一种用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法，属于机械控制领域，包括通过所述位移传感器测量驱动油缸的位移，控制器计算出截割臂2的摆角θ；控制器通过转角传感器测量转盘1的转角ψ；通过压力传感器测量驱动油缸的压力，并根据掘进机的工作状态，控制器计算出截割臂2最佳切削宽度；控制器根据截割臂2的摆角θ、转盘1的转角ψ和截割臂2最佳切削宽度实时控制截割臂2，实现对不同尺寸任意形状截面的截割作业。本发明的技术方案实时计算并控制截割臂运动轨迹，可以使机构受力均匀、减少整机振动、提高系统稳定性和减少能耗，并最终提升综合截割效率。
【专利说明】一种用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械设备控制领域，涉及一种运动轨迹控制算法，尤其涉及一种适用于移动式隧道掘进机截割臂运动轨迹的控制算法。
【背景技术】
[0002]目前，移动式隧道掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。随着国民经济的快速发展，我国城市化进程不断加快，今后相当长的时期内，国内的城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程将需要大量的隧道掘进机。隧道掘进机是一种高智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的隧道施工重大技术装备。
[0003]但是，现有的隧道掘进机所采用的掘进方式存在能耗高、效率低且不适宜截割高硬度物料的缺点。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明实时计算并控制截割臂运动轨迹，可以使机构受力均匀、减少整机振动、提高系统稳定性和减少能耗，并最终提升综合截割效率，可以实现不同尺寸任意断面形状成形的切削轨迹。
[0005]为达到上述目的，具体技术方案如下:
[0006]提供了一种用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法，应用于掘进机，所述掘进机截割作业部分包括控制器和可旋转的转盘，所述转盘上设有可摆动的截割臂，所述截割臂上设有驱动油缸，所述转盘上设有转角传感器，所述驱动油缸上设有位移传感器和压力传感器，所述转角传感器、位移传感器和压力传感器与所述控制器相连，所述控制方法包括以下步骤:
[0007]步骤1，通过所述位移传感器测量所述驱动油缸的位移，所述控制器计算出所述截割臂的摆角Θ ；
[0008]步骤2，所述控制器通过所述转角传感器测量所述转盘的转角Ψ ；
[0009]步骤3，通过所述压力传感器测量所述驱动油缸的压力，并根据所述掘进机的工作状态，所述控制器计算出所述截割臂最佳切削宽度；
[0010]步骤4，所述控制器根据所述截割臂的摆角Θ、转盘的转角V和截割臂最佳切削宽度实时控制所述截割臂，实现对不同尺寸任意形状截面的截割作业。
[0011]优选的，所述转盘包括底座和凸台，所述底座上设有若干的外截割臂，所述凸台上设有若干的内截割臂。
[0012]优选的，所述压力传感器设于所述驱动油缸的两端，并实时测量所述驱动油缸两端的压力。
[0013]优选的，所述截割臂的末端设有可旋转的刀盘。
[0014]优选的，所述掘进机的工作状态包括功率分配、截割臂受力、整机振动和截割臂(2)姿态。
[0015]优选的，所述截面形状包括但不限于圆形断面、马蹄形断面、矩形断面和拱形断面形状。
[0016]优选的，所述步骤4中包括以所述转盘回转轴在截面上的点为原点设定X、Y轴，所述控制器通过实时综合考虑截割臂与原点的位置关系、截割臂的摆角、转盘的转角以及截面形状控制截割臂(2)的运动轨迹。
[0017]优选的,所述步骤4中的截割臂的运动轨迹包括转角小于90度阶段、截割臂与原点的距离小于截面形状与原点最小距离的阶段、截割臂与原点的距离小于截面形状与原点最大距离的阶段和截割臂与原点的距离等于截面形状与原点最大距离的阶段。
[0018]优选的，所述步骤4中截割臂的摆动包括沿所述转盘回转轴向内摆动和向外摆动。
[0019]相对于现有技术，本发明的技术方案的优点有:
[0020]1、可以实现不同尺寸的圆形断面、马蹄形断面、拱形断面和矩形断面等任意断面形状成形的切削轨迹；
[0021]2、实时计算截割臂刀盘的最佳切削宽度，可以使机构受力均匀、减少整机振动、提高系统稳定性和减少能耗，并最终提升综合截割效率；
[0022]3、可以适用于以不同数量内截割臂和外截割臂构成的截割头结构形式，完成不同尺寸任意形状断面的截割。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0024]图1是本发明实施例的截割头的结构示意图；
