一種用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法，屬于機(jī)械控制領(lǐng)域，包括通過所述位移傳感器測量驅(qū)動油缸的位移，控制器計(jì)算出截割臂2的擺角θ；控制器通過轉(zhuǎn)角傳感器測量轉(zhuǎn)盤1的轉(zhuǎn)角ψ；通過壓力傳感器測量驅(qū)動油缸的壓力，并根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)，控制器計(jì)算出截割臂2最佳切削寬度；控制器根據(jù)截割臂2的擺角θ、轉(zhuǎn)盤1的轉(zhuǎn)角ψ和截割臂2最佳切削寬度實(shí)時控制截割臂2，實(shí)現(xiàn)對不同尺寸任意形狀截面的截割作業(yè)。本發(fā)明的技術(shù)方案實(shí)時計(jì)算并控制截割臂運(yùn)動軌跡，可以使機(jī)構(gòu)受力均勻、減少整機(jī)振動、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減少能耗，并最終提升綜合截割效率。
【專利說明】一種用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)備控制領(lǐng)域，涉及一種運(yùn)動軌跡控制算法，尤其涉及一種適用于移動式隧道掘進(jìn)機(jī)截割臂運(yùn)動軌跡的控制算法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，移動式隧道掘進(jìn)機(jī)是利用回轉(zhuǎn)刀具開挖，同時破碎洞內(nèi)圍巖及掘進(jìn)，形成整個隧道斷面的一種新型、先進(jìn)的隧道施工機(jī)械。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國城市化進(jìn)程不斷加快，今后相當(dāng)長的時期內(nèi)，國內(nèi)的城市地鐵隧道、水工隧道、越江隧道、鐵路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程將需要大量的隧道掘進(jìn)機(jī)。隧道掘進(jìn)機(jī)是一種高智能化，集機(jī)、電、液、光、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的隧道施工重大技術(shù)裝備。
[0003]但是，現(xiàn)有的隧道掘進(jìn)機(jī)所采用的掘進(jìn)方式存在能耗高、效率低且不適宜截割高硬度物料的缺點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明實(shí)時計(jì)算并控制截割臂運(yùn)動軌跡，可以使機(jī)構(gòu)受力均勻、減少整機(jī)振動、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減少能耗，并最終提升綜合截割效率，可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸任意斷面形狀成形的切削軌跡。
[0005]為達(dá)到上述目的，具體技術(shù)方案如下:
[0006]提供了一種用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法，應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)，所述掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)部分包括控制器和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤，所述轉(zhuǎn)盤上設(shè)有可擺動的截割臂，所述截割臂上設(shè)有驅(qū)動油缸，所述轉(zhuǎn)盤上設(shè)有轉(zhuǎn)角傳感器，所述驅(qū)動油缸上設(shè)有位移傳感器和壓力傳感器，所述轉(zhuǎn)角傳感器、位移傳感器和壓力傳感器與所述控制器相連，所述控制方法包括以下步驟:
[0007]步驟1，通過所述位移傳感器測量所述驅(qū)動油缸的位移，所述控制器計(jì)算出所述截割臂的擺角Θ ；
[0008]步驟2，所述控制器通過所述轉(zhuǎn)角傳感器測量所述轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角Ψ ；
[0009]步驟3，通過所述壓力傳感器測量所述驅(qū)動油缸的壓力，并根據(jù)所述掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)，所述控制器計(jì)算出所述截割臂最佳切削寬度；
[0010]步驟4，所述控制器根據(jù)所述截割臂的擺角Θ、轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角V和截割臂最佳切削寬度實(shí)時控制所述截割臂，實(shí)現(xiàn)對不同尺寸任意形狀截面的截割作業(yè)。
[0011]優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)盤包括底座和凸臺，所述底座上設(shè)有若干的外截割臂，所述凸臺上設(shè)有若干的內(nèi)截割臂。
[0012]優(yōu)選的，所述壓力傳感器設(shè)于所述驅(qū)動油缸的兩端，并實(shí)時測量所述驅(qū)動油缸兩端的壓力。
[0013]優(yōu)選的，所述截割臂的末端設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的刀盤。
