CN110985035B - 一种串联式柔臂tbm刀盘掘进控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，包括如下步骤后台控制器根据要开挖的预定隧道轮廓，进行预定刀盘路径规划，确定摆动油缸臂的摆动油缸和仰俯油缸要到达的位置，设定摆动油缸和仰俯油缸的理论位移量；本发明通过PID闭环反馈控制对并联柔臂的摆动油缸和仰俯油缸进行一对一的实时控制与修正，通过后台控制器将已开挖的轮廓信息与预定隧道轮廓作对比，偏差值转化为摆动油缸和仰俯油缸的伸缩量，进行刀盘姿态自动修正，使柔臂掘进机能按预定隧道轮廓进行精确掘进。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别是指一种串联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法。
背景技术
串联式柔臂掘进机采用多自由度机械臂控制刀盘运动开挖的方法实时控制刀盘位置，实现以小直径刀盘开挖任意形状断面的目的，能够有效解决特殊硬岩隧道施工中的问题。但以小直径刀盘开挖大断面隧道可能出现超挖、欠挖、人工控制难度大以及如何最大程度增加系统工作效率等问题，同时施工方对隧道信息化需求明显增加，因此需要对柔臂掘进机的控制方式进行改进，以实现轨迹自动规划、自动刷帮、根据地质条件选择最优掘进工艺、提高隧道边界成型质量、为业主提供施工数据等一些列功能。但是现有柔臂掘进机在串联油缸臂控制方面的设计精度低、误差大，过程繁琐；使柔臂掘进机施工的自动化、少人化低。因此，研制简便的一种柔臂掘进串联油缸臂电气控制系统很有必要。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种串联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，以解决上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种串联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，包括如下步骤：S1：后台控制器根据要开挖的预定隧道轮廓，进行预定刀盘路径规划，确定摆动油缸臂的摆动油缸和仰俯油缸要到达的位置，设定摆动油缸和仰俯油缸的理论位移量；
S2：后台控制器控制摆动油缸臂的摆动油缸运动，调节刀盘相对主梁的回转角度，后台控制器控制俯仰油缸的运动，调节刀盘相对掌子面的位置和仰俯角度，调节刀盘相对于掌子面的姿态，做好第一环隧道轮廓开挖准备；
S3：后台控制器根据摆动油缸和仰俯油缸的理论位移量控制摆动油缸和仰俯油缸执行相对应的伸缩动作，按预定刀盘路径开挖；
S4：开挖过程中，摆动油缸和仰俯油缸内的伸缩位移传感器实时检测摆动油缸和仰俯油缸的行程，并把摆动油缸和仰俯油缸的实际位移量的信号反馈给后台控制器；后台控制器对理论位移量和实际位移量进行对比，对摆动油缸和仰俯油缸位移量进行实时修正，形成PID闭环反馈控制；
S5：串联式柔臂TBM掘进一定距离，后台控制器通过控制摆动油缸和仰俯油缸使刀盘后移一定距离，为地质检测仪留出空间；
S6：后台控制器控制地质检测仪伸出，对前方待掘进地质进行探测，并将探测的地质信号传递给后台控制器，后台控制器根据地质检测仪反馈回来的地质信号，调节刀盘掘进参数，保证掘进效率；
S7：地质检测仪探测结束后，后台控制器控制地质检测仪缩回，刀盘继续对隧道轮廓进行开挖；
S8：第一环隧道轮廓开挖完成后，三维扫描仪扫描已开挖的轮廓信息，并将已开挖的轮廓信息传递给后台控制器，后台控制器将已开挖的轮廓信息与预定隧道轮廓作对比，并将偏差值转换为摆动油缸和仰俯油缸的伸缩量，控制摆动油缸和仰俯油缸进行修正，完成刀盘姿态自动修正；
S9：重复步骤S3~S8，通过PID闭环反馈控制和刀盘姿态自动修正，使柔臂掘进机能按预定隧道轮廓进行精确掘进；
S10：隧道掘进全部完成后，按下人机界面上的复位按钮，后台控制器控制摆动油缸和仰俯油缸完全缩回至初始状态，刀盘停止掘进。
在步骤S8中刀盘姿态自动修正包括如下步骤：
S8.1后台控制器将已开挖的轮廓信息与预定隧道轮廓作对比，确定偏差位置和偏差量，确定偏差位置对应摆动油缸或仰俯油缸；
