一种敞开式TBM钢拱架自动拼装作业装置及其方法与流程

本发明涉及钢拱架拼装作业装置，尤其是涉及一种敞开式tbm钢拱架自动拼装作业装置。

背景技术：

敞开式tbm(tunnelboringmachine)，又称为敞开式隧道掘进机，是一种针对硬岩地层掘进的大型隧道施工机械，其利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩，并通过铲斗齿和皮带机将石渣运往洞外，掘进、支护和出渣并行作业，具有掘进速度快、利于环保等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地质条件下的隧道施工。

钢拱架拼装和支护作业是隧道施工中的关键步骤，tbm完成一环的掘进后需要通过钢拱架进行及时有效的支护，对确保开挖隧道的安全和质量起到很好的保障作用。钢拱架拼装的主要任务是将单榀的钢拱架放置到特定的位置，并通过螺栓和其余的钢拱架进行有效的连接。

目前，钢拱架拼装主要依靠人工作业，存在自动化程度低、人工工作量大、时间长、质量不稳定等问题，不适应tbm高效、安全施工要求，制约tbm施工效率、安全和质量的提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种敞开式tbm钢拱架自动拼装作业装置，行走油缸两端分别铰接于主梁和行走环，驱动行走环沿水平方向平移，旋转环由两个对称布置的驱动轮驱动，伸缩臂可沿垂直于隧道轴线方向实现钢拱架拼装机械手的伸出和缩回，从而控制钢拱架拼装机械手的空间位置；姿态调整机构包括由轻型液压缸驱动的并联机构和偏航角调节液压缸，控制钢拱架拼装机械手的空间姿态。

本发明采用的技术方案是：

一种敞开式tbm钢拱架自动拼装作业装置，其特征在于：包括主梁、水平滑动导轨、行走油缸、行走环、旋转环支架、旋转环、驱动轮、支撑导向轮、钢拱架夹具、伸缩臂、姿态调整装置、钢拱架拼装机械手末端；其中，行走环通过滑块与主梁侧面的水平滑动导轨配合，行走油缸分别铰接于主梁铰接接头和行走环铰接接头，旋转环支架通过旋转环法兰盘固定在主梁上，驱动轮和支撑导向轮的底座均布焊接于旋转环支架顶端，旋转环上的齿与驱动轮上的齿相啮合，并通过支撑导向轮固连在旋转环支架上，钢拱架夹具周向布置焊接于旋转环侧面，钢拱架拼装机械手通过焊接在伸缩臂上的伸缩臂法兰盘紧固在行走环的侧面。

所述旋转环由两个左右对称布置的驱动轮和四个周向布置的支撑导向轮驱动和连接，侧面安装有均匀布置的钢拱架夹具，用来夹持并固定钢拱架的位姿。

所述钢拱架拼装机械手通过伸缩臂法兰盘固定在行走环的侧面，包括伸缩臂、姿态调整装置和钢拱架拼装机械手末端三部分。

所述伸缩臂包括套筒、伸出杆、套筒铰接接头、行程传感器、伸缩液压油缸、卡箍、延长杆、伸出杆铰接头，伸缩液压油缸可驱动伸出杆沿套筒伸出和缩回。

所述姿态调整装置包括底座铰接接头、轻型液压缸、球铰、偏航角调节液压缸、浮动平台、主轴承，轻型液压缸和偏航角调节液压缸可实现浮动平台空间内三个转动自由度的调节。

本发明具有的有益效果是：行走环、旋转环和伸缩臂分别控制钢拱架拼装机械手的前后、左右和上下运动，安装在伸缩臂上的钢拱架拼装机械手则可以对钢拱架的偏航角、俯仰角、翻滚角进行微调，采用钢拱架位姿独立控制方式，节省了钢拱架拼装定位的运动时间，替代人工操作完成大量钢拱架的拼装工作，有效提高了钢拱架拼装效率。

