CN106522987A - 用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机包括平移系统、回转系统、可伸缩机械臂系统、机械手系统、管片夹取装置以及运动控制系统，其中，平移系统固定在盾构机体上，并沿矩形盾构管片的轴线方向设置，回转系统连接于平移系统，并在平移系统上移动，可伸缩机械臂系统连接于回转系统并作伸缩运动，且该可伸缩机械臂系统能够沿矩形盾构管片的轴线做回转运动和绕回转系统做摆动运动，机械手系统连接于可伸缩机械臂系统，且绕可伸缩机械臂系统进行转动和摆动，从而管片夹取装置连接于机械手系统的端部，并对管片进行夹取，所述运动控制系统连接于可伸缩机械臂系统，并控制可伸缩机械臂系统的运动轨迹。

Description

用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机。

背景技术

随着科技的进步和发展，城市地下空间开始进行的大规模开发，由于盾构法施工技术具有对地上、地下构筑物和周边环境影响小，保证交通通行、减少道路中断和管线搬迁等优点，于是盾构法施工技术被越来越多地应用于城市道路、地下共同沟、地铁隧道等的施工，纵观国内外盾构技术的发展，其越来越趋向于多元化。在隧道断面方面，除了向圆形隧道发展以外，也向矩形断面隧道发展。

而在矩形断面隧道的发展中，由于矩形盾构的形状特殊，在对矩形隧道的管片进行拼装时，若采用传统圆形盾构的管片拼装机，则其适应性较差，从而影响管片拼装的质量。并且对于存在中立柱的矩形隧道管片，现有管片拼装机的运动受到空间限制，此外管片拼装机在管片拼装时对管片姿态的调整复杂，因而降低管片拼装的速度和施工速率。

申请人在2015年6月29日申请了一个名称为“一种用于矩形盾构的单机械臂管片拼装机”的发明专利申请，公开号为CN 105178982A，该专利申请说明书中公开了一种用于矩形盾构的单机械臂管片拼装机，其包括平移系统、回转系统、机械臂系统、机械手系统以及管片夹取装置，由于其中的机械臂系统不可伸缩，从而盾构管片需作平移运动时，则要通过回转盘的回转运动配合机械臂系统间接实现管片的平移运动，平移距离则由回转盘的转动角度控制，然而当矩形隧道断面较大，即回转盘半径较大时，很难精确控制盾构管片的移动距离，由此降低盾构管片的拼装质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，实现管片拼装位置移动的精确控制，提高管片拼装的质量。

