专利名称：一种盾构管片拼装机的旋转控制方法
技术领域：
本发明属于隧道挖掘机械领域，尤其涉及一种用于盾构管片拼装机的控制方法。
背景技术：
盾构技术是地下非开挖施工技术的一种，主要用于城市地下大直径排水管路、电 厂取/排水隧道、地铁、公路隧道的开挖施工。 管片拼装机(简称拼装机，下同)是盾构机组合设备中的一个系统构成，主要用于
隧道开挖面形成后的隧道主体结构(通常采用多块预制管片构成)的拼装成形工作。 盾构机每向前推进一环，拼装机随即跟随负责预制管片的拼装敷设，每环管片通
常有6块，组成1环圆形的隧道。 盾构管片的拼装工艺流程如图1所示。 由图可见，共有6块管片组成一个圆形隧道，管片的拼装由拼装机来完成。 拼装机首先拼装下部的封底管片，再由下至上、左右对称地依次拼装其余侧壁管
片，直至最上部的封顶块拼装完成，由此完整完成一个管片拼装环节的工作流程。 如此循环，使得盾构机整体不断地向目标位置推进，盾构机后部随即由混凝土管
片组成一个满足设计直径要求的圆形隧道。 由于管片拼装的工艺要求，拼装机在360度范围内必须保证士220度可旋转范围；
同时，由于机械结构上的原因，又不允许拼装机的可旋转范围超出上述角度范围。 以往拼装机采用的PLC控制程序较简单，没有相关的联锁保护装置/开关，人工操
作工作量大，操作繁琐；当盾构机发生误操作或由于惯性等原因拼装机超出了旋转范围时，
得不到应有的联锁保护；经常会由于各种原因造成管片拼装机发生故障，甚至失控，导致设
备故障率高，工作效率降低，给安全操作带来隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种盾构管片拼装机的旋转控制方法。其在现
有工控机控制功能的基础上，增设了两级旋转位置/旋转角度保护和复位归零按钮，除了 能保证拼装机的正常运转外，更可在拼装机由于惯性或限位间隙等原因导致其旋转超范围 /角度时，起到相应的保护作用，縮短了故障处理时间，更加便于操作，减轻了操作强度，提 高了工作效率，为设备的安全、稳定、高效运行，提供了可靠保障。 本发明的技术方案是提供一种盾构管片拼装机的旋转控制方法，包括可左右旋 转的拼装机和控制拼装机旋转的工控机，其中，所述的拼装机以其钳口位于正下方时为其 初始状态和/或旋转起点，其特征是 在拼装机左旋转或右旋转的允许极限位置，分别对应设置第一、第二组状态检测 开关，所述各组状态检测开关的输出信号触点经工控机的1/0端口分别对应接入拼装机 左、右旋转的驱动控制/联锁回路； 当拼装机左旋转或右旋转时，其钳口部位依次顺序经过各组状态检测开关，对应
4的各组状态检测开关输出相应的位置检测信号，所述的工控机根据相应的位置检测信号判 断是否允许拼装机继续旋转和拼装机的旋转限位位置； 设置一复位归零按钮，所述复位归零按钮的输出信号触点接入工控机内部逻辑继 电器复位回路中；当复位归零按钮接通/按下后，工控机内部的逻辑继电器全部复位；
若拼装机左旋转或右旋转超出其旋转限位位置时，复位归零按钮第一次被接通/ 按下，工控机不允许拼装机继续旋转，只允许其反向旋转，回复至正常旋转范围或回复至旋 转起点，复位归零按钮第二次被接通/按下，所有逻辑继电器和/或限位开关恢复正常状 态，允许拼装机继续正常工作。 具体的，当所述的拼装机在旋转起点从左向右旋转时，工控机以第二组状态检测 开关输出的位置检测信号为拼装机的左旋停止信号和/或旋转限位位置；
当所述的拼装机在旋转起点从右向左旋转时，工控机以第一组状态检测开关输出 的位置检测信号为拼装机的右旋停止信号和/或旋转限位。 更进一步的，所述的第一组状态检测开关包括第一和第二位置检测开关，所述的 第二组状态检测开关包括第三和第四位置检测开关； 当所述拼装机在旋转起点从左向右旋转时，其钳口依次顺序经过/遇到第一、第 二、第四和第三位置检测开关； 当所述拼装机在旋转起点从右向左旋转时，其钳口依次顺序经过/遇到第三、第 四、第二和第一位置检测开关。 