CN102720503B - 一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及顶管掘进机，具体是一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置。能针对顶管掘进机前行方向相对于管道设计轴线发生的偏差，实现自动、高效、安全可靠的纠偏，液压缸纠偏输出力小，且可用于曲线顶管掘进，为顶管掘进机自动化顶管掘进提供了技术基础，避免了由于施工条件的千变万化、极高的劳动强度、操作人员操作经验的不足或者粗心大意等因素影响造成的操作人员误判或操作指令输入错误而导致的纠偏失败、纠偏效率低等问题，提高了顶管掘进的效率，改善了顶管施工的质量。

Description

一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置

技术领域

本发明涉及顶管掘进机，具体是一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置。

背景技术

顶管掘进机工作面环境恶劣、地质条件复杂，顶管掘进机在进行全断面切割以及顶进过程中，作用在顶管掘进机上的力系通常是不平衡的，力系的不平衡使得顶管掘进机前进的轨迹永远不可能完全沿着管道设计轴线前进，随时会发生偏离管道设计轴线的现象。

轴线偏差包括：顶管掘进机的轴线上的某一点相对于管道设计轴线的位置偏移，顶管掘进机轴线相对于管道设计轴线的俯仰角和水平方位角；因此，必须实时的检测顶管掘进机轴线与管道设计轴线的偏差，并实时将顶管掘进机轴线偏差纠正到管线设计轴线的允许偏差范围内，以保证顶管施工质量。

根据顶管掘进机产品调研、文献专利等资料检索结果，目前顶管掘进机顶进纠偏系统主要由偏差自动测量装置、液力纠偏机械装置、液压伺服系统和手动控制纠偏系统组成，其中偏差自动测量装置主要有德国 VMT全站仪激光标靶自动导向系统、单激光靶自动测量装置、单激光靶＋陀螺仪自动测量装置、曲线顶管自动遥控测量系统等；液力纠偏机械装置和液压伺服系统包括纠偏电机、油泵、控制阀、纠偏液压缸、球铰及液压系统附件等，纠偏液压缸为偶数对称分布、按顶管掘进机周向均匀布设，一端与顶管掘进机切削系统支撑壳体球铰连接，另一端与顶管掘进机纠偏装置支撑壳体球铰连接，顶进时，纠偏液压缸以纠偏装置支撑壳体为后座，调节切削系统支撑壳体的方向，来引导后面的管节正确的前进；由于顶管掘进机切削系统支撑壳体和纠偏装置支撑壳体的连接是通过偶数（≥4）个液压缸两端球铰连接起来，因此构成了欠驱动（液压缸数目少于6个）或冗余驱动（液压缸数目大于6个）的空间六自由度机构，除纠偏运动外寄生的非期望运动多且无法完全消除，对非期望运动的限制主要利用被动的土层约束力，和设计的切削系统支撑壳体切口环与纠偏装置支撑壳体支承环之间的约束反力进行限制，结果导致纠偏控制时切削系统支撑壳体的约束反力非常巨大，纠偏不灵活且纠偏角度小（一般小于3°），难以应用于曲线顶管掘进；此外顶管掘进机液力纠偏机械装置的纠偏运动和力控制高度复杂，难以实现实时的自动化纠偏控制，所以目前对顶管掘进机纠偏控制主要采取手动控制纠偏，即操作人员根据以往的施工经验通过对纠偏液压缸进行编组动作，进行纠偏控制；手动控制纠偏首先将偶数（≥4）个周向均布纠偏液压缸分为4组(较多液压缸亦可分为4组，具有通用性)，再根据偏差自动测量装置获得的顶管掘进机轴线偏差量，对每组液压缸分别进行控制，或对相邻两组实行联合控制，以实现全部液压缸工作、单组液压缸前进或后退、相邻两组液压缸前进或后退等动作，从而实现顶管掘进机的整体推进及上、下、左、右、左上、左下、右上、右下的顶管掘进机姿态控制。

