專利名稱：一種頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及頂管掘進(jìn)機(jī)，具體是ー種頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置。
背景技術(shù)：
頂管掘進(jìn)機(jī)工作面環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜，頂管掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行全斷面切割以及頂進(jìn)過(guò)程中，作用在頂管掘進(jìn)機(jī)上的力系通常是不平衡的，力系的不平衡使得頂管掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)的軌跡永遠(yuǎn)不可能完全沿著管道設(shè)計(jì)軸線前進(jìn)，隨時(shí)會(huì)發(fā)生偏離管道設(shè)計(jì)軸線的現(xiàn)
象。 軸線偏差包括頂管掘進(jìn)機(jī)的軸線上的某一點(diǎn)相對(duì)于管道設(shè)計(jì)軸線的位置偏移，頂管掘進(jìn)機(jī)軸線相對(duì)于管道設(shè)計(jì)軸線的俯仰角和水平方位角；因此，必須實(shí)時(shí)的檢測(cè)頂管掘進(jìn)機(jī)軸線與管道設(shè)計(jì)軸線的偏差，并實(shí)時(shí)將頂管掘進(jìn)機(jī)軸線偏差糾正到管線設(shè)計(jì)軸線的允許偏差范圍內(nèi)，以保證頂管施工質(zhì)量。根據(jù)頂管掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品調(diào)研、文獻(xiàn)專利等資料檢索結(jié)果，目前頂管掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)糾偏系統(tǒng)主要由偏差自動(dòng)測(cè)量裝置、液カ糾偏機(jī)械裝置、液壓伺服系統(tǒng)和手動(dòng)控制糾偏系統(tǒng)組成，其中偏差自動(dòng)測(cè)量裝置主要有德國(guó)VMT全站儀激光標(biāo)靶自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)、單激光靶自動(dòng)測(cè)量裝置、單激光靶+陀螺儀自動(dòng)測(cè)量裝置、曲線頂管自動(dòng)遙控測(cè)量系統(tǒng)等；液カ糾偏機(jī)械裝置和液壓伺服系統(tǒng)包括糾偏電機(jī)、油泵、控制閥、糾偏液壓缸、球鉸及液壓系統(tǒng)附件等，糾偏液壓缸為偶數(shù)對(duì)稱分布、按頂管掘進(jìn)機(jī)周向均勻布設(shè)，一端與頂管掘進(jìn)機(jī)切削系統(tǒng)支撐殼體球鉸連接，另一端與頂管掘進(jìn)機(jī)糾偏裝置支撐殼體球鉸連接，頂進(jìn)吋，糾偏液壓缸以糾偏裝置支撐殼體為后座，調(diào)節(jié)切削系統(tǒng)支撐殼體的方向，來(lái)引導(dǎo)后面的管節(jié)正確的前迸；由于頂管掘進(jìn)機(jī)切削系統(tǒng)支撐殼體和糾偏裝置支撐殼體的連接是通過(guò)偶數(shù)4)個(gè)液壓缸兩端球鉸連接起來(lái)，因此構(gòu)成了欠驅(qū)動(dòng)(液壓缸數(shù)目少于6個(gè))或冗余驅(qū)動(dòng)(液壓缸數(shù)目大于6個(gè))的空間六自由度機(jī)構(gòu)，除糾偏運(yùn)動(dòng)外寄生的非期望運(yùn)動(dòng)多且無(wú)法完全消除，對(duì)非期望運(yùn)動(dòng)的限制主要利用被動(dòng)的土層約束力，和設(shè)計(jì)的切削系統(tǒng)支撐殼體切ロ環(huán)與糾偏裝置支撐殼體支承環(huán)之間的約束反力進(jìn)行限制，結(jié)果導(dǎo)致糾偏控制時(shí)切削系統(tǒng)支撐殼體的約束反力非常巨大，糾偏不靈活且糾偏角度小(一般小于3° )，難以應(yīng)用于曲線頂管掘迸；此外頂管掘進(jìn)機(jī)液カ糾偏機(jī)械裝置的糾偏運(yùn)動(dòng)和カ控制高度復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的自動(dòng)化糾偏控制，所以目前對(duì)頂管掘進(jìn)機(jī)糾偏控制主要采取手動(dòng)控制糾偏，即操作人員根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)通過(guò)對(duì)糾偏液壓缸進(jìn)行編組動(dòng)作，進(jìn)行糾偏控制；手動(dòng)控制糾偏首先將偶數(shù)(> 4)個(gè)周向均布糾偏液壓缸分為4組(較多液壓缸亦可分為4組，具有通用性)，再根據(jù)偏差自動(dòng)測(cè)量裝置獲得的頂管掘進(jìn)機(jī)軸線偏差量，對(duì)每組液壓缸分別進(jìn)行控制，或?qū)ο噜弮山M實(shí)行聯(lián)合控制，以實(shí)現(xiàn)全部液壓缸工作、單組液壓缸前進(jìn)或后退、相鄰兩組液壓缸前進(jìn)或后退等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)頂管掘進(jìn)機(jī)的整體推進(jìn)及上、下、左、右、左上、左下、右上、右下的頂管掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)控制。