当所述拼装机在旋转起点从左向右旋转时，工控机以第四位置检测开关输出的位 置检测信号作为拼装机的左旋停止信号，以第三位置检测开关输出的位置检测信号作为拼 装机的左旋转限位； 当所述拼装机在旋转起点从右向左旋转时，工控机以第二位置检测开关输出的位 置检测信号作为拼装机的右旋停止信号，以第一位置检测开关输出的位置检测信号作为拼 装机的右旋转限位。 当所述拼装机在旋转起点从左向右旋转时，工控机若接收到所述第三位置检测开 关的输出信号，则判定拼装机超出左旋限位，不允许拼装机继续旋转；此时，接通/按下复 位归零按钮，工控机内部的逻辑继电器第一次全部复位，允许拼装机反向向右旋转，直至拼 装机回复至正常旋转范围内或旋转起点，然后，再次接通/按下复位归零按钮，工控机内部 的逻辑继电器第二次全部复位，所有逻辑继电器和/或限位开关恢复正常状态，允许拼装 机继续正常工作。 当所述拼装机在旋转起点从右向左旋转时，工控机若接收到所述第一位置检测开 关的输出信号，则判定拼装机超出右旋限位，不允许拼装机继续旋转；此时，接通/按下复 位归零按钮，工控机内部的逻辑继电器第一次全部复位，允许拼装机反向向左旋转，直至拼 装机回复至正常旋转范围内或旋转起点，然后，再次接通/按下复位归零按钮，工控机内部 的逻辑继电器第二次全部复位，所有逻辑继电器和/或限位开关恢复正常状态，允许拼装 机继续正常工作。 其所述的复位归零按钮为带有钥匙的按钮开关或转动开关。 其所述的状态检测开关或位置检测开关为接触式或非接触式限位开关。 所述的拼装机以其钳口位于正下方时为其旋转起点/零度位置，其许可的旋转范
与现有技术比较，本发明的优点是 1.采用了两级旋转位置/旋转角度保护，在现有工控机控制功能的基础上，可在 拼装机由于惯性或限位间隙等原因导致其旋转超范围/角度时，起到相应的保护作用；
2.设置了复位归零按钮，提高了限位开关动作的可靠性，縮短了故障处理时间，更 加便于操作和故障状态恢复； 3.减轻了操作强度，提高了工作效率，为设备的安全、稳定、高效运行，提供了可靠 保障。
图1是盾构管片的拼装工艺流程图；图2是本发明控制方法的方框示意图；图3是拼装机旋转初始状态位置示意图；图4是拼装机旋转到右限位时的位置示意图；图5是拼装机旋转到左限位时的位置示意图；图6至图16是拼装机旋转控制实施例钳口经过各限位开关的过程示意17是工控机功能流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。 图1中，从左上角的初始状态开始，拼装机首先拼装下部的封底管片，然后再如图 中箭头所指次序，按照"由下至上、左右对称"的顺序地依次拼装右下、左下、左上、右上侧壁 管片，直至最后如左下角图片所示，将最上部的封顶块拼装完成，由此完整完成一个管片拼 装环节的工作流程。 如此循环，使得盾构机整体不断地向目标位置推进，盾构机后部随即由混凝土管 片组成一个满足设计直径要求的圆形隧道。 图2中，本方法在旋转驱动泵启动后，工控机进行拼装机旋转位置的判别，若其超 出左、右限位，则给出相应提示，工控机不允许拼装机继续旋转，只允许其反向旋转；由操作 人员将安全钥匙插入复位归零按钮后，接通/按下复位归零按钮，此时工控机内部的逻辑 继电器全部复位，拼装机可以反向旋转至回复至正常旋转范围或回复至旋转起点，然后复 位归零按钮第二次被接通/按下，所有逻辑继电器和/或限位开关恢复正常状态，允许拼装 机继续正常工作。 由于此处安全钥匙是复位归零按钮被接通/按下的前提条件，故，进行完相应的
操作后，必须及时将安全钥匙拔下，以免发生误操作危及设备的正常操作或运行。 由于管片拼装的工艺要求，拼装机在360度范围内必须保证士220度旋转，这里就
涉及到一个旋转限位的问题。在士220度旋转范围内，要求左、右限位必须碰到两次才能起
作用，不然就达不到设备的动作要求和控制系统的控制联锁要求。 图3中，拼装机处于初始状态，其钳口位于正下方。 由图可见，在拼装机左旋转或右旋转的允许极限位置，分别对应设置了第一、第二
6组状态检测开关，所述各组状态检测开关的输出信号触点经工控机的1/0端口分别对应接 入拼装机左、右旋转的驱动控制/联锁回路。 其中，第一组状态检测开关包括第一、第二位置检测开关X1和X2，所述的第二组 状态检测开关包括第三、第四位置检测开关X3和X4 。 在当拼装机的钳口部位，设置一个相应的感应/触发块(图中以最下部带有圆圈
