CN115635291A - 一种拧紧装置、系统及拧紧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种拧紧装置、系统及拧紧方法，所述拧紧装置包括支撑架、调节机构、旋转机构和拧紧机构；所述支撑架用于装设于盾构机上；所述调节机构连接于所述支撑架上，并用于调节所述拧紧机构的姿态，以使所述拧紧机构的姿态与管片紧固件的姿态相匹配；所述旋转机构连接于所述调节机构上，并用于驱动所述拧紧机构转动；所述拧紧机构连接于所述旋转机构上，并用于拧紧所述管片紧固件。本发明的拧紧装置可以对管片螺栓进行自动拧紧操作，并能够一步紧固到位，有效地提高了拧紧管片螺栓时的效率和便利性，而且能够精准控制紧固力矩，保证管片螺栓的扭矩达到使用需求。

Description

一种拧紧装置、系统及拧紧方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体而言，涉及一种拧紧装置、系统及拧紧方法。

背景技术

目前，在地下隧道的盾构法施工中，盾构管片是盾构法隧道的永久衬砌结构，盾构管片的安装质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能。盾构机依靠管片拼装机对管片进行拼装，管片拼装后使用例如螺栓等紧固件进行紧固。

现有技术中，通常采用人工手动安放管片螺栓并采用扭矩扳手对管片螺栓进行初步紧固和二次紧固。但这种紧固方式存在人工劳动强度大、操作过程中易出现安全问题、螺栓紧固效率低等问题，而且，拧紧管片螺栓所需要的力矩较大，采用扭矩扳手较难精确控制紧固力矩，无法保证紧固力矩达到使用需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：如何提高拧紧管片螺栓时的便利性和安全性。

为解决上述问题，本发明提供一种拧紧装置，包括支撑架、调节机构、旋转机构和拧紧机构；

所述支撑架用于装设于盾构机上；

所述调节机构连接于所述支撑架上，并用于调节所述拧紧机构的姿态，以使所述拧紧机构的姿态与管片紧固件的姿态相匹配；

所述旋转机构连接于所述调节机构上，并用于驱动所述拧紧机构转动；

所述拧紧机构连接于所述旋转机构上，并用于拧紧所述管片紧固件。

可选地，所述调节机构包括顶板、底板和伸缩缸，所述旋转机构与所述顶板连接，所述支撑架与所述底板连接，所述伸缩缸的两端分别与所述顶板和所述底板铰接。

可选地，所述伸缩缸设有六个，六个所述伸缩缸与所述顶板的铰接处位于同一圆周上，六个所述伸缩缸与所述底板的铰接处也位于同一圆周上，且相邻两个所述伸缩缸与所述顶板或所述底板铰接于同一位置处。

可选地，所述拧紧装置还包括平移机构，所述调节机构通过所述平移机构与所述支撑架连接，所述平移机构用于驱动所述调节机构沿第一方向和/或第二方向平移；其中，所述第一方向为平行于所述盾构机的管片拼装机的轴向的方向，所述第二方向与所述第一方向在水平面上相互垂直。

可选地，所述平移机构包括第一平移组件，所述第一平移组件包括第一底座、第一旋转变平移结构和第一驱动件，所述第一底座与所述支撑架连接，所述调节机构滑动连接于所述第一底座上，所述第一旋转变平移结构设于所述第一底座与所述调节机构之间，并用于通过所述第一驱动件的旋转动力驱动所述调节机构沿所述第二方向平移。

可选地，所述平移机构还包括第二平移组件，所述第二平移组件包括第二底座、第二旋转变平移结构和第二驱动件，所述第一底座与所述第二底座滑动连接，且所述调节机构滑动连接于所述第二底座上，所述第一旋转变平移结构用于通过所述第一驱动件的旋转动力驱动所述第二底座沿所述第二方向平移，所述第二旋转变平移结构用于通过所述第二驱动件的旋转动力驱动所述调节机构沿所述第一方向平移。

可选地，所述拧紧机构包括依次连接的套筒、拧紧驱动件和安装支架，所述套筒用于套设于所述管片紧固件上，所述拧紧驱动件用于驱动所述套筒转动，所述旋转机构与所述安装支架连接，并用于驱动所述安装支架转动。