S8.2后台控制器将偏差量转化为对应摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量，并通过控制对应摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量，修正偏差量，调节刀盘姿态；
S8.3调节刀盘姿态过程中，刀盘上的倾角仪将刀盘倾角信号传递给后台控制器，对刀盘倾斜角度进行检测，辅助刀盘姿态自动修正的进行，使刀盘按照预定轨迹进行开挖。即刀盘上的倾角仪的测量角度作为上述步骤S8.2调整刀盘姿态的一个参考值，辅助刀盘姿态更精准调节。
在步骤S4中对摆动油缸和仰俯油缸位移量进行实时控制、修正的具体步骤如下：S4.1：后台控制器对摆动油缸和仰俯油缸的理论位移量进行存储；
S4.2：掘进过程中，摆动油缸和仰俯油缸的实际位移量传递给后台控制器后，后台控制器将同一摆动油缸或仰俯油缸的实际位移量与理论位移量进行对比；
S4.3当实际位移量大于理论位移量时，后台控制器控制相应的摆动油缸或仰俯油缸，使该摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量减小；当实际位移量小于理论位移量时，后台控制器控制相应的摆动油缸或仰俯油缸，使该摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量增大；
S4.4按照步骤S4.3后台控制器完成对摆动油缸和仰俯油缸位移量进行实时控制、修正。
在S6中地质检测仪对前方待掘进地质岩石硬度和强度进行检测，岩石硬度和强度大时，后台控制器控制主驱动输出加大，保证刀盘进给量。
本发明本发明通过PID闭环反馈控制对串联式柔臂的摆动油缸和仰俯油缸进行一对一的实时控制与修正，通过后台控制器将已开挖的轮廓信息与预定隧道轮廓作对比，偏差值转化为摆动油缸和仰俯油缸的伸缩量，进行刀盘姿态自动修正，使柔臂掘进机能按预定隧道轮廓进行精确掘进。本发明控制系统设计巧妙，控制方法简便，控制精度高，控制部件与执行部件、反馈部件配合连贯，提高柔臂掘进机的掘进效率和施工安全，自动化程度高，具有较高的推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例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为本发明整体控制流程图
图2为本发明摆动油缸臂结构示意图。
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所示，实施例1，一种串联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，所述摆动油缸臂如图2所示，包括支撑座3和摆臂2，支撑座3上转动设有回转轴5，回转轴5上设有偏心耳座6，偏心耳座6上连接有摆动油缸7，摆动油缸7的一端与偏心耳座6铰接、另一端与主梁撑护系统连接，铰接点为B点；摆动油缸伸缩带动回转轴绕其中心轴线绕转动，实现摆动伸缩臂在竖直面内的左右摆动。摆臂2包括等长度的上摆动臂201和下摆动臂202，上摆动臂201和下摆动臂202的前端均与刀盘1铰接，上摆动臂201通过连杆203与下摆动臂202连接，上摆动臂201、下摆动臂202及连杆203组成四杆机构，四杆机构上连接有驱动四杆机构上下动作的仰俯油缸8，仰俯油缸8的一端与四杆机构铰接、另一端与回转轴5连接。仰俯油缸可铰接在上摆动臂201或下摆动臂202或连杆203上，通过仰俯油缸的伸缩，通过四杆机构带动旋切刀盘进行上下仰俯摆动。所述摆动油缸7和仰俯油缸8上均设有位移传感器，用于检测摆动油缸7和仰俯油缸8的伸缩量，确保旋切刀盘的正确位置和合适角度。
上述串联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，包括如下步骤：S1：后台控制器根据要开挖的预定隧道轮廓，进行预定刀盘路径规划，预定隧道轮廓是事先就设计好的轮廓曲线，根据上述轮廓曲线和刀盘直径，确定刀盘运动路径，确定摆动油缸臂的摆动油缸和仰俯油缸要到达的位置，设定摆动油缸和仰俯油缸的理论位移量；即将隧道轮廓轮廓曲线离散成相应的位置点群，通过点群坐标和刀盘已知尺寸，得到定摆动油缸和仰俯油缸的理论位移量，上述过程通过计算机进行计算和规划。
