B - 一种盾构刀盘滚刀自动布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构刀盘滚刀自动布置方法，包括以模型库的形式存储滚刀刀具模型，通过程序实现滚刀刀具模型调用，通过用户需求，以滚刀轨迹图为牵引，基于坐标变换，通过算法实现刀具的自动布置，基于数据驱动的刀具布局修改，在刀盘刀具全局配置自动化基础上，对部分有特定功能或位置要求的刀具提供交互修改功能，针对现有技术中缺少对刀具的布置规律的研究，未能将刀盘模型与刀具参数化布局关联起来的问题，本发明提供一种盾构刀盘滚刀自动布置方法，其目的在于：以解决现有盾构刀盘上的滚刀配置效率低，间距不可调的问题。

Description

一种盾构刀盘滚刀自动布置方法

技术领域

本发明涉及盾构刀盘领域，尤其涉及一种盾构刀盘滚刀自动布置方法。

背景技术

随着社会经济的发展，轨道交通在城市中的应用极大地缓解了交通拥堵的问题，其中，地铁的发展就是极为重要的一部分，地铁已成为市民出行不可或缺的交通工具。随着国内铁路，城市地铁，市政等重大基建项目的开展，盾构技术成为研发人员讨论的热点，盾构技术的使用很大程度上降低了地下工程难度。

用盾构法的机械进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理，在盾构机的结构当中，盾构刀盘是盾构机中最主要的掘进部件，刀具的型式以及刀具的配置直接影响盾构施工掘进的效率。在新产品的研制过程中，70％～80％的研发费用耗费于设计阶段。因此，如何开发和研究先进的设计方法与工具，以提高产品设计的效率就显得至关重要。

目前针对盾构刀盘的研究重点集中在结构分析优化方面，国内有人提出利用PRO/TOOLKI T、VC++和Access 2003为支撑的开发体系，创建盾构刀具参数化模型库和数据库，实现刀具参数化设计，但是缺少对刀具的布置规律的研究开发，未能将刀盘模型与刀具参数化布局关联起来。因此本发明针对这种缺陷提出盾构刀盘滚刀自动布置方法，实现了刀盘刀具的自动配置。

发明内容

针对现有技术中缺少对刀具的布置规律的研究开发，未能将刀盘模型与刀具参数化布局关联起来的问题，本发明提供一种盾构刀盘滚刀自动布置方法，其目的在于：以解决现有盾构刀盘上的滚刀配置效率低，间距不可调的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种盾构刀盘滚刀自动布置方法，包括：

A:将滚刀模型和刀箱模型做为一个子装配模型，建立各种类型的滚刀刀具模型，以模型库的形式存储滚刀刀具模型，存储刀具模型时将刀具信息保存于数据库中。

B：通过用户配置滚刀数据部分，结合刀盘结构，生成滚刀轨迹图，通过布局算法与滚刀轨迹图结合，基于刀盘的坐标，实现滚刀刀具模型的定位，根据每把滚刀刀具模型的位置信息调出数据库中相应的滚刀刀具模型，实现滚刀刀具模型的自动布置。采用该方案，本发明将滚刀模型和刀箱模型看作一个子装配，建立刀具的模型库，以模型规格作为标识进行调用，通过判断不同的刀盘结构形式，调用不同的滚刀轨迹图生成方法，根据用户需要配置不同的刀具布局。实现滚刀的自动布置，并且可调节刀具间距。

较优的，还包括步骤C基于数据驱动的滚刀刀具布局修改：在滚刀刀具全局配置自动化基础上，对有特定功能或位置要求对刀具布局提供修改功能，采用该优选方案，本发明装配后的刀盘模型进行预览，设置修改窗口，可以对刀具整体布局或者部分特定功能刀具进行位置调整。

较优的，在步骤A中，所述滚刀刀具模型包括中心双刃滚刀、主梁单刃滚刀和面板单刃滚刀，所述刀具信息包括刀具种类、刀具型号、刀具高度、刀具宽度和模型地址，通过模型地址调用对应的滚刀刀具模型进行装配。采用该优选方案，本发明不同滚刀或者不同刀箱尺寸以不同规格处理，每次建立新的模型将刀具的规格名称存储于数据库内，系统通过数据库调用对应的刀具装配体。

较优的，滚刀轨迹图由刀盘的圆心到刀盘边缘依次设计中心双刃滚刀，主梁单刃滚刀和面板单刃滚刀，并计算相邻主梁滚刀刀箱之间的板厚，刀盘以开挖直径作为面板单刃滚刀边界条件，刀盘大圆环直径作为主梁单刃滚刀边界条件。本发明以开挖直径和大圆环直径作为边界条件，滚刀采用同心圆布局，刀具布局在半径不同的同心圆上，同心圆的间距根据相邻滚刀的刀间距确定，同一主梁相邻两个刀箱之间采用隔板补充调节，每一同心圆半径上的滚刀数量的确定要充分考虑破岩要求和刀具承载磨损。

