CN111005735B - 一种并联式柔臂tbm刀盘掘进控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联式柔臂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，确定并联油缸臂的N个并联油缸要到达的位置，设定并联油缸臂的N个并联油缸的理论位移量∆X；本发明通过PID闭环反馈控制对并联柔臂的N个并联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，偏差值转化为并联油缸的伸缩量，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

一种并联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，特别是指一种并联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法。

背景技术

并联柔臂掘进机采用六自由度并联机器人实时控制刀盘位置，同时刀盘随着主轴承的回转进行破岩，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并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，研制简便的一种并联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法很有必要。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种并联式柔臂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：一种并联式柔臂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，确定并联油缸臂的N个并联油缸要到达的位置，设定并联油缸臂的N个并联油缸的理论位移量∆X；

S2：后台控制器控制并联油缸臂的N个并联油缸运动，并控制主驱动转速，通过主轴承调节刀盘相对主梁的回转角度，调整刀盘的移动路径，使刀盘相对于掌子面移动，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N个并联油缸要运动的理论位移量∆X控制N个并联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，N个并联油缸内的伸缩位移传感器实时检测N个并联油缸的行程，并把实际位移量∆L的信号反馈给后台控制器；后台控制器对理论位移量∆X和实际位移量∆L进行对比，对N个并联油缸位移量进行实时修正，形成PID闭环反馈控制；

S5：并联柔臂TBM掘进一定距离，后台控制器通过控制主驱动和并联油缸臂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N个并联油缸的伸缩量，控制N个并联油缸进行修正，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，按下人机交互界面上的复位按钮，后台控制器控制N个并联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，确定偏差位置对应的并联油缸；

S8.2后台控制器将偏差量转化为对应并联油缸的伸缩量，并通过控制对应并联油缸的伸缩量，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N个并联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N个并联油缸的理论位移量∆X进行存储；

S4.2：掘进过程中，N个并联油缸的实际位移量∆L传递给后台控制器后，后台控制器将同一并联油缸的实际位移量∆L与理论位移量∆X进行对比；

S4.3当实际位移量∆L大于理论位移量∆X时，后台控制器控制相应的并联油缸，使该并联油缸的伸缩量减小；当实际位移量∆L小于理论位移量∆X时，后台控制器控制相应的并联油缸，使该并联油缸的伸缩量增大；

S4.4按照步骤S4.3后台控制器完成对N个并联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。

本发明通过PID闭环反馈控制对并联柔臂的N个并联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，偏差值转化为并联油缸的伸缩量，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为本发明并联柔臂TBM的并联柔臂结构示意。

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。

实施例1，如图1所示，一种并联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，其并联柔臂TBM的并联柔臂如图2所示，包括静平台3和动平台4，处于初始位置时，静平台3的中心与动平台4的中心位于同一直线上，静平台3通过主轴承5与主梁转动连接，主驱动带动动平台转动，动平台4通过N个并联的油缸2与静平台3相连接，3≤N，优选地，N=6。静平台3上设有刀盘1，每一个并联油缸上均设有伸缩位移传感器。后台控制器为整个装置的控制中心，三维扫描仪和质检测仪均为辅助检测装置，设置在并联柔臂TBM的相对应位置。

上述并联式柔臂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，确定并联油缸臂的N个并联油缸要到达的位置，对N个并联油缸进行逆运动学求解，设定并联油缸臂的N个并联油缸的理论位移量∆X；即对并联油缸臂的动平台和静平台分别建立坐标系，根据步骤S2中得到的轨迹路径坐标数据及刀盘中心坐标，计算出并联油缸臂油缸的理论位移量∆X。

S2：后台控制器控制并联油缸臂的N个并联油缸运动，调节刀盘相对于掌子面的姿态，并控制主驱动转速，通过主轴承调节刀盘相对主梁的回转角度，调整刀盘的移动路径，使刀盘相对于掌子面移动，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N个并联油缸要运动的理论位移量∆X控制N个并联油缸执行相对应的伸缩动作，使并联油缸前端的刀盘按预定刀盘路径开挖；

