CN111911179A - 一种顶管机自动控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种顶管机自动控制系统，包括检测模块、以及控制模块；检测模块用于检测顶管机刀盘运行方向是否偏差，且测定出偏差量，检测模块包括视觉相机和位移传感器；纠偏模块用于对顶管机机身方向进行调整；控制模块用于接收检测模块信号和顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号，并对信号进行判断，根据判断后的信息对纠偏模块进行发送指令，使得纠偏模块对顶管机机身方向进行调整。通过视觉相机和位移传感器的双重检测方式，对顶管机的行进方向进行实时监测，有效性高，提高纠偏效率，不需要人工手动调节，使用效率高。
Description
技术领域
本发明涉及注浆设备领域，特别是一种顶管机自动控制系统及其控制方法。
背景技术
随着我国城市建设向高层次发展，对文明施工的要求提出了更高的要求，地表的开挖作业在许多城市也受到法律和规范的制约。目前，在管线施工中，常采用的顶管机在掘进过程中，由于土质不均等因素的影响，会对顶管机刀头受力大小以及受力方向造成偏差，使得顶管机不可能按设计方向推进。
针对这种情况，现有技术采用的是如下的解决方案：(1)针对由于土质不均，地表障碍物导致刀盘方向偏差的问题，目前采取的措施是人工观察人工调节：该种方式通过控制台面板进行手动操作控制系统，完全依靠工作人员根据位置变化对手动调整液压系统，纠偏效果差，容易造成蛇形偏差。
(2)针对土质不均，顶管机刀头受力大小会随着地表土壤内部的压力进行改变，目前采取的措施是将顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号，传送给顶管机控制台，当刀盘电机收到负载变化的时候，输出电流信号也随之发生变化，通过工作人员对输出电流信号进行监控；如当顶管机受到阻力，刀盘压力变大时，刀盘推进速度变慢，刀盘电机负载变大，输出电流信号变大，此时需要监控的工作人员针对输出电流信号以及刀盘推进速度做出判断，对顶管机的主顶油缸推力进行调节，加大主顶油缸的推力来使得顶管机顺利推进。该种方式需要工作人员具有非常丰富的经验，对输出电流信号的判断以及调节都是根据往常的经验进行判断和调节，一旦工作人员的经验不足，将直接导致顶管机不能顺利使用。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种顶管机自动控制系统及其控制方法，其具体技术方案如下：
一种顶管机自动控制系统，包括由多个设置在顶管机上的纠偏油缸构成的纠偏模块，其特征在于，还包括检测模块、以及控制模块；
所述检测模块用于检测顶管机刀盘运行方向是否偏差，且测定出偏差量；
所述纠偏模块用于对顶管机机身方向进行调整；
所述控制模块用于接收检测模块信号和顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号，并对信号进行判断，根据判断后的信息对纠偏模块进行发送指令，使得纠偏模块对顶管机机身方向进行调整。
进一步的，所述检测模块包括安装于顶管机工作的井内的激光器、竖直安装在顶管机机头上的透明光靶、安装在透明光靶一侧的视觉相机；所述视觉相机包括工业相机和工业相机配合的机器视觉软件；
所述激光器的激光光束照射到所述透明光靶上形成光斑，所述视觉相机对透明光靶进行实时拍摄监测激光光速投射光斑在透明光靶上的偏移量，并通过工业相机拍照和机器视觉软件自动计算偏差位置值，计算完成后机器视觉软件将偏差位置值传送给控制模块。
进一步的，所述视觉相机位于所述透明标靶正面一侧，所述视觉相机镜头呈略微倾斜设置。
进一步的，所述视觉相机位于所述透明标靶背面一侧，所述视觉相机镜头与透明标靶呈同心正对设置。
进一步的，所述视觉相机拍摄频率为0.5～2次/s。
进一步的，工业相机拍照和机器视觉软件中对透明光靶设置有纠偏区域和极限区域；所述透明光靶为圆形结构，纠偏区域为与透明光靶圆形同心的圆形区域；极限区域为与透明光靶圆形同心的圆形区域；所述极限区域大于所述纠偏区域；光斑在透明光靶上处于纠偏区域时，通过工业相机拍照和机器视觉软件自动计算偏差位置值发送给控制模块，进行自动纠偏；光斑在透明光靶上超出纠偏区域，且处于极限区域内时，工业相机拍照和机器视觉软件自动计算偏差位置值发送给控制模块，并发送报警信号给控制模块；光斑在透明光靶上超出极限区域时，工业相机拍照和机器视觉软件自动计算偏差位置值发送给控制模块，并发送放缓或停止信号给控制模块。