[0025]图2是本发明实施例的主要截割断面的结构示意图；
[0026]图3是本发明实施例的截割臂刀盘初始切削姿态的示意图；
[0027]图4是本发明实施例的控制算法流程示意图；
[0028]图5是本发明实施例的第一阶段切削轨迹示意图；
[0029]图6是本发明实施例的第二阶段切削轨迹示意图；
[0030]图7是本发明实施例的第三阶段切削轨迹示意图；
[0031]图8是本发明实施例的第四阶段切削轨迹示意图。
[0032]其中，I为转盘、2为截割臂。
【具体实施方式】
[0033]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0035]以下将结合附图对本发明的实施例做具体阐释。
[0036]如图1中所示的本发明的实施例的一种用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法。应用于掘进机，掘进机截割作业部分包括控制器和可旋转的转盘1，转盘I上设有可摆动的截割臂2。转盘I包括底座和凸台，底座上设有若干的外截割臂，凸台上设有若干的内截割臂。截割臂2上设有驱动油缸，转盘I上设有转角传感器，驱动油缸上设有位移传感器和压力传感器，转角传感器、位移传感器和压力传感器与控制器相连。压力传感器设于驱动油缸的两端，并实时测量驱动油缸两端的压力。
[0037]在图1中，本发明的实施例的截割头机构的转盘I由底座和凸台两部分组成，其中的4个外截割臂与转盘I的底座联接，2个内截割臂与转盘I的凸台联接。以一个外截割臂为例(其他截割臂原理相同)，截割臂刀盘位于截割臂末端，刀盘切削点简化为图示A点，截割臂饺点B点在驱动油缸的作用下绕饺点O点摆动，摆动角度记为Θ，同时，截割臂2随转盘I在液压马达的作用下绕转盘回转轴旋转，转盘转角记为Ψ。
[0038]控制方法包括以下步骤:
[0039]步骤1，通过位移传感器测量驱动油缸的位移，控制器计算出截割臂2的摆角Θ ；
[0040]步骤2，控制器通过转角传感器测量转盘I的转角Ψ ；
[0041]步骤3，通过压力传感器测量驱动油缸的压力，并综合考虑截割头姿态和功率分配等因素，控制器计算出截割臂最佳切削宽度；
[0042]步骤4，控制器根据截割臂的摆角Θ、转盘的转角V和截割臂最佳切削宽度实时控制截割臂，通过控制算法实现对不同尺寸任意形状截面的截割作业。
[0043]本发明的实施例实时计算并控制截割臂运动轨迹，可以使机构受力均匀、减少整机振动、提高系统稳定性和减少能耗，并最终提升综合截割效率，可以实现不同尺寸任意断面形状成形的切削轨迹。
[0044]在图2中，本发明的实施例中，截面形状优选为马蹄形断面、矩形断面和拱形断面，图示中R表示断面外轮廓半径，H表示断面高度，W表示断面宽度。
[0045]图3所示为截割臂刀盘初始切削位姿示意图。其中，虚线表示的圆代表初始切削时，外截割臂刀盘和内截割臂刀盘的起刀位置，椭圆代表6个截割臂刀盘。
[0046]以下以截割马蹄形断面为例，对整个控制算法进行介绍。其中，H为断面拱高、R为断面外轮廓半径、error为断面边界误差带宽度、P为相邻两个截割臂切削轨迹之间的距离、OA为截割臂的刀盘与转盘铰点的距离、K为转盘在回转角、Θ i_0为第i个截割臂初始摆角、Ψ_0为转盘初始转角、Θ i，Ψ?为分别表示第i个截割臂的摆角及其对应的转盘转角、Pi_R为第i个截割臂刀盘切削点距回转轴线的距离、Pi_y为第i个截割臂刀盘切削点在I轴方向坐标值、Θ _R为截割臂在切削点到回转轴线距离为R处的摆角。
[0047]如图4所示:控制算法包括:初始化模块，主要用于负责接收用户输入的各种信息，比如断面的尺寸，并通过已得到的输入计算其它值，如变量0_R的值。然后，随着转盘的转动，转角ψ的增加，整个循环中的截割轨迹可以分为下述的四个阶段，以第一个截割臂及第二个截割臂为例:
[0048]第一阶段；如图5中所示，在此阶段中，转角Ψ小于90度，截割臂摆角值的计算如下式1:
[0049]Θ I = P/0A/90* ( Ψ 1- Ψ 1_0) + Θ 1_1 (式 I);
[0050]第二阶段；如图6中所示，在此阶段中，截割臂与原点的距离小于截面形状与原点最小距离，截割臂摆角值的计算如下式2:
[0051]Θ I = Ρ/ΟΑ+ Θ 2 (式 2);
[0052]第三阶段；如图7中所示，在此阶段中，截割臂与原点的距离小于截面形状与原点最大距离，截割臂摆角值的计算如下式3和式4:
[0053]Θ I = Ρ/ΟΑ+ Θ 2 (式 3)，
[0054]迭代计算Θ I (式4);
[0055]第四阶段；如图8中所示，在此阶段中，截割臂与原点的距离等于截面形状与原点最大距离，截割臂摆角值的计算如下式5和式6:1? 1= H R
