CN214583115U - 桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统 - Google Patents

Abstract

桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，涉及轨道施工领域，包括硬件部分和软件部分。硬件部分包括桁架主体、设置在桁架主体顶面的运动框架主体、布设在桁架主体内的标靶、设置在桁架主体外的电气控制柜及设置在桁架主体内的管片小车；还包括机械坐标系，机械坐标系包括X轴、Y轴、Z轴及X1轴。运动框架主体整体呈L形，包括一对纵杆、连接在一对纵杆前端头的一对竖杆、连接在一对竖杆之间的上横杆、连接在纵杆和竖杆之间的第一斜撑杆及连接在上横杆和竖杆之间的第二斜撑杆。本实用新型解决传统隧道盾构管片检测方法检测效率低，检测精度低，检测结果与检测人员的熟练程度有关，检测质量难以保证，且耗费大量的人力的问题。

Description

桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统

技术领域

本实用新型涉及轨道施工领域，特别是涉及桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统。

背景技术

近年来，随着我国高速铁路与城市轨道交通的快速发展，基础构件的生产需求越来越大，隧道盾构管片是主要的基础构件之一，采用工厂化模板预制、一次成型生产。为保证轨道交通建设期间的质量与运维期的安全，我国对隧道盾构管片检测制定了相应的国家标准和行业标准《CJJT 164-2011 盾构隧道管片质量检测技术标准》、《TBT 3353-2014 铁路隧道钢筋混凝土管片》，其中规定管片的外形尺寸是主控检测项。传统隧道盾构管片检测方法一般采用游标卡尺和钢卷尺等，检测效率低，检测精度低，检测结果与检测人员的熟练程度有关，检测质量难以保证，且耗费大量的人力；传统检测方法已难以满足越来越高的生产需求与检测需求。针对大型工件的测量，一般可以利用扫描仪、跟踪仪等来实现，但是目前还没有满足隧道管片和管片模具这类复杂形状工件的测量系统。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，解决传统隧道盾构管片检测方法检测效率低，检测精度低，检测结果与检测人员的熟练程度有关，检测质量难以保证，且耗费大量的人力的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，包括硬件部分和软件部分。

硬件部分包括桁架主体、设置在桁架主体顶面的运动框架主体、沿长向布设在桁架主体内一对侧的标靶、设置在桁架主体外一角部的电气控制柜及设置在桁架主体内的管片小车；还包括机械坐标系，机械坐标系包括X轴、Y轴、Z轴及X1轴。

运动框架主体整体呈L形，包括水平设置的一对纵杆、垂直连接在一对纵杆前端头的一对竖杆、水平设置连接在一对竖杆顶端之间的上横杆、连接在纵杆和竖杆之间的第一斜撑杆及连接在上横杆和竖杆之间的第二斜撑杆。

进一步优选的技术方案：桁架主体包括对称布设的两组支柱和连接在两组支柱顶面之间的矩形框架。

矩形框架包括连接在同一组支柱顶面之间的两长边杆及连接在两组支柱顶面之间的两短边杆。

进一步优选的技术方案：Y轴，桁架主体的矩形框架的两长边杆的顶面安装有两根同步的Y轴直线模组，两根Y轴直线模组通过Y轴联轴器连接，Y轴直线模组通过配套的Y轴伺服电机和Y轴减速机驱动。

Y轴直线模组上连接有Y轴固定板。

进一步优选的技术方案：X轴，两根同步的Y轴直线模组之间垂直连接有下横杆，下横杆的前侧面沿长度方向连接有一根X轴直线模组，并X轴直线模组通过配套的X轴伺服电机和X轴减速机驱动。

X轴直线模组上连接有X轴固定板。

进一步优选的技术方案：运动框架主体的一对纵杆通过Y轴固定板滑动安装在两根同步的Y轴直线模组上；系统的X轴的下横杆的两端连接在Y轴固定板上，运动框架主体和下横杆在Y轴直线模组上同步移动。