为实现上述技术效果，本发明公开了一种用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，其包括：

平移系统，所述平移系统沿矩形盾构管片的轴线方向设置；

回转系统，所述回转系统连接于平移系统，并在平移系统上沿矩形盾构管片的轴线方向移动；

可伸缩机械臂系统，所述可伸缩机械臂系统连接于回转系统并作伸缩运动，且该可伸缩机械臂系统沿矩形盾构管片的轴线做回转运动和绕回转系统做摆动运动；

运动控制系统，所述运动控制系统连接于可伸缩机械臂系统，并控制可伸缩机械臂系统的运动轨迹；

机械手系统，所述机械手系统连接于可伸缩机械臂系统，且绕可伸缩机械臂系统进行转动和摆动；

管片夹取装置，所述管片夹取装置连接于机械手系统的端部。

本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机的改进在于，所述平移系统包括：

导轨，所述导轨沿矩形盾构管片轴线方向设置；

行走装置，所述行走装置装设于导轨上；

平移油缸，所述行走装置通过该平移油缸的伸缩在导轨上移动。

本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机的进一步改进在于，所述回转系统包括：

固定盘，所述固定盘连接于行走装置；

回转盘，所述回转盘连接于固定盘，并且该回转盘通过一回转马达在固定盘上绕矩形盾构管片的轴线作回转运动。

本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机的进一步改进在于，所述可伸缩机械臂系统包括：

大臂，所述大臂一端铰接于回转盘，另一端连接于机械手系统；

大臂油缸，所述大臂油缸的筒体装设于回转盘上，所述大臂油缸的杆件铰接于大臂，且该大臂油缸驱动大臂绕大臂与回转盘的铰接点转动；

小臂油缸，所述小臂油缸一端铰接于大臂，另一端连接于机械手系统。

本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机的进一步改进在于，所述大臂包括：

固定端，所述固定端铰接于回转盘；

伸缩端，所述伸缩端铰接于固定端；

固定底板，所述固定底板装设于固定端的底部；

伸缩油缸，所述伸缩油缸的缸体装设于固定底板上，所述伸缩油缸的杆件连接于伸缩端，且该伸缩油缸驱动伸缩端作伸缩运动。

本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机的进一步改进在于，所述机械手系统包括：

连接座，所述连接座铰接于大臂的伸缩端，而小臂油缸的杆件则铰接于该连接座，且小臂油缸驱动该连接座绕大臂的伸缩端转动；

连接筒，所述连接筒为筒体结构，该连接筒上部设有转动轴，下部设有耳座，连接筒即通过转动轴连接于所述连接座；

仰俯油缸，所述仰俯油缸一端连接于连接筒的耳座，另一端连接于连接座，并且该仰俯油缸驱动连接筒在连接座上摆动；

转动板，所述转动板上部设有轴体，该轴体穿设连接在连接筒内；

转动油缸，所述转动板通过该转动油缸连接于连接筒的耳座，且该转动油缸驱动转动板绕连接筒转动。

本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机的进一步改进在于，所述管片夹取装置包括：

内置油缸，所述内置油缸设置于转动板的轴体内部；

吊装筒，所述吊装筒嵌套在内置油缸的下部，所述内置油缸的杆件连接于该吊装筒并带动该吊装筒沿内置油缸移动，所述吊装筒内设有卡槽，所述吊装筒壁上设有与该卡槽对应的卡槽口；

吊装螺栓，所述吊装螺栓的一端通过卡槽口放置于卡槽中，另一端通过螺纹与盾构管片连接。

本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机的进一步改进在于，所述运动控制系统包括多轴控制器、比例阀、行程传感器和编码器，其中，多轴控制器分别与比例阀、行程传感器及编码器相连接，比例阀分别装设于回转马达、大臂油缸、小臂油缸和伸缩油缸上并对应控制上述马达和油缸的速率，行程传感器分别装设于大臂油缸、小臂油缸和伸缩油缸上，编码器装设于回转盘上，所述编码器和所述行程传感器将上述马达和油缸的运动信息反馈给多轴控制器，多轴控制器根据接收到的运动信息形成调整控制信号，并将该调整的控制信号输出给对应的比例阀，通过该比例阀控制对应的上述马达和油缸的运动速率。

本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，运动控制系统包括三联动控制模式一：回转盘的回转运动，大臂的摆动运动，小臂的摆动运动；以及三联动控制模式二：大臂的摆动运动，小臂的摆动运动，大臂伸缩端的伸缩运动，通过上述三联动控制模式一和三联动控制模式二共同协作，完成盾构管片的位置移动。通过采用运动控制系统以及可伸缩大臂，从而精确控制盾构管片的移动，提高管片拼装的质量。

附图说明

图1为本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机的结构示意图；

图2为本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机中平移系统和回转系统的结构示意图；

图3为本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机中可伸缩机械臂系统的结构示意图；

图4为本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机中大臂的结构示意图；

图5为本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机中机械手系统的结构爆炸图；

图6为本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机中管片夹取装置的结构剖视示意图；

图7为本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机中运动控制系统模式一的示意图；

图8为本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机中运动控制系统模式二的示意图；

图9为本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机拼装管片的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参阅图1所示，本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机包括平移系统10、回转系统20、可伸缩机械臂系统30、机械手系统40、管片夹取装置50以及运动控制系统，其中，平移系统10固定在盾构机体上，并沿矩形盾构管片的轴线方向设置，回转系统20连接于平移系统10，并在平移系统10上沿矩形盾构管片的轴线方向移动，可伸缩机械臂系统30连接于回转系统20并作伸缩运动，且该可伸缩机械臂系统30能够沿矩形盾构管片的轴线做回转运动和绕回转系统20做摆动运动，机械手系统40连接于可伸缩机械臂系统30，且绕可伸缩机械臂系统30进行转动和摆动，从而管片夹取装置50连接于机械手系统40的端部，并对管片进行夹取，所述运动控制系统连接于可伸缩机械臂系统30，并控制可伸缩机械臂系统30的运动轨迹。盾构管片通过上述回转系统20沿管片轴线方向的前后平移运动、运动控制系统控制可伸缩机械臂系统30绕盾构管片轴线的回转运动和绕回转系统20的摆动运动、可伸缩机械臂系统30的伸缩运动以及机械手系统40绕该可伸缩机械臂系统30的转动和摆动，实现本发明管片拼装机对矩形盾构的空间范围内管片的全方位移动和拼装。

参阅图2所示，所述平移系统10包括导轨12、行走装置14和平移油缸16。其中，导轨12固定安装在盾构机体上，且沿矩形盾构管片轴线方向设置；行走装置14装设于导轨12上；平移油缸16一端装设于盾构机体上，另一端装设于行走装置14上，行走装置14即通过该平移油缸16的伸缩而在所述导轨12上沿盾构管片的轴线方向移动。