[0056]Κ,一KH (式 5)，
[0057]迭代计算Θ I (式6)。
[0058]其中，在第三阶段和第四阶段中的“迭代计算”，可以采用多种方法，如二分法、黄金分割法等。
[0059]从第四个阶段开始，当转盘再次回转90°转角后，每个外截割臂沿指向转盘回转轴线的方向向内摆动，每个内截割臂沿背向转盘回转轴线的方向向外摆动，待内截割臂和外截割臂摆动至初始切削位姿后，转盘在推进油缸作用下向前推进一个距离，进行下一个截割作业循环，如此循环往复，即可实现对整个巷道断面的截割作业。
[0060]本发明的实施例通过采用控制转盘转角和截割臂摆角(θ，ψ)的运动轨迹控制算法，实现不同尺寸的圆形断面、马蹄形断面、拱形断面和矩形断面等任意断面形状成形的切削轨迹；通过考虑截割臂姿态、功率分配和油缸受力等因素，实时计算切削过程中最佳切削宽度的算法；算法采用把整个循环过程分为4个阶段的方法，计算切削轨迹，能适用于以不同数量内截割臂和外截割臂构成的截割头结构形式，完成不同尺寸任意形状断面的截割。
[0061]以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法，应用于掘进机，其特征在于，所述掘进机截割作业部分包括控制器和可旋转的转盘(I)，所述转盘(I)上设有可摆动的截割臂(2)，所述截割臂(2)上设有驱动油缸，所述转盘(I)上设有转角传感器，所述驱动油缸上设有位移传感器和压力传感器，所述转角传感器、位移传感器和压力传感器与所述控制器相连，所述控制方法包括以下步骤: 步骤1，通过所述位移传感器测量所述驱动油缸的位移，所述控制器计算出所述截割臂(2)的摆角Θ ； 步骤2，所述控制器通过所述转角传感器测量所述转盘(I)的转角Ψ ； 步骤3，通过所述压力传感器测量所述驱动油缸的压力，并根据所述掘进机的工作状态，所述控制器计算出所述截割臂(2)最佳切削宽度； 步骤4，所述控制器根据所述截割臂(2)的摆角Θ、转盘(I)的转角ψ和截割臂(2)最佳切削宽度实时控制所述截割臂(2)，实现对不同尺寸任意形状截面的截割作业。
2.如权利要求1所述的用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法，其特征在于，所述转盘(I)包括底座和凸台，所述底座上设有若干的外截割臂，所述凸台上设有若干的内截割臂。
3.如权利要求2所述的用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法，其特征在于，所述压力传感器设于所述驱动油缸的两端，并实时测量所述驱动油缸两端的压力。
4.如权利要求1所述的用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法，其特征在于，所述截割臂(2)的末端设有可旋转的刀盘。
5.如权利要求3所述的用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法，其特征在于，所述掘进机的工作状态包括功率分配、截割臂受力、整机振动和截割臂(2)姿态。
6.如权利要求5所述的用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法，其特征在于，所述截面形状包括但不限于圆形断面、马蹄形断面、矩形断面和拱形断面形状。
7.如权利要求1所述的用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法，其特征在于，所述步骤4中包括以所述转盘(I)回转轴在截面上的点为原点设定X、Y轴，所述控制器通过实时综合考虑截割臂(2)与原点的位置关系、截割臂(2)的摆角、转盘(I)的转角以及截面形状控制截割臂(2)的运动轨迹。
8.如权利要求7所述的用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法，其特征在于，所述步骤4中的截割臂的运动轨迹包括转角小于90度阶段、截割臂与原点的距离小于截面形状与原点最小距离的阶段、截割臂与原点的距离小于截面形状与原点最大距离的阶段和截割臂与原点的距离等于截面形状与原点最大距离的阶段。
9.如权利要求8所述的用于掘进机任意断面成形截割臂运动轨迹的控制方法，其特征在于，所述步骤4中截割臂(2)的摆动包括沿所述转盘(I)回转轴向内摆动和向外摆动。
【文档编号】E21D9/10GK104265316SQ201410363505
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】薛运锋, 韩俊杰, 王建明 申请人:昆山三一数字科技有限公司