可选地，所述拧紧机构还包括浮动结构，所述套筒通过所述浮动结构与所述拧紧驱动件连接，所述浮动结构用于在所述套筒套入所述管片紧固件时微调所述套筒的角度。

为解决上述问题，本发明还提供一种拧紧系统，包括数据采集装置、数据处理装置、控制装置以及如上所述的拧紧装置，所述数据采集装置用于采集管片紧固件的位置信息和姿态信息，所述数据处理装置用于根据所述位置信息和所述姿态信息确定所述管片紧固件的空间位置和姿态，并用于根据所述管片紧固件的空间位置和姿态确定所述拧紧装置的运动路径和运动参数，所述控制装置用于根据所述运动参数控制所述拧紧装置进行拧紧动作。

为解决上述问题，本发明还提供一种拧紧方法，基于上述所述的拧紧系统，包括如下步骤：

通过所述拧紧系统的数据采集装置采集管片上管片紧固件的位置信息和姿态信息；

通过所述拧紧系统的数据处理装置对所述位置信息和所述姿态信息进行处理，以确定拧紧装置的运动路径、初始位置和初始姿态；

通过所述拧紧系统的控制装置控制所述拧紧装置调整至所述初始位置和所述初始姿态；

通过所述控制装置控制所述拧紧装置沿所述运动路径运动，并通过所述拧紧装置对所述运动路径上的所述管片紧固件进行拧紧。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

使用本发明的拧紧装置对管片螺栓进行拧紧操作时，可通过调节机构调节拧紧机构的姿态，以使拧紧机构的姿态与管片螺栓的姿态相匹配，通过管片拼装机的回转装置或轴向平移装置驱动拧紧装置转动或平移至与起始位置的管片螺栓相对应的位置处，使得拧紧机构能够呈对准或大致对准管片螺栓的姿态对管片螺栓施加扭矩，以对管片螺栓进行自动拧紧操作。这样，可以一步紧固到位，有效地提高了拧紧管片螺栓时的效率和便利性，而且能够精准控制紧固力矩，保证管片螺栓的扭矩达到使用需求。另外，本发明的拧紧装置通过支撑架装设于管片拼装机上，使得拧紧装置可跟随管片拼装机进行平移和回转动作，从而充分结合了管片拼装机的运动范围和旋转环的周向闲置空间，提升了管片拼装后拧螺栓的自动化程度，保证了作业的安全性和工作效率，提升了螺栓拧紧质量。

附图说明

图1为本发明实施例中拧紧装置的侧视示意图；

图2为图1中A处局部放大图；

图3为本发明实施例中拧紧装置装配在管片拼装机上时的结构示意图；

图4为图3中B处局部放大图；

图5为本发明实施例中拧紧装置在拧紧机构、旋转机构和调节机构处的结构示意图；

图6为本发明实施例中六个伸缩缸的分布情况示意图；

图7为本发明实施例中拧紧装置的主视示意图；

图8为图7中C处局部放大图；

图9为本发明实施例中拧紧装置的俯视示意图；

图10为本发明实施例中拧紧装置在拧紧机构和安装支架处的局部结构示意图；

图11为本发明实施例中拧紧系统的结构框图。

附图标记说明：

10、拧紧装置；20、数据采集装置；30、数据处理装置；40、控制装置；

11、支撑架；12、调节机构；121、顶板；122、底板；123、伸缩缸；1231、第一伸缩缸；1232、第二伸缩缸；1233、第三伸缩缸；1234、第四伸缩缸；1235、第五伸缩缸；1236、第六伸缩缸；13、旋转机构；14、拧紧机构；141、套筒；142、拧紧驱动件；143、安装支架；1431、倾斜面；144、浮动结构；15、平移机构；151、第一平移组件；1511、第一底座；1512、第一旋转变平移结构；1513、第一驱动件；1514、导轮；1515、第一导轨；1516、导轮支架；152、第二平移组件；1521、第二底座；1522、第二旋转变平移结构；1523、第二驱动件；1524、滑块；1525、第二导轨；

100、管片拼装机；110、旋转环；200、管片紧固件；300、管片。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

附图中的Z轴表示竖直方向，也就是上下位置，且Z轴的正向(即Z轴的箭头指向)代表上方，Z轴的反向代表下方；附图中的X轴表示水平方向，并指定为左右位置，且X轴的正向代表左侧，X轴的反向代表右侧；附图中的Y轴表示为前后位置，且Y轴的正向代表前侧，Y轴的反向代表后侧；同时需要说明的是，前述Z轴、Y轴及X轴的表示含义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。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

结合图1、图3和图4所示，本发明实施例提供一种拧紧装置10，包括支撑架11、调节机构12、旋转机构13和拧紧机构14；支撑架11用于装设于盾构机上；调节机构12连接于支撑架11上，并用于调节拧紧机构14的姿态，以使拧紧机构14的姿态与管片紧固件200的姿态相匹配；旋转机构13连接于调节机构12上，并用于驱动拧紧机构14转动；拧紧机构14连接于旋转机构13上，并用于拧紧管片紧固件200。