参阅图2所示，所述回转系统20包括固定盘22和回转盘24。其中，固定盘22连接于所述行走装置14，并且随所述行走装置14一起在导轨12上沿管片的轴线方向进行前后的平移运动；回转盘24与所述固定盘22同轴连接，且该回转盘24具有一回转马达，通过该回转马达的运作带动所述回转盘24在固定盘22上绕盾构管片的轴线作回转运动。此外，当固定盘22沿管片轴线方向前后平移运动时，回转盘24也随之该固定盘一起平移运动。

参阅图3所示，所述可伸缩机械臂系统30包括大臂32、大臂油缸34、小臂油缸36。其中，大臂32的一端铰接于所述回转盘24，另一端连接于机械手系统40；所述大臂油缸34的筒体装设于回转盘24上，大臂油缸34的杆件铰接于大臂32，且该大臂油缸34驱动大臂32绕该大臂32与回转盘24的铰接点转动；小臂油缸36的筒体铰接于大臂32，小臂油缸36的杆件连接于机械手系统40。

参阅图4所示，所述大臂32包括固定端320、伸缩端322、固定底板324、伸缩油缸326。所述固定端320铰接于回转盘24；伸缩端322则铰接于固定端320，固定底板324装设于所述固定端320的底部；所述伸缩油缸326的缸体装设于固定底板324上，而伸缩油缸326的杆件则连接于伸缩端322，且该伸缩油缸326驱动所述伸缩端322作伸缩运动。

参阅图5所示，所述机械手系统40包括连接座42、连接筒44、仰俯油缸45、转动板46以及转动油缸47，所述连接座42铰接于大臂32的伸缩端322，而上述小臂油缸36的杆件即铰接于该连接座42，且小臂油缸36驱动该连接座42绕大臂32的伸缩端322转动；所述连接筒44为筒体结构，该连接筒44的筒体444上部设有转动轴440，下部设有耳座442，连接筒44即通过转动轴440连接于所述连接座42；所述仰俯油缸45一端连接于连接筒44的耳座442，另一端连接于连接座42，并且该仰俯油缸45驱动连接筒44在连接座42上摆动；所述转动板46上部设有轴体460，该轴体460穿设连接在连接筒44内；转动板46通过所述转动油缸47连接于连接筒44的耳座442，且该转动油缸47驱动转动板46绕连接筒44转动。由此，机械手系统40实现了绕可伸缩机械臂系统30的转动和摆动。

参阅图6所示，所述管片夹取装置50包括内置油缸52、吊装筒54以及吊装螺栓56，其中，所述内置油缸52设置于转动板46的轴体460内部；所述吊装筒54嵌套在内置油缸52的下部，所述内置油缸52的杆件520连接于该吊装筒54并带动该吊装筒54沿内置油缸52移动；另外，吊装筒54的底部设有卡槽540，而所述吊装筒54壁上设有与该卡槽540对应的卡槽口542，所述吊装螺栓56的一端即通过卡槽口542放置于卡槽540中，而吊装螺栓56的另一端则通过螺纹与盾构管片连接。

参阅图7和图8所示，所述运动控制系统包括多轴控制器、比例阀、行程传感器和编码器，其中，多轴控制器分别与比例阀、行程传感器及编码器相连接，比例阀分别装设于所述回转马达、大臂油缸34、小臂油缸36和伸缩油缸326上，并控制上述回转马达、大臂油缸34、小臂油缸36和伸缩油缸326的速率，行程传感器分别内置装设于大臂油缸34、小臂油缸36和伸缩油缸326中，编码器内置装设于回转盘24中，所述编码器和所述行程传感器将上述回转盘24和大臂油缸34、小臂油缸36、伸缩油缸326的运动信息反馈给多轴控制器，多轴控制器调整控制信号，并将该调整的控制信号输出给比例阀，通过该比例阀控制回转马达、大臂油缸34、小臂油缸36和伸缩油缸326的运动速率。