[0014]優(yōu)選的，所述掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)包括功率分配、截割臂受力、整機(jī)振動和截割臂(2)姿態(tài)。
[0015]優(yōu)選的，所述截面形狀包括但不限于圓形斷面、馬蹄形斷面、矩形斷面和拱形斷面形狀。
[0016]優(yōu)選的，所述步驟4中包括以所述轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)軸在截面上的點(diǎn)為原點(diǎn)設(shè)定X、Y軸，所述控制器通過實(shí)時綜合考慮截割臂與原點(diǎn)的位置關(guān)系、截割臂的擺角、轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角以及截面形狀控制截割臂(2)的運(yùn)動軌跡。
[0017]優(yōu)選的,所述步驟4中的截割臂的運(yùn)動軌跡包括轉(zhuǎn)角小于90度階段、截割臂與原點(diǎn)的距離小于截面形狀與原點(diǎn)最小距離的階段、截割臂與原點(diǎn)的距離小于截面形狀與原點(diǎn)最大距離的階段和截割臂與原點(diǎn)的距離等于截面形狀與原點(diǎn)最大距離的階段。
[0018]優(yōu)選的，所述步驟4中截割臂的擺動包括沿所述轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)軸向內(nèi)擺動和向外擺動。
[0019]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)有:
[0020]1、可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸的圓形斷面、馬蹄形斷面、拱形斷面和矩形斷面等任意斷面形狀成形的切削軌跡；
[0021]2、實(shí)時計(jì)算截割臂刀盤的最佳切削寬度，可以使機(jī)構(gòu)受力均勻、減少整機(jī)振動、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減少能耗，并最終提升綜合截割效率；
[0022]3、可以適用于以不同數(shù)量內(nèi)截割臂和外截割臂構(gòu)成的截割頭結(jié)構(gòu)形式，完成不同尺寸任意形狀斷面的截割。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0024]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的截割頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的主要截割斷面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的截割臂刀盤初始切削姿態(tài)的示意圖；
[0027]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的控制算法流程示意圖；
[0028]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的第一階段切削軌跡示意圖；
[0029]圖6是本發(fā)明實(shí)施例的第二階段切削軌跡示意圖；
[0030]圖7是本發(fā)明實(shí)施例的第三階段切削軌跡示意圖；
[0031]圖8是本發(fā)明實(shí)施例的第四階段切削軌跡示意圖。
[0032]其中，I為轉(zhuǎn)盤、2為截割臂。

【具體實(shí)施方式】
[0033]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0034]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
[0035]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做具體闡釋。
[0036]如圖1中所示的本發(fā)明的實(shí)施例的一種用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法。應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)部分包括控制器和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤1，轉(zhuǎn)盤I上設(shè)有可擺動的截割臂2。轉(zhuǎn)盤I包括底座和凸臺，底座上設(shè)有若干的外截割臂，凸臺上設(shè)有若干的內(nèi)截割臂。截割臂2上設(shè)有驅(qū)動油缸，轉(zhuǎn)盤I上設(shè)有轉(zhuǎn)角傳感器，驅(qū)動油缸上設(shè)有位移傳感器和壓力傳感器，轉(zhuǎn)角傳感器、位移傳感器和壓力傳感器與控制器相連。壓力傳感器設(shè)于驅(qū)動油缸的兩端，并實(shí)時測量驅(qū)動油缸兩端的壓力。
[0037]在圖1中，本發(fā)明的實(shí)施例的截割頭機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤I由底座和凸臺兩部分組成，其中的4個外截割臂與轉(zhuǎn)盤I的底座聯(lián)接，2個內(nèi)截割臂與轉(zhuǎn)盤I的凸臺聯(lián)接。以一個外截割臂為例(其他截割臂原理相同)，截割臂刀盤位于截割臂末端，刀盤切削點(diǎn)簡化為圖示A點(diǎn)，截割臂餃點(diǎn)B點(diǎn)在驅(qū)動油缸的作用下繞餃點(diǎn)O點(diǎn)擺動，擺動角度記為Θ，同時，截割臂2隨轉(zhuǎn)盤I在液壓馬達(dá)的作用下繞轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角記為Ψ。