较优的，根据用户在中心滚刀部分输入的中心双刃滚刀规格和中心双刃滚刀偏移量，在滚刀轨迹图上生成相应的中心双刃滚刀的间距；根据用户在主梁滚刀部分输入的主梁单刃滚刀的规格、主梁单刃滚刀的间距和数量，在滚刀轨迹图上生成相应的主梁单刃滚刀的间距，主梁单刃滚刀具有多种滚刀间距设置；根据用户在面板滚刀部分输入的面板单刃滚刀的角度，系统通过最靠近面板单刃滚刀的主梁单刃滚刀调整面板单刃滚刀的刀具布局，相邻的面板单刃滚刀角度相同。本发明中心滚刀部分需要用户提供滚刀规格和双刃滚刀偏移量，主梁滚刀部分需要用户提供滚刀规格、单刃滚刀间距和数量，且可以根据工程要求设置多种刀间距，面板滚刀部分需要用户提供滚刀角度，系统能够通过角度和主梁最后一把滚刀调整刀具的布置规律。

较优的，通过坐标限定滚刀刀具模型相对于刀盘的位置，计算每一个滚刀刀具模型的坐标，将刀具的坐标赋值到对应的算法中，通过不同的坐标循环赋值，调出全部的滚刀刀具模型，实现滚刀刀具模型的自动布置。本发明滚刀刀具模型可以通过极坐标的方式详细描述刀具模型在安装平面上的具体位置，具体表示为(ρ_i，θ_i)，ρ_i表示刀具模型的极坐标半径，ρ_i∈(0，R_d)，R_d为刀盘半径，θ_i为极坐标夹角，θ_i∈(0，2π)。通过布局算法计算极坐标，可以得出每一把刀具的具体位置。本发明还可以通过其他坐标方式对刀具模型的位置进行限定，极坐标只是其中一种方式，通过坐标对刀具进行装配，完成后，可以对刀具的坐标进行修改，也可通过修改刀具间距来调整刀具布局。

较优的，滚刀刀具模型装配完成后，重新修改滚刀刀具模型的坐标配置或滚刀刀具模型的间距配置，调整刀具布局。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：可通过判断不同的刀盘结构形式，根据用户需要配置调用不同的滚刀轨迹图生成方法，生成不同的刀具布局。实现盾构滚刀自动配置，并且装配完成后可以对刀具的坐标进行修改，也可通过修改刀具间距来调整刀具布局。

以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明一种具体实施方式的滚刀刀具模型基准面示意图；

图2是本发明一种具体实施方式的滚刀轨迹图；

图3是本发明一种具体实施方式的中心双刃滚刀示意图；

图4是本发明一种具体实施方式的布局情况示意图。

附图标记：1、竖直中心线。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1、图2、图3、图4对本发明作详细说明。

如图所示，本发明一种盾构刀盘滚刀自动布置方法，将刀具和刀箱看作一个整体滚刀刀具模型调用，用户提前存储每一种刀具模型的刀具信息，包括刀具种类、刀具型号、刀具高度、刀具宽度、和模型地址，在调用装配时，刀具在刀盘上的装配，可以看作刀具模型基准面与刀盘基准面的配合关系，刀具模型基准面如图1所示。

如图2所示，滚刀轨迹图分为三大部分，分别为中心双刃滚刀间距、主梁单刃滚刀间距和面板单刃滚刀间距。A1为面板滚刀间距，A2为主梁单刃滚刀第二段间距，A3为主梁单刃滚刀第一段间距，A4为中心双刃滚刀间距，S1为中心双刃滚刀偏移量，用户输入中心双刃滚刀、主梁单刃滚刀和面板单刃滚刀的规格，系统根据关键字段在模板库找到对应规格的刀具模型，按由内向外的顺序进行滚刀布置计算，不是相邻刀具模型相互之间的距离，刀具间的偏移量间距是相邻刀刃(如图3#1和#2)之间的距离，通过输入中心双刃滚刀偏移量，确定图2 S1＝70mm；而相邻中心双刃滚刀刀刃的间距固定为90mm,所示为8个中心双刃滚刀刀刃，所以A4为7*90＝630；A3和A2为两段单刃滚刀间距，如图2所示A2＝A3＝100mm, 刀具数量分为为7和15，所以主梁单刃滚刀整体为(7+15)*100＝2200；最后输入面板滚刀角度，以等角度的方式进行布置，通过开挖直径6980mm和大圆环直径6120mm确定最后的面板滚刀部分的轨迹图。

如图3所示，双刃滚刀偏移量为竖直中心线1向右偏的第一把中心双刃滚刀与刀盘竖直中心线间的距离s1，S2为竖直中心线1向左偏的第一把中心双刃滚刀与刀盘竖直中心线间的距离，S3为中心双刃滚刀两个刀刃之间的距离。通过S1可定位第一把双刃滚刀#1刃位置，进而固定第一把中心双刃滚刀(#1、#3)的位置，然后依次确定其余的中心双刃滚刀。

进一步地，将主梁单刃滚刀设置为可供用户调整的两段，用户输入主梁单刃滚刀第一段的数量及其间距设置不同的滚刀间距，系统通过算法计算出匹配开挖直径和大圆环直径的主梁单刃滚刀第二段的滚刀数量及滚刀之间的间距，以满足不同的工作要求。