由于上述頂管掘進(jìn)機(jī)液カ糾偏機(jī)械裝置的缺陷，頂管施工的施工條件的千變?nèi)f化和極高的勞動(dòng)強(qiáng)度，以及操作人員操作經(jīng)驗(yàn)的不足或者粗心大意等因素影響，易造成操作人員誤判或操作指令輸入錯(cuò)誤，導(dǎo)致糾偏失敗，糾偏效率低，影響頂管施工質(zhì)量，因此，頂管施工中急需可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效、安全可靠的準(zhǔn)確糾偏裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了能針對(duì)頂管掘進(jìn)機(jī)前行方向相對(duì)于管道設(shè)計(jì)軸線發(fā)生的偏差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效、安全可靠的準(zhǔn)確糾偏，為了能用于曲線頂管掘進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化頂管掘進(jìn)提供技術(shù)基礎(chǔ)，提供一種頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置，本發(fā)明的改進(jìn)主要在于液カ糾偏機(jī)械裝置?！N頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置，由偏差自動(dòng)測(cè)量裝置、液カ糾偏機(jī)械裝置、液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器組成，其特征在干所述的液カ糾偏機(jī)械裝置包括切削系統(tǒng)、引導(dǎo)殼體、切削系統(tǒng)支撐殼體、糾偏裝置支撐殼體、萬(wàn)向節(jié)和伺服液壓缸，伺服液壓缸設(shè) 有位移傳感器用于檢測(cè)伺服液壓缸驅(qū)動(dòng)位移，其兩端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)分別與切削系統(tǒng)和糾偏裝置支撐殼體沿徑向相連接構(gòu)成三條糾偏驅(qū)動(dòng)支鏈，三條糾偏驅(qū)動(dòng)支鏈沿糾偏裝置支撐殼體4周向間隔120度均布；切削系統(tǒng)和引導(dǎo)殼體均與切削系統(tǒng)支撐殼體固定連接；所述糾偏裝置支撐殼體前端為球面，后端為圓柱面，前端和后端之間采用圓錐面連接；切削系統(tǒng)支撐殼體外表面采用球面設(shè)計(jì)，引導(dǎo)殼體外側(cè)采用階梯圓柱面設(shè)計(jì)，引導(dǎo)殼體與糾偏裝置支撐殼體接觸部分內(nèi)表面采用圓柱面設(shè)計(jì)，切削系統(tǒng)支撐殼體的外表面和糾偏裝置支撐殼體的內(nèi)表面之間采用球面接觸構(gòu)成僅存有切削系統(tǒng)支撐殼體軸線相對(duì)于糾偏裝置支撐殼體軸線的空間三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束支鏈，引導(dǎo)殼體與糾偏裝置支撐殼體采用圓柱面和球面接觸形式，形成具有空間三轉(zhuǎn)動(dòng)及沿引導(dǎo)殼體軸線方向移動(dòng)四自由度的可動(dòng)連接。所述的ー種頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置，其特征在干所述球面部分為同心球面。所述的ー種頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置，其特征在于切削系統(tǒng)、引導(dǎo)殼體、切削系統(tǒng)支撐殼體構(gòu)成的整體的重心在切削系統(tǒng)支撐殼體的外表面與糾偏裝置支撐殼體內(nèi)表面的球面接觸區(qū)域內(nèi)。一種頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置，其特征在于所述的切削系統(tǒng)相當(dāng)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)、糾偏裝置支撐殼體相當(dāng)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)靜平臺(tái)，伺服液壓缸相當(dāng)于移動(dòng)副(用字母P表不)，固連于切削系統(tǒng)的切削系統(tǒng)支撐殼體的外表面和糾偏裝置支撐殼體的內(nèi)表面之間采用球面接觸構(gòu)成了相當(dāng)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)與靜平臺(tái)之間的球副(用字母S表示)約束支鏈，伺服液壓缸兩端連接萬(wàn)向節(jié)(用字母U表示)相當(dāng)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的UPU驅(qū)動(dòng)支鏈；所述的液カ糾偏機(jī)械裝置采用三條UPU驅(qū)動(dòng)支鏈+ —條S約束支鏈，構(gòu)成了恰驅(qū)動(dòng)(驅(qū)動(dòng)支鏈數(shù)目等于并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)自由度數(shù))的空間三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
