CN113250718B - 基于自动巡航的管片智能化拼装系统及其拼装方法 - Google Patents

Abstract

基于自动巡航的管片智能化拼装系统及其拼装方法，包括内部行走机构、固定在内部行走机构外围的移动盘体、啮合连接在移动盘体上的旋转机构和固定在旋转机构上的机械臂操作台，内部行走机构包括行走机构、设于行走机构上的数据处理机构、行走梁和用于驱动行走机构沿行走梁运动的液压行走油缸，机械臂操作台上设有图像识别机构和机械臂。本发明通过管片提取定位机械臂提取管片至待安装区域，通过螺栓孔对正微调感应机械臂检查管片上螺栓孔是否对准，后通过螺栓安装紧固双头机械臂对螺栓紧固，完成管片安装过程，整个过程高效便捷，施工智能化，减少管片拼装作业人员，避免作业人员长期隧道内施工作业身体健康受到损害，节约人力成本，降低施工成本。

Description

基于自动巡航的管片智能化拼装系统及其拼装方法

技术领域

本发明属于盾构施工技术领域，具体属于基于自动巡航的管片智能化拼装系统及其拼装方法。

背景技术

地铁的修建往往通过人口密集区，所以无法大面积进行地表开挖，需要采用盾构开挖技术。盾构法施工虽有掘进速率快、施工质量高、对周边环境干扰小、施工安全性较高等优势，也在我国的应用迎来了发展高潮，但施工智能化、自动化还处于初期探索阶段，需要大量的人工干预，大部分环节需要人员操作，只有极少部分可以实现少人化或无人化。隧道内管片拼装采用拼装机配合工人完成的，人工安装、紧固、复紧管片螺栓，智能化程度低，管片拼装作业人员频繁操作易发生疲劳，管片拼装固定不到位发生人身伤害事故，长期在隧道内施工也易造成作业人员健康受损，再加上劳务作业人员老龄化原因，制约着盾构的施工效率，增加了施工成本。

发明内容

本发明的目的是提供基于自动巡航的管片智能化拼装系统及其拼装方法，要解决现有技术人工拼装盾构管片耗时耗力、管片拼装效率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于自动巡航的管片智能化拼装系统，其特征在于：包括内部行走机构、固定在内部行走机构外围的移动盘体、啮合连接在移动盘体上的旋转机构和固定在旋转机构上的机械臂操作台，所述内部行走机构对称设于盾尾内部腰线部位，包括行走机构、设于行走机构上的数据处理机构、行走梁和用于驱动行走机构沿行走梁运动的液压行走油缸，所述行走梁为悬臂结构，一端与中盾H梁连接，所述行走机构上设有嵌设在行走梁上翼缘板和下翼缘板之间的行走轮；所述机械臂操作台通过悬挑托架连接杆与旋转机构固定，所述旋转机构包括回转盘体、回转支撑、与回转支撑的齿圈啮合连接的小齿轮、与小齿轮连接的传动轴、与传动轴连接的固定安装在移动盘体上的回转液压马达，所述悬挑托架连接杆与回转盘体固定，机械臂操作台上设有图像识别机构和机械臂，所述机械臂包括螺栓孔对正微调感应机械臂、管片提取定位机械臂和螺栓安装紧固双头机械臂。

进一步优选地，两台所述图像识别机构对称设于机械臂操作台前端两侧。

进一步地，所述旋转机构包括回转盘体、回转支撑、与回转支撑的齿圈啮合连接的小齿轮、与小齿轮连接的传动轴、与传动轴连接且固定安装在移动盘体上的回转液压马达。

进一步地，所述螺栓孔对正微调感应机械臂包括可伸缩机械臂和位于可伸缩机械臂端部的螺杆和三维扫描仪器。

进一步地，所述管片提取定位机械臂包括可伸缩机械臂和位于可伸缩机械臂上的真空吸盘，所述真空吸盘设置带有变频控制器的蓄能器，变频器通过有线形式与数据处理机构连接。

进一步地，所述螺栓安装紧固双头机械臂包括可伸缩机械臂和位于可伸缩机械臂端部的三抓式机械手和螺母紧固机械手，所述三抓式机械手和螺母紧固机械手端部分别设有六角凹槽和气动扳手。