由于上述顶管掘进机液力纠偏机械装置的缺陷，顶管施工的施工条件的千变万化和极高的劳动强度，以及操作人员操作经验的不足或者粗心大意等因素影响，易造成操作人员误判或操作指令输入错误，导致纠偏失败，纠偏效率低，影响顶管施工质量，因此，顶管施工中急需可实现自动、高效、安全可靠的准确纠偏装置。

发明内容

本发明为了能针对顶管掘进机前行方向相对于管道设计轴线发生的偏差实现自动、高效、安全可靠的准确纠偏，为了能用于曲线顶管掘进，为实现自动化顶管掘进提供技术基础，提供一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置，本发明的改进主要在于液力纠偏机械装置。

一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置，由偏差自动测量装置、液力纠偏机械装置、液压伺服系统及自动纠偏控制器组成，其特征在于：所述的液力纠偏机械装置包括切削系统、引导壳体、切削系统支撑壳体、纠偏装置支撑壳体、万向节和伺服液压缸，伺服液压缸设有位移传感器用于检测伺服液压缸驱动位移，其两端通过万向节分别与切削系统和纠偏装置支撑壳体沿径向相连接构成三条纠偏驱动支链，三条纠偏驱动支链沿纠偏装置支撑壳体4周向间隔120度均布；切削系统和引导壳体均与切削系统支撑壳体固定连接；所述纠偏装置支撑壳体前端为球面，后端为圆柱面，前端和后端之间采用圆锥面连接；切削系统支撑壳体外表面采用球面设计，引导壳体外侧采用阶梯圆柱面设计，引导壳体与纠偏装置支撑壳体接触部分内表面采用圆柱面设计，切削系统支撑壳体的外表面和纠偏装置支撑壳体的内表面之间采用球面接触构成仅存有切削系统支撑壳体轴线相对于纠偏装置支撑壳体轴线的空间三转动自由度的约束支链，引导壳体与纠偏装置支撑壳体采用圆柱面和球面接触形式，形成具有空间三转动及沿引导壳体轴线方向移动四自由度的可动连接。

所述的一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置，其特征在于：所述球面部分为同心球面。

所述的一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置，其特征在于：切削系统、引导壳体、切削系统支撑壳体构成的整体的重心在切削系统支撑壳体的外表面与纠偏装置支撑壳体内表面的球面接触区域内。

一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置，其特征在于：所述的切削系统相当于并联机构动平台、纠偏装置支撑壳体相当于并联机构静平台，伺服液压缸相当于移动副（用字母P表示），固连于切削系统的切削系统支撑壳体的外表面和纠偏装置支撑壳体的内表面之间采用球面接触构成了相当于并联机构的动平台与静平台之间的球副（用字母S表示）约束支链，伺服液压缸两端连接万向节（用字母U表示）相当于并联机构中的UPU驱动支链；所述的液力纠偏机械装置采用三条UPU驱动支链+一条S约束支链，构成了恰驱动（驱动支链数目等于并联机构动平台自由度数）的空间三转动自由度并联机构。    

所述的液力纠偏机械装置除可控的纠偏姿态运动外无移动运动，不需要利用被动的土层约束力，和设计额外的切削系统支撑壳体切口环与纠偏装置支撑壳体支承环之间的约束反力进行非期望移动运动限制，因此引导壳体与土层接触面积可以设计的小，从而减小纠偏控制时土层约束反力；同时对引导壳体与纠偏装置支撑壳体采用圆柱面和球面接触形式，形成具有空间三转动及沿引导壳体轴线方向移动四自由度的可动连接，避免了纠偏控制时需克服的切削系统支撑壳体切口环与纠偏装置支撑壳体支承环之间的约束反力；切削系统、引导壳体、切削系统支撑壳体构成的整体的重心设计在切削系统支撑壳体外表面与纠偏装置支撑壳体4内表面球面接触区域内，使得纠偏控制时需克服的运动部件重力矩最小化；通过以上措施，纠偏控制时伺服液压缸输出力几乎全部用来克服引导壳体与土层接触区域的被动土层约束反力，因此，伺服液压缸数目可以很少、纠偏控制力小、纠偏灵活；最大纠偏角度的设计只受顶管掘进机各结构件几何干涉条件约束，故纠偏角度范围大，可以应用于曲线顶管掘进；又由于液力纠偏机械装置属于恰驱动（驱动支链数目等于并联机构动平台自由度数）的空间三转动自由度并联机构，恰驱动并联机构的运动学、动力学和静力学数学模型简单，从而导致液力纠偏机械装置的纠偏运动控制和力控制简单，易于实现顶管掘进机空间姿态实时的自动化纠偏控制。