所述的液カ糾偏機(jī)械裝置除可控的糾偏姿態(tài)運(yùn)動(dòng)外無(wú)寄生的非期望移動(dòng)運(yùn)動(dòng)，不需要利用被動(dòng)的土層約束力，和設(shè)計(jì)額外的切削系統(tǒng)支撐殼體切ロ環(huán)與糾偏裝置支撐殼體支承環(huán)之間的約束反力進(jìn)行非期望移動(dòng)運(yùn)動(dòng)限制，因此引導(dǎo)殼體與土層接觸面積可以設(shè)計(jì)的小，從而減小糾偏控制時(shí)土層約束反力；同時(shí)對(duì)引導(dǎo)殼體與糾偏裝置支撐殼體采用圓柱面和球面接觸形式，形成具有空間三轉(zhuǎn)動(dòng)及沿引導(dǎo)殼體軸線方向移動(dòng)四自由度的可動(dòng)連接，避免了糾偏控制時(shí)需克服的切削系統(tǒng)支撐殼體切ロ環(huán)與糾偏裝置支撐殼體支承環(huán)之間的約束反力；切削系統(tǒng)、引導(dǎo)殼體、切削系統(tǒng)支撐殼體構(gòu)成的整體的重心設(shè)計(jì)在切削系統(tǒng)支撐殼體外表面與糾偏裝置支撐殼體4內(nèi)表面球面接觸區(qū)域內(nèi)，使得糾偏控制時(shí)需克服的運(yùn)動(dòng)部件重力矩最小化；通過(guò)以上措施，糾偏控制時(shí)伺服液壓缸輸出力幾乎全部用來(lái)克服引導(dǎo)殼體與土層接觸區(qū)域的被動(dòng)土層約束反力，因此，伺服液壓缸數(shù)目可以很少、糾偏控制カ小、糾偏靈活；最大糾偏角度的設(shè)計(jì)只受頂管掘進(jìn)機(jī)各結(jié)構(gòu)件幾何干渉條件約束，故糾偏角度范圍大，可以應(yīng)用于曲線頂管掘迸；又由于液カ糾偏機(jī)械裝置屬于恰驅(qū)動(dòng)(驅(qū)動(dòng)支鏈數(shù)目等于并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)自由度數(shù))的空間三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，恰驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，從而導(dǎo)致液カ糾偏機(jī)械裝置的糾偏運(yùn)動(dòng)控制和力控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)頂管掘進(jìn)機(jī)空間姿態(tài)實(shí)時(shí)的自動(dòng)化糾偏控制。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置有切削系統(tǒng)、引導(dǎo)殼體、切削系統(tǒng)支撐殼體、糾偏裝置支撐殼體、萬(wàn)向節(jié)、伺服液壓缸、偏差自動(dòng)測(cè)量裝置、液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器組成；其中偏差自動(dòng)測(cè)量裝置可直接選用現(xiàn)有的單激光靶自動(dòng)測(cè)量裝置、單激光靶+陀螺儀自動(dòng)測(cè)量裝置或曲線頂管自動(dòng)遙控測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)管徑大小、成本、直線或曲線頂進(jìn)、彎曲半徑大小等因素進(jìn)行合理選用。所述的液カ糾偏機(jī)械裝置由切削系統(tǒng)、引導(dǎo)殼體、切削系統(tǒng)支撐殼體、糾偏裝置支撐殼體、萬(wàn)向節(jié)和伺服液壓缸組成，其中切削系統(tǒng)、引導(dǎo)殼體均與切削系統(tǒng)支撐殼體固定連接，伺服液壓缸具有位移傳感器用于檢測(cè)伺服液壓缸驅(qū)動(dòng)位移，其兩端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與切削系統(tǒng)和糾偏裝置支撐殼體沿徑向相連接構(gòu)成三條糾偏驅(qū)動(dòng)支鏈，固連于切削系統(tǒng)的切削系統(tǒng)支撐殼體的外表面和糾偏裝置支撐殼體的內(nèi)表面之間采用球面接觸構(gòu)成僅存有切削系統(tǒng)支撐殼體軸線相對(duì)于糾偏裝置支撐殼體軸線的空間三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束支鏈，三條糾偏驅(qū)動(dòng)支鏈沿糾偏裝置支撐殼體周向間隔120度均布，和約束支鏈一起構(gòu)成恰驅(qū)動(dòng)的空間三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度液カ糾偏機(jī)械裝置；為了降低糾偏時(shí)土層約束反力，降低糾偏時(shí)需