附图说明

图1是本发明的主体结构的等轴测视图。

图2是本发明的主体结构的主视图。

图3是本发明的主体结构的左视图。

图4是本发明的主体结构的俯视图。

图5是本发明中钢拱架拼装机械手的等轴测视图。

图6是本发明中钢拱架拼装机械手的主视图。

图7是本发明中钢拱架拼装机械手的左视图。

图8是本发明中钢拱架拼装机械手的俯视图。

图1-8中：1、主梁，2、水平滑动导轨，3、行走油缸，4、行走环，5、旋转环支架，6、旋转环，7、驱动轮，8、支撑导向轮，9、钢拱架夹具，10、钢拱架，11、伸缩臂，12、姿态调整装置，13、钢拱架拼装机械手末端，14、钢拱架拼装机械手，31、主梁铰接接头，32、行走环铰接接头，41、滑块，42、行走环法兰盘，51、旋转环法兰盘，52、底座，111、伸缩臂法兰盘，112、套筒，113、伸出杆，114、套筒铰接接头，115、行程传感器，116、伸缩液压油缸，117、卡箍，118、延长杆，119、伸出杆铰接头，121、底座铰接接头，122、轻型液压缸，123、球铰，124、偏航角调节液压缸，125、浮动平台，126、主轴承，131、浮动平台铰接接头，132、机械夹手，133、钢拱架支撑平台，134、机械手驱动液压缸，135、连杆，136、定位套筒，137、机械手末端旋转平台，138、侧板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明包括主梁1、水平滑动导轨2、行走油缸3、行走环4、旋转环支架5、旋转环6、驱动轮7、支撑导向轮8、钢拱架夹具9、伸缩臂11、姿态调整装置12、钢拱架拼装机械手末端13；其中，行走环4通过滑块41与主梁1侧面的水平滑动导轨2配合，行走油缸3两端分别铰接于主梁铰接接头31和行走环铰接接头32，旋转环支架5通过旋转环法兰盘51固定在主梁1上，驱动轮7和支撑导向轮8的旋转环底座52均布焊接于旋转环支架5上，旋转环6上的齿与驱动轮7上的齿相啮合，并通过支撑导向轮8固连在旋转环支架5上，钢拱架夹具9周向布置焊接于旋转环6侧面，钢拱架拼装机械手14通过焊接在伸缩臂11上的伸缩臂法兰盘111紧固在行走环4的侧面。

如图2所示，所述旋转环由两个左右对称布置的驱动轮7和四个周向布置的支撑导向轮8驱动和连接，侧面安装有均匀布置的钢拱架夹具9，用来夹持并固定钢拱架10的位姿。

如图1和图5所示，所述钢拱架拼装机械手14通过伸缩臂法兰盘固定在行走环的侧面，包括伸缩臂11、姿态调整装置12和钢拱架拼装机械手末端13三部分。

如图6所示，所述伸缩臂11包括套筒112、伸出杆113、套筒铰接接头114、行程传感器115、伸缩液压油缸116、卡箍117、延长杆118、伸出杆铰接头119，伸缩液压油缸可驱动伸出杆沿套筒伸出和缩回。

如图6和图8所示，所述姿态调整装置包括姿态调整装置底座121、底座铰接接头122、轻型液压缸123、球铰124、偏航角调节液压缸125、浮动平台126、主轴承127，轻型液压缸和偏航角调节液压缸可实现浮动平台空间内三个转动自由度的调节。

本发明的工作原理如下：

将各个部件按照图1-8中所示安装方式连接后，以实际施工中该装置工作过程为例进行详细描述。钢拱架放置于钢拱架支撑平台133之后，铰接于机械手末端旋转平台137上的机械手驱动液压缸134活塞杆伸出，通过连杆135驱动机械夹手132夹紧钢拱架，预设压力保证钢拱架可靠固定，行走油缸3一端铰接于主梁铰接接头31，另一端铰接于行走环铰接接头32，带动行走环4沿着水平滑动导轨2相对主梁1滑动，当行走环4到达指定位置，驱动轮7带动旋转环6旋转特定的角度，保证钢拱架夹具9到达指定的位置，此时伸缩臂11配合行走油缸3将第一榀钢拱架10放置于钢拱架夹具9上并夹紧固定，旋转环6沿着支撑导向轮8逆时针旋转一定角度，同时行走环4回位拾取下一榀钢拱架，夹紧固定后送料至旋转环6的拼装位置，首先控制旋转环6的旋转角度和伸缩臂11的伸出长度，旋转环6和伸缩臂11分别安装编码器和行程传感器115，控制钢拱架的空间位置在拼装区域内，通常使用螺栓连接钢拱架端面的法兰盘或者采用焊接的方式，以连接两榀钢拱架，因此需要钢拱架拼装机械手14调整第二榀钢拱架的位姿，确保两榀钢拱架端面对接在可接受误差范围内，姿态调整装置12上的轻型液压缸123和偏航角调节液压缸125上安装有内置式的磁致伸缩位移传感器，可以分别测得轻型液压缸123和偏航角调节液压缸125的伸缩长度，从而计算出机械手末端旋转平台137的姿态角和姿态位移，两榀钢拱架可靠连接后，钢拱架夹具9将第二榀钢拱架夹紧固定，旋转环6逆时针旋转一定角度，此时开始下一榀钢拱架拼装，直至钢拱架拼装成环。