CN109882210B - 一种新型钢拱架拼装机及其拼装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型钢拱架拼装机及其拼装方法，解决的技术问题是由人工支护导致的支护不及时或质量不稳定是造成TBM塌方的主要原因，严重制约着TBM全面推广应用。本发明包括机架，机架上设有旋转装置和拼装环，所述的拼装环上设有拼装抓手，旋转装置上设有螺栓拧紧及连接片抓取机构。本发明将钢拱架的人工拼装模式直接升级为机器人拼装，不需要工人长期处在恶劣的施工环境下，降低安全隐患；工作效率高，TBM施工后采用机器人及时进行支护，提高质量，减少塌方事故的发生。

Description

一种新型钢拱架拼装机及其拼装方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种新型钢拱架拼装机及其拼装方法。

背景技术

TBM施工过程中需要采用钢拱架对其后方进行及时支护，目前主要的支护方式为人工支护，支护过程是将一段一段的钢拱架拼装成环形，并将拼装完成后的钢拱架撑起在TBM施工后的隧道内，拼装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，这就需要工人长时间现场作业，一旦发生塌方，很容易发生人员伤亡事故，安全隐患大，且人工支护效率低。因此由人工支护导致的支护不及时或质量不稳定是造成TBM塌方的主要原因，严重制约着TBM全面推广应用。针对如何安全、高效、高质量的及时解决支护难题，提高TBM施工安全和效率，钢拱架拼装急需实现由人工操作向机器人化操作转型，整体性能达到国际领先水平。

发明内容

本发明要解决的技术问题是由人工支护导致的支护不及时或质量不稳定是造成TBM塌方的主要原因，严重制约着TBM全面推广应用，提供一种提高TBM施工安全和效率的新型钢拱架拼装机及其拼装方法。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种新型钢拱架拼装机，包括机架，机架上设有旋转装置和拼装环，所述的拼装环上设有拼装抓手，旋转装置上设有螺栓拧紧及连接片抓取机构。

所述的拼装环包括支撑环I和油缸，支撑环I一侧设有旋转环I，所述的旋转环I内侧设有大齿圈，所述的油缸一端固定在机架上、另一端固定在支撑环I上，所述的支撑环I上设有电机，电机的输出轴上设有小齿轮，小齿轮与大齿圈相啮合。

所述的拼装抓手包括并联平台I，并联平台I下部通过安装板I与旋转环I连接，并联平台I上部设有抓取头，抓取头两侧设有I号油缸和II号油缸，抓取头内侧设有滚轮，I号油缸的底座固定在抓取头上，I号油缸的活塞杆与滚轮连接， I号油缸与II号油缸对称设置。

所述的螺栓拧紧及连接片抓取机构包括并联平台II，并联平台II通过安装板II与旋转装置连接，并联平台II上设有末端执行机构，所述的末端执行机构上设有螺栓拧紧筒。

所述的末端执行机构包括框体，框体两侧设有抓手，抓手与框体铰接连接，框体两侧的抓手之间设有伸缩油缸，螺栓拧紧筒设置在抓手上。

所述的旋转装置包括支撑环II和旋转环II，螺栓拧紧及连接片抓取机构设置在旋转环II上。

所述的机架下方还设有钢拱架运输系统。

一种新型钢拱架拼装机的拼装方法，包括以下步骤：①通过钢拱架运输系统将钢拱架运送到拼装抓手的抓取范围内；②控制拼装抓手抓取第一块钢拱架后并旋转拼装环给第二块钢拱架让位；③抓取第二块钢拱架后采用螺栓拧紧及连接片抓取机构将第一块钢拱架和第三块钢拱架通过螺栓拧紧连接；④依次抓取剩余的钢拱架并采用螺栓拧紧及连接片抓取机构将相邻钢拱架之间通过螺栓拧紧连接；⑤将第一块钢拱架和最后一块钢拱架对接并通过螺栓拧紧连接后完成环形钢拱架的拼装。