更加优选地，所述可伸缩机械臂包括若干节机械臂单元和连接在械臂单元之间、机械臂单元与机械臂操作台之间的关节轴承油缸。

基于自动巡航的管片智能化拼装系统的管片拼装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，信息录入存储：向数据处理机构内录入存储隧道信息、盾构机三维信息、管片拼装顺序信息、管片类型信息、管片螺栓孔信息等相关信息；

步骤二，机械臂操作台定位：数据处理机构根据内置的隧道信息、盾构机三维信息解算机械臂操作台中心位置，继而解算机械臂操作台位置；

步骤三，位移至管片正上方：盾构机工业电脑接收到管片材料已吊运到位的信息后，向智能化管片拼装系统的数据处理机构发出管片拼装的指令，数据处理机构收到该指令后，开启图像识别机构，识别喂片机上存放的拟拼装管片，提取喂片机的拟拼装管片、相对于机械臂操作台中心的方向和距离，然后向行走机构发出移动指令，行走机构接收并执行该指令，通过移动盘体带动旋转机构，继而带动机械臂移动至管片的正上方；

步骤四，抓取管片：图像识别机构再次扫描识别并提取拟拼装管片上粘贴的二维码信息，与数据处理机构内存储的一定管片拼装顺序所需的管片信息比较，确认管片信息无误后，数据处理机构向机械臂操作台上的管片提取定位机械臂下达抓取拟拼装所需的管片的指令，机械臂启动，管片提取定位机械臂的真空吸盘吸取该管片；

步骤五，定位管片至待安装位置：根据数据处理机构存储的拟拼装管片的拼装点位、图像识别机构识别的待连接的拼装管片的位置，解算出拟拼装管片的具体位置，然后向行走机构和旋转机构的液压回转马达下达指令，行走机构带动旋转机构直线行走，液压回转马达带动旋转机构旋转，将拟拼装管片直线位移和/或旋转至待拼装区域，然后调整对齐；

步骤六，调整对齐拟拼装管片：调整对齐的过程中，首先利用图像识别机构和数据处理机构识别判断拟拼装管片与待连接的拼装管片相接的临边是否顺平，若不顺平则利用管片提取定位机械臂微调，直至顺平；

步骤七，固定拟拼装管片：当拟拼装管片与待连接的拼装管片临边顺平后，信息反馈至数据处理机构，数据处理结构向盾构机工业电脑反馈拟拼装管片已调整到位，盾构机工业电脑向中盾上的推进千斤顶下达指令，中盾上的推进千斤顶顶出顶紧拟拼装管片；待推进千斤顶顶管拟拼装管片后，数据处理机构随后启动螺栓孔对正微调感应机械臂，螺栓孔对正微调感应机械臂上螺杆前端的三维扫描仪深入到拟拼装管片与待连接的拼装管片相接的螺栓孔内，取得该螺栓孔的三维模型数据，并与数据处理机构内存储的平滑通顺的螺栓孔三维数据比对，在允许偏差范围内，则缩回螺栓孔对正微调感应机械臂，启动螺栓安装紧固双头机械臂，通过三爪式机械手上的六角凹槽抓取螺栓，并将螺栓插入到所述螺栓孔内，待螺栓安装到位后，带气动扳手的机械手紧固螺母；

步骤八：顺次安装标准块、临接块和封顶块：按照上述顺序顺次根据管片拼装顺序，依次安装标准块、临接块和封顶块，直至完成一环隧道管片的安装工作，然后等待重复下一环隧道管片的安装工作。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明通过行走机构带动旋转机构直线行走，液压回转马达带动旋转机构旋转，定位至管片上方后，管片提取定位机械臂提取管片至待安装区域，通过螺栓孔对正微调感应机械臂检查管片上螺栓孔是否对准，之后通过螺栓安装紧固双头机械臂对螺栓紧固，完成管片安装过程，整个过程高效便捷，快速、准确，施工智能化，减少管片拼装作业人员，避免作业人员长期隧道内施工作业身体健康受到损害，节约人力成本，降低施工成本。