S2：后台控制器控制摆动油缸臂的摆动油缸运动，调节刀盘相对主梁的回转角度，后台控制器控制俯仰油缸的运动，调节刀盘相对掌子面的位置和仰俯角度，调节刀盘相对于掌子面的姿态，做好第一环隧道轮廓开挖准备；即为第一个掘进周期的前序准备工作。
S3：后台控制器根据摆动油缸和仰俯油缸的理论位移量控制摆动油缸和仰俯油缸执行相对应的伸缩动作，使摆动油缸臂前端的刀盘按预定刀盘路径开挖。
S4：开挖过程中，摆动油缸和仰俯油缸内的伸缩位移传感器实时检测摆动油缸和仰俯油缸的行程，并把摆动油缸和仰俯油缸的实际位移量的信号反馈给后台控制器；后台控制器对理论位移量和实际位移量进行对比，对摆动油缸和仰俯油缸位移量进行实时控制、修正，形成PID闭环反馈控制；即伸缩位移传感器将实际位移量的信号反馈给后台控制器，后台控制器将实际位移量与控制器内设定的理论位移量进行对比，并根据对比结果对摆动油缸和仰俯油缸进行控制和调节，使实际位移量与理论位移量吻合或者在误差范围内。
S5：串联式柔臂TBM掘进一定距离，后台控制器通过控制摆动油缸和仰俯油缸使刀盘后移一定距离，为地质检测仪留出空间。
S6：后台控制器控制地质检测仪伸出，对前方待掘进地质进行探测，即主对岩石硬度和强度大进行检测，后台控制器控制主驱动输出加大，保证刀盘进给量。并将探测的地质信号传递给后台控制器，后台控制器根据地质检测仪反馈回来的地质信号，调节刀盘掘进参数，保证掘进效率；岩石硬度和强度大时，后台控制器控制主驱动输出加大，保证刀盘进给量。
S7：地质检测仪探测结束后，后台控制器控制地质检测仪缩回，刀盘继续对隧道轮廓进行开挖。
S8：第一环隧道轮廓开挖完成后，三维扫描仪扫描已开挖的轮廓信息，即第一开挖周期完成后，三维扫描仪扫描已开挖的轮廓信息，采集已开挖的隧道轮廓形状、深度、宽度等数据，并将已开挖的轮廓信息传递给后台控制器，后台控制器将已开挖的轮廓信息与预定隧道轮廓作对比，并将偏差值转换为摆动油缸和仰俯油缸的伸缩量，控制摆动油缸和仰俯油缸进行修正，完成刀盘姿态自动修正；即后台控制器把偏差值通过计算换算，利用比例放大板把偏差值传递给伺服阀，控制推进油缸的伸缩动作，控制摆动油缸和仰俯油缸进行修正，完成刀盘姿态自动修正。
S9：重复步骤S3~S8，通过PID闭环反馈控制和刀盘姿态自动修正，使柔臂掘进机能按预定隧道轮廓进行精确掘进；
S10：隧道掘进全部完成后，按下人机界面上的复位按钮，后台控制器控制摆动油缸和仰俯油缸完全缩回至初始状态，刀盘停止掘进。
如图。。所示，实施例2，一种串联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，在步骤S8中刀盘姿态自动修正包括如下步骤：
S8.1后台控制器将已开挖的轮廓信息与预定隧道轮廓作对比，确定偏差位置和偏差量，确定偏差位置对应摆动油缸或仰俯油缸；
S8.2后台控制器将偏差量转化为对应摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量，并通过控制对应摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量，修正偏差量，调节刀盘姿态；
S8.3调节刀盘姿态过程中，刀盘上的倾角仪将刀盘倾角信号传递给后台控制器，对刀盘倾斜角度进行检测，辅助刀盘姿态自动修正的进行，使刀盘按照预定轨迹进行开挖。
在步骤S4中对摆动油缸和仰俯油缸位移量进行实时控制、修正的具体步骤如下：S4.1：后台控制器对摆动油缸和仰俯油缸的理论位移量进行存储；
S4.2：掘进过程中，摆动油缸和仰俯油缸的实际位移量传递给后台控制器后，后台控制器将同一摆动油缸或仰俯油缸的实际位移量与理论位移量进行对比；
S4.3当实际位移量大于理论位移量时，后台控制器控制相应的摆动油缸或仰俯油缸，使该摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量减小；当实际位移量小于理论位移量时，后台控制器控制相应的摆动油缸或仰俯油缸，使该摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量增大；
S4.4按照步骤S4.3后台控制器完成对摆动油缸和仰俯油缸位移量进行实时控制、修正。
其他结构和方法与实施例1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 (4)