具体地，拧紧装置10既可以装配在盾构机的管片拼装机100上，也可以装配在喷浆装置的回转机构上，为方便描述，此处以及后文均以拧紧装置10装配于管片拼装机100上为例进行说明。一个管片拼装机100上可以布置一个拧紧装置10，也可以布置多个拧紧装置10，当布置一个拧紧装置10时，该拧紧装置10通常布置在管片拼装机100的配重块上，即拧紧装置10与管片拼装机100的拼装装置在管片拼装机100的旋转环110上处于180°的相对位置，如图3所示；当布置多个拧紧装置10时，多个拧紧装置10与管片拼装机100的拼装装置在旋转环110上呈等夹角分布，以保证旋转环110上的重量分配均匀。拧紧装置10通过支撑架11装设于管片拼装机100上，使得拧紧装置10可跟随管片拼装机100进行平移和回转动作，调节机构12通常为具有六个自由度的机构，即调节机构12可以在一定范围内驱动拧紧机构14沿X轴、Y轴、Z轴平移，绕X轴、Y轴、Z轴转动。管片300拼装完成后，管片300之间通常采用螺钉与螺母配合或者双头螺栓与螺母配合等管片紧固件200来实现紧固，拧紧装置10的拧紧机构14用于对螺母施加扭矩，以使螺母锁紧在螺钉或双头螺栓上，从而实现管片300之间的紧固连接。为了方便理解和描述，此处以及后文用管片螺栓来代表紧固管片300的螺钉、双头螺栓和螺母等。管片螺栓包括环向螺栓和轴向螺栓，环向螺栓用于环向上的管片300之间的紧固，轴向螺栓用于轴向上的管片300之间的紧固，拧紧装置10的紧固顺序通常是先紧固环向螺栓，然后紧固轴向螺栓，在其他实施例中，拧紧装置10的紧固顺序也可以是先紧固轴向螺栓，然后紧固环向螺栓；在紧固环向螺栓时，通常从管片300中间位置处的环向螺栓开始，然后左右交替紧固，以避免紧固过程中管片300在环向上发生较大位移。在切换紧固顺序时，即环向螺栓与轴向螺栓之间切换时，可通过旋转机构13来驱动拧紧机构14旋转90°，以使拧紧机构14朝向管片螺栓。

此处以对单个管片300进行紧固，且拧紧装置10以先紧固环向螺栓再紧固轴向螺栓的紧固顺序为例进行说明。使用过程中，可通过调节机构12调节拧紧机构14的姿态，以使拧紧机构14的姿态与环向螺栓的姿态相匹配，通过管片拼装机100的回转装置驱动拧紧装置10转动至与起始位置的环向螺栓(通常指管片300中间位置的环向螺栓)相对应的位置处，使得拧紧机构14能够呈对准或大致对准环向螺栓的姿态对环向螺栓施加扭矩，然后利用管片拼装机100的回转装置带动拧紧装置10在环向上旋转，以自动对环向螺栓进行逐一拧紧操作，当完成单个管片300上环向螺栓的紧固后，可通过旋转机构13驱动拧紧机构14旋转90°，以使拧紧机构14朝向轴向螺栓，通过调节机构12调节拧紧机构14的姿态，以使拧紧机构14的姿态与轴向螺栓的姿态相匹配，通过管片拼装机100的轴向平移装置驱动拧紧装置10沿旋转环110的轴向平移至与起始位置的轴向螺栓(通常指管片300轴向上的一端的轴向螺栓)相对应的位置处，使得拧紧机构14能够呈对准或大致对准轴向螺栓的姿态对轴向螺栓施加扭矩，然后利用管片拼装机100的轴向平移装置带动拧紧装置10在轴向上平移，以自动对轴向螺栓进行逐一拧紧操作，如此，以完成单个管片300的环向螺栓和轴向螺栓的紧固。通过重复前述操作，以完成一环的管片螺栓拧紧工作。