附图说明

图1为本发明为基于自动巡航的管片智能化拼装系统的结构示意图；

图2为图1中A部放大结构示意图。

附图标记：1-移动盘体；2-机械臂操作台；3-行走机构；4-行走梁；5-液压行走油缸；6-数据处理机构；7-悬挑托架连接杆；8-行走轮；9-螺栓孔对正微调感应机械臂；10-管片提取定位机械臂；11-螺栓安装紧固双头机械臂；12-图像识别机构；13-真空吸盘；14-螺杆；15-三维扫描仪器；16-三抓式机械手；17-螺母紧固机械手；18-六角凹槽；19-气动扳手；20-关节轴承油缸；21-节机械臂单元；22-旋转机构。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步说明。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

基于自动巡航的管片智能化拼装系统，如图1和2所示，包括内部行走机构、固定在内部行走机构外围的移动盘体1、啮合连接在移动盘体1上的旋转机构22和固定在旋转机构22上的机械臂操作台2，内部行走机构对称设于盾尾内部腰线部位，包括行走机构3、设于行走机构3上的数据处理机构6、行走梁4和用于驱动行走机构3沿行走梁4运动的液压行走油缸5，行走梁4为悬臂结构，一端与中盾H梁连接，行走机构3上设有嵌设在行走梁4上翼缘板和下翼缘板之间的行走轮8；机械臂操作台2通过悬挑托架连接杆7与旋转机构22固定，旋转机构22包括回转盘体、回转支撑、与回转支撑的齿圈啮合连接的小齿轮、与小齿轮连接的传动轴、与传动轴连接的固定安装在移动盘体上的回转液压马达，悬挑托架连接杆7与回转盘体固定，机械臂操作台2上设有图像识别机构12和机械臂两台图像识别机构12对称设于机械臂操作台2前端两侧。机械臂包括螺栓孔对正微调感应机械臂9、管片提取定位机械臂10和螺栓安装紧固双头机械臂11。

旋转机构22包括回转盘体、回转支撑、与回转支撑的齿圈啮合连接的小齿轮、与小齿轮连接的传动轴、与传动轴连接且固定安装在移动盘体1上的回转液压马达，螺栓孔对正微调感应机械臂9包括可伸缩机械臂和位于可伸缩机械臂端部的螺杆14和三维扫描仪器15，管片提取定位机械臂10包括可伸缩机械臂和位于可伸缩机械臂上的真空吸盘13，真空吸盘13设置带有变频控制器的蓄能器，变频器通过有线形式与数据处理机构6连接，螺栓安装紧固双头机械臂11包括可伸缩机械臂和位于可伸缩机械臂端部的三抓式机械手16和螺母紧固机械手17，三抓式机械手16和螺母紧固机械手17端部分别设有六角凹槽18和气动扳手19。可伸缩机械臂包括若干节机械臂单元21和连接在械臂单元21之间、机械臂单元21与机械臂操作台2之间的关节轴承油缸20。

基于自动巡航的管片智能化拼装系统的管片拼装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，信息录入存储：向数据处理机构6内录入存储隧道信息、盾构机三维信息、管片拼装顺序信息、管片类型信息、管片螺栓孔信息等相关信息；

步骤二，机械臂操作台2定位：数据处理机构6根据内置的隧道信息、盾构机三维信息解算机械臂操作台2中心位置，继而解算机械臂操作台2位置；

步骤三，位移至管片正上方：盾构机工业电脑接收到管片材料已吊运到位的信息后，向智能化管片拼装系统的数据处理机构6发出管片拼装的指令，数据处理机构6收到该指令后，开启图像识别机构12，识别喂片机上存放的拟拼装管片，提取喂片机的拟拼装管片、相对于机械臂操作台中心的方向和距离，然后向行走机构3发出移动指令，行走机构3接收并执行该指令，通过移动盘体1带动旋转机构22，继而带动机械臂移动至管片的正上方；

步骤四，抓取管片：图像识别机构12再次扫描识别并提取拟拼装管片上粘贴的二维码信息，与数据处理机构6内存储的一定管片拼装顺序所需的管片信息比较，确认管片信息无误后，数据处理机构6向机械臂操作台2上的管片提取定位机械臂10下达抓取拟拼装所需的管片的指令，机械臂启动，管片提取定位机械臂10的真空吸盘13吸取该管片；