克服的重力矩，増加糾偏靈活性、增大糾偏角位移空間、降低液壓缸糾偏輸出力，對(duì)所述的糾偏裝置支撐殼體內(nèi)外表面均采用圓柱面、圓錐面、球面組合設(shè)計(jì)，切削系統(tǒng)支撐殼體的外表面采用球面設(shè)計(jì)，引導(dǎo)殼體的外側(cè)采用階梯圓柱面設(shè)計(jì)、與糾偏裝置支撐殼體的接觸部分內(nèi)表面采用圓柱面設(shè)計(jì)，其中球面部分為同心球面，引導(dǎo)殼體與糾偏裝置支撐殼體采用圓柱面和球面接觸形式，形成具有空間三轉(zhuǎn)動(dòng)及沿引導(dǎo)殼體軸線方向移動(dòng)四自由度的可動(dòng)連接，引導(dǎo)殼體與糾偏裝置支撐殼體接觸部分外側(cè)圓柱面直徑小于頂管管徑；設(shè)計(jì)時(shí)使切削系統(tǒng)、弓丨導(dǎo)殼體、切削系統(tǒng)支撐殼體構(gòu)成的整體的重心在切削系統(tǒng)支撐殼體外表面與糾偏裝置支撐殼體內(nèi)表面球面接觸區(qū)域內(nèi)，按照重力承載要求設(shè)計(jì)引導(dǎo)殼體與土層的最小接觸面積。所述的液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器包括油泵、電機(jī)、液壓控制閥、液壓附件、伺服液壓缸及其自帶的位移傳感器和自動(dòng)控制器，自動(dòng)控制器可以采用PLC、DSP、エ控機(jī)等設(shè)備并編寫(xiě)相應(yīng)的測(cè)控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，伺服液壓缸自帶的位移傳感器，用來(lái)測(cè)量伺服液壓缸驅(qū)動(dòng)位移，向液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器提供反饋信號(hào)。所述的頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置自動(dòng)糾偏實(shí)現(xiàn)過(guò)程偏差自動(dòng)測(cè)量裝置測(cè)得的糾偏裝置支撐殼體的軸線相對(duì)于頂管設(shè)計(jì)軸線的偏差量實(shí)時(shí)傳送給液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器，液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器將該偏差量輸入自動(dòng)控制器糾偏控制算法模型，求解出實(shí)現(xiàn)軸線偏差量消除各伺服液壓缸所需的位移輸出量，液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)伺服液壓缸中位移傳感器的位移信號(hào)，和自動(dòng)控制器糾偏控制算法、模型求解的各伺服液壓缸的輸出位移量比較形成各伺服液壓缸的位移偏差，根據(jù)位移偏差大小輸出控制信號(hào)給液壓伺服系統(tǒng)的控制閥，通過(guò)液壓控制閥的動(dòng)作控制三條糾偏驅(qū)動(dòng)支鏈中各伺服液壓缸的位移輸出，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)殼體的軸線相對(duì)于糾偏裝置支撐殼體的軸線的任意角位移偏差的糾正，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的頂進(jìn)運(yùn)動(dòng)，在引導(dǎo)殼體的約束帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)糾偏裝置支撐殼體的軸線相對(duì)于頂管設(shè)計(jì)軸線的偏差的消除，上述過(guò)程不斷循環(huán)，直至糾偏裝置支撐殼體相對(duì)于頂管設(shè)計(jì)軸線的偏差量控制在液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)頂管掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭前進(jìn)方向的調(diào)節(jié)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了頂管掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)、高效、安全可靠的準(zhǔn)確糾偏，能用于曲線頂管掘進(jìn)，液壓缸糾偏輸出力小，為頂管掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化頂管掘進(jìn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，避免了由于施工條件的千變?nèi)f化、極高的勞動(dòng)強(qiáng)度、操作人員操作經(jīng)驗(yàn)的不足或者粗心大意等因素影響 造成的操作人員誤判或操作指令輸入錯(cuò)誤而導(dǎo)致的糾偏失敗、糾偏效率低等問(wèn)題，提高了頂管掘進(jìn)的效率，改善了頂管施工的質(zhì)量。


