CN113550691A - 一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，主要包括：行走轨道车、电控系统、柴油发电机、液压站、伺服液压系统、横移机构、折臂系统、钻孔系统。折臂系统可横移、回转，满足了最高施工点与最低施工点相差6650mm，侧面最近点与最远点相差1900mm的尺寸要求；钻孔系统为搭载两个钻孔电锤的多自由度旋转框式结构，满足一次同时打两个孔、打孔深度可控、两个孔的位置角度可以单独进行调节的要求。该钻孔机器人自动化和智能化程度较高，在人工标定初始施工点后，由电控系统控制液压系统，机器人按标定点位自动进行重复施工，大幅度提高钻孔效率，减轻人工劳动强度。

Description

一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法

技术领域

本发明涉及钻孔设备领域，尤其涉及一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人施工领域。

背景技术

随着我国城市轨道交通建设的快速发展，地铁隧道占比越来越多，地铁隧道受电接触网、侧壁电缆、管道以及紧急输送平台等机电安装需要在管片上钻大量的安装孔。地铁隧道钻孔面临钻孔数量大幅增加、隧道类型多种多样、施工周期日益紧张、施工要求逐年提高的现状。传统的钻孔工作利用一些工装设备代替人工作业，但自动化与智能化程度不足。

针对上述问题，对于隧道支架的安装孔钻取，中国发明专利CN 106401940120 B公开了一种地铁隧道悬挂自动打孔台车，该台车适用于盾构法形成的圆形隧道断面和明挖法形成的矩形隧道断面，能在隧道壁的不同位置同时自动打多组孔，但无法解决钻孔间距的控制、角度调整问题；实用新型专利CN 209277808 U公开了一种采用履带式底盘的隧道自动钻孔机，该设备主油缸绕横轴转动角度即工作断面范围为240°，但存在两个主要问题：一方面由于电钻安装架与主油缸安装座采用液压缸和铰链连接，电钻角度调整程度有限，不能保证钻头垂直于隧道壁面，因此不适于马蹄形、矩形、U形等断面隧道钻孔；另一方面该钻孔机不能解决两个或多个钻头同时钻孔的问题，施工效率较低。同时以上方案还存在以下问题：(1) 智能性不足，无法实现自动调整姿态、自动规避管片钢筋等方面的智能控制，无法适应现场复杂多变的施工要求；(2)无法满足目前多种类型和尺寸规格的隧道施工，包括最大施工范围，以及最小隧道界限的干涉问题。

本发明针对地铁隧道的管片钻孔施工，设计一种自动化和智能化程度较高的钻孔机器人，在人工标定初始施工点后，由电控系统控制液压系统，机器人按标定点位自动进行重复施工。在施工过程中，实现自动行走定位、自动规避管片钢筋和障碍。在结构方面，本发明采用了行走轨道车作为底层，沿轨道走行、定位；折臂系统实现在水平面上横移、回转、变幅伸缩；执行部件为搭载两个电锤的多自由度旋转框式结构，旋转角度、间距、深度灵活可调。在自动化方面，本发明采用了精密测控和液压伺服控制的方式来实现自动化，并集成了多种先进传感器编写专用算法来实现智能化。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，通过液压钻孔机器人自动完成各类型地铁隧道管片上的钻孔施工。

本发明设定沿钢轨延伸的方向为纵向，垂直于钢轨延伸的方向为横向；设定纵向安装电控柜和柴油发电机一侧为前侧，安装横移机构一侧为后侧。

本发明第一方面提供一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人，其主要包括：行走轨道车、电控系统、柴油发电机、液压站、伺服液压系统、横移机构、折臂系统、钻孔系统；行走轨道车的车辆平台上前侧布置电控柜、柴油发电机、液压站和伺服液压系统，后侧布置横移机构；横移机构上安装折臂系统，折臂系统末端执行机构为钻孔系统。

优选的是，行走轨道车用于实现机器人沿轨道行驶、纵向方向的精确进给，其主体为伺服驱动的轨道RGV台车，车辆平台底部设有4个驱动轮，驱动轮上安装电磁刹车装置。

更优选的是，行走轨道车底部前侧额外增加了一对可垂直升降的拖行轮便于高速拖行运输，电控系统能实现驱动轮与拖行轮的自动切换。

优选的是，所述柴油发电机为机器人的液压站和电控系统提供动力，机器人在数十公里的作业行程不需要外接电源。

优选的是，所述伺服液压系统按控制系统的指令驱动各相关液压元器件按序运转，并收集运转过程中的相关数据反馈至控制系统。

优选的是，所述电控系统安装在电控柜内，是以PLC为核心的控制系统，结合手持示教器，完成示教、手动运行、自动运行等控制过程。

优选的是，所述横移机构包括横移滑座和横移底座，其上分别安装齿轮、齿条，由伺服电机驱动，用于实现折臂系统在横向的精确移动，对在有限空间内达到指定施工点位且避免与隧道壁干涉有重要意义。