的方块来表示)，当拼装机的钳口转动到X1、X2、X3、X4的任意一位置时，相应的位置检测开
关就被触发/接通一次(或者说，输出一次位置监测信号)。 拼装机在初始零位时的状态，它可以向左、向右各220度角度进行旋转。 由于状态检测开关、状态检测开关的输出信号触点经工控机的1/0端口分别对应
接入拼装机旋转的驱动控制/联锁回路以及如何采用工控机对拼装机的旋转进行控制均
为现有技术，故其具体接线方式、动作原理和具体联锁过程在此不再叙述。 图4中，拼装机处于从左向右顺时针旋转到右限位的状态。 图5中，拼装机处于从右向左逆时针旋转到左限位的状态。 由图4、图5可知，当拼装机在旋转起点从左向右旋转时，工控机以第四位置检测 开关X4输出的位置检测信号作为拼装机的左旋停止信号，以第三位置检测开关X3输出的 位置检测信号作为拼装机的左旋转限位(图中以某个限位开关被涂黑表示其被接通或被 触发)。 也就是说，在工控机的控制下，拼装机向右旋转到位置检测开关X3位置时为极 限，停止转动，但可以向反方向左转。 当所述拼装机在旋转起点从右向左旋转时，工控机以第二位置检测开关X2输出 的位置检测信号作为拼装机的右旋停止信号，以第一位置检测开关X1输出的位置检测信 号作为拼装机的右旋转限位。 相应地，在工控机的控制下，拼装机向左旋转到位置检测开关XI位置时为极限， 停止转动，但可以向反方向右转。 设置左、右两组拼装机旋转状态检测开关，每组由两个位置检测开关构成，除了正 常的旋转限位功能外，可在拼装机由于惯性或限位间隙等原因导致其旋转超范围/角度 时，起到相应的保护作用。 当由于拼装机限位间隙问题引起拼装机限位保护失灵时，用带有钥匙的复位归零 按钮，全部复位工控机内部的逻辑继电器，这样拼装机就可以顺利转回到零位(钳口向下 位置)，再次复位归零按钮，内部逻辑继电器再次全部复位，拼装机即可正常工作，所有限位 恢复在正常状态。 下面以拼装机从零位开始顺时针从左向右旋转为例说明整个旋转控制方法和过 程 图6中，当拼装机正转指令发出时，拼装机从零位开始顺时针从左向右旋转，其钳 口(在控制系统中实际上是以前述的感应/触发块的位置来代表钳口的位置，但业内习惯 于说是钳口，下同)经过其旋转路径上的第一个位置检测开关是第一位置检测开关X1， XI 被触发一次。 图7中，拼装机继续顺时针旋转，其钳口经过旋转路径上的第二个位置检测开关 是第二位置检测开关X2， X2被触发一次。
图8中，拼装机继续顺时针旋转，其钳口经过旋转路径上的第三个位置检测开关是第四位置检测开关X4， X4被触发一次。 图9中，拼装机继续顺时针旋转，其钳口经过旋转路径上的第四个位置检测开关是第三位置检测开关X3， X3被触发一次。 此时，拼装机旋转到+220度限位，不能继续顺时针旋转，在工控机的控制下，此时拼装机只能向反方向逆时针旋转。 结合图6至图9所示可知，当所述拼装机在旋转起点从左向右旋转时，其钳口依次顺序经过/遇到第一、第二、第四和第三位置检测开关。 图10中，当拼装机反转指令发出时，拼装机从右转限位X3开始逆时针旋转，其钳口旋转路径上经过的第一个位置检测开关位置是是第四位置检测开关X4， X4被触发一次。
图11中，拼装机继续逆时针旋转，其钳口经过旋转路径上的第二个位置检测开关是第二位置检测开关X2， X2被触发一次。 图12中，拼装机继续逆时针旋转，其钳口经过旋转路径上的第三个位置检测开关是第一位置检测开关XI， XI被触发一次。 图13中，拼装机继续逆时针旋转，其钳口经过旋转路径上的第四个位置检测开关是第三位置检测开关X3， X3被触发一次。 图14中，拼装机继续逆时针旋转，其钳口经过旋转路径上的第五个位置检测开关是第四位置检测开关X4， X4被触发一次。 图15中，拼装机继续逆时针旋转，其钳口经过旋转路径上的第六个位置检测开关是第二位置检测开关X2， X2被触发一次。 