上述运动控制系统包括三联动控制模式一和三联动控制模式二。参阅图7所示，三联动控制模式一有以下具体控制过程：所述多轴控制器将控制信号分别传输给大臂油缸34的比例阀，小臂油缸36的比例阀以及回转马达的比例阀，由此大臂油缸34的比例阀根据控制信号控制大臂油缸34的速度，而大臂油缸34的行程传感器则将大臂油缸34的行程信息实时反馈给多轴控制器；小臂油缸36的比例阀根据控制信号控制小臂油缸36的速度，而小臂油缸36的行程传感器则将小臂油缸36的行程信息实时反馈给多轴控制器；回转马达的比例阀根据控制信号控制回转马达的速度，编码器则将回转马达的角位移信息实时反馈给多轴控制器。由此，多轴控制器根据上述三个反馈信息实时调整其输出的控制信号，再将该控制信号输送给比例阀，由此形成三联动控制模式一，从而实现管片沿其拼装位置的方向移动。

参阅图8所示，三联动控制模式二有以下具体控制过程：所述多轴控制器将控制信号分别传输给大臂油缸34的比例阀，小臂油缸36的比例阀和伸缩油缸326的比例阀，由此大臂油缸34的比例阀根据控制信号控制大臂油缸34的速度，大臂油缸34的行程传感器则将大臂油缸34的行程信息实时反馈给多轴控制器；小臂油缸36的比例阀根据控制信号控制小臂油缸36的速度，而小臂油缸36的行程传感器则将小臂油缸36的行程信息实时反馈给多轴控制器；伸缩油缸326的比例阀根据控制信号控制伸缩油缸326的速度，而伸缩油缸326的行程传感器则将该伸缩油缸326的行程信息实时反馈给多轴控制器。由此，多轴控制器根据上述三个反馈信息实时调整其输出的控制信号，再将该控制信号输送给比例阀，由此形成三联动控制模式一，从而实现管片沿其拼装位置的方向移动。

所述三联动控制模式一主要控制回转盘24的回转运动，可伸缩机械臂系统30的摆动运动，以及机械手系统40的摆动运动，由此实现管片位置的大范围调整；所述三联动控制模式二主要控制可伸缩机械臂系统30的摆动运动，机械手系统40的摆动运动，以及机械臂系统30的伸缩运动，由此实现管片位置的精确调整，通过该三联动控制模式一和三联动控制模式二的协作，实现管片全方位的移动，保证管片的拼装的精确度，并提高管片拼装的质量。

参阅图9所述，本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机在对管片60进行拼装时，通过平移系统10、回转系统20以及可伸缩机械臂系统30的运动将机械手系统40移动至管片60所需的吊装位置，结合图6，然后将管片夹取装置50的内置油缸52伸出，使吊装筒54的卡槽口542从转动板46的底部伸出，再将已经旋入管片的吊装螺栓56通过卡槽口542放入卡槽520内，之后，将内置油缸52缩回，从而使管片60提起，并提起至与转动板46贴合，由此完成管片60的夹取。然后在运动控制系统的控制下，平移系统10、回转系统20、机械臂系统30以及机械手系统40通过上述三联动控制模式一和三联动控制模式二的组合，实现管片60的径向运动、轴向运动、平移运动，从而将盾构管片60运送至安装点进行拼装。

本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，相较之前的单机械臂管片拼装机，当盾构管片需要作平移运动时，尤其是小距离平移运动时，可直接由大臂伸缩端的伸缩运动完成，而不必通过回转盘的回转运动配合带动机械臂系统的运动来间接实现平移运动。并且，之前的单机械臂管片拼装机平移的距离实际上是通过回转盘转动相应的角度来进行控制的，而在实际工作过程中无法实现回转盘转动任意角度，即回转盘一次回转运动的最小角度是有限制的(例如1度)，因此当回转盘半径较大(由于矩形隧道断面较大)时很容易造成管片运动位置的不精确，特别是在直线运动距离较小时，误差尤为明显。而本发明可伸缩机械臂管片拼装机之间通过大臂的直线伸缩运动实现管片的平移运动，由此可以避免管片运动位置的误差，使运动位置精度得到了明显提高。另外，当矩形隧道断面较大时，大臂的伸缩端可以伸出增加机械臂系统的长度，较于之前的单机械臂管片拼装机，在相同的结构尺寸上，可伸缩单机械臂管片拼装机能够完成更大断面的矩形盾构管片的拼装，在机械结构的紧凑性和工作的适用范围上均有了很大提高。由此，本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机相较于之前的单机械臂管片拼装机，在沿切线运动模式，沿半径运动模式的基础上增加了直线运动模式，使其运动控制模式更加灵活多样。

综上所述，本发明用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机不仅能够满足矩形隧道断面较大的盾构管片拼装，而且相较于之前的单机械臂管片拼装机性能上也有了重大提升，可以实现管片全方位的移动，保证管片的拼装的精确度，从而提高管片拼装的质量。

Claims (8)