本发明是采用如下技术方案实现的：

顶管掘进机主动型自动纠偏装置有切削系统、引导壳体、切削系统支撑壳体、纠偏装置支撑壳体、万向节、伺服液压缸、偏差自动测量装置、液压伺服系统及自动纠偏控制器组成；其中偏差自动测量装置可直接选用现有的单激光靶自动测量装置、单激光靶＋陀螺仪自动测量装置或曲线顶管自动遥控测量系统，根据管径大小、成本、直线或曲线顶进、弯曲半径大小等因素进行合理选用。

所述的液力纠偏机械装置由切削系统、引导壳体、切削系统支撑壳体、纠偏装置支撑壳体、万向节和伺服液压缸组成，其中切削系统、引导壳体均与切削系统支撑壳体固定连接，伺服液压缸具有位移传感器用于检测伺服液压缸驱动位移，其两端通过万向节与切削系统和纠偏装置支撑壳体沿径向相连接构成三条纠偏驱动支链，固连于切削系统的切削系统支撑壳体的外表面和纠偏装置支撑壳体的内表面之间采用球面接触构成仅存有切削系统支撑壳体轴线相对于纠偏装置支撑壳体轴线的空间三转动自由度的约束支链，三条纠偏驱动支链沿纠偏装置支撑壳体周向间隔120度均布，和约束支链一起构成恰驱动的空间三转动自由度液力纠偏机械装置；为了降低纠偏时土层约束反力，降低纠偏时需克服的重力矩，增加纠偏灵活性、增大纠偏角位移空间、降低液压缸纠偏输出力，对所述的纠偏装置支撑壳体内外表面均采用圆柱面、圆锥面、球面组合设计，切削系统支撑壳体的外表面采用球面设计，引导壳体的外侧采用阶梯圆柱面设计、与纠偏装置支撑壳体的接触部分内表面采用圆柱面设计，其中球面部分为同心球面，引导壳体与纠偏装置支撑壳体采用圆柱面和球面接触形式，形成具有空间三转动及沿引导壳体轴线方向移动四自由度的可动连接，引导壳体与纠偏装置支撑壳体接触部分外侧圆柱面直径小于顶管管径；设计时使切削系统、引导壳体、切削系统支撑壳体构成的整体的重心在切削系统支撑壳体外表面与纠偏装置支撑壳体内表面球面接触区域内，按照重力承载要求设计引导壳体与土层的最小接触面积。

所述的液压伺服系统及自动纠偏控制器包括油泵、电机、液压控制阀、液压附件、伺服液压缸及其自带的位移传感器和自动控制器，自动控制器可以采用PLC、DSP、工控机等设备并编写相应的测控软件来实现，伺服液压缸自带的位移传感器，用来测量伺服液压缸驱动位移，向液压伺服系统及自动纠偏控制器提供反馈信号。