步骤五，定位管片至待安装位置：根据数据处理机构6存储的拟拼装管片的拼装点位、图像识别机构12识别的待连接的拼装管片的位置，解算出拟拼装管片的具体位置，然后向行走机构3和旋转机构22的液压回转马达下达指令，行走机构3带动旋转机构22直线行走，液压回转马达带动旋转机构22旋转，将拟拼装管片直线位移和/或旋转至待拼装区域，然后调整对齐；

步骤六，调整对齐拟拼装管片：调整对齐的过程中，首先利用图像识别机构12和数据处理机构6识别判断拟拼装管片与待连接的拼装管片相接的临边是否顺平，若不顺平则利用管片提取定位机械臂10微调，直至顺平；

步骤七，固定拟拼装管片：当拟拼装管片与待连接的拼装管片临边顺平后，信息反馈至数据处理机构6，数据处理结构6向盾构机工业电脑反馈拟拼装管片已调整到位，盾构机工业电脑向中盾上的推进千斤顶下达指令，中盾上的推进千斤顶顶出顶紧拟拼装管片；待推进千斤顶顶管拟拼装管片后，数据处理机构6随后启动螺栓孔对正微调感应机械臂9，螺栓孔对正微调感应机械臂9上螺杆14前端的三维扫描仪15深入到拟拼装管片与待连接的拼装管片相接的螺栓孔内，取得该螺栓孔的三维模型数据，并与数据处理机构6内存储的平滑通顺的螺栓孔三维数据比对，在允许偏差范围内，则缩回螺栓孔对正微调感应机械臂9，启动螺栓安装紧固双头机械臂11，通过三爪式机械手16上的六角凹槽18抓取螺栓，并将螺栓插入到所述螺栓孔内，待螺栓安装到位后，带气动扳手19的机械手紧固螺母；

步骤八：顺次安装标准块、临接块和封顶块：按照上述顺序顺次根据管片拼装顺序，依次安装标准块、临接块和封顶块，直至完成一环隧道管片的安装工作，然后等待重复下一环隧道管片的安装工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (5)

1.基于自动巡航的管片智能化拼装系统，其特征在于：包括内部行走机构、固定在内部行走机构外围的移动盘体（1）、啮合连接在移动盘体（1）上的旋转机构（22）和固定在旋转机构（22）上的机械臂操作台（2），所述内部行走机构对称设于盾尾内部腰线部位，包括行走机构（3）、设于行走机构（3）上的数据处理机构（6）、行走梁（4）和用于驱动行走机构（3）沿行走梁（4）运动的液压行走油缸（5），所述行走梁（4）为悬臂结构，一端与中盾H梁连接，所述行走机构（3）上设有嵌设在行走梁（4）上翼缘板和下翼缘板之间的行走轮（8）；所述机械臂操作台（2）通过悬挑托架连接杆（7）与旋转机构（22）固定，所述旋转机构（22）包括回转盘体、回转支撑、与回转支撑的齿圈啮合连接的小齿轮、与小齿轮连接的传动轴、与传动轴连接的固定安装在移动盘体上的回转液压马达，所述悬挑托架连接杆（7）与回转盘体固定，机械臂操作台（2）上设有图像识别机构（12）和机械臂，所述机械臂包括螺栓孔对正微调感应机械臂（9）、管片提取定位机械臂（10）和螺栓安装紧固双头机械臂（11）；所述螺栓孔对正微调感应机械臂（9）包括可伸缩机械臂和位于可伸缩机械臂端部的螺杆（14）和三维扫描仪器（15）；所述管片提取定位机械臂（10）包括可伸缩机械臂和位于可伸缩机械臂上的真空吸盘（13），所述真空吸盘（13）设置带有变频控制器的蓄能器，变频器通过有线形式与数据处理机构（6）连接；所述螺栓安装紧固双头机械臂（11）包括可伸缩机械臂和位于可伸缩机械臂端部的三抓式机械手（16）和螺母紧固机械手（17），所述三抓式机械手（16）和螺母紧固机械手（17）端部分别设有六角凹槽（18）和气动扳手（19）。

