CN111456753A - 集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置及施工方法 - Google Patents

集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置及施工方法，解决了现有技术中喷浆支护工作效率低、投入成本高的问题。本发明包括沿隧道轴向设置的支撑架，支撑架上设有回转支撑，回转支撑通过轴向滑移机构与支撑架相连接，回转支撑上设有至少一个机械臂，机械臂上设有喷浆机构和/或测量机构和/或成型机构。本发明的测量传感器、喷浆嘴和抹平辊同环布置，只需处理采集得到的洞壁高度信息，将数据处理量从三维数据简化为了一维数据，极大减少了数据处理量，不需要采用复杂的算法，可以提高数据处理速度，降低成本，提高混喷效率。

Description

集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置及施工方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别是指一种集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置及施工方法。
背景技术
隧道支护是隧道施工中的关键性步骤，目前的混喷装置多为半自动化系统，需要人工操作手近距离观察隧道质量，并对响应位置进行人工喷浆，工作环境极其恶劣，且对人工操作水平和经验要求较高，隧道最终成型质量难以保证。近年来随着科技的发展逐步出现了智能喷浆方面的相关研究，多采用激光三维扫描仪对隧道轮廓进行建模，如申请号201910567117 .0的一种智能喷浆系统及其喷浆支护方法，但其具有数据处理量极大、数据处理算法难度较高、设备成本高等问题，其不能同时进行成型操作，所以目前尚未成熟应用于隧道混喷支护。因此，设计一种能解决当下隧道支护混喷作业遇到的人工难、质量差、成本高等问题，且能满足多种不同隧道喷浆需求的经济型智能混喷装置很有必要。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置及施工方法，解决了现有技术中喷浆支护工作效率低、投入成本高的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，包括沿隧道轴向设置的支撑架，支撑架上设有回转支撑，回转支撑通过轴向滑移机构与支撑架相连接，回转支撑上设有至少一个机械臂，机械臂上设有喷浆机构和/或测量机构和/或成型机构。
所述轴向滑移机构包括设置在支撑架上的滑轨，回转支撑的下部设有行走油缸和滑座，滑座与滑轨滑动配合，行走油缸的一端与滑轨相连接、另一端与回转支撑相连接。
所述回转支撑上设有三种机械臂，三种机械臂分别为混喷机械臂、测量机械臂和成型机械臂，混喷机械臂上设有喷浆机构，测量机械臂上设有测量机构，成型机械臂上设有成型机构。
所述回转支撑上设有至少一个混喷机械臂、至少一个测量机械臂和至少一个成型机械臂，混喷机械臂、测量机械臂和成型机械臂沿回转支撑周向布置，混喷机械臂位于测量机械臂和成型机械臂之间；所述混喷机械臂和测量机械臂之间的圆心角为60°~120°，成型机械臂与混喷机械臂之间的圆心角为30°~120°；混喷机械臂、测量机械臂和成型机械臂分别通过俯仰油缸与沿回转支撑相连接。
所述混喷机械臂、测量机械臂和成型机械臂均包括俯仰臂和伸缩臂，俯仰臂的一端与回转支撑铰接，伸缩臂滑动设置在俯仰臂上且通过伸缩油缸与俯仰臂相连接，伸缩臂上设有用于连接喷浆机构或测量机构的末端支架，末端支架通过滑移旋转机构与伸缩臂相连接。
所述滑移旋转机构包括固定座、移动座和球铰接座，固定座固定在伸缩臂上，移动座通过滑移驱动件与固定座滑动连接，球铰接座转动设置在移动座上，球铰接座与设置在移动座上的转动驱动件相连接，末端支架设置在球铰接座上。
所述滑移驱动件为设置在固定座、移动座之间的伸缩油缸；所述转动驱动件包括第一球铰油缸和第二球铰油缸，第一球铰油缸和第二球铰油缸正交设置。
所述喷浆机构包括喷浆嘴，喷浆嘴活动设置在机械臂上，且通过喷浆管道与混喷泵相连接。