本实施例中，使用拧紧装置10对管片螺栓进行拧紧操作时，可通过调节机构12调节拧紧机构14的姿态，以使拧紧机构14的姿态与管片螺栓的姿态相匹配，通过管片拼装机100的回转装置或轴向平移装置驱动拧紧装置10转动或平移至与起始位置的管片螺栓相对应的位置处，使得拧紧机构14能够呈对准或大致对准管片螺栓的姿态对管片螺栓施加扭矩，以对管片螺栓进行自动拧紧操作。这样，可以一步紧固到位，有效地提高了拧紧管片螺栓时的效率和便利性，而且能够精准控制紧固力矩，保证管片螺栓的扭矩达到使用需求。另外，本实施例的拧紧装置10通过支撑架11装设于管片拼装机100上，使得拧紧装置10可跟随管片拼装机100进行平移和回转动作，从而充分结合了管片拼装机100的运动范围和旋转环110的周向闲置空间，提升了管片300拼装后拧螺栓的自动化程度，保证了作业的安全性和工作效率，提升了螺栓拧紧质量。

可选地，结合图5所示，调节机构12包括顶板121、底板122和多个伸缩缸123，旋转机构13与顶板121连接，支撑架11与底板122连接，每个伸缩缸123的两端分别与顶板121和底板122铰接。

具体地，顶板121通常位于底板122的上方，旋转机构13设于顶板121的上端，底板122的下端与支撑架11连接(设有平移机构15时，底板122的下端与平移机构15连接)，调节机构12通过包括多个伸缩缸123，多个伸缩缸123均设于顶板121与底板122之间，且每个伸缩缸123的两端分别通过球铰或虎克铰与顶板121和底板122铰接。

本实施例中，通过设置底板122来实现调节机构12与支撑架11之间的连接，通过设置顶板121来实现调节机构12与旋转机构13之间的连接，同时，利用多个伸缩缸123所构成的多自由度结构来使调节机构12能够在不同方向上调节拧紧机构14的姿态，从而使得调节机构12能够灵活调节拧紧机构14的姿态。

进一步地，伸缩缸123可以是电动缸、气动缸或液压缸，本实施例中优选伸缩缸123为电动缸，以方便控制系统的可编程逻辑控制器(即PLC)对伸缩缸123的运动路径和运动参数进行精准控制。

可选地，结合图5和图6所示，伸缩缸123设有六个，六个伸缩缸123与顶板121的铰接处位于同一圆周上，六个伸缩缸123与底板122的铰接处也位于同一圆周上，且相邻两个伸缩缸123与顶板121或底板122铰接于同一位置处。

具体地，底板122上设有三个定位板，三个定位板分别位于等边三角形的三个顶点处，每个定位板上间隔设有两个铰接块，两个铰接块间隔设置是为了避免与这两个铰接块铰接的两个伸缩缸123在进行伸缩运动时发生干涉，相应地，顶板121上也设有三个呈等边三角形分布的定位板，每个定位板上间隔设有两个铰接块，且底板122上的三个定位板与顶板121上的三个定位板交错布置。将六个伸缩缸123分别记为第一伸缩缸1231、第二伸缩缸1232、第三伸缩缸1233、第四伸缩缸1234、第五伸缩缸1235、第六伸缩缸1236，如图6所示，第一伸缩缸1231与第二伸缩缸1232的底端分别铰接在底板122的第一定位板上，第二伸缩缸1232与第三伸缩缸1233的顶端分别铰接在顶板121的第一定位板上，第三伸缩缸1233与第四伸缩缸1234的底端分别铰接在底板122的第二定位板上，第四伸缩缸1234与第五伸缩缸1235顶端分别铰接在顶板121的第二定位板上，第五伸缩缸1235与第六伸缩缸1236的底端分别铰接在底板122的第三定位板上，第六伸缩缸1236与第一伸缩缸1231的顶端分别铰接在顶板121的第三定位板上，且六个伸缩缸123在底板122上的铰接点位于图6中圆a上，六个伸缩缸123在顶板121上的铰接点位于图6中圆b上，初始状态时，圆a与圆b同轴且平行。图6所给出的示例中，圆a的直径大于圆b的直径，第一伸缩缸1231与第二伸缩缸1232之间、第三伸缩缸1233与第四伸缩缸1234之间、第五伸缩缸1235与第六伸缩缸1236之间的初始夹角均为60°。

本实施例中，可通过控制六个伸缩缸123的伸缩行程来调节拧紧机构14在不同方向上的位移和角度，使得调节机构12形成具有六个自由度的平台架构，从而便于调节机构12能够更加灵活地调节拧紧机构14的姿态。

进一步地，旋转机构13为回转电动缸或者回转液压缸，其固定于调节机构12的顶板121上，且能够驱动拧紧机构14进行360°旋转。

可选地，结合图1所示，拧紧装置10还包括平移机构15，调节机构12通过平移机构15与支撑架11连接，平移机构15用于驱动调节机构12沿第一方向和/或第二方向平移；其中，第一方向为平行于管片拼装机100轴向的方向，第二方向与第一方向在水平面上相互垂直。