1.一种用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，其特征在于，包括：

平移系统，所述平移系统沿矩形盾构管片的轴线方向设置；

回转系统，所述回转系统连接于所述平移系统，并且该回转系统在所述平移系统上沿矩形盾构管片的轴线方向移动；

可伸缩机械臂系统，所述可伸缩机械臂系统连接于所述回转系统并作伸缩运动，且该可伸缩机械臂系统沿矩形盾构管片的轴线做回转运动和绕回转系统做摆动运动；

运动控制系统，所述运动控制系统连接于所述可伸缩机械臂系统，并控制所述可伸缩机械臂系统的运动轨迹；

机械手系统，所述机械手系统连接于所述可伸缩机械臂系统，且该机械手系统绕所述可伸缩机械臂系统进行转动和摆动；

管片夹取装置，所述管片夹取装置连接于所述机械手系统的端部。

2.根据权利要求1所述的用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，其特征在于，所述平移系统包括：

导轨，所述导轨沿矩形盾构管片轴线方向设置；

行走装置，所述行走装置装设于所述导轨上；

平移油缸，所述行走装置通过该平移油缸的伸缩在所述导轨上移动。

3.根据权利要求2所述的用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，其特征在于，所述回转系统包括：

固定盘，所述固定盘连接于所述行走装置；

回转盘，所述回转盘连接于所述固定盘，并且该回转盘通过一回转马达在所述固定盘上绕矩形盾构管片的轴线作回转运动。

4.根据权利要求3所述的用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，其特征在于，所述可伸缩机械臂系统包括：

大臂，所述大臂一端铰接于所述回转盘，另一端连接于所述机械手系统；

大臂油缸，所述大臂油缸的筒体装设于所述回转盘上，所述大臂油缸的杆件铰接于所述大臂，且该大臂油缸驱动所述大臂绕所述大臂与所述回转盘的铰接点转动；

小臂油缸，所述小臂油缸一端铰接于所述大臂，另一端连接于所述机械手系统。

5.根据权利要求4所述的用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，其特征在于，所述大臂包括：

固定端，所述固定端铰接于所述回转盘；

伸缩端，所述伸缩端铰接于所述固定端；

固定底板，所述固定底板装设于所述固定端的底部；

伸缩油缸，所述伸缩油缸的缸体装设于所述固定底板上，所述伸缩油缸的杆件连接于所述伸缩端，且该伸缩油缸驱动所述伸缩端作伸缩运动。

6.根据权利要求5所述的用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，其特征在于，所述机械手系统包括：

连接座，所述连接座铰接于所述大臂的伸缩端，所述小臂油缸的杆件铰接于所述连接座，且所述小臂油缸驱动该连接座绕大臂的伸缩端转动；

连接筒，所述连接筒为筒体结构，该连接筒上部设有转动轴，下部设有耳座，所述连接筒通过所述转动轴连接于所述连接座；

仰俯油缸，所述仰俯油缸一端连接于所述连接筒的耳座，另一端连接于所述连接座，并且该仰俯油缸驱动所述连接筒在所述连接座上摆动；

转动板，所述转动板上部设有轴体，该轴体穿设连接在所述连接筒内；

转动油缸，所述转动板通过该转动油缸连接于所述连接筒的耳座，且该转动油缸驱动所述转动板绕所述连接筒转动。

7.根据权利要求6所述的用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，其特征在于，所述管片夹取装置包括：

内置油缸，所述内置油缸设置于所述转动板的轴体内部；

吊装筒，所述吊装筒嵌套在所述内置油缸的下部，所述内置油缸的杆件连接于该吊装筒并带动该吊装筒沿所述内置油缸移动，所述吊装筒内设有卡槽，所述吊装筒壁上设有与该卡槽对应的卡槽口；

吊装螺栓，所述吊装螺栓的一端通过卡槽口放置于卡槽中，另一端通过螺纹与盾构管片连接。

8.根据权利要求7所述的用于矩形盾构的可伸缩单机械臂管片拼装机，其特征在于：所述运动控制系统包括多轴控制器、比例阀、行程传感器和编码器，所述多轴控制器分别与比例阀、行程传感器及编码器相连接，所述比例阀分别装设于回转马达、大臂油缸、小臂油缸和伸缩油缸上并对应控制上述马达和油缸的速率，所述行程传感器分别装设于大臂油缸、小臂油缸和伸缩油缸上，所述编码器装设于所述回转盘上，所述编码器和所述行程传感器将上述马达和油缸的运动信息反馈给多轴控制器，所述多轴控制器根据接收到的运动信息形成调整控制信号，并将该调整的控制信号输出给对应比例阀，通过该比例阀控制对应的上述马达和油缸的运动速率。