所述的顶管掘进机主动型自动纠偏装置自动纠偏实现过程：偏差自动测量装置测得的纠偏装置支撑壳体的轴线相对于顶管设计轴线的偏差量实时传送给液压伺服系统及自动纠偏控制器，液压伺服系统及自动纠偏控制器将该偏差量输入自动控制器纠偏控制算法模型，求解出实现轴线偏差量消除各伺服液压缸所需的位移输出量，液压伺服系统及自动纠偏控制器实时检测伺服液压缸中位移传感器的位移信号，和自动控制器纠偏控制算法模型求解的各伺服液压缸的输出位移量比较形成各伺服液压缸的位移偏差，根据位移偏差大小输出控制信号给液压伺服系统的控制阀，通过液压控制阀的动作控制三条纠偏驱动支链中各伺服液压缸的位移输出，实现引导壳体的轴线相对于纠偏装置支撑壳体的轴线的任意角位移偏差的纠正，结合掘进机的顶进运动，在引导壳体的约束带动下实现纠偏装置支撑壳体的轴线相对于顶管设计轴线的偏差的消除，上述过程不断循环，直至纠偏装置支撑壳体相对于顶管设计轴线的偏差量控制在液压伺服系统及自动纠偏控制器设计允许范围内，最终实现顶管掘进机机头前进方向的调节。

本发明的有益效果是：本发明实现了顶管掘进机自动、高效、安全可靠的准确纠偏，能用于曲线顶管掘进，液压缸纠偏输出力小，为顶管掘进机自动化顶管掘进提供了技术基础，避免了由于施工条件的千变万化、极高的劳动强度、操作人员操作经验的不足或者粗心大意等因素影响造成的操作人员误判或操作指令输入错误而导致的纠偏失败、纠偏效率低等问题，提高了顶管掘进的效率，改善了顶管施工的质量。

附图说明

图1为顶管掘进机主动型自动纠偏装置系统组成图；

图2为三转动自由度液力纠偏机械装置结构示意主视图；

图3为三转动自由度液力纠偏机械装置结构示意A-A图；

图4为三转动自由度液力纠偏机械装置表面接触特征示意图；

图5为单激光靶自动测量装置结构示意图；

图6为单激光靶＋陀螺仪自动测量装置结构示意图；

图7为曲线顶管自动遥控测量系统示意图；

图8为水平方位角变化运行台车的位姿计算；

图9为曲线顶管自动遥控测量系统和液压伺服系统及自动纠偏控制器8组成的实时位姿测控流程；

图中：1、切削系统；2、引导壳体；3、切削系统支撑壳体；4、纠偏装置支撑壳体；  5、万向节；6、伺服液压缸；7、偏差自动测量装置；8、液压伺服系统及自动纠偏控制器。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，顶管掘进机主动型自动纠偏装置由偏差自动测量装置7、液力纠偏机械装置、液压伺服系统及自动纠偏控制器8组成。

所述的偏差自动测量装置选用现有的单激光靶自动测量装置或单激光靶＋陀螺仪自动测量装置，适用于直线掘进工程；单激光靶自动测量装置工作过程如下：在始发工作井的基点上设置激光光源，使激光束沿设计轴线入射到设置在掘进机机头的光靶上，摄像机实时获取光靶图像，以此检测掘进机机头轴线相对于设计轴线的位置偏移大小和方向；另外，通过固定在掘进机机头中的倾斜仪可以得到掘进机机头轴线相对于设计轴线的俯仰角、回转角；斜仪和摄像机的信号送到控制台的计算机直接获得掘进机机头轴线相对于设计轴线的位置偏移大小和方向、俯仰角、回转角，对于水平方位角可以通过软件趋势图法分析间接获得，具有结构简单、成本低特点；单激光靶＋陀螺仪自动测量装置工作原理与单激光靶自动测量装置工作原理相似，区别在于固定在掘进机机头中的陀螺仪可以得到掘进机机头轴线相对于设计轴线的俯仰角、水平方位角和回转角，因此直接获得掘进机机头轴线相对于设计轴线的位置偏移大小和方向、俯仰角、水平方位角、回转角，具有结构简单、实时性好、成本高等特点。