优选的是，所述折臂系统主要包括底座、折臂回转机构、主支撑臂、仰角调节液压缸、伸缩主臂、一级伸缩臂、二级伸缩臂、两级液压缸。

优选的是，所述折臂系统底座安装在横移滑座上，其上安装折臂回转机构，折臂系统满足了最高施工点与最低施工点相差6650mm，侧面最近点与最远点相差1900mm的尺寸要求。

更优选的是，所述折臂回转机构加装角度传感器，配合伺服液压系统和电控系统实现闭环控制，实现折臂系统的360°转动。

更优选的是，所述主支撑臂用于支撑伸缩主臂和仰角调节液压缸。

更优选的是，所述仰角调节液压缸上安装角度传感器，通过伺服液压系统和电控系统调节油缸伸缩量，实现伸缩主臂的角度控制：在任一回转位置，伸缩主臂与水平面的夹角调节范围为-65°～90°。

更优选的是，所述两级液压缸为伸缩式液压缸，加装拉线式位移传感器，通过伺服液压系统和电控系统实现一级伸缩臂和二级伸缩臂的逐级伸缩。

优选的是，所述钻孔系统主要包括回转连接机构、主框架、前部框架、顶紧机构、1号钻孔机构、2号钻孔机构。钻孔系统为机器人的执行机构，满足一次同时打两个孔、打孔深度可控、两个孔的位置角度可以单独进行调节的要求。通过传感器、电控系统和伺服液压系统可精确控制钻孔深度、调节钻孔角度和位置间距，以及监测打孔过程。

优选的是，所述主框架和前部框架都由钢型材组焊机加成型，兼顾了刚性与重量要求。前部框架与主框架固定连接，前部框架上左右各安装一条导轨。

优选的是，所述顶紧机构共四组，与前部框架垂直，左右侧各两组分别安装在主框架外侧。顶紧机构主要由顶紧液压缸、顶紧块、导向块组成。在钻孔施工时，顶紧液压缸沿导向块方向伸长，将顶紧块压在隧道壁面上，用于减缓钻头振动对系统的影响。

优选的是，所述回转连接机构安装在主框架上，连接折臂系统及钻孔系统。其上加装角度传感器，由伺服液压系统驱动，通过内部的双向变量马达驱动蜗轮蜗杆回转支承，带动主框架旋转，实现钻孔系统的整体回转角度调节。

优选的是，所述1号钻孔机构和2号钻孔机构结构相同，以1号钻孔机构为例说明，主要包括钻头组件、钻孔机构框架、钻头摆动机构、钻头进给机构和钻头升降机构。

优选的是，钻头升降机构（854）安装在主框架（82）内部空腔中，布置在1号钻孔机构（85）和2号钻孔机构（86）之间；钻头升降机构（854）主要由液压油缸加装拉杆式位移传感器构成，配合伺服液压系统和电控系统，通过油缸伸缩带动钻孔机构框架（855）沿前部框架（83）上安装的导轨升降滑动，从而控制1号钻孔机构和2号钻孔机构的间距位置。

优选的是，钻头组件（851）置于钻孔机构框架（855）的空腔中，主要包括电锤、电锤安装座和进给连接座；电锤固定在电锤安装座上。

优选的是，所述钻头摆动机构主要由回转马达、回转支承座、回转减速机构加装角度传感器构成；回转支承座固定在钻孔机构框架上，通过回转马达带动电锤安装座小幅度回转摆动，实现电锤角度的微调，以保证电锤钻孔与隧道壁面的垂直。

优选的是，所述钻头进给机构安装在钻头组件的进给连接座上，布置在钻孔机构框架的另一侧，主要由液压油缸加装拉杆式位移传感器构成，当电锤角度确定后，钻头进给机构用于实现钻孔深度的控制。