图16中，拼装机继续逆时针旋转，其钳口经过旋转路径上的第七个位置检测开关是第一位置检测开关XI， XI被触发一次。 此时拼装机旋转到-220度限位，不能继续逆时针旋转，此时拼装机只能向正方向顺时针旋转。 由上可知，当拼装机在旋转起点从右向左旋转时，其钳口依次顺序经过/遇到第三、第四、第二和第一位置检测开关。 可见，在一个完整的旋转过程中，钳口要经过各个位置检测开关两次，这也是为何在本控制方法(如图2所示)需要进行两次复位归零的原因。 按照上述动作控制程序，拼装机就能够实现在+220 -220度范围内的自由旋转，如超过许可的旋转范围，拼装机在工控机的监控下自动停止。 如果由于惯性等原因，拼装机超出了旋转范围，启动拼装机的复位归零按钮/开关，使得拼装机退回正常零位范围内，再次按动/扳动拼装机复位归零按钮/开关，拼装机工控机中的各项软元件(即程序逻辑继电器、逻辑开关或其他逻辑控制单元或部件)全部置零，拼装机又能正常工作了。 复位归零按钮为带有钥匙的按钮开关或转动开关，采用专门钥匙作为操作许可的目的是防止误操作将工控机中所有逻辑继电器全部复位，防止发生操作事故和危及设备/人身安全。 其状态检测开关或位置检测开关为接触式或非接触式限位开关，实际应用中出于可靠性及使用寿命等方面的考虑，以采用非接触式的接近式开关为宜。
图17是按照上述各步所述的旋转控制方式，采用工控机的阶梯控制程序语言所制的功能流程图，其中心指导思想是将拼装机的正转与反转在PLC程序内部予以相关的保护，防止由于操作开关失灵引起的拼装机误动作；当拼装机由于限位间隙问题引起拼装机限位保护失灵时，接通/按下采用专用钥匙的复位归零按钮，然后把拼装机转到钳口向下位置，再次接通/按下复位归零按钮，拼装机即可恢复正常工作。 由图可见，整个旋转控制方法/过程中，各个位置检测开关的输出信号起着关键的作用，其是整个控制流程中各种判断和操作控制的依据和结果验证，是工控机选择/执行下一步操作的依据。 由于其是采用本领域的习惯制图和描述方法，各步控制逻辑关系和动作过程在图6至16中已经进行了描述，故在此不再重复。 本领域的普通技术人员，在掌握了本发明的技术方案和解决问题的思路之后，无需经过创造性的劳动，即可再现本申请的技术方案，实现其技术效果。 由于本发明采用了两级旋转位置/旋转角度保护和复位归零按钮，除了能保证拼装机的正常运转外，更可在拼装机由于惯性或限位间隙等原因导致其旋转超范围/角度时，起到相应的保护作用，避免了设备的机械损伤/损害事故，縮短了故障的处理时间，更加便于操作，减轻了操作强度，提高了拼装机的自动化控制程度和工作效率，为设备的安全、稳定、高效运行，提供了可靠保障。 经过国家电力公司某大型电厂三期取水隧道的施工检验，证明该控制系统操作简
单、保护联锁装置完备、性能稳定、故障率非常低，经过实际运用检验，得到了项目施工人员
的一致好评，为国产网格式盾构的自动化程度的大幅度提高奠定了基础。 本发明可广泛用于各类直径网格式盾构机的控制系统领域，对于其他机械手控制
系统也有借鉴作用。
权利要求
一种盾构管片拼装机的旋转控制方法，包括可左右旋转的拼装机和控制拼装机旋转的工控机，其中，所述的拼装机以其钳口位于正下方时为其初始状态和/或旋转起点，其特征是在拼装机左旋转或右旋转的允许极限位置，分别对应设置第一、第二组状态检测开关，所述各组状态检测开关的输出信号触点经工控机的I/O端口分别对应接入拼装机左、右旋转的驱动控制/联锁回路；当拼装机左旋转或右旋转时，其钳口部位依次顺序经过各组状态检测开关，对应的各组状态检测开关输出相应的位置检测信号，所述的工控机根据相应的位置检测信号判断是否允许拼装机继续旋转和拼装机的旋转限位位置；设置一复位归零按钮，所述复位归零按钮的输出信号触点接入工控机内部逻辑继电器复位回路中；当复位归零按钮接通/按下后，工控机内部的逻辑继电器全部复位；若拼装机左旋转或右旋转超出其旋转限位位置时，复位归零按钮第一次被接通/按下，工控机不允许拼装机继续旋转，只允许其反向旋转，回复至正常旋转范围或回复至旋转起点，复位归零按钮第二次被接通/按下，所有逻辑继电器和/或限位开关恢复正常状态，允许拼装机继续正常工作。