所述的液力纠偏机械装置由切削系统1、引导壳体2、切削系统支撑壳体3、纠偏装置支撑壳体4、万向节5和伺服液压缸6组成，其中切削系统1、引导壳体2均与切削系统支撑壳体3固定连接，伺服液压缸6具有位移传感器用于检测伺服液压缸6的驱动位移，其两端通过万向节5与切削系统1和纠偏装置支撑壳体4沿径向相连接构成三条纠偏驱动支链，固连于切削系统1的切削系统支撑壳体3外表面和纠偏装置支撑壳体4内表面之间采用球面接触构成仅存有切削系统支撑壳体3轴线相对于纠偏装置支撑壳体4轴线的空间三转动自由度的约束支链，三条纠偏驱动支链沿纠偏装置支撑壳体4周向间隔120度均布，和约束支链一起构成恰驱动的空间三转动自由度液力纠偏机械装置；为了降低纠偏时土层约束反力，降低纠偏时需克服的重力矩，增加纠偏灵活性、增大纠偏角位移空间、降低液压缸纠偏输出力，对所述的纠偏装置支撑壳体4内外表面均采用圆柱面、圆锥面和球面组合设计，切削系统支撑壳体3外表面采用球面设计，引导壳体2外侧采用阶梯圆柱面设计、与纠偏装置支撑壳体4接触部分内表面采用圆柱面设计，其中球面部分为同心球面，引导壳体2与纠偏装置支撑壳体4采用圆柱面和球面接触形式，形成具有空间三转动及沿引导壳体2轴线方向移动四自由度的可动连接，设计时使切削系统1、引导壳体2、切削系统支撑壳体3构成的整体的重心在切削系统支撑壳体3外表面与纠偏装置支撑壳体4内表面球面接触区域内，按照重力承载要求设计引导壳体2与土层的最小接触面积；所述的液力纠偏机械装置在三条纠偏驱动支链和约束支链共同作用下，可以实现切削系统1、引导壳体2、切削系统支撑壳体3整体相对于纠偏装置支撑壳体4绕球面中心作空间任意方向转动。

所述的液压伺服系统及自动纠偏控制器8包括油泵、电机、液压控制阀、液压附件、伺服液压缸6及其自带的位移传感器和自动控制器，自动控制器可以采用PLC、DSP、工控机等设备并编写相应的测控软件来实现，伺服液压缸6自带的位移传感器，用来测量伺服液压缸6驱动位移，向液压伺服系统及自动纠偏控制器8提供反馈信号。

所述的顶管掘进机主动型自动纠偏装置自动纠偏具体实现过程如下：单激光靶自动测量装置或单激光靶＋陀螺仪自动测量装置实时获取掘进机机头（即纠偏装置支撑壳体4）轴线相对于设计轴线的位置偏移大小和方向、俯仰角、水平摆角等轴线偏差信号后，实时传送给液压伺服系统及自动纠偏控制器8，液压伺服系统及自动纠偏控制器8首先将纠偏装置支撑壳体4轴线相对于设计轴线的位置偏移大小和方向信息输入轴线位置偏移补偿算法模型，求解出实现轴线位置偏移消除纠偏装置支撑壳体4轴线所需的俯仰角、水平方位角大小，结合偏差自动测量装置传送的纠偏装置支撑壳体4轴线相对于设计轴线的俯仰角、水平方位角，经叠加运算后一并输入液力纠偏机械装置运动学位置反解方程，求解出实现叠加后轴线俯仰角和水平方位角消除各伺服液压缸6所需的位移输出量，同时液压伺服系统及自动纠偏控制器8实时检测伺服液压缸6中位移传感器的位移信号，和液力纠偏机械装置运动学位置反解求解的各伺服液压缸6输出位移量比较形成各伺服液压缸6位移偏差，根据位移偏差大小输出控制信号给液压伺服系统的控制阀，通过液压控制阀的动作控制三条纠偏驱动支链中各伺服液压缸6的位移输出，伺服液压缸6一端通过万向节5以纠偏装置支撑壳体4为基座，另一端通过万向节5推动切削系统1，带动引导壳体2和切削系统支撑壳体3，以切削系统支撑壳体3和纠偏装置支撑壳体4球面接触面的球心为转动中心，实现切削系统1、引导壳体2相对于纠偏装置支撑壳体4空间任意方向的角位移转动，结合掘进机的顶进运动，在引导壳体2的约束带动下实现纠偏装置支撑壳体4轴线相对于设计轴线的位置偏移大小和方向、俯仰角、水平方位角的同时纠正，上述测控过程不断循环重复，直至叠加后的轴线俯仰角、水平方位角在液压伺服系统及自动纠偏控制器8设计允许范围内，最终实现顶管掘进机机头前进方向的调节。