所述测量机构包括测量传感器，测量传感器活动设置在机械臂上，且与后台控制器相连接；所述测量传感器为激光传感器或超声传感器。
所述成型机构包括抹平支架，抹平支架上转动设有抹平辊。所述抹平支架通过夹紧机构与机械臂相连接，所述夹紧机构包括设置在机械臂上的托辊，托辊的两侧设有通过夹紧油缸连接的夹爪，夹爪相对的面上设有与抹平支架相配合的压辊，抹平支架的下部位于托辊和压辊之间。
一种集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置的施工方法，步骤如下：
S1：根据隧道洞壁情况确定单次喷射的喷射区域范围，通过轴向滑移机构将回转支撑移动到喷射区域的起始位置；
S2：根据隧道洞壁直径和测量机构的探测宽度和高度参数，确定机械臂的初始姿态和位置，使测量机构的测量传感器可以清晰探测到隧道洞壁表面光滑度数据；
S3：根据隧道洞壁需要喷射区域的角度范围，使回转支撑旋转带动测量机构转动，使测量传感器位于初始角度位置，并使成型机构能及时对喷射区域进行抹平；
S4：按照测量机构在前，喷浆机构、成型机构在后的方向开始旋转回转支撑；
S5：测量机构的测量传感器采集隧道洞壁表面的高度信息，并反馈回后台控制器；后台控制器根据测量传感器采集的隧道洞壁表面的高度信息，对喷浆机构位置和姿态进行微调，同时由混喷泵调整喷浆压力和流量对隧道洞壁进行喷浆支护；成型机构位于混喷机构的后方，对喷涂到隧道洞壁上的浆液进行抹平成型，使洞壁表面达到设定要求；
S6：一环喷浆完成后推动回转支撑向前移动一个工位，重复步骤S2~步骤S5继续进行测量、喷浆支护和成型施工。
本发明通过机械臂和喷浆机构形成具有6+2自由度的混喷装置，配合多自由度的测量机构和多自由度的成型机构，形成先测量后喷涂再成型的一体成型智能支护方式，该智能支护方式可以根据隧道截面大小和形状，调整机械臂的行程和工作空间，可以同时满足圆形、矩形、马蹄形等异行断面的喷浆要求，具有较强的适用性。本发明的测量传感器、喷浆嘴和抹平辊同环布置，只需处理采集得到的洞壁高度信息，将数据处理量从三维数据简化为了一维数据，极大减少了数据处理量，不需要采用复杂的算法，可以提高数据处理速度，降低成本，提高混喷效率。
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为本发明整体结构示意图。
图2为本发明机械臂结构示意。
图3为本发明在马蹄形隧道内施工状态示意。
图4为本发明在矩形隧道内施工状态示意。
图5为本发明在圆形隧道内施工状态示意。
图6为成型机构与机械臂连接状态示意图。
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1，一种集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，包括沿隧道1轴向设置的支撑架2，支撑架2上设有回转支撑4，回转支撑包括固定环架和转动环架，固定环架上设有旋转驱动7，旋转驱动7通过齿轮副与转动环架相连接，带动转动环架沿固定架进行±180°回转，机械臂设置在转动环架上随其进行同步转动。固定架能相对支撑架滑动，即回转支撑4通过轴向滑移机构与支撑架2相连接，在轴向滑移机构的作用下，回转支撑能相对支撑架沿模拟洞壁轴向运动，实现其位置的调节，回转支撑4上设有至少一个机械臂5，机械臂随回转支撑进行同步转动，机械臂5上设有喷浆机构和/或测量机构和/或成型机构，测量机构、喷浆机构和成型机构可设置在一个机械臂上，也可通过不同机械臂连接在回转支撑上。