进一步优选的技术方案：Z轴，X轴直线模组上通过X轴固定板连接有一根竖直设置的Z轴直线模组，并Z轴直线模组通过配套的Z轴伺服电机和Z轴减速机驱动。

Z轴直线模组上设有Z轴固定板，Z轴固定板上安装有机械臂，机械臂的底端通过法兰连接杆连接有数据采集传感器。

进一步优选的技术方案：X1轴，运动框架主体的上横杆的顶面沿长度方向连接有一根X1轴直线模组，并X1轴直线模组通过配套的X1轴伺服电机和X1轴减速机驱动。

X1轴直线模组上连接有X1轴固定板，X1轴固定板上连接有跟踪仪。

进一步优选的技术方案：电气控制柜内部设有PLC控制程序、以太网交换机、伺服控制器及电源；电气控制柜上设置有电源开关和紧急停止按钮。

进一步优选的技术方案：系统的软件部分包括系统运行主程序、每种工件的运动路径、机械臂程序及管片小车运行程序。

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点和有益效果：

1，本实用新型集成系统的X、Y、Z三个方向的运动轴；把机械臂安装在Z轴的底座上，再将数据采集传感器安装在机械臂上，可以在桁架主体运动范围内，自由灵活的采集任何位置的数据。

2，本实用新型在桁架主体顶部集成X1外部轴用于搭载跟踪仪，可实现更大范围的跟踪，也可以避免跟踪仪被遮挡。

3，本实用新型可满足工件尺寸小于桁架主体运动范围，外形较为复杂的各类工件的数据采集需求, 特别适用于隧道管片和管片模具尺寸测量。

附图说明

图1是本实用新型桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统的立体图一。

图2是本实用新型桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统的立体图二。

图3是本实用新型桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统的立体图三。

图4式本实用新型桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统的平面图。

图5式本实用新型桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统的正立面图。

图6式本实用新型桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统的侧立面图。

图7是本实用新型Y轴联轴器的示意图。

图8是本实用新型运动框架主体、Y轴和X轴的示意图。

图9是本实用新型运动框架主体和Z轴的示意图。

图10是本实用新型机械臂和数据采集传感器的示意图。

图11是本实用新型标靶的示意图。

图12是本实用新型标靶点底座的示意图。

附图标记：1—桁架主体、2—运动框架主体、3—Y轴、4—X轴、5—Z轴、6—X1轴、7—机械臂、8—电气控制柜、9—标靶、10—管片小车、11—数据采集传感器、12—跟踪仪、

1.1—支柱、1.2—矩形框架、1.3—底座板、1.4—三角支撑板、2.1—纵杆、2.2—竖杆、2.3—上横杆、2.4—第一斜撑杆、2.5—第二斜撑杆、3.1—Y轴直线模组、3.2—Y轴固定板、3.3—Y轴联轴器、4.1—下横杆、4.2—X轴直线模组、5.1—Z轴直线模组、6.1—X1轴直线模组、9.1—标靶定位点支架、9.2—标靶点底座。

具体实施方式

实施例参见图1至6所示，桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，包括硬件部分和软件部分。

硬件部分包括桁架主体1、设置在桁架主体1顶面的运动框架主体2、沿长向布设在桁架主体1内一对侧的标靶9、设置在桁架主体1外一角部的电气控制柜8及设置在桁架主体1内的管片小车10；还包括机械坐标系，机械坐标系包括系统的X轴、系统的Y轴、系统的Z轴及系统的X1轴。

桁架主体1，包括对称布设的两组支柱1.1和连接在两组支柱1.1顶面之间的矩形框架1.2；支柱1.1的底面焊接有底座板1.3，底座板1.3和支柱1.1之间焊接有三角支撑板1.4，用于加固；每组支柱包括间隔设置的三根支柱1.1；矩形框架1.2包括连接在同一组支柱顶面之间的两长边杆及连接在两组支柱顶面之间的两短边杆；桁架主体1由H型钢焊接而成。

运动框架主体2整体呈L形，包括水平设置的一对纵杆2.1、垂直连接在一对纵杆2.1前端头的一对竖杆2.2、水平设置连接在一对竖杆2.2顶端之间的上横杆2.3、连接在纵杆2.1和竖杆2.2之间的第一斜撑杆2.4及连接在上横杆2.3和竖杆2.2之间的第二斜撑杆2.5；运动框架主体2采用铝合金制作而成。

运动框架主体2用于搭载X1轴直线模组、X轴直线模组、Z轴直线模组；运动框架主体2可整体沿桁架主体1的矩形框架1.2的两长边杆方向上的Y轴直线模组3.1运动。

参见图8所示，X轴4，两根同步的Y轴直线模组3.1之间垂直连接有下横杆4.1，下横杆4.1的前侧面沿长度方向连接有一根X轴直线模组4.2，并X轴直线模组4.2通过配套的X轴伺服电机和X轴减速机驱动，上述中下横杆4.1、X轴直线模组4.2、X轴伺服电机和X轴减速机共同构成机械坐标系的X轴。