步骤②所述的拼装抓手抓取钢拱架时，采用抓取头抓取钢拱架，I号油缸和II号油缸分别带动滚轮张开，并联平台I控制滚轮伸至钢拱架上横板的下方，这时，I号油缸和II号油缸分别带动滚轮压紧钢拱架，将钢拱架卡在拼装抓手的两个滚轮内。

步骤③所述的螺栓拧紧及连接片抓取机构拧紧螺栓时，将螺栓拧紧及连接片抓取机构移动至两个钢拱架的对接处，使螺栓拧紧筒内的螺帽与螺栓对接，并用抓手抓紧钢拱架作为支撑，旋转螺栓拧紧筒拧紧螺帽即可。

本发明将钢拱架的人工拼装模式直接升级为机器人拼装，不需要工人长期处在恶劣的施工环境下，降低安全隐患；工作效率高，拼装抓手采用并联平台控制，工作模式稳定可靠，TBM施工后采用机器人及时进行支护，提高质量，减少塌方事故的发生。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明拼装环与机架相配合的结构示意图之一；

图3是本发明拼装环与机架相配合的结构示意图之二；

图4是本发明拼装抓手结构示意图；

图5是本发明螺栓拧紧及连接片抓取机构结构示意图；

图6是本发明拼装抓手、螺栓拧紧及连接片抓取机构与钢拱架相配合的结构示意图；

图7是本发明抓起钢拱架之前的结构示意图；

图8是本发明抓取第一块钢拱架的结构示意图；

图9是本发明抓取第二块钢拱架的结构示意图。

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。

如图1至图9所示，一种新型钢拱架拼装机，包括机架1，机架1上设有旋转装置4和拼装环2，所述的拼装环2上设有拼装抓手3，旋转装置4上设有螺栓拧紧及连接片抓取机构6，。本发明机架1固定在地面上，拼装环2和旋转装置4可以在机架1上移动和旋转。

如图2和图3所示，所述的拼装环2包括支撑环I206和油缸201，支撑环I206一侧设有旋转环I205，所述的旋转环I205内侧设有大齿圈204，所述的油缸201一端固定在机架1上、另一端固定在支撑环I206上，所述的支撑环I206上设有电机202，电机202的输出轴上设有小齿轮203，小齿轮203与大齿圈204相啮合。所述的支撑环I206内侧设有支撑架2061，支撑架2061在机架1上滑动。拼装环2工作时，通过油缸201的伸缩带动支撑环I206和旋转环I205在机架上左右移动，通过电机上的小齿轮带动旋转环进行旋转，旋转环进行旋转时，支撑环I206保持静止，支撑环对电机起到支撑作用。

如图4所示，所述的拼装抓手3包括并联平台I302，并联平台I302下部通过安装板I301与旋转环I205连接，并联平台I302上部设有抓取头305，抓取头305两侧设有I号油缸303和II号油缸304，抓取头305内侧设有滚轮306，I号油缸303的底座固定在抓取头305上，I号油缸303的活塞杆与滚轮306连接， I号油缸303与II号油缸304对称设置。所述的并联平台I302为六自由度并联平台，六自由度的并联平台I302带动抓取头305抓取钢拱架；本发明的钢拱架7为工字钢结构，包括上横板71、下横板72和竖版73，抓取头305抓取钢拱架时，I号油缸303和II号油缸304分别带动滚轮张开，并联平台I302控制滚轮伸至钢拱架上横板71的下方，这时，I号油缸303和II号油缸304分别带动滚轮压紧钢拱架，将钢拱架卡在拼装抓手的两个滚轮内；滚轮压紧钢拱架后，滚轮可以转动，两个钢拱架之间的螺栓孔进行对接时，钢拱架可以在滚轮内侧滑动，滚轮可以转动。本发明每根钢拱架安装时至少由两个拼装抓手3进行抓取，两个拼装抓手3分别抓紧钢拱架两端并通过并联平台调节两个拼装抓手3，将相邻两个钢拱架上的螺栓孔对齐。

