CN111119919A - 一种柔臂掘进机推进系统控制计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔臂掘进机推进系统控制计算方法，包括如下步骤：S1：根据预先设计的隧道轮廓边界和刀盘直径，规划出刀盘掘进路径；S2：对步骤S1中规划出的刀盘掘进路径以高频采样和直线拟合法进行离散化处理，得到轨迹路径坐标数据及刀盘中心坐标；S3：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伸缩量；S4：对并联油缸臂油缸的理论伸缩量与并联油缸臂油缸中的位移传感器实测的实际伸缩量进行对比，进行修正。本发明为控制并联油缸臂的动作，提供可靠保证，提高控制精度，对柔臂掘进机的高效、精确开挖提供保障，具有较高推广价值。

Description

一种柔臂掘进机推进系统控制计算方法

技术领域

本发明涉及柔臂掘进机技术领域，特别是指一种柔臂掘进机推进系统控制计算方法。

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，研制简便的一种柔臂掘进机推进系统控制计算方法很有必要。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种柔臂掘进机推进系统控制计算方法，以解决上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种柔臂掘进机推进系统控制计算方法，包括如下步骤：

S1：根据预先设计的隧道轮廓边界和刀盘直径，规划出刀盘掘进路径；

S2：对步骤S1中规划出的刀盘掘进路径进行离散化处理，得到轨迹路径坐标数据及刀盘中心坐标；

S3：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伸缩量S_i；

S4：对并联油缸臂油缸的理论伸缩量S_i与并联油缸臂油缸中的位移传感器实测的实际伸缩量进行对比，理论伸缩量S_i与实际伸缩量的差值超出误差值时，要对并联油缸臂油缸实际伸缩量进行修正，使刀盘按照预定轨迹进行开挖。

在步骤S3中计算并联油缸臂油缸的理论伸缩量S_i的步骤如下：

S3.1测量出并联油缸臂的静平台的半径R，及油缸驱动器初始杆长

S3.2设并联油缸臂的静平台随柔臂掘进机主轴承在某一时刻转角为θ，并联油缸臂油缸在静平台上的铰接点坐标B_θ(x₀,y₀,z₀)与θ的对应关系为：

(θ＝1、2、3、4、5、6)；

S3.3在静平台和动平台上分别建立静坐标系和动坐标系；

S3.4设并联油缸臂的第i个油缸(i＝1、2、3、4、5、6)在动平台上的铰接点为P_i，在静平台上的铰接点为B_i；从动坐标系原点O'至动平台铰接点P_i的矢量在静坐标系的表示为

从动坐标系原点O'至动平台铰接点P_i的矢量在在动坐标系的表示为

从静坐标原点O点到静平台铰接点B_i的矢量在静坐标系的表示为

从静坐标原点O点到动坐标系原点O'的矢量在静坐标系中的表示为

S3.5通过坐标变换方法将动坐标系中的

转换为固定坐标系中的

则

其中：变换矩阵T为：

式中：CΨ_x＝cos(Ψ_x),SΨ_x＝sin(Ψ_x)；

S3.6根据并联油缸臂的静平台的半径R及

算出第i个油缸(i＝1、2、3、4、5、6)在动平台上的铰接点P_i的坐标及在静平台上的铰接点B_i的坐标；

S3.7设第i个油缸(i＝1、2、3、4、5、6)的驱动器杆长为l_i，则l_i在固定坐标系中的表示为：

(i＝1、2、3、4、5、6)；

则

第i个并联油缸臂油缸的伸缩量Si为：

(i＝1、2、3、4、5、6)。

在步骤S3.3中静坐标系XYZ的原点O位于静平台的中心，X-Y平面与并联油缸臂油缸在静平台上铰接点的分布圆共面；动坐标系X′Y′Z′的原点O'位于动平台的中心，当静平台位于初始位时，动坐标系的Z′与静坐标系的Z轴重合，且静坐标系Z轴穿过O'。