进一步，所述喷浆机构包括喷浆嘴11，喷浆嘴11活动设置在机械臂5上，即喷浆嘴能相对机械臂进行转动和平动，用于其位姿的调节。喷浆嘴11通过喷浆管道与混喷泵9相连接，混喷泵与浆液源相连接，混喷泵用来提供混喷作业所需的工作压力，调节喷浆嘴11的喷射速率和流量。所述测量机构包括测量传感器10，所述测量传感器10为激光传感器或超声传感器，用于测量洞壁的表面数据（光滑度或表面的高度信息）的采集；测量传感器10活动设置在机械臂5上，可进行位姿的调节，测量传感器与后台控制器相连接，后台控制器控制回转支撑的转动和轴向移动。所述成型机构包括抹平支架12，抹平支架12固定在机械壁上，抹平支架12上转动设有抹平辊13，抹平辊对混喷后的隧道洞壁进行抹平，使其快速成型，完成测量、混喷支护及成型一次完成施工，提高施工效率。如图6所示，所述抹平支架12通过夹紧机构与机械臂相连接，所述夹紧机构包括设置在机械臂上（即成型机械臂的末端支架上）的托辊14，托辊14的两侧设有通过夹紧油缸15连接的夹爪16，通过夹紧油缸的伸缩实现夹爪对抹平支架的夹紧与否，便于抹平支架的快速更换。夹爪16相对的面上设有与抹平支架12相配合的压辊17，抹平支架12的下部位于托辊14和压辊17之间，托辊14用于夹紧抹平支架，压辊17起到支撑抹平支架的作用，保证抹平辊在抹平洞壁的过程中的稳定性。
优选地，所述轴向滑移机构包括设置在支撑架2上的滑轨3，回转支撑4的下部设有行走油缸8和滑座，滑座与滑轨3滑动配合，行走油缸8的一端与滑轨3相连接、另一端与回转支撑4相连接。回转支撑通过行走油缸的伸缩通过滑座相对滑轨的移动，实现沿支撑架的运动，用于回转支撑轴向位置的调节。
进一步，所述回转支撑4上设有三种机械臂5，三种机械臂5分别为混喷机械臂5-1、测量机械臂5-2和成型机械臂5-3，混喷机械臂5-1上设有喷浆机构，测量机械臂5-2上设有测量机构，成型机械臂5-3上设有成型机构。混喷机械臂5-1、测量机械臂5-2和成型机械臂5-3可各设一个，也可设多个，设多个时，提高混喷效率。机械臂数量可根据隧道的大小、截面形状以及需要的混喷效率来设置喷浆嘴和传感器的数量，从而确定机械手的数量，以适用于不同形状隧道（如马蹄形、矩形等）如图3、4所示。
如图2所示，实施例2，一种集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，所述回转支撑4上设有一个混喷机械臂5-1、一个测量机械臂5-2和一个成型机械臂5-3，混喷机械臂5-1、测量机械臂5-2和成型机械臂5-3沿回转支撑4同一截面周向布置，即同环布置，实现先测量再喷涂在抹平成型的智能混喷支护；混喷机械臂5-1位于测量机械臂5-2和成型机械臂5-3之间；所述混喷机械臂5-1和测量机械臂5-2之间的圆心角为60°~120°，保证混喷机械臂上的混喷机构在喷涂过程中泥浆不能飞溅到测量机械臂上的测量机构上，成型机械臂5-3与混喷机械臂5-1之间的圆心角为30°~120°，保证成型机构能及时将混喷后的洞壁抹平。混喷机械臂5-1、测量机械臂5-2和成型机械臂5-3分别通过俯仰油缸6与沿回转支撑4相连接。在俯仰油缸的作用下混喷机械臂5-1、测量机械臂5-2、成型机械臂5-3能相对回转支撑进行摆动，用于其位姿的调节。
进一步，所述混喷机械臂5-1、测量机械臂5-2和成型机械臂5-3均包括俯仰臂501和伸缩臂502，俯仰臂501的一端通过平铰接件510与回转支撑4铰接，在俯仰油缸的作用下，俯仰臂能绕铰接点转动。伸缩臂502滑动设置在俯仰臂501上且通过伸缩油缸507与俯仰臂501相连接，在伸缩油缸的作用下，伸缩臂能相对俯仰臂伸缩，实现机械臂长度的调节。伸缩臂502上设有用于连接喷浆机构或测量机构的末端支架504，末端支架504通过滑移旋转机构与伸缩臂502活动连接。末端支架504在滑移旋转机构的作用下能进行平移和转动，用于调节喷浆机构或测量机构的位姿。
优选地，所述滑移旋转机构包括固定座511、移动座503和球铰接座509，固定座511固定在伸缩臂502上，移动座503通过滑移驱动件508与固定座511滑动连接，滑移驱动件带动移动座沿固定座平移滑动，球铰接座509转动设置在移动座503上，实现球铰接座509相对移动座的转动，球铰接座509与设置在移动座503上的转动驱动件相连接，末端支架504设置在球铰接座509上。在转动驱动件的作用下球铰接座能够转动，带动末端支架进行同步运动。