如图5和图6所示，所述的螺栓拧紧及连接片抓取机构6包括并联平台II602，并联平台II602通过安装板II601与旋转装置4连接，并联平台II602上设有末端执行机构603，所述的末端执行机构603上设有螺栓拧紧筒6034。螺栓拧紧筒6034的内表面与螺帽的外表面相配合；本发明钢拱架拼装时先将钢拱架自带的螺栓对插进相邻钢拱架的螺栓孔内，在采用螺栓拧紧筒6034自带的螺帽将螺栓拧紧；本发明如采用六角螺帽，螺栓拧紧筒6034的内表面为与六角螺帽相配合的正六边形，将六角螺帽卡在螺栓拧紧筒6034内，通过电机控制螺栓拧紧筒6034旋转，实现螺栓的自动拧紧；电机设置在抓手6032上。

所述的末端执行机构603包括框体6031，框体6031两侧设有抓手6032，抓手6032与框体6031铰接连接，框体6031两侧的抓手6032之间设有伸缩油缸6033，螺栓拧紧筒6034设置在抓手6032上。本发明螺栓拧紧及连接片抓取机构6使用时，是在钢拱架被拼装抓手3抓起后，将螺栓拧紧及连接片抓取机构6移动至两个钢拱架的对接处，使螺栓拧紧筒6034内的螺帽与螺栓对接，并用抓手6032抓紧钢拱架作为支撑，旋转螺栓拧紧筒6034拧紧螺帽即可。

所述的旋转装置4包括支撑环II406和旋转环II405，螺栓拧紧及连接片抓取机构6设置在旋转环II405上。本发明旋转装置4的支撑环II406和旋转环II405的左右移动和旋转原理同拼装环2的支撑环I206和旋转环I205的左右移动和旋转原理相同。通过旋转环II405和旋转环I205的旋转，实现对任意位置钢拱架的拼装和螺栓拧紧工作。螺栓拧紧及连接片抓取机构6除了具有螺栓拧紧功能，还具有连接片抓取功能，自带螺栓的钢拱架拼装完成需要撑紧后，撑紧后最末段钢拱架和首段钢拱架之间会有一个缺口，这时候需要螺栓拧紧及连接片抓取机构6来抓取与该缺口相配合的连接片来补上该缺口，以使多段钢拱架与连接片在撑紧状态下闭合成环。

所述的机架1下方还设有钢拱架运输系统5。本发明所述的钢拱架运输系统5为输送轨道或输送带等自动送料系统，输送轨道上防止运输小车，将钢拱架放置在运输小车上进行运送至拼装抓手3下方供其抓起。

一种新型钢拱架拼装机的拼装方法，包括以下步骤：①通过钢拱架运输系统5将钢拱架运送到拼装抓手3的抓取范围内，如图7所示；②控制拼装抓手3抓取第一块钢拱架后并旋转拼装环2给第二块钢拱架让位，如图8所示；③如图9所示，抓取第二块钢拱架后采用螺栓拧紧及连接片抓取机构6将第一块钢拱架和第二块钢拱架通过螺栓拧紧连接；④依次抓取剩余的钢拱架并采用螺栓拧紧及连接片抓取机构6将相邻钢拱架之间通过螺栓拧紧连接；⑤将第一块钢拱架和最后一块钢拱架对接并通过螺栓拧紧连接后完成环形钢拱架的拼装。

步骤②所述的拼装抓手3抓取钢拱架时，采用抓取头305抓取钢拱架，I号油缸303和II号油缸304分别带动滚轮张开，并联平台I302控制滚轮伸至钢拱架上横板71的下方，这时，I号油缸303和II号油缸304分别带动滚轮306压紧钢拱架，将钢拱架卡在拼装抓手的两个滚轮内。

步骤③所述的螺栓拧紧及连接片抓取机构6拧紧螺栓时，将螺栓拧紧及连接片抓取机构6移动至两个钢拱架的对接处，使螺栓拧紧筒6034内的螺帽与螺栓对接，并用抓手6032抓紧钢拱架作为支撑，旋转螺栓拧紧筒6034拧紧螺帽即可。

Claims (8)