所述并联油缸臂包括静平台和动平台，静平台通过主轴承与主梁系统转动连接，动平台通过6个并联的油缸与静平台相连接，静平台上设有刀盘。

本发明通过简单有效的计算方法将并联油缸臂的6个并联油缸的理论伸缩量与位移传感器测得的实际伸缩量进行对比，根据误差量随时对6个并联油缸进行调整，完成刀盘开挖路径的修正，保证盾构刀盘按设计路线进行轮廓开挖。本发明为控制并联油缸臂的动作，提供可靠保证，提高控制精度，对柔臂掘进机的高效、精确开挖提供保障，具有较高推广价值。

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为本发明控制计算流程图。

图2为本发明并联油缸臂结构示意图。

图3为在动平台和静平台建立坐标系示意图。

图4为静平台xy平面坐标系中转角几何关系图。

图5为动坐标系、静坐标系矢量关系示意图。

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。

实施例1，如图2所示，一种柔臂掘进机推进系统控制计算方法，所述并联油缸臂包括静平台3和动平台4，处于初始位置时，静平台3和动平台4平行设置，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与主梁系统转动连接，动平台4通过6个并联的油缸2与静平台3相连接，静平台3上设有刀盘1。刀盘1中心的位置表示刀盘的位置。

并联油缸臂伸缩量控制计算方法包括如下步骤：如图1所示，

S1：根据预先设计的隧道轮廓边界和刀盘直径，隧道轮廓边界为事前图纸设计好的隧道边界，刀盘直径也确定，规划出刀盘掘进路径，即根据确定的隧道边界和刀盘直径，计算机规划出刀盘掘进路径，该路径为曲线；

S2：对步骤S1中规划出的刀盘掘进路径以高频采样和直线拟合法进行离散化处理，将隧道轮廓边界线离散成相应的位置点群，即得到离散化处理后的轨迹路径坐标数据；得到轨迹路径坐标数据及刀盘中心坐标o(x,y,z,Ψ_x,Ψ_y,Ψ_z)，x,y,z,表示刀盘中心在xyz坐标系中的坐标；Ψ_x,Ψ_y,Ψ_z表示刀盘中心在xyz坐标系中相应角度；

S3：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o(x,y,z,Ψ_x,Ψ_y,Ψ_z)，根据几何关系计算出并联油缸臂油缸的理论伸缩量S_i；

S4：对并联油缸臂油缸的理论伸缩量S_i与并联油缸臂油缸中的位移传感器实测的实际伸缩量进行对比，理论伸缩量S_i与实际伸缩量的差值超出误差值时，要对并联油缸臂油缸实际伸缩量进行修正，使刀盘按照预定轨迹进行开挖。即在后台计算机中输入误差范围值，当理论伸缩量S_i与实际伸缩量的差值与误差值进行对比，超出误差范围时，后台控制器控制并联油缸臂油缸的伸缩量以缩小理论伸缩量S_i与实际伸缩量的差值，使差值位于误差范围内，达到修正油缸的目的。

实施例2，一种柔臂掘进机推进系统控制计算方法，在步骤S3中计算并联油缸臂油缸的理论伸缩量S_i的步骤如下：

S3.1测量出并联油缸臂的静平台的半径R，及油缸驱动器初始杆长

S3.2如图4所示，设并联油缸臂的静平台随柔臂掘进机主轴承在某一时刻转角为θ，并联油缸臂油缸在静平台上的铰接点坐标B_θ(x₀,y₀,z₀)与转角θ的对应关系为：

x₀,y₀,z₀分别静平台转角为θ时，并联油缸臂油缸在静平台上的铰接点的坐标；

S3.3如图3所示，在静平台和动平台上分别建立静坐标系和动坐标系；静坐标系XYZ的原点O位于静平台的中心，X-Y平面与并联油缸臂油缸在静平台上铰接点的分布圆共面；动坐标系X′Y′Z′的原点O'位于动平台的中心，当静平台位于初始位时，动坐标系的Z′与静坐标系的Z轴重合，且静坐标系Z轴穿过O'。

S3.4如图4、5所示，设并联油缸臂的第i个油缸(i＝1、2、3、4、5、6)在动平台上的铰接点为P_i，在静平台上的铰接点为B_i；从动坐标系原点O'至动平台铰接点P_i的矢量在静坐标系的表示为