圖I為頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置系統(tǒng)組成 圖2為三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度液カ糾偏機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)示意主視 圖3為三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度液カ糾偏機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)示意A-A 圖4為三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度液カ糾偏機(jī)械裝置表面接觸特征示意 圖5為單激光靶自動(dòng)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意 圖6為單激光靶+陀螺儀自動(dòng)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意 圖7為曲線頂管自動(dòng)遙控測(cè)量系統(tǒng)示意 圖8為水平方位角變化運(yùn)行臺(tái)車的位姿計(jì)算；
圖9為曲線頂管自動(dòng)遙控測(cè)量系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8組成的實(shí)時(shí)位姿測(cè)控流程；
圖中1、切削系統(tǒng)；2、引導(dǎo)殼體；3、切削系統(tǒng)支撐殼體；4、糾偏裝置支撐殼體；5、萬(wàn)向節(jié)；6、伺服液壓缸；7、偏差自動(dòng)測(cè)量裝置；8、液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一如圖I、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示，頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置由偏差自動(dòng)測(cè)量裝置7、液カ糾偏機(jī)械裝置、液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8組成。所述的偏差自動(dòng)測(cè)量裝置選用現(xiàn)有的單激光靶自動(dòng)測(cè)量裝置或單激光靶+陀螺儀自動(dòng)測(cè)量裝置，適用于直線掘進(jìn)工程；單激光靶自動(dòng)測(cè)量裝置工作過(guò)程如下在始發(fā)エ作井的基點(diǎn)上設(shè)置激光光源，使激光束沿設(shè)計(jì)軸線入射到設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭的光靶上，攝像機(jī)實(shí)時(shí)獲取光靶圖像，以此檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭軸線相對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的位置偏移大小和方向；另外，通過(guò)固定在掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭中的傾斜儀可以得到掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭軸線相對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的俯仰角、回轉(zhuǎn)角；斜儀和攝像機(jī)的信號(hào)送到控制臺(tái)的計(jì)算機(jī)直接獲得掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭軸線相對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的位置偏移大小和方向、俯仰角、回轉(zhuǎn)角，對(duì)于水平方位角可以通過(guò)軟件趨勢(shì)圖法分析間接獲得，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低特點(diǎn)；單激光靶十陀螺儀自動(dòng)測(cè)量裝置工作原理與單激光靶自動(dòng)測(cè)量裝置工作原理相似，區(qū)別在于固定在掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭中的陀螺儀可以得到掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭軸線相對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的俯仰角、水平方位角和回轉(zhuǎn)角，因此直接獲得掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭軸線相對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的位置偏移大小和方向、俯仰角、水平方位角、回轉(zhuǎn)角，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)単、實(shí)時(shí)性好、成本高等特點(diǎn)。