进一步的，所述检测模块还包括设置在顶管机机身四周的若干个位移传感器，顶管机发生位移时，位移传感器将位移数据传送给视觉相机，视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，通过反馈值来决定纠偏油缸的实际运动行程。
进一步的，所述控制模块为PLC控制器；所述控制模块通过可编程软件对顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号进行判断处理，处理完成后根据处理结果对顶管机主顶油缸进行调节，从而控制主顶油缸的推力大小。
进一步的，所述控制模块为PLC控制器；所述控制模块通过可编程软件对视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值进行运算，运算完成后计算出纠偏油缸行程，运算完成后根据算出的行程对顶管机纠偏油缸的油缸电磁阀进行控制，使得纠偏油缸完成定量行程，从而控制顶管机位移方向。
一种顶管机自动控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：采集位置信号，包括视觉相机采集与位移传感器采集；
视觉相机采集位置信号：工业相机以一定的频率拍摄透明光靶上的光斑，并使用机器视觉软件进行计算偏差位置值；光斑在透明光靶上处于纠偏区域时，通过视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，发送给控制模块；光斑在透明光靶上超出纠偏区域，且处于极限区域内时，视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，并发送报警信号给控制模块；光斑在透明光靶上超出极限区域时，视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，并发送放缓或停止信号给控制模块；
步骤二：采集顶管机刀头压力数据，将顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号传送给控制模块，通过输出电流信号变化判断顶管机压力变化；
步骤三：纠偏控制，控制模块将步骤一中所采集的视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传进行运算，运算完成后计算出纠偏油缸行程，运算完成后根据算出的行程对顶管机纠偏油缸的油缸电磁阀进行控制，使得纠偏油缸完成定量行程，从而控制顶管机位移方向；
步骤四：推力控制，控制模块通将步骤二中的顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号进行判断处理，处理完成后根据处理结果对顶管机主顶油缸进行调节，从而控制主顶油缸的推力大小；
步骤五：报警控制，控制模块收到步骤一中视觉相机发送的报警信号后，控制模块将报警信息传送至显示屏显示，提醒人工操作纠偏；
步骤六：紧急放缓或停止控制，控制模块收到步骤一中视觉相机发送的放缓或停止信号后，控制模块将放缓或停止信号信息传送至显示屏上显示，并根据事先设定好的可编程软件判断主顶油缸放缓或停止；判断完成后将放缓或停止信号传递给顶管机主顶油缸，完成紧急放缓或停止控制。
本发明的有益效果是：
(1)通过视觉相机和位移传感器的双重检测方式，对顶管机的行进方向进行实时监测，有效性高，一旦偏离预先设定好的位置，视觉相机和位移传感器即发送信号给PLC控制器，PLC控制器即可通过编程好的软件对其作出判断处理，随后对顶管机的纠偏油缸进行调节，有效提高纠偏效率，不需要人工手动调节，使用效率高。
本发明的视觉相机为工业相机配合视觉软件使用，采用了透明光靶配合工业相机的方式，通过工业相机持续拍照监测，能够长时间在线进行监测，使用效果好，且工业相机与机器视觉软件可实时计算透明光靶上光斑的偏差值，该监测精度远远高于人工肉眼观测精度，准确性高。
(2)采用通过PLC控制器对顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号进行自动控制；避免由于依靠工作人员经验不足造成的误差，一旦输出电流信号发生变化或异常，PLC控制器即可通过编程好的软件对其作出判断处理，随后对顶管机的主定油缸发送相应指令，使用方便，简单，不需要人工操作，效率高，准确性高。
附图说明
图1是本发明的装置示意图。
图2是本发明视觉相机纠偏流程图。
图3是本发明透明光靶上的纠偏区域与极限区域示意图。