X轴直线模组4.2上连接有X轴固定板；X轴中各构件与电气控制柜8电连接。

参见图7所示，Y轴3，桁架主体1的矩形框架1.2的两长边杆的顶面安装有两根同步的Y轴直线模组3.1，两根Y轴直线模组3.1通过Y轴联轴器3.3连接，Y轴直线模组3.1通过配套的Y轴伺服电机和Y轴减速机驱动；上述中Y轴直线模组3.1、Y轴伺服电机和Y轴减速机共同构成机械坐标系的Y轴。

Y轴直线模组3.1上连接有Y轴固定板3.2；Y轴中各构件与电气控制柜8电连接。

运动框架主体2的一对纵杆2.1通过Y轴固定板3.2滑动安装在两根同步的Y轴直线模组3.1上；系统的X轴4的下横杆4.1的两端连接在Y轴固定板3.2上，随运动框架主体2在Y轴直线模组3.1上同步移动。

X1轴6，运动框架主体2的上横杆2.3的顶面沿长度方向连接有一根X1轴直线模组6.1，并X1轴直线模组6.1通过配套的X1轴伺服电机和X1轴减速机驱动，上述中X1轴直线模组6.1、X1轴伺服电机和X1轴减速机共同构成机械坐标系的X1轴。

X1轴直线模组6.1上连接有X1轴固定板，X1轴固定板上连接有跟踪仪12；X1轴中各构件与电气控制柜8电连接。

参见图9所示，Z轴5，X轴直线模组4.2上通过X轴固定板连接有一根竖直设置的Z轴直线模组5.1，并Z轴直线模组5.1通过配套的Z轴伺服电机和Z轴减速机驱动，上述中Z轴直线模组5.1、Z轴伺服电机和Z轴减速机共同构成机械坐标系的Z轴。

参见图10所示，Z轴直线模组5.1上设有Z轴固定板，Z轴固定板上安装有机械臂7，机械臂7的底端通过法兰连接杆连接有数据采集传感器11，数据采集传感器11为扫描仪或工业相机；Z轴中各构件与电气控制柜8电连接。

电气控制柜8，电气控制柜8内部安装有PLC控制程序、以太网交换机、伺服控制器及电源等电气部件；电气控制柜8上设置有电源开关和紧急停止按钮。

PLC控制程序：保存机械坐标系；保存系统示教的运动路径；与上位机软件进行通信，通信包括接收指令、发送反馈信号；与伺服模组和机械臂连接通信，控制多轴伺服与机械臂运动。

PLC控制程序是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的远程控制系统；具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强及编程简单等特点。

参见图11和12所示，标靶9包括标靶定位点支架9.1和标靶点底座9.2。

其他附属结构，包括跟踪仪支架、扫描仪转接法兰、线缆槽及拖链等。

本实用新型采用PLC控制程序、多轴伺服、小型协作机械臂、定制工装等，集成了一套专门适用于隧道管片与管片模具尺寸测量的机械系统，机械系统可搭载跟踪仪、扫描仪、工业相机等传感器，在桁架主体的运动范围内实现自动数据采集。

本实用新型集成X轴、Y轴、Z轴、机械臂、PLC控制程序、自动定位管片小车等，满足隧道管片和管片模具的自动化、高效率的测量数据采集需求。

本实用新型属于工业测量领域与机械自动化领域的结合，主要应用于轨道交通行业施工建设期间，用于隧道管片预制场的生产质量管理，用于隧道管片与管片模具的尺寸测量。

系统的软件部分主要包括系统运行主程序、每种工件的运动路径、机械臂程序和管片小车运行程序。

系统运行主程序，部署在PLC控制程序内，负责与上位机的输入、输出通信以及整体的流程控制。

每种工件的运动路径，保存在PLC控制程序内，包含工件的标识ID、轴向运动的点位序列、与机械臂的通信信号等。

机械臂程序，部署在机械臂的控制器内，包含机械臂的运动点位序列和PLC主程序的输入、输出通信。

管片小车运行程序，部署在PLC控制程序内，包含管片自动调整程序与自动运行程序。

本实用新型桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统的测量方法：

通过桁架主体、多轴伺服和机械臂，搭载数据传感器，由PLC控制程序完成工件的数据采集。

步骤一，工件定位：利用定制管片小车实现管片的自动定位与运输，利用模具台与管片模具的固定连接特点，通过机械档位实现管片模具定位。

步骤二，坐标系标定：利用定制管片小车的三个角点标定用户坐标系，建立机械坐标系、用户坐标系和测量坐标系的关联关系。

步骤三，路径调试与运行：示教调试每种管片和管片模具的数据采集路径，自动运行时根据工件类型和型号直接调用运行路径，完成数据扫描。

工件定位方法：

1，针对隧道管片测量，定制设计一台自动定位管片小车，用于管片定位。

2，首先将管片粗略的放置在管片小车上，再选择管片型号，管片小车按照示教位置自动调整管片与管片小车的相对位置，保证每种管片的位置与该管片的示教位置一致，然后管片小车将管片自动运输至固定的检测工位。

