钢架安装机械手臂设计及运动控制研究

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1、钢架安装机械手臂设计及运动控制研究第1章绪论1.1课题研究背景我国隧道的建设总数量已居世界前列，但是隧道施工设备的机械化程度却仍然落后于发达国家。隧道施工主要由人工完成，但近些年地质条件越来越复杂，隧道施工的规模及建设标准也不断在提高，因此仅仅依靠劳动力来建设隧道，将无法满足施工的要求。我国隧道机械化施工是20世纪80年代，以大瑶山隧道建设为起点开始的，在大秦、京九、西康、南昆等铁路建设中推广完善，形成了机械化施工成套技术和设备配套模式。国内铁路隧道钻爆法机械化施工技术发展的标志是大瑶山隧道，而20世纪90年代秦岭隧道则是全断面硬岩掘进机(TBM)施工技术发展的标志。这两次技术上的飞越对我

2、国隧道施工技术影响很大，使人们认识到机械化作业将是隧道施工技术的发展方向。未来几十年，我国交通领域隧道工程的规模将会越来越大，技术难度也会越来越高。为加快工程建设的速度，提高施工机械化装备技术水平，推进隧道装备的国产技术进步是未来的发展趋势[1]。我国的长隧道中超过10公里的多采用钻爆法策略进行施工，但我国以钻爆法为基础的施工技术机械化体系并不健全，机械设备的关键技术研究还未取得突破。现在隧道施工中主要的施工机械设备多从国外引进，针对钢拱架安装的专用设备很少，种类不全，且技术性能与隧道施工条件不匹配，制约了整体技术的发展和进步。为释放围岩应力控制其变形量，提高结构的安全性，防止坍塌，在软岩

3、隧道开挖施工后应立即实施初步支持。根据强度的情况不同，隧道围岩可以分为六个类型，IV级及以上的围岩强度在开挖的过程中常需要用钢架拱支护。钢拱架由钢管，工字钢或钢筋折弯焊接而成和螺栓，钢筋网和混凝土灌注相结合，可以为隧道工程的初期支护中提供一定的支撑刚度，以保护安全建设[2,3]。1.2课题研究目的与意义交通运输行业的快速蓬勃发展，使得对隧道机械化施工程度的要求越来越高，钢拱架安装设备在国外已被广泛使用，但是进口的钢拱架安装车与我国隧道施工工况并不相配套，工作参数不能很好的满足施工要求，同时国外设计制造非标施工设备交付周期长、价格昂贵，不符合经济性要求也不能大规模推广使用。隧道施工设备的研发

4、已提上议事日程，但安装设备结构非常复杂，需要较高的技术水平，目前国内钢材拱安装设备的研究还处于理论阶段。为了满足隧道建设的施工需要，在比较国内外各种起重运输机械、隧道施工设备和机械手等典型结构的基础上对钢拱架安装机械手臂进行设计。开发研究适用于我国隧道施工的钢拱架安装机，可以减少隧道施工中劳动力的需要，加快施工进度，提高拱架安装效率的同时保证钢拱架安装质量，使隧道施工安全问题更有保障，并且有利于提高隧道机械化施工水平，配合其他隧道专用机械形成全面的机械化施工。第2章钢拱架安装机械手臂系统总体设计2.1钢拱架安装机械手臂的设计要求为了满足使用要求，对隧道支护工艺和钢拱架安装要求进行分析。在隧

5、道软岩施工中多采用台阶法，针对两台阶施工中钢拱架安装的问题，本设计进行了研究。设计的钢拱架安装机械手臂使用如图所示的两台阶隧道施工中，隧道尺寸以及台阶尺寸如图2-1所示。在隧道开挖中，为防止软弱岩层、破碎围岩、渗水等因素造成洞身失稳或坍塌，在各部分开挖完成并进行初喷砼后，应分单元及时安装钢拱架，对洞身进行支护。安装时钢拱架应尽可能贴近初喷面，有间隙时应用楔块楔紧[7]。钢拱架安装的施工要求如表2-1所示[8]，钢拱架平面应垂直于隧道中线，平面不错位，不扭曲，其倾斜度不大于2度。钢拱架与铅垂面允许偏差不大于50mm，拼装偏差不大于3mm。工字钢架在洞外按设计加工成型，在洞内用螺栓连成整体。在

6、初喷混凝土之后安装钢拱架，拱脚必须放在牢固的基础或槽钢上，安装完并检查合格后，焊接纵向连接筋并喷混凝土填平，软岩隧道钢拱架施工工艺流程框图如图2-2所示。2.2机械手臂的结构机械手臂是拱架安装设备的工作装置，是直接用来进行钢拱架安装的施工工具，其运动和人手臂的运动相似，主要由大小臂工作机构、姿态调整机构和抓持机构等部分组成，由三组液压缸驱动分别是大臂液压缸、小臂液压缸和腕部液压缸。通过液压缸的伸缩完成大臂升降、小臂推拉和手部姿态调整，实现钢拱架安装时的位置和姿态的调节。电液比例传动系统实现钢拱架安装机械手臂的动作，原动机驱动液压泵把压力油输送到各多路换向阀，通过对换向阀的操作将压力油输送到

7、液压缸及液压马达，驱动各执行元件单独动作或复合动作。在钢拱架安装时，大小臂协同运动到达安装位置，同时姿态调整机构调整钢拱架在空中的姿态，在钢拱架姿态调整好之后，在对接处安装连接螺栓。本文对钢拱架安装机械手臂运动进行研究，控制系统主要包括以下四个部分：上位机单元、下位机单元、显示系统及各传感器等。上位机根据运动的目标控制轨迹进行相关仿真以及轨迹规划运算，结合传感器反馈的信息将轨迹规划参数转变为控制算法所需的目标值，并通过C