更优选的是，钻孔系统还安装钢筋检测传感器，用于检查定位钻孔位置是否有钢筋，并将检测数据发送至电控系统。

本发明第二方面提供一种用于地铁隧道管片钻孔的施工方法，其步骤如下：

a)人工使用手持示教器进行人工示教模式：首先拖挂行走轨道车沿钢轨进入隧道内部；然后操作横移机构和折臂系统，使钻孔系统至初始打孔点位置附近；接着控制钻孔系统的回转连接机构旋转一定角度，驱动顶紧机构顶紧在隧道壁面；最后精调1号钻孔机构和2号钻孔机构的角度、位置，控制钻孔深度进行作业；

b)设定各点施工参数，将设备调节至自动模式，该模式可进行自动行走定位、自动规避管片钢筋和障碍；

c)机器人自动按照设定参数延隧道移动完成全线打孔任务。

更多操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，不再赘述。

本发明所提供的一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法技术方案包括上述各部分的任意组合，上述各部分组件的简单变化或组合仍为本发明的保护范围。

本发明所提供的一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法效率高、适应能力强、智能化程度高：

（1）钻孔系统搭载两个电锤，采用框式结构提高刚性支撑；通过钻头升降机构调节两个电锤之间的距离，双电锤提高作业效率；通过钻头摆动机构调整电锤角度，保证两孔同时作业时与隧道壁面分别垂直；钻头进给机构控制钻孔深度；自动规避管片钢筋；

（2）钻孔系统通过回转连接机构安装在折臂系统末端，折臂系统可横移、回转、伸缩，多自由度的结构设计一方面可应用于圆形、马蹄形、矩形、U形、风机段、出入段等各种类型的隧道，另一方面具备足够的柔性，可保证最高施工点与最低施工点相差6650mm，侧面最近点与最远点相差1900mm的尺寸要求，在满足最大施工范围的同时，在最小隧道界限内不至于与隧道壁相干涉；

（3）采用了精密测控和液压伺服控制的方式来实现自动化，并集成了多种先进传感器编写专用算法来实现智能化，可针对不同的隧道进行示教，然后自行完成施工过程，特别适用于国内复杂的地铁施工环境。

附图说明

图1是本发明一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人一优选实施例结构示意图；

图2是图1所示实施例钻孔机器人的折臂系统的结构示意图；

图3是图1所示实施例钻孔机器人的钻孔系统的结构示意图；

图1—图3中数字标记分别表示：

1—行走轨道车；2—电控系统；3—柴油发电机；4—液压站；5—伺服液压系统；6—横移机构；7—折臂系统；8—钻孔系统；

11—车辆平台；12—驱动轮；61—横移底座；62—横移滑座；

71—底座；72—折臂回转机构；73—主支撑臂；74—仰角调节液压缸；75—伸缩主臂；76—两级液压缸；77—一级伸缩臂；78—二级伸缩臂；

81—回转连接机构；82—主框架；83—前部框架；84—顶紧机构；85—1号钻孔机构；86—2号钻孔机构；851—钻头组件；852—钻头摆动机构；853—钻头进给机构；854—钻头升降机构；855—钻孔机构框架。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图分别详细描述按照本发明的一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法的优选实施例。

实施例1.1：一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，用于尺寸空间较小的圆形断面、隧道壁面的最低钻孔位置施工。

本实施例中，首先拖挂行走轨道车（1）沿钢轨移动进入隧道内部，拖行轮切换为驱动轮（12）行驶，驱动轮（12）上的电磁刹车装置将钻孔机器人固定在轨道上，此时伸缩主臂（75）纵向朝后侧摆放。接着进行人工示教，标定初始施工点：先调整横移滑座（62）位置，驱动折臂回转机构（72）旋转90°，使折臂系统（7）位于垂直于钢轨的横向位置，如图1所示；再操作仰角调节液压缸（74）和两级液压缸（76）使钻孔系统（8）到达隧道壁面的最低钻孔位置附近；最后控制回转连接机构（81）的旋转角度和顶紧机构（84）顶紧液压缸的伸长量，分别调整1号钻孔机构（85）和2号钻孔机构（86）的位置和角度，垂直于隧道壁面进行钻孔，如图3所示。初始点施工完成后，设定各点施工参数，将设备调节至自动模式，该模式可进行自动行走定位、自动适应轨道变化、自动规避管片钢筋以及自动规避轨道障碍，机器人将自动按照设定钻孔位置间距等参数延隧道纵向移动完成全线打孔任务。

本实施例中，横移底座（61）固定在车辆平台（11）上，其上安装两条直线导轨，并在中间焊接一条型材安装齿条；横移滑座（62）下方安装导向滑块，沿横移底座（61）上的直线导轨运动；折臂系统（7）的底座（71）安装在横移滑座（62）上；横移滑座（62）下方还安装一个齿轮，通过伺服电机驱动齿轮齿条运动，横移滑座（62）带动折臂系统（7）实现横向移动。

