CN113622928A - 一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置及控制方法，涉及隧道工程和盾构装备制造技术领域，包括主机架、主支腿、主支腿油缸、横移油缸、底板、副机架、副支腿、副支腿油缸、步进油缸、导轨和导向轮；有益效果在于：实现了弧形件安装设备在隧道弧形件内部狭小空间的自动穿行步进，为弧形件无人化安装作业奠定了基础；采用步进的运动形式，使装置能够适应隧道内部复杂的作业环境，实现灵活移动；采用穿行的结构形式，使装置处于弧形件内部，充分利用了弧形件结构空间，避免与其他施工工序相互干涉，提高了隧道施工效率；采用激光位移传感器实现装置与弧形件的自动、实时、高精度定位，便于实现装置的自动化控制。

Description

一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置及控制方法

技术领域

本发明涉及隧道工程和盾构装备制造技术领域，特别是涉及一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置及控制方法。

背景技术

隧道由盾构机开挖完成并拼装管片后，需要进一步建造内部结构以满足公路或轨道交通运营需要，弧形件位于隧道下部，紧邻管片布置，是装配式隧道内部结构的重要组成部分，弧形件运输至隧道内安装作业面后，需将其按一定姿态与已安装好的相邻弧形件进行定位和组装，但是由于隧道内部空间有限，同时存在设备物资的内运、外运，弧形件采用盾构机自带的吊机进行安装，不仅位姿调整困难、难以保证安装精度，而且占用吊机作业时间，影响其他物料的运输，极大的制约了隧道施工效率，因此，有必要结合弧形件及隧道结构特点设计专用施工装备。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置及控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置及控制方法，包括主机架、主支腿箱、主支腿、主支腿油缸、横移油缸、底板、副机架、副支腿箱、副支腿、副支腿油缸、步进油缸、导轨、导向轮、弧形件和隧道管片；所述主机架和所述主支腿箱固定连接，所述主支腿插入所述主支腿箱内部，所述主支腿油缸置于所述主支腿箱和所述主支腿内部，所述主支腿油缸一端连接所述主支腿箱，另一端连接所述主支腿；所述主支腿在所述主支腿油缸的作用下相对所述主支腿箱进行上下伸缩；所述主支腿下部支撑在所述底板上，所述主支腿下端为圆头，所述底板上表面对应所述主支腿下端开设有滑槽，所述主支腿的下端卡在所述底板上的滑槽内滑动；所述底板下部为圆弧面，且圆弧直径与隧道管片内径相等，所述底板通过下部的圆弧面支撑在所述隧道管片内壁上，从而支撑所述主机架；所述副机架和所述副支腿箱固定连接，所述副支腿插入所述副支腿箱内部，所述副支腿油缸置于所述副支腿箱和所述副支腿内部，所述副支腿油缸一端连接所述副支腿箱，另一端连接所述副支腿；所述副支腿在所述副支腿油缸的作用下相对所述副支腿箱进行上下伸缩；所述副支腿下部为圆弧面，圆弧直径与管片内径相等，所述副支腿通过弧面支撑在所述隧道管片内壁上，从而支撑所述副机架；所述步进油缸一端连接所述主机架，另一端连接所述副机架，其伸缩方向与前进方向相同；所述导轨固定在所述主机架上，其方向与所述步进油缸平行；所述导向轮固定在所述副机架上，与导轨配合使用，在所述步进油缸驱动下所述主机架和所述副机架的相对运动。

优选的：所述副机架侧面安装有第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，所述第一激光测距传感器和所述第二激光测距传感器的距离等于所述弧形件的厚度尺寸，分别用于测量所述副机架与已安装的所述弧形件内部侧壁的距离和方向偏移量；后侧的所述底板上安装有第三激光测距传感器，前侧的所述底板上安装有第四激光测距传感器，分别用于测量所述底板与所述弧形件底部开口侧面的距离，从而确定所述主机架相对已安装的所述弧形件的前后相对位置。

