一種用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法，屬于機械控制領域，包括通過所述位移傳感器測量驅動油缸的位移，控制器計算出截割臂2的擺角θ；控制器通過轉角傳感器測量轉盤1的轉角ψ；通過壓力傳感器測量驅動油缸的壓力，并根據掘進機的工作狀態，控制器計算出截割臂2最佳切削寬度；控制器根據截割臂2的擺角θ、轉盤1的轉角ψ和截割臂2最佳切削寬度實時控制截割臂2，實現對不同尺寸任意形狀截面的截割作業。本發明的技術方案實時計算并控制截割臂運動軌跡，可以使機構受力均勻、減少整機振動、提高系統穩定性和減少能耗，并最終提升綜合截割效率。
【專利說明】一種用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于機械設備控制領域，涉及一種運動軌跡控制算法，尤其涉及一種適用于移動式隧道掘進機截割臂運動軌跡的控制算法。

【背景技術】
[0002]目前，移動式隧道掘進機是利用回轉刀具開挖，同時破碎洞內圍巖及掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械。隨著國民經濟的快速發展，我國城市化進程不斷加快，今后相當長的時期內，國內的城市地鐵隧道、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機。隧道掘進機是一種高智能化，集機、電、液、光、計算機技術為一體的隧道施工重大技術裝備。
[0003]但是，現有的隧道掘進機所采用的掘進方式存在能耗高、效率低且不適宜截割高硬度物料的缺點。


【發明內容】

[0004]有鑒于此，本發明實時計算并控制截割臂運動軌跡，可以使機構受力均勻、減少整機振動、提高系統穩定性和減少能耗，并最終提升綜合截割效率，可以實現不同尺寸任意斷面形狀成形的切削軌跡。
[0005]為達到上述目的，具體技術方案如下:
[0006]提供了一種用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法，應用于掘進機，所述掘進機截割作業部分包括控制器和可旋轉的轉盤，所述轉盤上設有可擺動的截割臂，所述截割臂上設有驅動油缸，所述轉盤上設有轉角傳感器，所述驅動油缸上設有位移傳感器和壓力傳感器，所述轉角傳感器、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動油缸的位移，所述控制器計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角傳感器測量所述轉盤的轉角Ψ ；
[0009]步驟3，通過所述壓力傳感器測量所述驅動油缸的壓力，并根據所述掘進機的工作狀態，所述控制器計算出所述截割臂最佳切削寬度；
[0010]步驟4，所述控制器根據所述截割臂的擺角Θ、轉盤的轉角V和截割臂最佳切削寬度實時控制所述截割臂，實現對不同尺寸任意形狀截面的截割作業。
[0011]優選的，所述轉盤包括底座和凸臺，所述底座上設有若干的外截割臂，所述凸臺上設有若干的內截割臂。
[0012]優選的，所述壓力傳感器設于所述驅動油缸的兩端，并實時測量所述驅動油缸兩端的壓力。
[0013]優選的，所述截割臂的末端設有可旋轉的刀盤。
[0014]優選的，所述掘進機的工作狀態包括功率分配、截割臂受力、整機振動和截割臂(2)姿態。
[0015]優選的，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]優選的，所述步驟4中包括以所述轉盤回轉軸在截面上的點為原點設定X、Y軸，所述控制器通過實時綜合考慮截割臂與原點的位置關系、截割臂的擺角、轉盤的轉角以及截面形狀控制截割臂(2)的運動軌跡。
[0017]優選的,所述步驟4中的截割臂的運動軌跡包括轉角小于90度階段、截割臂與原點的距離小于截面形狀與原點最小距離的階段、截割臂與原點的距離小于截面形狀與原點最大距離的階段和截割臂與原點的距離等于截面形狀與原點最大距離的階段。
[0018]優選的，所述步驟4中截割臂的擺動包括沿所述轉盤回轉軸向內擺動和向外擺動。
[0019]相對于現有技術，本發明的技術方案的優點有:
[0020]1、可以實現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、實時計算截割臂刀盤的最佳切削寬度，可以使機構受力均勻、減少整機振動、提高系統穩定性和減少能耗，并最終提升綜合截割效率；
[0022]3、可以適用于以不同數量內截割臂和外截割臂構成的截割頭結構形式，完成不同尺寸任意形狀斷面的截割。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0024]圖1是本發明實施例的截割頭的結構示意圖；