需要说明的是，第一方向为图1中Y轴方向，也是前后方向或纵向，第二方向为图3中X轴方向，也是左右方向或横向。

由于管片拼装机100的整体体积较为庞大，这使得其回转装置或轴向平移装置工作时所需要消耗的例如电能或液压油等能源也较多。故本实施例中通过设置平移机构15，并使平移机构15能够驱动调节机构12沿横向和/或纵向平移，当平移机构15可以驱动调节机构12在支撑架11上沿横向平移时，在紧固环向螺栓过程中，可以利用平移机构15驱动拧紧机构14横向平移，并在移动过程中利用调节机构12调节拧紧机构14在上下方向的高度，以使拧紧机构14能够对不同高度处的环向螺栓进行拧紧操作，当平移机构15可以驱动调节机构12在支撑架11上沿纵向平移时，在紧固轴向螺栓过程中，可以利用平移机构15驱动拧紧机构14纵向平移，以对轴向螺栓进行拧紧操作。这样，可以无需借助管片拼装机100的回转装置或轴向平移装置来实现拧紧装置10对环向螺栓或轴向螺栓的拧紧操作，从而可以减少例如电能或液压油等能源的消耗。

可选地，结合图1和图2所示，平移机构15包括第一平移组件151，第一平移组件151包括第一底座1511、第一旋转变平移结构1512和第一驱动件1513，第一底座1511与支撑架11连接，调节机构12滑动连接于第一底座1511上，第一旋转变平移结构1512设于第一底座1511与调节机构12之间，并用于通过第一驱动件1513的旋转动力驱动调节机构12沿第二方向平移。

本实施例中，第一旋转变平移结构1512通常为齿轮齿条结构、蜗轮蜗杆结构或丝杠结构，此处以第一旋转变平移结构1512为齿轮齿条结构为例进行示例说明，第一驱动件1513通常为电机，且该电机固定在调节机构12的底板122上，底板122与第一底座1511滑动连接，电机的输出轴与齿轮固定连接，齿条沿平行于第二方向设在第一底座1511上，并与齿轮啮合。这样，电机驱动齿轮转动时，由于齿条固定不动，使得齿轮在啮合传动作用下沿齿条移动，从而实现第一旋转变平移结构1512通过第一驱动件1513的旋转动力驱动调节机构12沿第二方向平移，进而实现平移机构15驱动调节机构12沿第二方向平移。

可选地，结合图2和图9所示，第一平移组件151还包括与调节机构12连接的导轮1514和设于第一底座1511上的第一导轨1515，第一导轨1515平行于第二方向布置，导轮1514与第一导轨1515滚动连接。

本实施例中，导轮1514通过导轮支架1516安装在底板122的下端，第一导轨1515通常设有两个，导轮1514通常设有四个，每个第一导轨1515与两个导轮1514滚动连接，第一旋转变平移结构1512和第一驱动件1513位于两个第一导轨1515之间。这样，通过在第一底座1511与底板122之间设置导轮1514和第一导轨1515，并使导轮1514与第一导轨1515滚动连接，使得底板122与第一底座1511之间能够通过导轮1514和第一导轨1515形成滚动连接，不仅可以减少摩擦阻力，还可以对调节机构12在第二方向上的平移运动进行导向，以保证调节机构12稳定平移。

可选地，结合图1、图2、图7至图9所示，平移机构15还包括第二平移组件152，第二平移组件152包括第二底座1521、第二旋转变平移结构1522和第二驱动件1523，第一底座1511与第二底座1521滑动连接，且调节机构12滑动连接于第二底座1521上，第一旋转变平移结构1512用于通过第一驱动件1513的旋转动力驱动第二底座1521沿第二方向平移，第二旋转变平移结构1522用于通过第二驱动件1523的旋转动力驱动调节机构12沿第一方向平移。

本实施例中，平移机构15包括第一平移组件151和第二平移组件152，其中，第二驱动件为电机，第二旋转变平移结构1522与第一旋转变平移结构1512的结构相同，第一底座1511与第二底座1521滑动连接，调节机构12的底板122滑动连接于第二底座1521上。这样，在第二驱动件1523的驱动作用下，第二旋转变平移结构1522通过第二驱动件1523的旋转动力驱动调节机构12沿第一方向平移，从而实现第二平移组件152驱动调节机构12沿第一方向平移，进而在平移机构15能够驱动调节机构12沿第二方向平移的基础上，还能够驱动调节机构12沿第一方向平移，以便于平移机构15在横向和纵向上调节拧紧机构14的位置，方便进行紧固螺栓作业。