优选的：所述主支腿油缸、所述副支腿油缸、所述步进油缸和所述横移油缸上均安装有位移传感器，用于实时反馈各油缸的位移量。

上述一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置的控制方法，包括以下步骤：

a、初始时，步进油缸全伸，主支腿伸出并通过底板支撑在隧道管片内壁上，副支腿全缩，前部主支腿和前部副支腿共面；

b、安装于副机架上的第一测距传感器和第二测距传感器实时监测副机架与已安装弧形件内部侧壁的距离，结合弧形件的结构尺寸、副机架的结构尺寸及其位置关系，可以计算出主机架与弧形件在左右方向的相对位置；

c、安装于底板上的第三测距传感器和第四测距传感器实时监测底板与弧形件底部开口在前后方向的距离，结合弧形件的结构尺寸、底板的结构尺寸及其位置关系，可以计算出主机架与弧形件在前后方向的相对位置，同时计算出步进油缸所需的动作距离；

d、随后，副支腿伸出支撑在隧道管片上，主支腿回缩，步进油缸根据计算出的动作距离进行回缩，带动主机架前移，使主支腿定位至下一弧形件的开口中心位置，主支腿伸出支撑在隧道管片上，副支腿回缩，完成一次步进；

e、在此过程中，副机架上的第一测距传感器和第二测距传感器记录副机架相对弧形件侧壁位置的变化情况，判断行走是否出现横向偏移，如果偏移量超出预设误差范围，调整横移油缸动作，矫正步进方向；

f、如此循环动作，即可实现装置在弧形件内部狭小空间内的步进运动，将弧形件安装设备移动到作业位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、实现了弧形件安装设备在隧道弧形件内部狭小空间的自动穿行步进，为弧形件无人化安装作业奠定了基础；

2、采用步进的运动形式，使装置能够适应隧道内部复杂的作业环境，实现灵活移动；

3、采用穿行的结构形式，使装置处于弧形件内部，充分利用了弧形件结构空间，避免与其他施工工序相互干涉，提高了隧道施工效率；

4、采用激光位移传感器实现装置与弧形件的自动、实时、高精度定位，便于实现装置的自动化控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置的立体结构示意图。

图2是本发明所述一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置的A向使用状态结构示意图。

图3是本发明所述一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置的弧形板的左视图。

图4是本发明所述一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置的弧形板的主视图。

图5是本发明所述一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置的主视使用状态结构示意图。

图6是本发明所述一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置的俯视使用状态结构示意图。

图7是本发明所述一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置的右视使用状态结构示意图。

图8是本发明所述一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置的控制方法的流程框图。

附图标记说明如下：

1、主机架；2、主支腿箱；3、主支腿；4、主支腿油缸；5、横移油缸；6、底板；7、副机架；8、副支腿箱；9、副支腿；10、副支腿油缸；11、步进油缸；12、导轨；13、导向轮；14、第一测距传感器；15、第二测距传感器；16、第三测距传感器；17、第四测距传感器；18、弧形件；19、隧道管片。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置及控制方法，包括主机架1、主支腿3箱2、主支腿3、主支腿3油缸、横移油缸5、底板6、副机架7、副支腿9箱8、副支腿9、副支腿9油缸、步进油缸11、导轨12、导向轮13、弧形件18和隧道管片19；所述主机架1和所述主支腿3箱2固定连接，所述主支腿3插入所述主支腿3箱2内部，所述主支腿3油缸置于所述主支腿3箱2和所述主支腿3内部，所述主支腿3油缸一端连接所述主支腿3箱2，另一端连接所述主支腿3；所述主支腿3在所述主支腿3油缸的作用下相对所述主支腿3箱2进行上下伸缩；所述主支腿3下部支撑在所述底板6上，所述主支腿3下端为圆头，所述底板6上表面对应所述主支腿3下端开设有滑槽，所述主支腿3的下端卡在所述底板6上的滑槽内滑动；所述底板6下部为圆弧面，且圆弧直径与隧道管片19内径相等，所述底板6通过下部的圆弧面支撑在所述隧道管片19内壁上，从而支撑所述主机架1；所述副机架7和所述副支腿9箱8固定连接，所述副支腿9插入所述副支腿9箱8内部，所述副支腿9油缸置于所述副支腿9箱8和所述副支腿9内部，所述副支腿9油缸一端连接所述副支腿9箱8，另一端连接所述副支腿9；所述副支腿9在所述副支腿9油缸的作用下相对所述副支腿9箱8进行上下伸缩；所述副支腿9下部为圆弧面，圆弧直径与管片内径相等，所述副支腿9通过弧面支撑在所述隧道管片19内壁上，从而支撑所述副机架7；所述步进油缸11一端连接所述主机架1，另一端连接所述副机架7，其伸缩方向与前进方向相同；所述导轨12固定在所述主机架1上，其方向与所述步进油缸11平行；所述导向轮13固定在所述副机架7上，与导轨12配合使用，在所述步进油缸11驱动下所述主机架1和所述副机架7的相对运动；所述副机架7侧面安装有第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，所述第一激光测距传感器和所述第二激光测距传感器的距离等于所述弧形件18的厚度尺寸，分别用于测量所述副机架7与已安装的所述弧形件18内部侧壁的距离和方向偏移量；后侧的所述底板6上安装有第三激光测距传感器，前侧的所述底板6上安装有第四激光测距传感器，分别用于测量所述底板6与所述弧形件18底部开口侧面的距离，从而确定所述主机架1相对已安装的所述弧形件18的前后相对位置；所述主支腿3油缸、所述副支腿9油缸、所述步进油缸11和所述横移油缸5上均安装有位移传感器，用于实时反馈各油缸的位移量。