具体实施方式二：如图1、图2、图3、图4、图7、图8、图9所示，本实施方式与实施方式一不同点是：偏差自动测量装置选用曲线顶管自动遥控测量系统，以便适用于曲线掘进工程；曲线顶管自动遥控测量系统由起点测量系统、运行测量系统、终点测星系统构成，测量人员通过起点测量系统，获得自动测量装置的初始位姿并输入液压伺服系统及自动纠偏控制器8，运行测量系统使用的自动测量装置为一运行台车，在运行台车上主要安装陀螺仪，用来实时测量运行台车的俯仰角、水平方位角和回转角，结合电子测速仪测得的运行台车速度，陀螺仪和电子测速仪测量获得的数据实时通过光纤或无线传输方式传送给液压伺服系统及自动纠偏控制器8， 通过软件计算出运行台车的位姿（以水平方位角变化为例：设自运测量装置以一定的速度在轨道上运行，同时每隔一定时间测量一次方位角的增量△φ和运行距离△l，然后可按附图7公式算出），经过主要由陀螺仪组成的运行测量系统的计算，最终得到掘进机机尾一节（即纠偏装置支撑壳体4）的位姿，此外，液压伺服系统及自动纠偏控制器8通过伺服液压缸6自带的位移传感器获得切削系统1、引导壳体2和切削系统支撑壳体3整体的位姿，结合纠偏装置支撑壳体4位姿参数形成切削系统1、引导壳体2和切削系统支撑壳体3整体的位姿偏差，根据位姿偏差由液压伺服系统及自动纠偏控制器8程序算法计算出各伺服液压缸6的位移输出量，实现曲线顶管掘进，曲线顶管自动遥控测量系统和液压伺服系统及自动纠偏控制器8组成的实时位姿测控流程见附图8。

具体实施方式三：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，本实施方式与实施方式一和实施方式二不同点是：伺服液压缸6采用多个同步液压缸并联驱动，适用纠偏驱动力要求大的场合。

Claims (3)

1.一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置，由偏差自动测量装置、液力纠偏机械装置、液压伺服系统及自动纠偏控制器组成，其特征在于：所述的液力纠偏机械装置包括切削系统、引导壳体、切削系统支撑壳体、纠偏装置支撑壳体、万向节和伺服液压缸，伺服液压缸设有位移传感器用于检测伺服液压缸驱动位移，其两端通过万向节分别与切削系统和纠偏装置支撑壳体沿径向相连接构成三条纠偏驱动支链，三条纠偏驱动支链沿纠偏装置支撑壳体（4）周向间隔120度均布；切削系统和引导壳体均与切削系统支撑壳体固定连接；所述纠偏装置支撑壳体前端为球面，后端为圆柱面，前端和后端之间采用圆锥面连接；切削系统支撑壳体外表面采用球面设计，引导壳体外侧采用阶梯圆柱面设计，引导壳体与纠偏装置支撑壳体接触部分内表面采用圆柱面设计，切削系统支撑壳体的外表面和纠偏装置支撑壳体的内表面之间采用球面接触构成仅存有切削系统支撑壳体轴线相对于纠偏装置支撑壳体轴线的空间三转动自由度的约束支链，引导壳体与纠偏装置支撑壳体采用圆柱面和球面接触形式，形成具有空间三转动及沿引导壳体轴线方向移动四自由度的可动连接。

2.如权利要求1所述的一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置，其特征在于：所述球面部分为同心球面。

3.如权利要求1所述的一种顶管掘进机主动型自动纠偏装置，其特征在于：切削系统、引导壳体、切削系统支撑壳体构成的整体的重心在切削系统支撑壳体的外表面与纠偏装置支撑壳体内表面的球面接触区域内。