图4是本发明实施例1的视觉相机位置图。
图5是本发明实施例2的视觉相机位置图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本发明进行进一步描述，任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。本实施例中所提及的固定连接，固定设置、固定结构、设置均为胶粘、焊接、螺钉连接、螺栓螺母连接、铆接等本领域技术人员所知晓的公知技术。
本发明实施例中所提及的视觉相机购自于维视数字图像(北京)技术有限公司，相机为MV-EM系列千兆网工业数字相机,视觉软件为VAS(VisionAcquisitionSoftware)视觉采集软件，本发明所采用的视觉相机结构原理为该领域人员所熟知的公知技术，在本发明中不进行赘述。
本发明实施例中所提及的PLC控制器采用品牌为台达，型号为AS系列的AS218TX控制器；本发明所采用的PLC控制器原理为该领域人员所熟知的公知技术，在本发明中不进行赘述。
本发明实施例中，因顶管机地下施工距离很远，纠偏油缸在顶管机的机头中，顶管机机头距离操作台通常超过70米，距离主控柜很远，并且纠偏油缸的运动控制和主控柜间是实时数据交互，所以为了通讯的稳定，本发明PLC控制选用台达的AS系列PLC，PLC控制器与顶管机机头自带的控制柜间用CANOPEN总线通信，比现有技术RS485方式距离更远，通信更稳定。维视图像的工业相机与上位机在距离70米以内用工业以太网直连，超过70米并且在150米以内的情况下，两者间通信采用工业以太网，中间加交换机。在距离超过150米的情况下，两者间通信采用工业以太网转光纤交换机的方式。
实施例1
一种顶管机自动控制系统，包括由四个设置在顶管机上的纠偏油缸构成的纠偏模块，其特征在于，还包括检测模块、以及控制模块；
所述检测模块用于检测顶管机刀盘运行方向是否偏差，且测定出偏差量；
所述纠偏模块用于对顶管机机身方向进行调整；
所述控制模块用于接收检测模块信号和顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号，并对信号进行判断，根据判断后的信息对纠偏模块进行发送指令，使得纠偏模块对顶管机机身方向进行调整。
根据权利要求1所述的一种顶管机自动控制系统，其特征在于，所述检测模块包括安装于顶管机工作的井内的激光器、竖直安装在顶管机机头上的透明光靶、安装在透明光靶一侧的视觉相机；
所述激光器的激光光束照射到所述透明光靶上形成光斑，所述视觉相机对透明光靶进行实时拍摄监测激光光速投射光斑在透明光靶上的偏移量，并通过视觉相机自带的计算软件自动计算偏差位置值，计算完成后视觉相机将偏差位置值传送给控制模块。
进一步的，所述视觉相机位于所述透明标靶正面一侧，所述视觉相机镜头呈略微倾斜设置。本实施例采取的视觉相机方式由于视觉相机略微倾斜，如果采用普通相机拍摄，所拍摄画面会有轻微畸变。但是由于本专利采用的视觉相机有标定功能，即使有些许倾斜，也不会有畸变问题。
进一步的，所述视觉相机拍摄频率为1次/s。
进一步的，工业相机拍照和机器视觉软件中对透明光靶设置有纠偏区域和极限区域；所述透明光靶为圆形结构，纠偏区域为与透明光靶圆形同心的圆形区域；极限区域为与透明光靶圆形同心的圆形区域；所述极限区域大于所述纠偏区域；光斑在透明光靶上处于纠偏区域时，通过工业相机拍照和机器视觉软件自动计算偏差位置值发送给控制模块，进行自动纠偏；光斑在透明光靶上超出纠偏区域，且处于极限区域内时，工业相机拍照和机器视觉软件自动计算偏差位置值发送给控制模块，并发送报警信号给控制模块；光斑在透明光靶上超出极限区域时，工业相机拍照和机器视觉软件自动计算偏差位置值发送给控制模块，并发送放缓或停止信号给控制模块。
进一步的，所述检测模块还包括设置在顶管机机身四周的若干个位移传感器，顶管机发生位移时，位移传感器将位移数据传送给视觉相机，视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，通过反馈值来决定纠偏油缸的实际运动行程。
进一步的，所述控制模块为PLC控制器；所述控制模块通过可编程软件对顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号进行判断处理，处理完成后根据处理结果对顶管机主顶油缸进行调节，从而控制主顶油缸的推力大小。