如图1所示，初始状态下，步进油缸11全伸，行程为X0；主支腿3伸出并通过底板6支撑在隧道管片19内壁上，副支腿9全缩，前部主支腿3和前部副支腿9共面。

弧形件18和隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置的结构尺寸及两者相对位置关系如图2-图7所示，执行步进动作前，首先通过第一激光测距传感器14、第二激光测距传感器15测量与已安装弧形件18内部侧壁的距离c3、c4；根据几何关系，可以计算出装置在前进方向的角度偏移量为：

当该角度偏移量超出误差允许值时，可以采用任意一端的横移油缸5调整，根据几何关系，横移油缸5所需的调整量为：

然后通过第四激光测距传感器16测量后部底板6与已安装弧形件18底部开口侧壁的距离c1，为使后部的主支腿3前移后前后能落入相邻弧形件18底部开口中部，根据几何关系可以计算出步进油缸11所需动作的距离为：

测量、计算并执行完角度偏移量调整动作后，开始执行步进动作，过程如下：

副支腿9伸出支撑在管片上，主支腿3回缩；

步进油缸11根据计算出的动作距离x1进行回缩，带动主机架1前移，使主支腿3定位至相邻弧形件18开口中心位置；

主支腿3伸出支撑在隧道管片19上，副支腿9回缩，完成一次步进；

步进过程中，所有激光测距传感器进行实时监测，据此判断装置位置变化情况，每次步进完成后，如果偏移量超出允许误差范围，通过调整横移油缸5矫正步进方向，准备下一次步进，如此循环动作，即可实现装置在隧道弧形件内部狭小空间内的步进运动，将弧形件18的安装设备移动到作业位置，装置整个步进过程的控制逻辑如图8所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置，其特征在于：包括主机架（1）、主支腿箱（2）、主支腿（3）、主支腿油缸（4）、横移油缸（5）、底板（6）、副机架（7）、副支腿箱（8）、副支腿（9）、副支腿油缸（10）、步进油缸（11）、导轨（12）、导向轮（13）、弧形件（18）和隧道管片（19）；

所述主机架（1）和所述主支腿箱（2）固定连接，所述主支腿（3）插入所述主支腿箱（2）内部，所述主支腿油缸（4）置于所述主支腿箱（2）和所述主支腿（3）内部，所述主支腿油缸（4）一端连接所述主支腿箱（2），另一端连接所述主支腿（3）；所述主支腿（3）在所述主支腿油缸（4）的作用下相对所述主支腿箱（2）进行上下伸缩；所述主支腿（3）下部支撑在所述底板（6）上，所述主支腿（3）下端为圆头，所述底板（6）上表面对应所述主支腿（3）下端开设有滑槽，所述主支腿（3）的下端卡在所述底板（6）上的滑槽内滑动；所述底板（6）下部为圆弧面，且圆弧直径与隧道管片（19）内径相等，所述底板（6）通过下部的圆弧面支撑在所述隧道管片（19）内壁上，从而支撑所述主机架（1）；