可选地，结合图8和图9所示，第二平移组件还包括与调节机构12连接的滑块1524和设于第二底座1521上的第二导轨1525，第二导轨1525平行于第一方向布置，滑块1524与第二导轨1525滑动连接，导轮1514设于第二底座1521上，第一底座1511与第二底座1521通过导轮1514和第一导轨1515滑动连接。

本实施例中，滑块1524安装在底板122的下端，第二导轨1525通常设有两个，滑块1524通常设有四个，每个第二导轨1525与两个滑块1524滑动连接，第二旋转变平移结构1522和第二驱动件1523位于两个第二导轨1525之间。这样，通过在第一底座1511与第二底座1521之间设置滑块1524和第二导轨1525，并使滑块1524和第二导轨1525滑动连接，使得底板122与第一底座1511之间能够通过滑块1524和第二导轨1525形成滑动连接，并对调节机构12在第一方向上的平移运动进行导向，以保证调节机构12稳定平移。

需要说明的是，在某一实施例中，平移机构15可以仅包括第一平移组件151，此时，平移机构15用于驱动调节机构12和拧紧机构14在第一方向(即横向)上平移，在紧固轴向螺栓时，需要管片拼装机100的轴向平移装置协同配合完成；在另一实施例中，平移机构15也可以仅包括第二平移组件152，此时，平移机构15用于驱动调节机构12和拧紧机构14在第二方向(即纵向)上平移，在紧固环向螺栓时，需要管片拼装机100的回转装置协同配合完成。

进一步地，支撑架11呈支腿结构，第一底座1511固定在支腿结构的上端，第一底座1511构成整个拧紧装置10的底部平台，以对位于第一底座1511上方的调节机构12、旋转机构13、拧紧机构14提供支撑。

可选地，结合图5所示，拧紧机构14包括依次连接的套筒141、拧紧驱动件142和安装支架143，套筒141用于套设于管片紧固件200上，拧紧驱动件142用于驱动套筒141转动，旋转机构13与安装支架143连接，并用于驱动安装支架143转动。

本实施例中，拧紧驱动件142可以是液压马达、气动扳手或电动扳手等装置，实际应用中可根据需求进行选择设置。当拧紧机构14在平移机构15、调节机构12和旋转机构13的协同作用下调节至套筒141套设于管片螺栓上时，通过启动拧紧驱动件142以给管片螺栓施加扭矩，从而实现紧固螺栓操作。

可选地，结合图10所示，安装支架143上设有倾斜面1431，拧紧驱动件142固定连接于倾斜面1431上，套筒141沿倾斜面1431的倾斜方向布置，且倾斜面1431相对于水平面的倾斜角度α用于与管片螺栓的安装角度相匹配。

本实施例中，安装支架143呈三棱柱结构，且三棱柱结构的横截面为直角三角形，倾斜面1431为直角三角形的斜边所对应的侧面。由于管片螺栓通常呈弧形，其穿入管片300后，与管片300的内弧面在穿孔处的切面并不垂直，而是呈一定夹角，倾斜面1431的倾斜角度α与管片螺栓的安装角度相等或大致相等，这样，在调节拧紧机构14的姿态时，可以减少调节步骤，提高调节效率。

可选地，结合图10所示，拧紧机构14还包括浮动结构144，套筒141通过浮动结构144与拧紧驱动件142连接，浮动结构144用于在套筒141套入管片紧固件200时微调套筒141的角度。

本实施例中，浮动结构144通常由球铰和弹簧构成，弹簧套设在球铰上并分别与套筒141和拧紧驱动件142连接。这样，利用浮动结构144来使套筒141与拧紧驱动件142形成浮动连接，当套筒141与管片螺栓对接并套向管片螺栓时，在浮动结构144的作用下可以微调套筒141的角度，以使套筒141可以进行小范围内浮动，从而方便与管片螺栓对接。

结合图11所示，本发明的另一实施例提供一种拧紧系统，包括数据采集装置20、数据处理装置30、控制装置40以及如上所述的拧紧装置10，数据采集装置20用于采集管片紧固件200的位置信息和姿态信息，数据处理装置30用于根据所述位置信息和所述姿态信息确定管片紧固件200的空间位置和姿态，并用于根据管片紧固件200的空间位置和姿态确定拧紧装置10的运动路径和运动参数，控制装置40用于根据所述运动参数控制拧紧装置10进行拧紧动作。