从动坐标系原点O'至动平台铰接点P_i的矢量在在动坐标系的表示为

从静坐标原点O点到静平台铰接点B_i的矢量在静坐标系的表示为

从静坐标原点O点到动坐标系原点O'的矢量在静坐标系中的表示为

x,y,z分别表示O点到O'点的矢量在静坐标系中相应位置坐标；

S3.5通过坐标变换方法将动坐标系中的

转换为固定坐标系中的

则

其中：变换矩阵T为：

式中：CΨ_x＝cos(Ψ_x),SΨ_x＝sin(Ψ_x)；

S3.6根据并联油缸臂的静平台的半径R及

算出第i个油缸(i＝1、2、3、4、5、6)在动平台上的铰接点P_i的坐标及在静平台上的铰接点B_i的坐标；

S3.7设第i个油缸(i＝1、2、3、4、5、6)的驱动器杆长为l_i，则l_i在固定坐标系中的表示为：

(i＝1、2、3、4、5、6)；

则

第i个并联油缸臂油缸的伸缩量Si为：

i可以是1或2或3或4或5或6。

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)

1.一种柔臂掘进机推进系统控制计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：根据预先设计的隧道轮廓边界和刀盘直径，规划出刀盘掘进路径；

S2：对步骤S1中规划出的刀盘掘进路径进行离散化处理，得到轨迹路径坐标数据及刀盘中心坐标；

S3：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伸缩量S_i；

S4：对并联油缸臂油缸的理论伸缩量S_i与并联油缸臂油缸中的位移传感器实测的实际伸缩量进行对比，理论伸缩量S_i与实际伸缩量的差值超出误差值时，要对并联油缸臂油缸实际伸缩量进行修正，使刀盘按照预定轨迹进行开挖。

2.根据权利要求1所述的柔臂掘进机推进系统控制计算方法，其特征在于：在步骤S3中计算并联油缸臂油缸的理论伸缩量S_i的步骤如下：

S3.1测量出并联油缸臂的静平台的半径R及油缸驱动器初始杆长

S3.2设并联油缸臂的静平台随柔臂掘进机主轴承在某一时刻转角为θ，并联油缸臂油缸在静平台上的铰接点坐标B_θ(x₀,y₀,z₀)与转角θ的对应关系为：

S3.3在静平台和动平台上分别建立静坐标系和动坐标系；

S3.4设并联油缸臂的第i个油缸i＝1、2、3、4、5、6在动平台上的铰接点为P_i，在静平台上的铰接点为B_i；

从动坐标系原点O'至动平台铰接点P_i的矢量在静坐标系的表示为

从动坐标系原点O'至动平台铰接点P_i的矢量在在动坐标系的表示为

从静坐标原点O点到静平台铰接点B_i的矢量在静坐标系的表示为

从静坐标原点O点到动坐标系原点O'的矢量在静坐标系中的表示为

S3.5通过坐标变换方法将动坐标系中的

转换为固定坐标系中的

则

其中：变换矩阵T为：

式中：CΨ_x＝cos(Ψ_x),SΨ_x＝sin(Ψ_x)；

S3.6根据并联油缸臂的静平台的半径R及

算出第i个油缸在动平台上的铰接点P_i的坐标及在静平台上的铰接点B_i的坐标；

S3.7设第i个油缸的驱动器杆长为l_i，则l_i在固定坐标系中的表示为：

则

第i个并联油缸臂油缸的伸缩量S_i为：

3.根据权利要求2所述的柔臂掘进机推进系统控制计算方法，其特征在于：在步骤S3.3中静坐标系XYZ的原点O位于静平台的中心，X-Y平面与并联油缸臂油缸在静平台上铰接点的分布圆共面；动坐标系X′Y′Z′的原点O'位于动平台的中心，当静平台位于初始状态时，动坐标系的Z′与静坐标系的Z轴重合，且静坐标系Z轴穿过O'。

4.根据权利要求1或3所述的柔臂掘进机推进系统控制计算方法，其特征在于：所述并联油缸臂包括静平台(3)和动平台(4)，静平台(3)通过主轴承(5)与主梁系统转动连接，动平台(4)通过6个并联的油缸(2)与静平台(3)相连接，静平台(3)上设有刀盘(1)。

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