[0025]圖2是本發明實施例的主要截割斷面的結構示意圖；
[0026]圖3是本發明實施例的截割臂刀盤初始切削姿態的示意圖；
[0027]圖4是本發明實施例的控制算法流程示意圖；
[0028]圖5是本發明實施例的第一階段切削軌跡示意圖；
[0029]圖6是本發明實施例的第二階段切削軌跡示意圖；
[0030]圖7是本發明實施例的第三階段切削軌跡示意圖；
[0031]圖8是本發明實施例的第四階段切削軌跡示意圖。
[0032]其中，I為轉盤、2為截割臂。

【具體實施方式】
[0033]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0034]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0035]以下將結合附圖對本發明的實施例做具體闡釋。
[0036]如圖1中所示的本發明的實施例的一種用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法。應用于掘進機，掘進機截割作業部分包括控制器和可旋轉的轉盤1，轉盤I上設有可擺動的截割臂2。轉盤I包括底座和凸臺，底座上設有若干的外截割臂，凸臺上設有若干的內截割臂。截割臂2上設有驅動油缸，轉盤I上設有轉角傳感器，驅動油缸上設有位移傳感器和壓力傳感器，轉角傳感器、位移傳感器和壓力傳感器與控制器相連。壓力傳感器設于驅動油缸的兩端，并實時測量驅動油缸兩端的壓力。
[0037]在圖1中，本發明的實施例的截割頭機構的轉盤I由底座和凸臺兩部分組成，其中的4個外截割臂與轉盤I的底座聯接，2個內截割臂與轉盤I的凸臺聯接。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，刀盤切削點簡化為圖示A點，截割臂餃點B點在驅動油缸的作用下繞餃點O點擺動，擺動角度記為Θ，同時，截割臂2隨轉盤I在液壓馬達的作用下繞轉盤回轉軸旋轉，轉盤轉角記為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動油缸的位移，控制器計算出截割臂2的擺角Θ ；
[0040]步驟2，控制器通過轉角傳感器測量轉盤I的轉角Ψ ；
[0041]步驟3，通過壓力傳感器測量驅動油缸的壓力，并綜合考慮截割頭姿態和功率分配等因素，控制器計算出截割臂最佳切削寬度；
[0042]步驟4，控制器根據截割臂的擺角Θ、轉盤的轉角V和截割臂最佳切削寬度實時控制截割臂，通過控制算法實現對不同尺寸任意形狀截面的截割作業。
[0043]本發明的實施例實時計算并控制截割臂運動軌跡，可以使機構受力均勻、減少整機振動、提高系統穩定性和減少能耗，并最終提升綜合截割效率，可以實現不同尺寸任意斷面形狀成形的切削軌跡。
[0044]在圖2中，本發明的實施例中，截面形狀優選為馬蹄形斷面、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盤鉸點的距離、K為轉盤在回轉角、Θ i_0為第i個截割臂初始擺角、Ψ_0為轉盤初始轉角、Θ i，Ψ?為分別表示第i個截割臂的擺角及其對應的轉盤轉角、Pi_R為第i個截割臂刀盤切削點距回轉軸線的距離、Pi_y為第i個截割臂刀盤切削點在I軸方向坐標值、Θ _R為截割臂在切削點到回轉軸線距離為R處的擺角。
[0047]如圖4所示:控制算法包括:初始化模塊，主要用于負責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算其它值，如變量0_R的值。然后，隨著轉盤的轉動，轉角ψ的增加，整個循環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，轉角Ψ小于90度，截割臂擺角值的計算如下式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，截割臂與原點的距離小于截面形狀與原點最小距離，截割臂擺角值的計算如下式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，截割臂與原點的距離小于截面形狀與原點最大距離，截割臂擺角值的計算如下式3和式4:
[0053]Θ I = Ρ/ΟΑ+ Θ 2 (式 3)，
[0054]迭代計算Θ I (式4);
[0055]第四階段；如圖8中所示，在此階段中，截割臂與原點的距離等于截面形狀與原點最大距離，截割臂擺角值的計算如下式5和式6:1? 1= H R
[0056]Κ,一KH (式 5)，
[0057]迭代計算Θ I (式6)。