3，针对管片模具测量，由于模具台与模具是固定在一起的，因此将模具台放置在轨道上，人工推送至检测工位，通过固定的机械档位就可以实现定位。

坐标系标定方法：

1，先标定机械坐标系的参数，包括伺服参数，直线导轨参数直线模组参数等。

2，然后利用管片小车标定用户坐标系，管片小车在出厂时精确标定了直角坐标系O、X、Y三个点的位置，以O点为原点，向上为Z轴正方向，建立右手坐标系，控制X轴和Y轴运动到O、X、Y三点，自动计算机械坐标系与用户坐标系的转换参数，从而完成用户坐标系标定。

3，然后再测量O、X、Y三点的三维坐标，将测量坐标系转换到与用户坐标系一致。

4，从而建立机械坐标系、用户坐标系、测量坐标系的关联关系，完成坐标系标定。

运行路径调试：对每种类型的隧道管片和管片模具进行示教调试，以X、Y、Z、X1轴为主，结合机械臂的精细动作，调试每一种工件的数据采集运行路径，并将运行路径保存在PLC控制程序内，每次运行时根据工件类型和型号，直接调用相应的运行路径即可。

本实用新型的运行流程：

1，对于隧道管片，人工将隧道管片放置在管片小车上，在管片小车的控制面板上选择管片型号，管片自动调整到示教位置，自动将管片运输到固定的检测工位；对于管片模具，直接将模具台和模具整体放置在轨道上，人工推送至固定的档位。

2，启动机械系统，将机械系统复位到机械原点，系统处于准备状态，系统实时监控输入信号，收到上位机的输入信号后，PLC主程序调用待检工件的示教路径，控制X轴、Y轴、Z轴、X1轴、机械臂，带动传感器完成工件扫描，然后机械系统向上位机发送输出信号，并复位机械原点。

3，完整的扫描路径是X轴、Y轴、Z轴、X1轴与机械臂配合完成的，PLC主程序直接控制X轴、Y轴、Z轴、X1轴完成轴向运动，而复杂精细的动作由机械臂完成，PLC主程序通过与机械臂程序进行通信，实现机械臂的运动控制，完成轴向及机械臂的协同运行。

本实用新型的具体安装实施过程：

1，硬件安装：系统安装位置严格按照设计图实施；依次安装桁架主体、运动桁架主体、多轴伺服模组、机械臂、拖链走线、标靶支架、标靶点、安装电气控制柜等；桁架桁架主体安装的垂向精度优于1mm，水平精度优于3mm；多轴伺服直线导轨安装的垂向精度和水平精度均优于1mm，X轴与Y轴夹角精度优于0.05°。

2，工件定位：针对隧道管片测量，定制设计一台自动定位管片小车，用于管片定位；首先将管片粗略的放置在管片小车上，再选择管片型号，管片小车按照示教位置自动调整管片与管片小车的相对位置，保证每种管片的位置与该管片的示教位置一致，然后管片小车将管片自动运输至固定的检测工位；针对管片模具测量，由于模具台与模具是固定在一起的，因此将模具台放置在轨道上，人工推送至检测工位，通过固定的机械档位就可以实现定位。

3，坐标系标定：先标定机械坐标系的参数，包括伺服参数，直线导轨参数等；然后利用管片小车标定用户坐标系，管片小车在出厂时精确标定了直角坐标系O、X、Y三个点的位置，以O点为原点，向上为Z轴正方向，建立右手坐标系，控制X轴和Y轴运动到O、X、Y三点，自动计算机械坐标系与用户坐标系的转换参数，从而完成用户坐标系标定；然后再测量O、X、Y三点的三维坐标，将测量坐标系转换到与用户坐标系一致；从而建立机械坐标系、用户坐标系、测量坐标系的关联关系，完成坐标系标定。