进一步地，用户通过输入面板滚刀角度以确定面板滚刀的布局，面板滚刀的布置规律是以相邻面板滚刀之间角度相同均匀布置于各个面板。

刀具模型通过极坐标的方式可以详细描述刀具模型在安装平面上的具体位置，具体表示为(ρ_i，θ_i)，ρ_i表示刀具的极坐标半径，ρ_i∈(0，R_d)，R_d为刀盘半径，θ_i为极坐标夹角，θ_i∈(0，2π)。通过夹角和极坐标半径对刀具进行定位，通过布局算法计算极坐标，就可以得出每一把刀具的具体位置。在程序中，每次调用之前对ρ_i和θ_i进行修改，每次对ρ_i和θ_i进行赋值，然后赋值定位好第一把刀具的位置，再修改后进行第二次赋值，循环多次，直到所以刀具定位完成。

按照所选择的滚刀规格调用对应的滚刀模型，再根据极坐标的定位将滚刀模型定位在刀盘上。进一步地，调用So l idworks API里的AddMate4方法使滚刀刀具模型装配体基准面与刀架装配体各主梁基准面进行重合配合和距离配合。

刀具模型装配完成后可以在界面查看刀具的布局情况，还可以显示对应刀具的参数信息。同时通过修改对应编号刀具的极坐标信息，实现对刀具的布局位置修改。用户可以只对部分刀具的布局位置进行修改，系统可以实现对整体刀具布局进行修改。如用户需要修改主梁刀具的布局，对部分主梁刀具的极坐标配置或主梁刀具间距配置，就可实现调整刀具布局。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种盾构刀盘滚刀自动布置方法，其特征在于：包括：

A:将滚刀模型和刀箱模型做为一个子装配模型，建立各种类型的滚刀刀具模型，以模型库的形式存储滚刀刀具模型，存储刀具模型时将刀具信息保存于数据库中；

B：通过用户配置滚刀数据部分，结合刀盘结构，生成滚刀轨迹图，通过布局算法与滚刀轨迹图结合，生成滚刀刀具模型基于刀盘的坐标，实现滚刀刀具模型的定位，根据每把滚刀刀具模型的位置信息调出数据库中相应的滚刀刀具模型，实现滚刀刀具模型的自动布置；

步骤B中通过用户配置滚刀数据部分，结合刀盘结构，生成滚刀轨迹图的具体包括：

根据用户在中心滚刀部分输入的中心双刃滚刀规格和中心双刃滚刀偏移量，在滚刀轨迹图上生成相应的中心双刃滚刀的间距；

根据用户在主梁滚刀部分输入的主梁单刃滚刀的规格、主梁单刃滚刀的间距和数量，在滚刀轨迹图上生成相应的主梁单刃滚刀的间距，主梁单刃滚刀具有多种滚刀间距设置；

根据用户在面板滚刀部分输入的面板单刃滚刀的角度，系统通过最靠近面板单刃滚刀的主梁单刃滚刀调整面板单刃滚刀的刀具布局，相邻的面板单刃滚刀角度相同。

2.根据权利要求1所述的一种盾构刀盘滚刀自动布置方法，其特征在于：还包括步骤C基于数据驱动的滚刀刀具布局修改：在滚刀刀具全局配置自动化基础上，对有特定功能或位置要求对刀具布局提供修改功能。

3.根据权利要求1所述的一种盾构刀盘滚刀自动布置方法，其特征在于：在步骤A中，所述滚刀刀具模型包括中心双刃滚刀、主梁单刃滚刀和面板单刃滚刀，所述刀具信息包括刀具种类、刀具型号、刀具高度、刀具宽度和模型地址，通过模型地址调用对应的滚刀刀具模型进行装配。

4.根据权利要求3所述的一种盾构刀盘滚刀自动布置方法，其特征在于：所述步骤B中通过用户配置滚刀数据部分，结合刀盘结构，生成滚刀轨迹图包括：

滚刀轨迹图由刀盘的圆心到刀盘边缘依次设计中心双刃滚刀，主梁单刃滚刀和面板单刃滚刀，并计算相邻主梁滚刀刀箱之间的板厚，刀盘以开挖直径作为面板单刃滚刀边界条件，刀盘大圆环直径作为主梁单刃滚刀边界条件。

5.根据权利要求1所述的一种盾构刀盘滚刀自动布置方法，其特征在于：所述步骤B中，实现滚刀刀具模型的自动布置步骤为：通过坐标限定滚刀刀具模型相对于刀盘的位置，计算每一个滚刀刀具模型的坐标，将刀具的坐标赋值到对应的算法中，通过不同的坐标循环赋值，调出全部的滚刀刀具模型，实现滚刀刀具模型的自动布置。

6.根据权利要求2所述的一种盾构刀盘滚刀自动布置方法，其特征在于：所述刀具布局提供修改功能为：滚刀刀具模型装配完成后，重新修改滚刀刀具模型的坐标配置或滚刀刀具模型的间距配置，调整刀具布局。

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