本实施例中，数据采集装置20通常采用相机(可以为3D相机)、测距传感器(激光测距传感器、超声波测距传感器等)等装置通过拍照、测距等方法采集管片螺栓的位置信息和姿态信息(即管片螺栓的角度信息)，数据处理装置30通常为包括服务器和客户端的计算系统，控制装置40通常为包括PLC、电机驱动器、液压控制阀等控制单元的控制系统，数据采集装置20将采集到的位置信息和角度信息通过RS485\232、TCP\IP等方式传送给服务器，通过服务器采用特征提取算法进行视觉信息处理、采用点云信息融合等方法处理测距传感器信息，提取出管片300上管片螺栓的相关信息，得到其三维空间位置和姿态，并通过HTTP在客户端进行展示，同时服务器根据管片螺栓的位置和姿态，结合拧紧装置10的结构参数，解算拧紧装置10各个驱动的运动路径和运动参数，将运动参数通过TCP\IP发送给PLC，PLC将运动参数通过EtherCAT\CANopen等总线型控制系统发送给电机驱动器，控制各个电机的动作，PLC将运动参数通过脉冲信号、模拟量等发送给液压控制阀，控制各个液压马达和液压缸的动作，以实现拧紧装置10中各个机构的动作，即平移机构15的平移动作、调节机构12的姿态调节动作、旋转机构13的旋转动作，从而实现自动拧螺栓作业。

进一步地，可以在电机上设置对应编码器，以将电机转动信息反馈给PLC，从而得到电机的真实运动信息和以及高精度的控制，也可以在液压马达上设置编码器和扭矩传感器，在液压缸上设置拉线传感器，以将相关信息反馈到PLC，以得到拧紧装置10各个机构的真实运动状态。

本发明的又一实施例提供一种拧紧方法，该拧紧方法基于上述所述的拧紧系统，该拧紧方法包括如下步骤：

S100、通过拧紧系统的数据采集装置20采集管片300上管片紧固件200的位置信息和姿态信息；

S200、通过拧紧系统的数据处理装置30对所述位置信息和所述姿态信息进行处理，以确定拧紧装置10的运动路径、初始位置和初始姿态；

S300、通过拧紧系统的控制装置40控制拧紧装置10调整至所述初始位置和所述初始姿态；

具体地，在步骤S300中，在确定出拧紧机构14的初始位置和初始姿态后，通过调节机构12、旋转机构13以及平移机构15的相互配合来实现拧紧机构14的初始位置和初始姿态的调节。

S400、通过控制装置40控制拧紧装置10沿所述运动路径运动，并通过拧紧装置10对所述运动路径上的管片紧固件200进行拧紧。

这样，通过步骤S100至步骤S400可实现管片螺栓的自动拧紧作业，操作方便、效率高，而且安全可靠。

进一步地，步骤S100具体包括以下步骤：

S110、根据已拼装的管片300的位置信息确定拧紧装置10的工作范围，通过管片拼装机100的轴向平移装置将拧紧装置10移动到轴向起始位置；

S120、根据已拼装的管片300的角度信息确定拧紧装置10的工作范围，通过管片拼装机100的回转装置将拧紧装置10旋转到单个管片300的中间位置；

S130、根据已拼装的管片300的直径和管片螺栓位置参数，确定拧紧机构14的初始位置和初始姿态，使安装在拧紧机构14上的数据采集装置20可以清晰地采集到管片螺栓的位置和姿态数据；

S140、根据单个管片300的角度范围和位置范围，移动拧紧装置10的平移机构15，使数据采集装置20从初始角度的位置开始采集单个管片300的环向螺栓和轴向螺栓的位置信息和姿态信息。

如此，通过步骤S110至步骤S140，以实现管片螺栓相关信息的采集。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种拧紧装置，其特征在于，包括支撑架(11)、调节机构(12)、旋转机构(13)和拧紧机构(14)；

所述支撑架(11)用于装设于盾构机上；

所述调节机构(12)连接于所述支撑架(11)上，并用于调节所述拧紧机构(14)的姿态，以使所述拧紧机构(14)的姿态与管片紧固件(200)的姿态相匹配；

所述旋转机构(13)连接于所述调节机构(12)上，并用于驱动所述拧紧机构(14)转动；

所述拧紧机构(14)连接于所述旋转机构(13)上，并用于拧紧所述管片紧固件(200)。

2.根据权利要求1所述的拧紧装置，其特征在于，所述调节机构(12)包括顶板(121)、底板(122)和伸缩缸(123)，所述旋转机构(13)与所述顶板(121)连接，所述支撑架(11)与所述底板(122)连接，所述伸缩缸(123)的两端分别与所述顶板(121)和所述底板(122)铰接。