所述的液カ糾偏機(jī)械裝置由切削系統(tǒng)I、引導(dǎo)殼體2、切削系統(tǒng)支撐殼體3、糾偏裝置支撐殼體4、萬(wàn)向節(jié)5和伺服液壓缸6組成，其中切削系統(tǒng)I、引導(dǎo)殼體2均與切削系統(tǒng)支撐殼體3固定連接，伺服液壓缸6具有位移傳感器用于檢測(cè)伺服液壓缸6的驅(qū)動(dòng)位移，其兩端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)5與切削系統(tǒng)I和糾偏裝置支撐殼體4沿徑向相連接構(gòu)成三條糾偏驅(qū)動(dòng)支鏈，固連于切削系統(tǒng)I的切削系統(tǒng)支撐殼體3外表面和糾偏裝置支撐殼體4內(nèi)表面之間米用球面接觸構(gòu)成僅存有切削系統(tǒng)支撐殼體3軸線相對(duì)于糾偏裝置支撐殼體4軸線的空間三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束支鏈，三條糾偏驅(qū)動(dòng)支鏈沿糾偏裝置支撐殼體4周向間隔120度均布，和約束支鏈一起構(gòu)成恰驅(qū)動(dòng)的空間三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度液カ糾偏機(jī)械裝置；為了降低糾偏時(shí)土層約束反力，降低糾偏時(shí)需克服的重力矩，増加糾偏靈活性、增大糾偏角位移空間、降低液壓缸 糾偏輸出力，對(duì)所述的糾偏裝置支撐殼體4內(nèi)外表面均采用圓柱面、圓錐面和球面組合設(shè)計(jì)，切削系統(tǒng)支撐殼體3外表面采用球面設(shè)計(jì)，引導(dǎo)殼體2外側(cè)采用階梯圓柱面設(shè)計(jì)、與糾偏裝置支撐殼體4接觸部分內(nèi)表面采用圓柱面設(shè)計(jì)，其中球面部分為同心球面，引導(dǎo)殼體2與糾偏裝置支撐殼體4采用圓柱面和球面接觸形式，形成具有空間三轉(zhuǎn)動(dòng)及沿引導(dǎo)殼體2軸線方向移動(dòng)四自由度的可動(dòng)連接，設(shè)計(jì)時(shí)使切削系統(tǒng)I、引導(dǎo)殼體2、切削系統(tǒng)支撐殼體3構(gòu)成的整體的重心在切削系統(tǒng)支撐殼體3外表面與糾偏裝置支撐殼體4內(nèi)表面球面接觸區(qū)域內(nèi)，按照重力承載要求設(shè)計(jì)引導(dǎo)殼體2與土層的最小接觸面積；所述的液カ糾偏機(jī)械裝置在三條糾偏驅(qū)動(dòng)支鏈和約束支鏈共同作用下，可以實(shí)現(xiàn)切削系統(tǒng)I、引導(dǎo)殼體2、切削系統(tǒng)支撐殼體3整體相對(duì)于糾偏裝置支撐殼體4繞球面中心作空間任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)。所述的液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8包括油泵、電機(jī)、液壓控制閥、液壓附件、伺服液壓缸6及其自帶的位移傳感器和自動(dòng)控制器，自動(dòng)控制器可以采用PLC、DSP、エ控機(jī)等設(shè)備并編寫(xiě)相應(yīng)的測(cè)控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，伺服液壓缸6自帶的位移傳感器，用來(lái)測(cè)量伺服液壓缸6驅(qū)動(dòng)位移，向液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8提供反饋信號(hào)。所述的頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置自動(dòng)糾偏具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下單激光靶自動(dòng)測(cè)量裝置或單激光靶+陀螺儀自動(dòng)測(cè)量裝置實(shí)時(shí)獲取掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭(即糾偏裝置支撐殼體4)軸線相對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的位置偏移大小和方向、俯仰角、水平擺角等軸線偏差信號(hào)后，實(shí)時(shí)傳送給液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8，液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8首先將糾偏裝置支撐殼體4軸線相對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的位置偏移大小和方向信息輸入軸線位置偏移補(bǔ)償算法模型，求解出實(shí)現(xiàn)軸線位置偏移消除糾偏裝置支撐殼體4軸線所需的俯仰角、水平方位角大小，結(jié)合偏差自動(dòng)測(cè)量裝置傳送的糾偏裝置支撐殼體4軸線相對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的俯仰角、水