[0058]其中，在第三階段和第四階段中的“迭代計算”，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，當轉盤再次回轉90°轉角后，每個外截割臂沿指向轉盤回轉軸線的方向向內擺動，每個內截割臂沿背向轉盤回轉軸線的方向向外擺動，待內截割臂和外截割臂擺動至初始切削位姿后，轉盤在推進油缸作用下向前推進一個距離，進行下一個截割作業循環，如此循環往復，即可實現對整個巷道斷面的截割作業。
[0060]本發明的實施例通過采用控制轉盤轉角和截割臂擺角(θ，ψ)的運動軌跡控制算法，實現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、功率分配和油缸受力等因素，實時計算切削過程中最佳切削寬度的算法；算法采用把整個循環過程分為4個階段的方法，計算切削軌跡，能適用于以不同數量內截割臂和外截割臂構成的截割頭結構形式，完成不同尺寸任意形狀斷面的截割。
[0061]以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為范例，本發明并不限制于以上描述的具體實施例。對于本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的范疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的范圍內。
【權利要求】
1.一種用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法，應用于掘進機，其特征在于，所述掘進機截割作業部分包括控制器和可旋轉的轉盤(I)，所述轉盤(I)上設有可擺動的截割臂(2)，所述截割臂(2)上設有驅動油缸，所述轉盤(I)上設有轉角傳感器，所述驅動油缸上設有位移傳感器和壓力傳感器，所述轉角傳感器、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動油缸的位移，所述控制器計算出所述截割臂(2)的擺角Θ ； 步驟2，所述控制器通過所述轉角傳感器測量所述轉盤(I)的轉角Ψ ； 步驟3，通過所述壓力傳感器測量所述驅動油缸的壓力，并根據所述掘進機的工作狀態，所述控制器計算出所述截割臂(2)最佳切削寬度； 步驟4，所述控制器根據所述截割臂(2)的擺角Θ、轉盤(I)的轉角ψ和截割臂(2)最佳切削寬度實時控制所述截割臂(2)，實現對不同尺寸任意形狀截面的截割作業。
2.如權利要求1所述的用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法，其特征在于，所述轉盤(I)包括底座和凸臺，所述底座上設有若干的外截割臂，所述凸臺上設有若干的內截割臂。
3.如權利要求2所述的用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法，其特征在于，所述壓力傳感器設于所述驅動油缸的兩端，并實時測量所述驅動油缸兩端的壓力。
4.如權利要求1所述的用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法，其特征在于，所述截割臂(2)的末端設有可旋轉的刀盤。
5.如權利要求3所述的用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法，其特征在于，所述掘進機的工作狀態包括功率分配、截割臂受力、整機振動和截割臂(2)姿態。
6.如權利要求5所述的用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法，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.如權利要求1所述的用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法，其特征在于，所述步驟4中包括以所述轉盤(I)回轉軸在截面上的點為原點設定X、Y軸，所述控制器通過實時綜合考慮截割臂(2)與原點的位置關系、截割臂(2)的擺角、轉盤(I)的轉角以及截面形狀控制截割臂(2)的運動軌跡。
8.如權利要求7所述的用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法，其特征在于，所述步驟4中的截割臂的運動軌跡包括轉角小于90度階段、截割臂與原點的距離小于截面形狀與原點最小距離的階段、截割臂與原點的距離小于截面形狀與原點最大距離的階段和截割臂與原點的距離等于截面形狀與原點最大距離的階段。
9.如權利要求8所述的用于掘進機任意斷面成形截割臂運動軌跡的控制方法，其特征在于，所述步驟4中截割臂(2)的擺動包括沿所述轉盤(I)回轉軸向內擺動和向外擺動。
【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 優先權日:2014年7月28日
【發明者】薛運鋒, 韓俊杰, 王建明 申請人:昆山三一數字科技有限公司