本实施例中，主支撑臂（73）用于支撑伸缩主臂（75）和仰角调节油缸（74），仰角调节液压缸（74）的伸缩量为最小值，此时伸缩主臂（75）与水平面的夹角为-65°，即折臂系统（7）处于最低施工点位置，如图2所示。

本实施例中，两级液压缸（76）仅推动二级伸缩臂（78）伸长到达指定的钻孔位置附近。

本实施例中，钻孔系统（8）主要包括回转连接机构（81）、主框架（82）、前部框架（83）、顶紧机构（84）、1号钻孔机构（85）、2号钻孔机构（86）；前部框架（83）与主框架（82）固定连接，前部框架（83）上左右各安装一条导轨；回转连接机构（81）安装在主框架（82）上，连接折臂系统（7）及钻孔系统（8）；回转连接机构（81）上安装角度传感器，通过内部的双向变量马达驱动蜗轮蜗杆回转支承，带动主框架（82）旋转，实现钻孔系统（8）的整体回转角度调节；钻孔系统（8）还安装钢筋检测传感器，用于检查钻孔位置附件是否有钢筋，并将检测数据发送至电控系统。

本实施例中，1号钻孔机构（85）和2号钻孔机构（86）结构相同，主要包括钻头组件（851）、钻头摆动机构（852）、钻头进给机构（853）、钻头升降机构（854）和钻孔机构框架（855）；钻头升降机构（854）安装在主框架（82）内部空腔中，布置在1号钻孔机构（85）和2号钻孔机构（86）之间；钻头升降机构（854）主要由液压油缸加装拉杆式位移传感器构成，配合伺服液压系统（5）和电控系统（2），通过油缸伸缩带动钻孔机构框架（855）沿前部框架（83）上安装的导轨升降滑动，从而控制1号钻孔机构（85）和2号钻孔机构（86）的间距位置；钻头组件（851）置于钻孔机构框架（855）的空腔中，主要包括电锤、电锤安装座和进给连接座，电锤固定在电锤安装座上；钻头摆动机构（852）主要由回转马达、回转支承座、回转减速机构加装角度传感器构成；回转支承座固定在钻孔机构框架（855）外侧，通过回转马达带动电锤安装座小幅度回转摆动，实现电锤角度的微调，以保证电锤钻孔与隧道壁面的垂直；钻头进给机构（853）安装在钻头组件（851）的进给连接座上，布置在钻孔机构框架（855）的另一侧，主要由液压油缸加装拉杆式位移传感器构成，当电锤角度确定后，钻头进给机构（853）用于实现钻孔深度的控制。

上述实施例所述一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，能够在人工标定初始施工点后，由电控系统控制液压系统，机器人按标定点位自动进行重复施工。本发明所提供的钻孔机器人效率高、适应能力强、智能化程度高。

Claims (8)

1.一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，主要包括：行走轨道车（1）、电控系统（2）、柴油发电机（3）、液压站（4）、伺服液压系统（5）、横移机构（6）、折臂系统（7）、钻孔系统（8）以及若干传感器；

行走轨道车（1）的车辆平台（11）上前侧布置电控柜、柴油发电机（3）、液压站（4）和伺服液压系统（5），后侧布置横移机构（6）；横移机构（6）上安装折臂系统（7），折臂系统（7）的末端为钻孔系统（8）；伺服液压系统（5）按控制系统的指令驱动各相关液压元器件按序运转，并收集运转过程中的相关数据反馈至电控系统（2）；电控系统（2）安装在电控柜内，是以PLC为核心的控制系统，在人工标定初始施工点后，由电控系统（2）控制伺服液压系统（5），机器人按标定点位自动进行重复施工。

2.如权利要求1所述的一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，其特征在于：行走轨道车（1）是伺服驱动的轨道RGV台车，包括车辆平台（11）、驱动轮（12）和拖行轮，用于实现机器人沿轨道行驶、纵向方向的精确进给；车辆平台（11）底部设有四个驱动轮（12），驱动轮（12）上安装电磁刹车装置；前侧额外增加了一对可垂直升降的拖行轮便于高速拖行运输，电控系统能实现驱动轮与拖行轮的自动切换。