[0038]控制方法包括以下步驟:
[0039]步驟1，通過位移傳感器測量驅(qū)動油缸的位移，控制器計(jì)算出截割臂2的擺角Θ ；
[0040]步驟2，控制器通過轉(zhuǎn)角傳感器測量轉(zhuǎn)盤I的轉(zhuǎn)角Ψ ；
[0041]步驟3，通過壓力傳感器測量驅(qū)動油缸的壓力，并綜合考慮截割頭姿態(tài)和功率分配等因素，控制器計(jì)算出截割臂最佳切削寬度；
[0042]步驟4，控制器根據(jù)截割臂的擺角Θ、轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角V和截割臂最佳切削寬度實(shí)時控制截割臂，通過控制算法實(shí)現(xiàn)對不同尺寸任意形狀截面的截割作業(yè)。
[0043]本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)時計(jì)算并控制截割臂運(yùn)動軌跡，可以使機(jī)構(gòu)受力均勻、減少整機(jī)振動、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減少能耗，并最終提升綜合截割效率，可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸任意斷面形狀成形的切削軌跡。
[0044]在圖2中，本發(fā)明的實(shí)施例中，截面形狀優(yōu)選為馬蹄形斷面、矩形斷面和拱形斷面，圖示中R表示斷面外輪廓半徑，H表示斷面高度，W表示斷面寬度。
[0045]圖3所示為截割臂刀盤初始切削位姿示意圖。其中，虛線表示的圓代表初始切削時，外截割臂刀盤和內(nèi)截割臂刀盤的起刀位置，橢圓代表6個截割臂刀盤。
[0046]以下以截割馬蹄形斷面為例，對整個控制算法進(jìn)行介紹。其中，H為斷面拱高、R為斷面外輪廓半徑、error為斷面邊界誤差帶寬度、P為相鄰兩個截割臂切削軌跡之間的距離、OA為截割臂的刀盤與轉(zhuǎn)盤鉸點(diǎn)的距離、K為轉(zhuǎn)盤在回轉(zhuǎn)角、Θ i_0為第i個截割臂初始擺角、Ψ_0為轉(zhuǎn)盤初始轉(zhuǎn)角、Θ i，Ψ?為分別表示第i個截割臂的擺角及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角、Pi_R為第i個截割臂刀盤切削點(diǎn)距回轉(zhuǎn)軸線的距離、Pi_y為第i個截割臂刀盤切削點(diǎn)在I軸方向坐標(biāo)值、Θ _R為截割臂在切削點(diǎn)到回轉(zhuǎn)軸線距離為R處的擺角。
[0047]如圖4所示:控制算法包括:初始化模塊，主要用于負(fù)責(zé)接收用戶輸入的各種信息，比如斷面的尺寸，并通過已得到的輸入計(jì)算其它值，如變量0_R的值。然后，隨著轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角ψ的增加，整個循環(huán)中的截割軌跡可以分為下述的四個階段，以第一個截割臂及第二個截割臂為例:
[0048]第一階段；如圖5中所示，在此階段中，轉(zhuǎn)角Ψ小于90度，截割臂擺角值的計(jì)算如下式1:
[0049]Θ I = P/0A/90* ( Ψ 1- Ψ 1_0) + Θ 1_1 (式 I);
[0050]第二階段；如圖6中所示，在此階段中，截割臂與原點(diǎn)的距離小于截面形狀與原點(diǎn)最小距離，截割臂擺角值的計(jì)算如下式2:
[0051]Θ I = Ρ/ΟΑ+ Θ 2 (式 2);
[0052]第三階段；如圖7中所示，在此階段中，截割臂與原點(diǎn)的距離小于截面形狀與原點(diǎn)最大距離，截割臂擺角值的計(jì)算如下式3和式4:
[0053]Θ I = Ρ/ΟΑ+ Θ 2 (式 3)，
[0054]迭代計(jì)算Θ I (式4);
[0055]第四階段；如圖8中所示，在此階段中，截割臂與原點(diǎn)的距離等于截面形狀與原點(diǎn)最大距離，截割臂擺角值的計(jì)算如下式5和式6:1? 1= H R
[0056]Κ,一KH (式 5)，
[0057]迭代計(jì)算Θ I (式6)。
[0058]其中，在第三階段和第四階段中的“迭代計(jì)算”，可以采用多種方法，如二分法、黃金分割法等。
[0059]從第四個階段開始，當(dāng)轉(zhuǎn)盤再次回轉(zhuǎn)90°轉(zhuǎn)角后，每個外截割臂沿指向轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)軸線的方向向內(nèi)擺動，每個內(nèi)截割臂沿背向轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)軸線的方向向外擺動，待內(nèi)截割臂和外截割臂擺動至初始切削位姿后，轉(zhuǎn)盤在推進(jìn)油缸作用下向前推進(jìn)一個距離，進(jìn)行下一個截割作業(yè)循環(huán)，如此循環(huán)往復(fù)，即可實(shí)現(xiàn)對整個巷道斷面的截割作業(yè)。