S4：开挖过程中，N个并联油缸内的伸缩位移传感器实时检测N个并联油缸的行程，并把实际位移量∆L的信号反馈给后台控制器；后台控制器对理论位移量∆X和实际位移量∆L进行对比，对N个并联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∆L的信号反馈给后台控制器，后台控制器将实际位移量∆L与控制器内设定的理论位移量∆X进行对比，并根据对比结果对N个并联油缸进行控制和调节，使实际位移量∆L与理论位移量∆X吻合或者在误差范围内。

S5：并联柔臂TBM掘进一定距离后，后台控制器可以通过控制主驱动停止转动，并控制并联油缸臂缩回，使刀盘后移一定距离，为地质检测仪留出空间；即将刀盘向后移动一定距离（以不干涉地质检测仪的运动为准），地质检测仪对待开挖区域进行地质检测。

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，主要对岩石强度和硬度进行检测，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；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，且后台控制器对刀盘参数调节至合适范围，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，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N个并联油缸的伸缩量，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N个并联油缸进行修正，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，按下人机交互界面上的复位按钮，后台控制器控制N个并联油缸完全缩回至初始状态，刀盘停止掘进。

实施例2，一种并联式柔臂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，确定偏差位置对应的并联油缸；

S8.2后台控制器将偏差量转化为对应并联油缸的伸缩量，并通过控制对应并联油缸的伸缩量，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N个并联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N个并联油缸的理论位移量∆X进行存储；

S4.2：掘进过程中，N个并联油缸的实际位移量∆L传递给后台控制器后，后台控制器将同一并联油缸的实际位移量∆L与理论位移量∆X进行对比；

S4.3当实际位移量∆L大于理论位移量∆X时，后台控制器控制相应的并联油缸，使该并联油缸的伸缩量减小；当实际位移量∆L小于理论位移量∆X时，后台控制器控制相应的并联油缸，使该并联油缸的伸缩量增大；

S4.4按照步骤S4.3后台控制器完成对N个并联油缸位移量进行实时控制、修正。

其他结构与方法与实施例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)

1.一种并联式柔臂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，确定并联油缸臂的N个并联（3≤N，N为正整数）油缸要到达的位置，设定并联油缸臂的N个并联油缸的理论位移量∆X；

S2：后台控制器控制并联油缸臂的N个并联油缸运动，并控制主驱动转速，通过主轴承调节刀盘相对主梁的回转角度，调整刀盘的移动路径，使刀盘相对于掌子面移动，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N个并联油缸要运动的理论位移量∆X控制N个并联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，N个并联油缸内的伸缩位移传感器实时检测N个并联油缸的行程，并把实际位移量∆L的信号反馈给后台控制器；后台控制器对理论位移量∆X和实际位移量∆L进行对比，对N个并联油缸位移量进行实时修正，形成PID闭环反馈控制；

S5：并联式柔臂TBM掘进一定距离，后台控制器通过控制主驱动和并联油缸臂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N个并联油缸的伸缩量，控制N个并联油缸进行修正，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，按下人机交互界面上的复位按钮，后台控制器控制N个并联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所述的并联式柔臂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，确定偏差位置对应的并联油缸；

S8.2后台控制器将偏差量转化为对应并联油缸的伸缩量，并通过控制对应并联油缸的伸缩量，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所述的并联式柔臂TBM刀盘掘进控制方法，其特征在于：在步骤S4中对N个并联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N个并联油缸的理论位移量∆X进行存储；

S4.2：掘进过程中，N个并联油缸的实际位移量∆L传递给后台控制器后，后台控制器将同一并联油缸的实际位移量∆L与理论位移量∆X进行对比；

S4.3当实际位移量∆L大于理论位移量∆X时，后台控制器控制相应的并联油缸，使该并联油缸的伸缩量减小；当实际位移量∆L小于理论位移量∆X时，后台控制器控制相应的并联油缸，使该并联油缸的伸缩量增大；

S4.4按照步骤S4.3后台控制器完成对N个并联油缸位移量进行实时控制、修正。

4.根据权利要求1所述的并联式柔臂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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