4，运行路径调试：对每种类型的隧道管片和管片模具进行示教调试，以X、Y、Z、X1轴为主，结合机械臂的精细动作，调试每一种工件的数据采集运行路径，并将运行路径保存在PLC内，每次运行时根据工件类型和型号，直接调用相应的运行路径即可。

5，编写PLC主程序：保存机械坐标系，保存系统示教的运动路径，确定与上位机的通信信号；与伺服模组和机械臂连接通信，控制多轴伺服与机械臂运动。

6，编写机械臂程序与管片小车程序：保存示教的机械臂运动路径，确定与PLC主程序的通信信号。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，其特征在于：包括硬件部分和软件部分；

硬件部分包括桁架主体（1）、设置在桁架主体（1）顶面的运动框架主体（2）、沿长向布设在桁架主体（1）内一对侧的标靶（9）、设置在桁架主体（1）外一角部的电气控制柜（8）及设置在桁架主体（1）内的管片小车（10）；还包括机械坐标系，机械坐标系包括X轴、Y轴、Z轴及X1轴；

运动框架主体（2）整体呈L形，包括水平设置的一对纵杆（2.1）、垂直连接在一对纵杆（2.1）前端头的一对竖杆（2.2）、水平设置连接在一对竖杆（2.2）顶端之间的上横杆（2.3）、连接在纵杆（2.1）和竖杆（2.2）之间的第一斜撑杆（2.4）及连接在上横杆（2.3）和竖杆（2.2）之间的第二斜撑杆（2.5）；

桁架主体（1）包括对称布设的两组支柱（1.1）和连接在两组支柱（1.1）顶面之间的矩形框架（1.2）。

2.根据权利要求1所述的桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，其特征在于：矩形框架（1.2）包括连接在同一组支柱顶面之间的两长边杆及连接在两组支柱顶面之间的两短边杆。

3.根据权利要求2所述的桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，其特征在于：Y轴（3），桁架主体（1）的矩形框架（1.2）的两长边杆的顶面安装有两根同步的Y轴直线模组（3.1），两根Y轴直线模组（3.1）通过Y轴联轴器（3.3）连接，Y轴直线模组（3.1）通过配套的Y轴伺服电机和Y轴减速机驱动；

Y轴直线模组（3.1）上连接有Y轴固定板（3.2）。

4.根据权利要求3所述的桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，其特征在于：X轴（4），两根同步的Y轴直线模组（3.1）之间垂直连接有下横杆（4.1），下横杆（4.1）的前侧面沿长度方向连接有一根X轴直线模组（4.2），并X轴直线模组（4.2）通过配套的X轴伺服电机和X轴减速机驱动；

X轴直线模组（4.2）上连接有X轴固定板。

5.根据权利要求4所述的桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，其特征在于：运动框架主体（2）的一对纵杆（2.1）通过Y轴固定板（3.2）滑动安装在两根同步的Y轴直线模组（3.1）上；系统的X轴（4）的下横杆（4.1）的两端连接在Y轴固定板（3.2）上，运动框架主体（2）和下横杆（4.1）在Y轴直线模组（3.1）上同步移动。

6.根据权利要求4所述的桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，其特征在于：Z轴（5），X轴直线模组（4.2）上通过X轴固定板连接有一根竖直设置的Z轴直线模组（5.1），并Z轴直线模组（5.1）通过配套的Z轴伺服电机和Z轴减速机驱动。

7.根据权利要求6所述的桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，其特征在于：Z轴直线模组（5.1）上设有Z轴固定板，Z轴固定板上安装有机械臂（7），机械臂（7）的底端通过法兰连接杆连接有数据采集传感器（11）。

8.根据权利要求1所述的桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，其特征在于：X1轴（6），运动框架主体（2）的上横杆（2.3）的顶面沿长度方向连接有一根X1轴直线模组（6.1），并X1轴直线模组（6.1）通过配套的X1轴伺服电机和X1轴减速机驱动；

X1轴直线模组（6.1）上连接有X1轴固定板，X1轴固定板上连接有跟踪仪（12）。

9.根据权利要求1所述的桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，其特征在于：电气控制柜（8）内部设有PLC控制程序、以太网交换机、伺服控制器及电源；电气控制柜（8）上设置有电源开关和紧急停止按钮。

10.根据权利要求1所述的桁架式隧道管片和管片模具尺寸测量的机械系统，其特征在于：系统的软件部分包括系统运行主程序、每种工件的运动路径、机械臂程序及管片小车运行程序。

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