[0060]本發(fā)明的實(shí)施例通過采用控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角和截割臂擺角(θ，ψ)的運(yùn)動軌跡控制算法，實(shí)現(xiàn)不同尺寸的圓形斷面、馬蹄形斷面、拱形斷面和矩形斷面等任意斷面形狀成形的切削軌跡；通過考慮截割臂姿態(tài)、功率分配和油缸受力等因素，實(shí)時計(jì)算切削過程中最佳切削寬度的算法；算法采用把整個循環(huán)過程分為4個階段的方法，計(jì)算切削軌跡，能適用于以不同數(shù)量內(nèi)截割臂和外截割臂構(gòu)成的截割頭結(jié)構(gòu)形式，完成不同尺寸任意形狀斷面的截割。
[0061]以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實(shí)施例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對本發(fā)明進(jìn)行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法，應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)，其特征在于，所述掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)部分包括控制器和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤(I)，所述轉(zhuǎn)盤(I)上設(shè)有可擺動的截割臂(2)，所述截割臂(2)上設(shè)有驅(qū)動油缸，所述轉(zhuǎn)盤(I)上設(shè)有轉(zhuǎn)角傳感器，所述驅(qū)動油缸上設(shè)有位移傳感器和壓力傳感器，所述轉(zhuǎn)角傳感器、位移傳感器和壓力傳感器與所述控制器相連，所述控制方法包括以下步驟: 步驟1，通過所述位移傳感器測量所述驅(qū)動油缸的位移，所述控制器計(jì)算出所述截割臂(2)的擺角Θ ； 步驟2，所述控制器通過所述轉(zhuǎn)角傳感器測量所述轉(zhuǎn)盤(I)的轉(zhuǎn)角Ψ ； 步驟3，通過所述壓力傳感器測量所述驅(qū)動油缸的壓力，并根據(jù)所述掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)，所述控制器計(jì)算出所述截割臂(2)最佳切削寬度； 步驟4，所述控制器根據(jù)所述截割臂(2)的擺角Θ、轉(zhuǎn)盤(I)的轉(zhuǎn)角ψ和截割臂(2)最佳切削寬度實(shí)時控制所述截割臂(2)，實(shí)現(xiàn)對不同尺寸任意形狀截面的截割作業(yè)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)盤(I)包括底座和凸臺，所述底座上設(shè)有若干的外截割臂，所述凸臺上設(shè)有若干的內(nèi)截割臂。
3.如權(quán)利要求2所述的用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法，其特征在于，所述壓力傳感器設(shè)于所述驅(qū)動油缸的兩端，并實(shí)時測量所述驅(qū)動油缸兩端的壓力。
4.如權(quán)利要求1所述的用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法，其特征在于，所述截割臂(2)的末端設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的刀盤。
5.如權(quán)利要求3所述的用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法，其特征在于，所述掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)包括功率分配、截割臂受力、整機(jī)振動和截割臂(2)姿態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法，其特征在于，所述截面形狀包括但不限于圓形斷面、馬蹄形斷面、矩形斷面和拱形斷面形狀。
7.如權(quán)利要求1所述的用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法，其特征在于，所述步驟4中包括以所述轉(zhuǎn)盤(I)回轉(zhuǎn)軸在截面上的點(diǎn)為原點(diǎn)設(shè)定X、Y軸，所述控制器通過實(shí)時綜合考慮截割臂(2)與原點(diǎn)的位置關(guān)系、截割臂(2)的擺角、轉(zhuǎn)盤(I)的轉(zhuǎn)角以及截面形狀控制截割臂(2)的運(yùn)動軌跡。
8.如權(quán)利要求7所述的用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法，其特征在于，所述步驟4中的截割臂的運(yùn)動軌跡包括轉(zhuǎn)角小于90度階段、截割臂與原點(diǎn)的距離小于截面形狀與原點(diǎn)最小距離的階段、截割臂與原點(diǎn)的距離小于截面形狀與原點(diǎn)最大距離的階段和截割臂與原點(diǎn)的距離等于截面形狀與原點(diǎn)最大距離的階段。
9.如權(quán)利要求8所述的用于掘進(jìn)機(jī)任意斷面成形截割臂運(yùn)動軌跡的控制方法，其特征在于，所述步驟4中截割臂(2)的擺動包括沿所述轉(zhuǎn)盤(I)回轉(zhuǎn)軸向內(nèi)擺動和向外擺動。
【文檔編號】E21D9/10GK104265316SQ201410363505
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】薛運(yùn)鋒, 韓俊杰, 王建明 申請人:昆山三一數(shù)字科技有限公司