2.如权利要求1所述的基于自动巡航的管片智能化拼装系统，其特征在于：两台所述图像识别机构（12）对称设于机械臂操作台（2）前端两侧。

3.如权利要求1所述的基于自动巡航的管片智能化拼装系统，其特征在于：所述旋转机构（22）包括回转盘体、回转支撑、与回转支撑的齿圈啮合连接的小齿轮、与小齿轮连接的传动轴、与传动轴连接且固定安装在移动盘体（1）上的回转液压马达。

4.如权利要求1所述的基于自动巡航的管片智能化拼装系统，其特征在于：所述可伸缩机械臂包括若干节机械臂单元（21）和连接在机械臂单元（21）之间、机械臂单元（21）与机械臂操作台（2）之间的关节轴承油缸（20）。

5.如权利要求1~4任意一项所述的基于自动巡航的管片智能化拼装系统的管片拼装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，信息录入存储：向数据处理机构（6）内录入存储隧道信息、盾构机三维信息、管片拼装顺序信息、管片类型信息、管片螺栓孔信息；

步骤二，机械臂操作台（2）定位：数据处理机构（6）根据内置的隧道信息、盾构机三维信息解算机械臂操作台（2）中心位置，继而解算机械臂操作台（2）位置；

步骤三，位移至管片正上方：盾构机工业电脑接收到管片材料已吊运到位的信息后，向智能化管片拼装系统的数据处理机构（6）发出管片拼装的指令，数据处理机构（6）收到该指令后，开启图像识别机构（12），识别喂片机上存放的拟拼装管片，提取喂片机的拟拼装管片、相对于机械臂操作台中心的方向和距离，然后向行走机构（3）发出移动指令，行走机构（3）接收并执行该指令，通过移动盘体（1）带动旋转机构（22），继而带动机械臂移动至管片的正上方；

步骤四，抓取管片：图像识别机构（12）再次扫描识别并提取拟拼装管片上粘贴的二维码信息，与数据处理机构（6）内存储的一定管片拼装顺序所需的管片信息比较，确认管片信息无误后，数据处理机构（6）向机械臂操作台（2）上的管片提取定位机械臂（10）下达抓取拟拼装所需的管片的指令，机械臂启动，管片提取定位机械臂（10）的真空吸盘（13）吸取该管片；

步骤五，定位管片至待安装位置：根据数据处理机构（6）存储的拟拼装管片的拼装点位、图像识别机构（12）识别的待连接的拼装管片的位置，解算出拟拼装管片的具体位置，然后向行走机构（3）和旋转机构（22）的液压回转马达下达指令，行走机构（3）带动旋转机构（22）直线行走，液压回转马达带动旋转机构（22）旋转，将拟拼装管片直线位移和/或旋转至待拼装区域，然后调整对齐；

步骤六，调整对齐拟拼装管片：调整对齐的过程中，首先利用图像识别机构（12）和数据处理机构（6）识别判断拟拼装管片与待连接的拼装管片相接的临边是否顺平，若不顺平则利用管片提取定位机械臂（10）微调，直至顺平；

步骤七，固定拟拼装管片：当拟拼装管片与待连接的拼装管片临边顺平后，信息反馈至数据处理机构（6），数据处理结构（6）向盾构机工业电脑反馈拟拼装管片已调整到位，盾构机工业电脑向中盾上的推进千斤顶下达指令，中盾上的推进千斤顶顶出顶紧拟拼装管片；待推进千斤顶顶管拟拼装管片后，数据处理机构（6）随后启动螺栓孔对正微调感应机械臂（9），螺栓孔对正微调感应机械臂（9）上螺杆（14）前端的三维扫描仪（15）深入到拟拼装管片与待连接的拼装管片相接的螺栓孔内，取得该螺栓孔的三维模型数据，并与数据处理机构（6）内存储的平滑通顺的螺栓孔三维数据比对，在允许偏差范围内，则缩回螺栓孔对正微调感应机械臂（9），启动螺栓安装紧固双头机械臂（11），通过三爪式机械手（16）上的六角凹槽（18）抓取螺栓，并将螺栓插入到所述螺栓孔内，待螺栓安装到位后，带气动扳手（19）的机械手紧固螺母；

步骤八：顺次安装标准块、临接块和封顶块：按照上述顺序顺次根据管片拼装顺序，依次安装标准块、临接块和封顶块，直至完成一环隧道管片的安装工作，然后等待重复下一环隧道管片的安装工作。

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