2. 按照权利要求1所述的盾构管片拼装机的旋转控制方法，其特征是当所述的拼装机 在旋转起点从左向右旋转时，工控机以第二组状态检测开关输出的位置检测信号为拼装机 的左旋停止信号和/或旋转限位位置；当所述的拼装机在旋转起点从右向左旋转时，工控机以第一组状态检测开关输出的位 置检测信号为拼装机的右旋停止信号和/或旋转限位。
3. 按照权利要求1所述的盾构管片拼装机的旋转控制方法，其特征是所述的第一组状 态检测开关包括第一和第二位置检测开关，所述的第二组状态检测开关包括第三和第四位 置检测开关；当所述拼装机在旋转起点从左向右旋转时，其钳口依次顺序经过/遇到第一、第二、第 四和第三位置检测开关；当所述拼装机在旋转起点从右向左旋转时，其钳口依次顺序经过/遇到第三、第四、第 二和第一位置检测开关。
4. 按照权利要求2或3所述的盾构管片拼装机的旋转控制方法，其特征是当所述拼装 机在旋转起点从左向右旋转时，工控机以第四位置检测开关输出的位置检测信号作为拼装 机的左旋停止信号，以第三位置检测开关输出的位置检测信号作为拼装机的左旋转限位；当所述拼装机在旋转起点从右向左旋转时，工控机以第二位置检测开关输出的位置检 测信号作为拼装机的右旋停止信号，以第一位置检测开关输出的位置检测信号作为拼装机 的右旋转限位。
5. 按照权利要求1、2或3所述的盾构管片拼装机的旋转控制方法，其特征是当所述拼 装机在旋转起点从左向右旋转时，工控机若接收到所述第三位置检测开关的输出信号，则 判定拼装机超出左旋限位，不允许拼装机继续旋转；此时，接通/按下复位归零按钮，工控机内部的逻辑继电器第一次全部复位，允许拼装 机反向向右旋转，直至拼装机回复至正常旋转范围内或旋转起点，然后，再次接通/按下复 位归零按钮，工控机内部的逻辑继电器第二次全部复位，所有逻辑继电器和/或限位开关恢复正常状态，允许拼装机继续正常工作。
6. 按照权利要求1、2或3所述的盾构管片拼装机的旋转控制方法，其特征是当所述拼 装机在旋转起点从右向左旋转时，工控机若接收到所述第一位置检测开关的输出信号，则 判定拼装机超出右旋限位，不允许拼装机继续旋转；此时，接通/按下复位归零按钮，工控机内部的逻辑继电器第一次全部复位，允许拼装 机反向向左旋转，直至拼装机回复至正常旋转范围内或旋转起点，然后，再次接通/按下复 位归零按钮，工控机内部的逻辑继电器第二次全部复位，所有逻辑继电器和/或限位开关 恢复正常状态，允许拼装机继续正常工作。
7. 按照权利要求1所述的盾构管片拼装机的旋转控制方法，其特征是所述的复位归零 按钮为带有钥匙的按钮开关。
8. 按照权利要求1或3所述的盾构管片拼装机的旋转控制方法，其特征是所述的状态 检测开关或位置检测开关为接触式或非接触式限位开关。
9. 按照权利要求1所述的盾构管片拼装机的旋转控制方法，其特征是所述的拼装机以 其钳口位于正下方时为其旋转起点/零度位置，其许可的旋转范围为±220度。
全文摘要
一种盾构管片拼装机的旋转控制方法，属隧道挖掘领域。其在拼装机左右旋转极限位置设置两组检测开关，各检测开关输出信号触点经工控机I/O端口分别对应接入拼装机左、右旋转的驱动控制/联锁回路，工控机根据相应位置检测信号判断是否允许拼装机继续旋转和拼装机的旋转限位位置；设置一复位归零按钮，当复位归零按钮接通后，工控机内部逻辑继电器全部复位；若拼装机左、右旋转超出其旋转限位位置时，复位归零按钮第一次被接通，工控机只允许拼装机反向旋转，回复至正常旋转范围，复位归零按钮再次被接通，所有逻辑继电器恢复正常状态，允许拼装机继续正常工作。其可在拼装机旋转超范围度时起到相应的保护作用，减轻了操作强度，提高了工作效率。
文档编号E21D11/08GK101787890SQ20091024732
公开日2010年7月28日 申请日期2009年12月29日 优先权日2009年12月29日
发明者周振国, 孔利明, 廉永梅, 徐彪, 李耀良, 王传富, 秦宝华, 邵光明, 郑坚, 陆凯忠, 陈国令, 顾刚, 顾解桢 申请人:上海市基础工程有限公司