平方位角，經(jīng)疊加運(yùn)算后一并輸入液カ糾偏機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)位置反解方程，求解出實(shí)現(xiàn)疊加后軸線俯仰角和水平方位角消除各伺服液壓缸6所需的位移輸出量，同時(shí)液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8實(shí)時(shí)檢測(cè)伺服液壓缸6中位移傳感器的位移信號(hào)，和液力糾偏機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)位置反解求解的各伺服液壓缸6輸出位移量比較形成各伺服液壓缸6位移偏差，根據(jù)位移偏差大小輸出控制信號(hào)給液壓伺服系統(tǒng)的控制閥，通過(guò)液壓控制閥的動(dòng)作控制三條糾偏驅(qū)動(dòng)支鏈中各伺服液壓缸6的位移輸出，伺服液壓缸6—端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)5以糾偏裝置支撐殼體4為基座，另一端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)5推動(dòng)切削系統(tǒng)1，帶動(dòng)引導(dǎo)殼體2和切削系統(tǒng)支撐殼體3，以切削系統(tǒng)支撐殼體3和糾偏裝置支撐殼體4球面接觸面的球心為轉(zhuǎn)動(dòng)中心，實(shí)現(xiàn)切削系統(tǒng)I、引導(dǎo)殼體2相對(duì)于糾偏裝置支撐殼體4空間任意方向的角位移轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的頂進(jìn)運(yùn)動(dòng)，在引導(dǎo)殼體2的約束帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)糾偏裝置支撐殼體4軸線相對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的位置偏移大小和方向、俯仰角、水平方位角的同時(shí)糾正，上述測(cè)控過(guò)程不斷循環(huán)重復(fù)，直至疊加后的軸線俯仰角、水平方位角在液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)頂管掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭前進(jìn)方向的調(diào)節(jié)。
具體實(shí)施方式
ニ 如圖I、圖2、圖3、圖4、圖7、圖8、圖9所示，本實(shí)施方式與實(shí)施方式一不同點(diǎn)是偏差自動(dòng)測(cè)量裝置選用曲線頂管自動(dòng)遙控測(cè)量系統(tǒng)，以便適用于曲線掘進(jìn)工程；曲線頂管自動(dòng)遙控測(cè)量系統(tǒng)由起點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)、運(yùn)行測(cè)量系統(tǒng)、終點(diǎn)測(cè)星系統(tǒng)構(gòu)成，測(cè)量人員通過(guò)起點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，獲得自動(dòng)測(cè)量裝置的初始位姿并輸入液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8，運(yùn)行測(cè)量系統(tǒng)使用的自動(dòng)測(cè)量裝置為ー運(yùn)行臺(tái)車，在運(yùn)行臺(tái)車上主要安裝陀螺儀，用來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)行臺(tái)車的俯仰角、水平方位角和回轉(zhuǎn)角，結(jié)合電子測(cè)速儀測(cè)得的運(yùn)行臺(tái)車速度，陀螺儀和電子測(cè)速儀測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)光纖或無(wú)線傳輸方式傳送給液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8，通過(guò)軟件計(jì)算出運(yùn)行臺(tái)車的位姿(以水平方位角變化為例 設(shè)自運(yùn)測(cè)量裝置以一定的速度在軌道上運(yùn)行，同時(shí)每隔一定時(shí)間測(cè)量一次方位角的増量A 4>和運(yùn)行距離Zlム然后可按附圖7公式算出)，經(jīng)過(guò)主要由陀螺儀組成的運(yùn)行測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)算，最終得到掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾ー節(jié)(即糾偏裝置支撐殼體4)的位姿，此外，液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8通過(guò)伺服液壓缸6自帶的位移傳感器獲得切削系統(tǒng)I、引導(dǎo)殼體2和切削系統(tǒng)支撐殼體3整體的位姿，結(jié)合糾偏裝置支撐殼體4位姿參數(shù)形成切削系統(tǒng)I、引導(dǎo)殼體2和切削系統(tǒng)支撐殼體3整體的位姿偏差，根據(jù)位姿偏差由液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8程序算法計(jì)算出各伺服液壓缸6的位移輸出量，實(shí)現(xiàn)曲線頂管掘進(jìn)，曲線頂管自動(dòng)遙控測(cè)量系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器8組成的實(shí)時(shí)位姿測(cè)控流程見(jiàn)附圖8。