进一步，所述滑移驱动件508为设置在固定座511、移动座503之间的伸缩油缸，也可采用齿轮齿条机构，带动移动座相对固定座的滑动。所述转动驱动件包括第一球铰油缸505和第二球铰油缸506，第一球铰油缸505和第二球铰油缸506正交设置，通过第一球铰油缸和第二球铰油缸进行两个正交方向的伸缩，实现球铰接座的摆动，进而调节喷浆机构或测量机构的位姿。转动驱动件也可采用齿轮齿圈结构，通过电机带动齿轮转动，进而通过齿圈带动球铰接座转动，实现其角度和方位的调节。其他结构与实施例1相同。
实施例3：如图5所示，一种如实施例2所述的集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置的施工方法，步骤如下：
S1：根据隧道洞壁情况确定单次喷射的喷射区域范围，通过轴向滑移机构将回转支撑移动到喷射区域的轴向起始位置；
S2：根据隧道洞壁直径和测量机构的探测宽度和高度参数，确定机械臂的初始姿态和位置，使测量机构的测量传感器可以清晰探测到隧道洞壁表面光滑度数据，并使成型机构能及时对喷射区域进行抹平；
S3：根据隧道洞壁需要喷射区域的角度范围，使回转支撑旋转带动测量机构转动，使测量传感器位于初始角度位置；使成型机构位于喷射区域的初始位置，即测量传感器位于喷射区域的前端部，混喷嘴位于喷射区域的后端部，成型机构的抹平辊位于混喷嘴后方；
S4：按照测量机构在前，喷浆机构、成型机构依次在后的方向开始旋转回转支撑；
S5：测量机构的测量传感器采集隧道洞壁表面的高度信息，并反馈回后台控制器；后台控制器根据测量传感器采集的隧道洞壁表面的高度信息，对喷浆机构位置和姿态进行微调，同时由混喷泵调整喷浆压力和流量对隧道洞壁进行喷浆支护；成型机构位于混喷机构的后方，对喷涂到隧道洞壁上的浆液进行抹平成型，使洞壁表面达到设定要求；
S6：一环喷浆完成后推动回转支撑向前移动一个工位，重复步骤S2~步骤S5继续进行测量、喷浆支护和成型施工。
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 (12)

1.一种集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，其特征在于：包括沿隧道（1）轴向设置的支撑架（2），支撑架（2）上设有回转支撑（4），回转支撑（4）通过轴向滑移机构与支撑架（2）相连接，回转支撑（4）上设有至少一个机械臂（5），机械臂（5）上设有喷浆机构和/或测量机构和/或成型机构。
2.根据权利要求1所述的集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，其特征在于：所述轴向滑移机构包括设置在支撑架（2）上的滑轨（3），回转支撑（4）的下部设有行走油缸（8）和滑座，滑座与滑轨（3）滑动配合，行走油缸（8）的一端与滑轨（3）相连接、另一端与回转支撑（4）相连接。
3.根据权利要求1或2所述的集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，其特征在于：所述回转支撑（4）上设有三种机械臂（5），三种机械臂（5）分别为混喷机械臂（5-1）、测量机械臂（5-2）和成型机械臂（5-3），混喷机械臂（5-1）上设有喷浆机构，测量机械臂（5-2）上设有测量机构，成型机械臂（5-3）上设有成型机构。
4.根据权利要求3所述的集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，其特征在于：所述回转支撑（4）上设有至少一个混喷机械臂（5-1）、至少一个测量机械臂（5-2）和至少一个成型机械臂（5-3），混喷机械臂（5-1）、测量机械臂（5-2）和成型机械臂（5-3）沿回转支撑（4）周向布置，混喷机械臂（5-1）位于测量机械臂（5-2）和成型机械臂（5-3）之间；所述混喷机械臂（5-1）和测量机械臂（5-2）之间的圆心角为60°~120°，成型机械臂（5-3）与混喷机械臂（5-1）之间的圆心角为30°~120°；混喷机械臂（5-1）、测量机械臂（5-2）和成型机械臂（5-3）分别通过俯仰油缸（6）与沿回转支撑（4）相连接。