3.根据权利要求2所述的拧紧装置，其特征在于，所述伸缩缸(123)设有六个，六个所述伸缩缸(123)与所述顶板(121)的铰接处位于同一圆周上，六个所述伸缩缸(123)与所述底板(122)的铰接处也位于同一圆周上，且相邻两个所述伸缩缸(123)与所述顶板(121)或所述底板(122)铰接于同一位置处。

4.根据权利要求1所述的拧紧装置，其特征在于，还包括平移机构(15)，所述调节机构(12)通过所述平移机构(15)与所述支撑架(11)连接，所述平移机构(15)用于驱动所述调节机构(12)沿第一方向和/或第二方向平移；其中，所述第一方向为平行于所述盾构机的管片拼装机(100)的轴向的方向，所述第二方向与所述第一方向在水平面上相互垂直。

5.根据权利要求4所述的拧紧装置，其特征在于，所述平移机构(15)包括第一平移组件(151)，所述第一平移组件(151)包括第一底座(1511)、第一旋转变平移结构(1512)和第一驱动件(1513)，所述第一底座(1511)与所述支撑架(11)连接，所述调节机构(12)滑动连接于所述第一底座(1511)上，所述第一旋转变平移结构(1512)设于所述第一底座(1511)与所述调节机构(12)之间，并用于通过所述第一驱动件(1513)的旋转动力驱动所述调节机构(12)沿所述第二方向平移。

6.根据权利要求5所述的拧紧装置，其特征在于，所述平移机构(15)还包括第二平移组件(152)，所述第二平移组件(152)包括第二底座(1521)、第二旋转变平移结构(1522)和第二驱动件(1523)，所述第一底座(1511)与所述第二底座(1521)滑动连接，且所述调节机构(12)滑动连接于所述第二底座(1521)上，所述第一旋转变平移结构(1512)用于通过所述第一驱动件(1513)的旋转动力驱动所述第二底座(1521)沿所述第二方向平移，所述第二旋转变平移结构(1522)用于通过所述第二驱动件(1523)的旋转动力驱动所述调节机构(12)沿所述第一方向平移。

7.根据权利要求1所述的拧紧装置，其特征在于，所述拧紧机构(14)包括依次连接的套筒(141)、拧紧驱动件(142)和安装支架(143)，所述套筒(141)用于套设于所述管片紧固件(200)上，所述拧紧驱动件(142)用于驱动所述套筒(141)转动，所述旋转机构(13)与所述安装支架(143)连接，并用于驱动所述安装支架(143)转动。

8.根据权利要求7所述的拧紧装置，其特征在于，所述拧紧机构(14)还包括浮动结构(144)，所述套筒(141)通过所述浮动结构(144)与所述拧紧驱动件(142)连接，所述浮动结构(144)用于在所述套筒(141)套入所述管片紧固件(200)时微调所述套筒(141)的角度。

9.一种拧紧系统，其特征在于，包括数据采集装置(20)、数据处理装置(30)、控制装置(40)以及如权利要求1-8中任意一项所述的拧紧装置(10)，所述数据采集装置(20)用于采集管片紧固件(200)的位置信息和姿态信息，所述数据处理装置(30)用于根据所述位置信息和所述姿态信息确定所述管片紧固件(200)的空间位置和姿态，并用于根据所述管片紧固件(200)的空间位置和姿态确定所述拧紧装置(10)的运动路径和运动参数，所述控制装置(40)用于根据所述运动参数控制所述拧紧装置(10)进行拧紧动作。

10.一种拧紧方法，基于权利要求9所述的拧紧系统，其特征在于，包括如下步骤：

通过所述拧紧系统的数据采集装置(20)采集管片(300)上管片紧固件(200)的位置信息和姿态信息；

通过所述拧紧系统的数据处理装置(30)对所述位置信息和所述姿态信息进行处理，以确定拧紧装置(10)的运动路径、初始位置和初始姿态；

通过所述拧紧系统的控制装置(40)控制所述拧紧装置(10)调整至所述初始位置和所述初始姿态；

通过所述控制装置(40)控制所述拧紧装置(10)沿所述运动路径运动，并通过所述拧紧装置(10)对所述运动路径上的所述管片紧固件(200)进行拧紧。

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