所述副机架（7）和所述副支腿箱（8）固定连接，所述副支腿（9）插入所述副支腿箱（8）内部，所述副支腿油缸（10）置于所述副支腿箱（8）和所述副支腿（9）内部，所述副支腿油缸（10）一端连接所述副支腿箱（8），另一端连接所述副支腿（9）；所述副支腿（9）在所述副支腿油缸（10）的作用下相对所述副支腿箱（8）进行上下伸缩；所述副支腿（9）下部为圆弧面，圆弧直径与管片内径相等，所述副支腿（9）通过弧面支撑在所述隧道管片（19）内壁上，从而支撑所述副机架（7）；

所述步进油缸（11）一端连接所述主机架（1），另一端连接所述副机架（7），其伸缩方向与前进方向相同；所述导轨（12）固定在所述主机架（1）上，其方向与所述步进油缸（11）平行；所述导向轮（13）固定在所述副机架（7）上，与导轨（12）配合使用，在所述步进油缸（11）驱动下所述主机架（1）和所述副机架（7）的相对运动。

2.根据权利要求1所述的一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置，其特征在于：所述副机架（7）侧面安装有第一激光测距传感器（14）和第二激光测距传感器（15），所述第一激光测距传感器（14）和所述第二激光测距传感器（15）的距离等于所述弧形件（18）的厚度尺寸，分别用于测量所述副机架（7）与已安装的所述弧形件（18）内部侧壁的距离和方向偏移量；后侧的所述底板（6）上安装有第三激光测距传感器（17），前侧的所述底板（6）上安装有第四激光测距传感器（18），分别用于测量所述底板（6）与所述弧形件（18）底部开口侧面的距离，从而确定所述主机架（1）相对已安装的所述弧形件（18）的前后相对位置。

3.根据权利要求1所述的一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置，其特征在于：所述主支腿油缸（4）、所述副支腿油缸（10）、所述步进油缸（11）和所述横移油缸（5）上均安装有位移传感器，用于实时反馈各油缸的位移量。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种隧道弧形件狭小空间自动步进行走装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、初始时，步进油缸（11）全伸，主支腿（3）伸出并通过底板（6）支撑在隧道管片（19）内壁上，副支腿（9）全缩，前部主支腿（3）和前部副支腿（9）共面；

b、安装于副机架（7）上的第一测距传感器（14）和第二测距传感器（15）实时监测副机架（7）与已安装弧形件（18）内部侧壁的距离，结合弧形件（18）的结构尺寸、副机架（7）的结构尺寸及其位置关系，可以计算出主机架（1）与弧形件（18）在左右方向的相对位置；

c、安装于底板（6）上的第三测距传感器（16）和第四测距传感器（17）实时监测底板（6）与弧形件（18）底部开口在前后方向的距离，结合弧形件（18）的结构尺寸、底板（6）的结构尺寸及其位置关系，可以计算出主机架（1）与弧形件（18）在前后方向的相对位置，同时计算出步进油缸（11）所需的动作距离；

d、随后，副支腿（9）伸出支撑在隧道管片（19）上，主支腿（3）回缩，步进油缸（11）根据计算出的动作距离进行回缩，带动主机架（1）前移，使主支腿（3）定位至下一弧形件（18）的开口中心位置，主支腿（3）伸出支撑在隧道管片（19）上，副支腿（9）回缩，完成一次步进；

e、在此过程中，副机架（7）上的第一测距传感器（14）和第二测距传感器（15）记录副机架（7）相对弧形件（18）侧壁位置的变化情况，判断行走是否出现横向偏移，如果偏移量超出预设误差范围，调整横移油缸（5）动作，矫正步进方向；

f、如此循环动作，即可实现装置在弧形件（18）内部狭小空间内的步进运动，将弧形件（18）安装设备移动到作业位置。

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