进一步的，所述控制模块为PLC控制器；所述控制模块通过可编程软件对视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值进行运算，运算完成后计算出纠偏油缸行程，运算完成后根据算出的行程对顶管机纠偏油缸的油缸电磁阀进行控制，使得纠偏油缸完成定量行程，从而控制顶管机位移方向。
一种顶管机自动控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：采集位置信号，包括视觉相机采集与位移传感器采集；
视觉相机采集位置信号：工业相机以一定的频率拍摄透明光靶上的光斑，并使用机器视觉软件进行计算偏差位置值；光斑在透明光靶上处于纠偏区域时，通过视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，发送给控制模块；光斑在透明光靶上超出纠偏区域，且处于极限区域内时，视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，并发送报警信号给控制模块；光斑在透明光靶上超出极限区域时，视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，并发送放缓或停止信号给控制模块；
步骤二：采集顶管机刀头压力数据，将顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号传送给控制模块，通过输出电流信号变化判断顶管机压力变化；
步骤三：纠偏控制，控制模块将步骤一中所采集的视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传进行运算，运算完成后计算出纠偏油缸行程，运算完成后根据算出的行程对顶管机纠偏油缸的油缸电磁阀进行控制，使得纠偏油缸完成定量行程，从而控制顶管机位移方向；
步骤四：推力控制，控制模块通将步骤二中的顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号进行判断处理，处理完成后根据处理结果对顶管机主顶油缸进行调节，从而控制主顶油缸的推力大小；
步骤五：报警控制，控制模块收到步骤一中视觉相机发送的报警信号后，控制模块将报警信息传送至显示屏显示，提醒人工操作纠偏；
步骤六：紧急放缓或停止控制，控制模块收到步骤一中视觉相机发送的放缓或停止信号后，控制模块将放缓或停止信号信息传送至显示屏上显示，并根据事先设定好的可编程软件判断主顶油缸放缓或停止；判断完成后将放缓或停止信号传递给顶管机主顶油缸，完成紧急放缓或停止控制。
实施例2
与实施例1相比，本实施例不同之处在于：所述视觉相机位于所述透明标靶背面一侧，所述视觉相机镜头与透明标靶呈同心正对设置。
本实施例中采取的视觉相机位置，由于设置在透明标靶一侧，没有任何轻微角度，因此其不会发生任何画面畸变，视觉相机在透明标靶的背面拍照监测激光光斑在标靶上的偏移量，然后自动计算偏差位置值，其精确度更高。
附图标记列表：
纠偏油缸1、检测模块2、激光器21、透明光靶22、纠偏区域221、极限区域222、激光光斑223、视觉相机23、位移传感器24、PLC控制器3、顶管机4、顶管机机头41、顶管机刀头的刀盘电机42、顶管机主顶油缸43、顶管机机头控制柜44、激光光速5。
Claims (10)
1.一种顶管机自动控制系统，包括由多个设置在顶管机上的纠偏油缸构成的纠偏模块，其特征在于，还包括检测模块、以及控制模块；
所述检测模块用于检测顶管机刀盘运行方向是否偏差，且测定出偏差量；
所述纠偏模块用于对顶管机机身方向进行调整；
所述控制模块用于接收检测模块信号和顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号，并对信号进行判断，根据判断后的信息对纠偏模块进行发送指令，使得纠偏模块对顶管机机身方向进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种顶管机自动控制系统，其特征在于，所述检测模块包括安装于顶管机工作的井内的激光器、竖直安装在顶管机机头上的透明光靶、安装在透明光靶一侧的视觉相机；所述视觉相机包括工业相机和工业相机配合的机器视觉软件；
所述激光器的激光光束照射到所述透明光靶上形成光斑，所述视觉相机对透明光靶进行实时拍摄监测激光光速投射光斑在透明光靶上的偏移量，并通过工业相机拍照和机器视觉软件自动计算偏差位置值，计算完成后机器视觉软件将偏差位置值传送给控制模块。
3.根据权利要求2所述的一种顶管机自动控制系统，其特征在于，所述视觉相机位于所述透明标靶正面一侧，所述视觉相机镜头呈略微倾斜设置。