3.如权利要求1所述的一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，其特征在于：横移机构（6）包括横移底座（61）和横移滑座（62）；横移底座（61）固定在车辆平台（11）上，其上安装两条直线导轨，并在中间焊接一条型材安装齿条；横移滑座（62）下方安装导向滑块，沿横移底座（61）上的直线导轨运动；折臂系统（7）的底座（71）安装在横移滑座（62）上；横移滑座（62）下方还安装一个齿轮，通过伺服电机驱动齿轮齿条运动，横移滑座（62）带动折臂系统（7）实现横向移动。

4.如权利要求1所述的一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，其特征在于：折臂系统（7）主要包括底座（71）、折臂回转机构（72）、主支撑臂（73）、仰角调节液压缸（74）、伸缩主臂（75）、两级液压缸（76）、一级伸缩臂（77）、二级伸缩臂（78）。

5.如权利要求4所述的一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，其特征在于：折臂回转机构（72）安装在底座（71）上，转动范围为360°；主支撑臂（73）用于支撑伸缩主臂（75）和仰角调节液压缸（74）；仰角调节液压缸（74）上安装角度传感器，通过伺服液压系统（5）和电控系统（2）调节仰角调节液压缸（74）的伸缩量，实现伸缩主臂（75）的角度控制：伸缩主臂（75）与水平面的夹角调节范围为-65°～90°；两级液压缸（76）为伸缩式液压缸，加装拉线式位移传感器，用于实现一级伸缩臂（77）和二级伸缩臂（78）的逐级伸缩；折臂系统（7）满足了最高施工点与最低施工点相差6650mm、侧面最近点与最远点相差1900mm的尺寸要求。

6.如权利要求1所述的一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，其特征在于：钻孔系统（8）主要包括回转连接机构（81）、主框架（82）、前部框架（83）、顶紧机构（84）、1号钻孔机构（85）、2号钻孔机构（86）；前部框架（83）与主框架（82）固定连接，前部框架（83）上左右各安装一条导轨；回转连接机构（81）安装在主框架（82）上，连接折臂系统（7）及钻孔系统（8）；回转连接机构（81）上安装角度传感器，通过内部的双向变量马达驱动蜗轮蜗杆回转支承，带动主框架（82）旋转，实现钻孔系统（8）的整体回转角度调节；钻孔系统（8）还安装钢筋检测传感器，用于检查钻孔位置附件是否有钢筋，并将检测数据发送至电控系统。

7.如权利要求6所述的一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，其特征在于：1号钻孔机构（85）和2号钻孔机构（86）结构相同，主要包括钻头组件（851）、钻头摆动机构（852）、钻头进给机构（853）、钻头升降机构（854）和钻孔机构框架（855）；

钻头升降机构（854）安装在主框架（82）内部空腔中，布置在1号钻孔机构（85）和2号钻孔机构（86）之间；钻头升降机构（854）主要由液压油缸加装拉杆式位移传感器构成，配合伺服液压系统（5）和电控系统（2），通过油缸伸缩带动钻孔机构框架（855）沿前部框架（83）上安装的导轨升降滑动，从而控制1号钻孔机构（85）和2号钻孔机构（86）的间距位置；

钻头组件（851）置于钻孔机构框架（855）的空腔中，主要包括电锤、电锤安装座和进给连接座，电锤固定在电锤安装座上；

钻头摆动机构（852）主要由回转马达、回转支承座、回转减速机构加装角度传感器构成；回转支承座固定在钻孔机构框架（855）外侧，通过回转马达带动电锤安装座小幅度回转摆动，实现电锤角度的微调，以保证电锤钻孔与隧道壁面的垂直；

钻头进给机构（853）安装在钻头组件（851）的进给连接座上，布置在钻孔机构框架（855）的另一侧，主要由液压油缸加装拉杆式位移传感器构成，当电锤角度确定后，钻头进给机构（853）用于实现钻孔深度的控制。

8.如权利要求1所述的一种用于地铁隧道管片钻孔的机器人及施工方法，其特征在于：按以下步骤操作，机器人可自动进行重复施工：

a)人工使用手持示教器进行人工示教模式：首先拖挂行走轨道车（1）沿钢轨进入隧道内部；然后操作横移机构（6）和折臂系统（7），使钻孔系统（8）至初始打孔点位置附近；接着控制钻孔系统（8）的回转连接机构（81）旋转一定角度，驱动顶紧机构（84）顶紧在隧道壁面；最后精调1号钻孔机构（85）和2号钻孔机构（86）的角度、位置，驱动电锤进给进行打孔；

b)设定各点施工位置参数，将设备调节至自动模式，该模式可进行自动行走定位、自动适应轨道变化、自动规避管片钢筋和障碍；

c)机器人自动按照设定参数延隧道移动完成全线打孔任务。

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