5.根据权利要求4所述的集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，其特征在于：所述混喷机械臂（5-1）、测量机械臂（5-2）和成型机械臂（5-3）均包括俯仰臂（501）和伸缩臂（502），俯仰臂（501）的一端与回转支撑（4）铰接，伸缩臂（502）滑动设置在俯仰臂（501）上且通过伸缩油缸（507）与俯仰臂（501）相连接，伸缩臂（502）上设有用于连接喷浆机构或测量机构的末端支架（504），末端支架（504）通过滑移旋转机构与伸缩臂（502）相连接。
6.根据权利要求5所述的集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，其特征在于：所述滑移旋转机构包括固定座（511）、移动座（503）和球铰接座（509），固定座（511）固定在伸缩臂（502）上，移动座（503）通过滑移驱动件（508）与固定座（511）滑动连接，球铰接座（509）转动设置在移动座（503）上，球铰接座（509）与设置在移动座（503）上的转动驱动件相连接，末端支架（504）设置在球铰接座（509）上。
7.根据权利要求6所述的集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，其特征在于：所述滑移驱动件（508）为设置在固定座（511）、移动座（503）之间的伸缩油缸；所述转动驱动件包括第一球铰油缸（505）和第二球铰油缸（506），第一球铰油缸（505）和第二球铰油缸（506）正交设置。
8.根据权利要求1、4~7任一项所述的集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，其特征在于：所述喷浆机构包括喷浆嘴（11），喷浆嘴（11）活动设置在机械臂（5）上，且通过喷浆管道与混喷泵（9）相连接。
9.根据权利要求8所述的集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，其特征在于：所述测量机构包括测量传感器（10），测量传感器（10）活动设置在机械臂（5）上，且与后台控制器相连接；所述测量传感器（10）为激光传感器或超声传感器。
10.根据权利要求1或6或7或9所述的集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，其特征在于：所述成型机构包括抹平支架（12），抹平支架（12）上转动设有抹平辊（13）。
11.根据权利要求10所述的集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置，其特征在于：所述抹平支架（12）通过夹紧机构与机械臂相连接，所述夹紧机构包括设置在机械臂上的托辊（14），托辊（14）的两侧设有通过夹紧油缸（15）连接的夹爪（16），夹爪（16）相对的面上设有与抹平支架（12）相配合的压辊（17），抹平支架（12）的下部位于托辊（14）和压辊（17）之间。
12.一种集测量、混喷、智能成型于一体的混喷装置的施工方法，其特征在于：步骤如下：
S1：根据隧道洞壁情况确定单次喷射的喷射区域范围，通过轴向滑移机构将回转支撑移动到喷射区域的起始位置；
S2：根据隧道洞壁直径和测量机构的探测宽度和高度参数，确定机械臂的初始姿态和位置，使测量机构的测量传感器可以清晰探测到隧道洞壁表面光滑度数据；
S3：根据隧道洞壁需要喷射区域的角度范围，使回转支撑旋转带动测量机构转动，使测量传感器位于初始角度位置，并使成型机构能及时对喷射区域进行抹平；
S4：按照测量机构在前，喷浆机构、成型机构在后的方向开始旋转回转支撑；
S5：测量机构的测量传感器采集隧道洞壁表面的高度信息，并反馈回后台控制器；后台控制器根据测量传感器采集的隧道洞壁表面的高度信息，对喷浆机构位置和姿态进行微调，同时由混喷泵调整喷浆压力和流量对隧道洞壁进行喷浆支护；成型机构位于混喷机构的后方，对喷涂到隧道洞壁上的浆液进行抹平成型，使洞壁表面达到设定要求；
S6：一环喷浆完成后推动回转支撑向前移动一个工位，重复步骤S2~步骤S5继续进行测量、喷浆支护和成型施工。
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