1.一种串联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：后台控制器根据要开挖的预定隧道轮廓，进行预定刀盘路径规划，确定摆动油缸臂的摆动油缸和仰俯油缸要到达的位置，设定摆动油缸和仰俯油缸的理论位移量；
S2：后台控制器控制摆动油缸臂的摆动油缸运动，调节刀盘相对主梁的回转角度，后台控制器控制仰俯油缸的运动，调节刀盘相对掌子面的位置和仰俯角度，调节刀盘相对于掌子面的姿态，做好第一环隧道轮廓开挖准备；
S3：后台控制器根据摆动油缸和仰俯油缸的理论位移量控制摆动油缸和仰俯油缸执行相对应的伸缩动作，按预定刀盘路径开挖；
S4：开挖过程中，摆动油缸和仰俯油缸内的伸缩位移传感器实时检测摆动油缸和仰俯油缸的行程，并把摆动油缸和仰俯油缸的实际位移量的信号反馈给后台控制器；后台控制器对理论位移量和实际位移量进行对比，对摆动油缸和仰俯油缸位移量进行实时修正，形成PID闭环反馈控制；
S5：串联式柔臂TBM掘进一定距离，后台控制器通过控制摆动油缸和仰俯油缸使刀盘后移一定距离，为地质检测仪留出空间；
S6：后台控制器控制地质检测仪伸出，对前方待掘进地质进行探测，并将探测的地质信号传递给后台控制器，后台控制器根据地质检测仪反馈回来的地质信号，调节刀盘掘进参数，保证掘进效率；
S7：地质检测仪探测结束后，后台控制器控制地质检测仪缩回，刀盘继续对隧道轮廓进行开挖；
S8：第一环隧道轮廓开挖完成后，三维扫描仪扫描已开挖的轮廓信息，并将已开挖的轮廓信息传递给后台控制器，后台控制器将已开挖的轮廓信息与预定隧道轮廓作对比，并将偏差值转换为摆动油缸和仰俯油缸的伸缩量，控制摆动油缸和仰俯油缸进行修正，完成刀盘姿态自动修正；
S9：重复步骤S3~S8，通过PID闭环反馈控制和刀盘姿态自动修正，使柔臂掘进机能按预定隧道轮廓进行精确掘进；
S10：隧道掘进全部完成后，按下人机界面上的复位按钮，后台控制器控制摆动油缸和仰俯油缸完全缩回至初始状态，刀盘停止掘进。
2.根据权利要求1所述的串联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，其特征在于：在步骤S8中刀盘姿态自动修正包括如下步骤：
S8.1后台控制器将已开挖的轮廓信息与预定隧道轮廓作对比，确定偏差位置和偏差量，确定偏差位置对应摆动油缸或仰俯油缸；
S8.2后台控制器将偏差量转化为对应摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量，并通过控制对应摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量，修正偏差量，调节刀盘姿态；
S8.3调节刀盘姿态过程中，刀盘上的倾角仪将刀盘倾角信号传递给后台控制器，对刀盘倾斜角度进行检测，使刀盘按照预定轨迹进行开挖。
3.根据权利要求1所述的串联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，其特征在于：在步骤S4中对摆动油缸和仰俯油缸位移量进行实时修正的具体步骤如下：S4.1：后台控制器对摆动油缸和仰俯油缸的理论位移量进行存储；
S4.2：掘进过程中，摆动油缸和仰俯油缸的实际位移量传递给后台控制器后，后台控制器将同一摆动油缸或仰俯油缸的实际位移量与理论位移量进行对比；
S4.3当实际位移量大于理论位移量时，后台控制器控制相应的摆动油缸或仰俯油缸，使该摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量减小；当实际位移量小于理论位移量时，后台控制器控制相应的摆动油缸或仰俯油缸，使该摆动油缸或仰俯油缸的伸缩量增大；
S4.4按照步骤S4.3后台控制器完成对摆动油缸和仰俯油缸位移量进行实时控制、修正。
4.根据权利要求1所述的串联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，其特征在于：在S6中地质检测仪对前方待掘进地质岩石硬度和强度进行检测，岩石硬度和强度大时，后台控制器控制主驱动输出加大，保证刀盘进给量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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