4.根据权利要求2所述的一种顶管机自动控制系统，其特征在于，所述视觉相机位于所述透明标靶背面一侧，所述视觉相机镜头与透明标靶呈同心正对设置。
5.根据权利要求2所述的一种顶管机自动控制系统，其特征在于，所述视觉相机拍摄频率为0.5～2次/s。
6.根据权利要求2所述的一种顶管机自动控制系统，其特征在于，工业相机拍照和机器视觉软件中对透明光靶设置有纠偏区域和极限区域；所述透明光靶为圆形结构，纠偏区域为与透明光靶圆形同心的圆形区域；极限区域为与透明光靶圆形同心的圆形区域；所述极限区域大于所述纠偏区域；光斑在透明光靶上处于纠偏区域时，通过工业相机拍照和机器视觉软件自动计算偏差位置值发送给控制模块，进行自动纠偏；光斑在透明光靶上超出纠偏区域，且处于极限区域内时，工业相机拍照和机器视觉软件自动计算偏差位置值发送给控制模块，并发送报警信号给控制模块；光斑在透明光靶上超出极限区域时，工业相机拍照和机器视觉软件自动计算偏差位置值发送给控制模块，并发送放缓或停止信号给控制模块。
7.根据权利要求1所述的一种顶管机自动控制系统，其特征在于，所述检测模块还包括设置在顶管机机身四周的若干个位移传感器，顶管机发生位移时，位移传感器将位移数据传送给视觉相机，视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，通过反馈值来决定纠偏油缸的实际运动行程。
8.根据权利要求1所述的一种顶管机自动控制系统，其特征在于，所述控制模块为PLC控制器；所述控制模块通过可编程软件对顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号进行判断处理，处理完成后根据处理结果对顶管机主顶油缸进行调节，从而控制主顶油缸的推力大小。
9.根据权利要求2所述的一种顶管机自动控制系统，其特征在于，所述控制模块为PLC控制器；所述控制模块通过可编程软件对视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值进行运算，运算完成后计算出纠偏油缸行程，运算完成后根据算出的行程对顶管机纠偏油缸的油缸电磁阀进行控制，使得纠偏油缸完成定量行程，从而控制顶管机位移方向。
10.一种顶管机自动控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：采集位置信号，包括视觉相机采集与位移传感器采集；
视觉相机采集位置信号：工业相机以一定的频率拍摄透明光靶上的光斑，并使用机器视觉软件进行计算偏差位置值；光斑在透明光靶上处于纠偏区域时，通过视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，发送给控制模块；光斑在透明光靶上超出纠偏区域，且处于极限区域内时，视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，并发送报警信号给控制模块；光斑在透明光靶上超出极限区域时，视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传递给控制模块，并发送放缓或停止信号给控制模块；
步骤二：采集顶管机刀头压力数据，将顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号传送给控制模块，通过输出电流信号变化判断顶管机压力变化；
步骤三：纠偏控制，控制模块将步骤一中所采集的视觉相机的机器视觉软件采集的偏移量经过运算后加上位移传感器的反馈值传进行运算，运算完成后计算出纠偏油缸行程，运算完成后根据算出的行程对顶管机纠偏油缸的油缸电磁阀进行控制，使得纠偏油缸完成定量行程，从而控制顶管机位移方向；
步骤四：推力控制，控制模块通将步骤二中的顶管机刀头的刀盘电机的输出电流信号进行判断处理，处理完成后根据处理结果对顶管机主顶油缸进行调节，从而控制主顶油缸的推力大小；
步骤五：报警控制，控制模块收到步骤一中视觉相机发送的报警信号后，控制模块将报警信息传送至显示屏显示，提醒人工操作纠偏；
步骤六：紧急放缓或停止控制，控制模块收到步骤一中视觉相机发送的放缓或停止信号后，控制模块将放缓或停止信号信息传送至显示屏上显示，并根据事先设定好的可编程软件判断主顶油缸放缓或停止；判断完成后将放缓或停止信号传递给顶管机主顶油缸，完成紧急放缓或停止控制。
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