1.一种新型钢拱架拼装机，其特征在于：包括机架（1），机架（1）上设有旋转装置（4）和拼装环（2），所述的拼装环（2）上设有拼装抓手（3），旋转装置（4）上设有螺栓拧紧及连接片抓取机构（6）；

所述的拼装环（2）包括支撑环I（206）和油缸（201），支撑环I（206）一侧设有旋转环I（205）；所述的拼装抓手（3）包括并联平台I（302），并联平台I（302）下部通过安装板I（301）与旋转环I（205）连接，并联平台I（302）上部设有抓取头（305），抓取头（305）两侧设有I号油缸（303）和II号油缸（304），抓取头（305）内侧设有滚轮（306），I号油缸（303）的底座固定在抓取头（305）上，I号油缸（303）的活塞杆与滚轮（306）连接， I号油缸（303）与II号油缸（304）对称设置；

所述的螺栓拧紧及连接片抓取机构（6）包括并联平台II（602），并联平台II（602）通过安装板II（601）与旋转装置（4）连接，并联平台II（602）上设有末端执行机构（603），所述的末端执行机构（603）上设有螺栓拧紧筒（6034）。

2.根据权利要求1所述的新型钢拱架拼装机，其特征在于：所述的旋转环I（205）内侧设有大齿圈（204），所述的油缸（201）一端固定在机架（1）上、另一端固定在支撑环I（206）上，所述的支撑环I（206）上设有电机（202），电机（202）的输出轴上设有小齿轮（203），小齿轮（203）与大齿圈（204）相啮合。

3.根据权利要求1所述的新型钢拱架拼装机，其特征在于：所述的末端执行机构（603）包括框体（6031），框体（6031）两侧设有抓手（6032），抓手（6032）与框体（6031）铰接连接，框体（6031）两侧的抓手（6032）之间设有伸缩油缸（6033），螺栓拧紧筒（6034）设置在抓手（6032）上。

4.根据权利要求1所述的新型钢拱架拼装机，其特征在于：所述的旋转装置（4）包括支撑环II（406）和旋转环II（405），螺栓拧紧及连接片抓取机构（6）设置在旋转环II（405）上。

5.根据权利要求1所述的新型钢拱架拼装机，其特征在于：所述的机架（1）下方还设有钢拱架运输系统（5）。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的新型钢拱架拼装机的拼装方法，其特征在于包括以下步骤：①通过钢拱架运输系统（5）将钢拱架运送到拼装抓手（3）的抓取范围内；②控制拼装抓手（3）抓取第一块钢拱架后并旋转拼装环（2）给第二块钢拱架让位；③抓取第二块钢拱架后采用螺栓拧紧及连接片抓取机构（6）将第一块钢拱架和第三块钢拱架通过螺栓拧紧连接；④依次抓取剩余的钢拱架并采用螺栓拧紧及连接片抓取机构（6）将相邻钢拱架之间通过螺栓拧紧连接；⑤将第一块钢拱架和最后一块钢拱架对接并通过螺栓拧紧连接后完成环形钢拱架的拼装。

7.根据权利要求6所述的新型钢拱架拼装机的拼装方法，其特征在于：步骤②所述的拼装抓手（3）抓取钢拱架时，采用抓取头（305）抓取钢拱架，I号油缸（303）和II号油缸（304）分别带动滚轮张开，并联平台I（302）控制滚轮伸至钢拱架上横板（71）的下方，这时，I号油缸（303）和II号油缸（304）分别带动滚轮（306）压紧钢拱架，将钢拱架卡在拼装抓手的两个滚轮内。

8.根据权利要求6所述的新型钢拱架拼装机的拼装方法，其特征在于：步骤③所述的螺栓拧紧及连接片抓取机构（6）拧紧螺栓时，将螺栓拧紧及连接片抓取机构（6）移动至两个钢拱架的对接处，使螺栓拧紧筒（6034）内的螺帽与螺栓对接，并用抓手（6032）抓紧钢拱架作为支撑，旋转螺栓拧紧筒（6034）拧紧螺帽即可。