具體實(shí)施方式
三如圖I、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9所示，本實(shí)施方式與實(shí)施方式一和實(shí)施方式ニ不同點(diǎn)是伺服液壓缸6采用多個(gè)同步液壓缸并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，適用糾偏驅(qū)動(dòng)カ要求大的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置，由偏差自動(dòng)測(cè)量裝置、液カ糾偏機(jī)械裝置、液壓伺服系統(tǒng)及自動(dòng)糾偏控制器組成，其特征在干所述的液カ糾偏機(jī)械裝置包括切削系統(tǒng)、引導(dǎo)殼體、切削系統(tǒng)支撐殼體、糾偏裝置支撐殼體、萬(wàn)向節(jié)和伺服液壓缸，伺服液壓缸設(shè)有位移傳感器用于檢測(cè)伺服液壓缸驅(qū)動(dòng)位移，其兩端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)分別與切削系統(tǒng)和糾偏裝置支撐殼體沿徑向相連接構(gòu)成三條糾偏驅(qū)動(dòng)支鏈，三條糾偏驅(qū)動(dòng)支鏈沿糾偏裝置支撐殼體4周向間隔120度均布；切削系統(tǒng)和引導(dǎo)殼體均與切削系統(tǒng)支撐殼體固定連接；所述糾偏裝置支撐殼體前端為球面，后端為圓柱面，前端和后端之間采用圓錐面連接；切削系統(tǒng)支撐殼體外表面采用球面設(shè)計(jì)，引導(dǎo)殼體外側(cè)采用階梯圓柱面設(shè)計(jì)，引導(dǎo)殼體與糾偏裝置支撐殼體接觸部分內(nèi)表面采用圓柱面設(shè)計(jì)，切削系統(tǒng)支撐殼體的外表面和糾偏裝置支撐殼體的內(nèi)表面之間采用球面接觸構(gòu)成僅存有切削系統(tǒng)支撐殼體軸線相對(duì)于糾偏裝置支撐殼體軸線的空間三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束支鏈，引導(dǎo)殼體與糾偏裝置支撐殼體采用圓柱面和球面接觸形式，形成具有空間三轉(zhuǎn)動(dòng)及沿引導(dǎo)殼體軸線方向移動(dòng)四自由度的可動(dòng)連接。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置，其特征在于所述球面部分為同心球面。
3.如權(quán)利要求I所述的ー種頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置，其特征在于切削系統(tǒng)、引導(dǎo)殼體、切削系統(tǒng)支撐殼體構(gòu)成的整體的重心在切削系統(tǒng)支撐殼體的外表面與糾偏裝置支撐殼體內(nèi)表面的球面接觸區(qū)域內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及頂管掘進(jìn)機(jī)，具體是一種頂管掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)型自動(dòng)糾偏裝置。能針對(duì)頂管掘進(jìn)機(jī)前行方向相對(duì)于管道設(shè)計(jì)軸線發(fā)生的偏差，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效、安全可靠的糾偏，液壓缸糾偏輸出力小，且可用于曲線頂管掘進(jìn)，為頂管掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化頂管掘進(jìn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，避免了由于施工條件的千變?nèi)f化、極高的勞動(dòng)強(qiáng)度、操作人員操作經(jīng)驗(yàn)的不足或者粗心大意等因素影響造成的操作人員誤判或操作指令輸入錯(cuò)誤而導(dǎo)致的糾偏失敗、糾偏效率低等問(wèn)題，提高了頂管掘進(jìn)的效率，改善了頂管施工的質(zhì)量。
文檔編號(hào)E21D9/00GK102720503SQ20121010305
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月10日
發(fā)明者劉正浩, 熊國(guó)建, 陳修祥 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)