管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)技術(shù)研究

鄒今檢

(中國鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

盾構(gòu)法對(duì)施工周圍環(huán)境影響小、對(duì)地下管線的干擾小，可使施工不受天氣影響，具有施工周期短、便于施工管理等特點(diǎn)，已成為隧道施工首選的方法[1]。盾構(gòu)機(jī)是一種集機(jī)、電、液、光、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的大型工程機(jī)械產(chǎn)品[2]。在盾構(gòu)施工過程中，開挖后的隧道需要用洞外預(yù)制好的鋼筋混凝土管片進(jìn)行永久性支護(hù)。管片拼裝機(jī)的功能就是將管片準(zhǔn)確地放到恰當(dāng)?shù)奈恢?并安全、快速地把管片組裝成所定形式[3]。管片拼裝作業(yè)的速度與質(zhì)量直接關(guān)系到施工的速度以及隧道的質(zhì)量[4]。由于管片拼裝的工藝要求以及機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的限制，管片拼裝機(jī)必須保證在一定的角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，即需要有旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)及限位裝置[5]。

目前，檢測(cè)管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度主要有兩種方式[6]。一種方式是通過管片拼裝機(jī)液壓馬達(dá)上的旋轉(zhuǎn)編碼器來檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度。絕對(duì)式編碼器由機(jī)械位置決定每個(gè)位置的唯一性，它無需記憶和尋找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)[7]。這種方式測(cè)量精度比較高，但安裝要求高、難度大、成本高。另一種方式是通過接近開關(guān)來檢測(cè)管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角來檢測(cè)管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。這種方式只能對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行粗略判斷，可靠性差。盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差，接近開關(guān)容易產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)；當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)超過了允許的最大角度時(shí)，其邏輯關(guān)系會(huì)出現(xiàn)混亂，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算錯(cuò)誤，再次使用時(shí)必須重新進(jìn)行初始化。

針對(duì)實(shí)際工作環(huán)境下的管片拼裝機(jī)角度檢測(cè)問題，設(shè)計(jì)了一種采用2個(gè)傾角傳感器檢測(cè)拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的方案。該方案能準(zhǔn)確地判斷管片拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向和角度。

1 拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)原理

1.1 硬件安裝及角度定義

盾構(gòu)隧道施工中，若干塊管片組成一環(huán)，襯砌環(huán)間大多采用錯(cuò)縫拼裝，要求管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度大于180°[8]。盾構(gòu)的管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)角度多為±200°[9]。本文采用2個(gè)傾角傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)角度。傾角傳感器安裝如圖1所示。

圖1 傾角傳感器安裝示意圖

拼裝機(jī)油缸與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連接，1#傾角傳感器和2#傾角傳感器分別安裝在兩側(cè)油缸的頂部。1#傾角傳感器和2#傾角傳感器安裝在不同油缸上，保證了傾角傳感器的安全。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的預(yù)定位置，即回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的初始位置，該位置標(biāo)定為0°，此時(shí)管片拼裝機(jī)抓舉頭在正下方。對(duì)豎直面而言，與0°相對(duì)應(yīng)的是±180°，此時(shí)管片拼裝機(jī)抓舉頭在正上方。從0°順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90°的位置標(biāo)定為-90°，從0°逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90°的位置標(biāo)定為+90°。

按上述定義，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的角度值取負(fù)值，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的角度值取正值。由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)范圍為±200°，在-200°與+200°之間形成一個(gè)重合區(qū)，即回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)無論按順時(shí)針還是逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，抓舉頭都可以旋轉(zhuǎn)到該重合區(qū)域進(jìn)行管片的拼裝。

1.2 角度檢測(cè)原理

傾角傳感器最大檢測(cè)范圍為0°～360°，分辨率為0.1°。傾角傳感器輸出角度值的正負(fù)表示回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)偏離預(yù)定位置后的旋轉(zhuǎn)方向。

1#傳感器量程設(shè)定為-180°～+180°，如圖2所示。圖2(a)為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆時(shí)針偏離預(yù)定位置。當(dāng)α在0°～180°范圍變化，如A位置所示，傳感器輸出的角度值為α；當(dāng)α超過180°位置時(shí)，如B位置所示，傳感器輸出的角度值為α-360°。圖2(b)為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)順時(shí)針偏離預(yù)定位置。當(dāng)α在-180°～ 0°范圍內(nèi)變化時(shí)，如位置A所示，傳感器輸出的角度值為α；當(dāng)α超過-180°位置時(shí)，如位置B所示，傳感器輸出的角度值為360°+α。

圖2 1#傳感器量程整定

則1#傾角傳感器輸出角度γ1與α關(guān)系如式(1)所示：

(1)

2#傾角傳感器量程設(shè)定為-90°～+90°，如圖3所示。圖3(a)為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆時(shí)針偏離預(yù)定位置。

當(dāng)α在0°～90°范圍變化時(shí)，如A位置所示，傳感器輸出值為α；當(dāng)α在-90°～+90°范圍內(nèi)變化，如B位置所示，傳感器輸出的角度值恒為90°。圖3(b)為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)順時(shí)針偏離預(yù)定位置。當(dāng)α在-90°～0°范圍內(nèi)變化，如A位置所示，傳感器輸出的角度值為α；當(dāng)α在-90°～+90°范圍內(nèi)變化時(shí)，如B位置所示，傳感器輸出的角度值恒為-90°。

則2#傾角傳感器輸出角度γ2與α關(guān)系如式(2)所示：

(2)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)如圖4所示。

圖4 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)示意圖

結(jié)合γ1和γ2，可準(zhǔn)確檢測(cè)回轉(zhuǎn)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度γ3。具體步驟如下。

①當(dāng)0°≤γ3≤90°，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)預(yù)定位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)0°～90°時(shí)，如圖4(a)中A位置所示。0°<γ3=γ1=γ2≤90°

②當(dāng)90°<γ3≤180°，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)預(yù)定位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°～180°時(shí)，如圖4(a)中B位置所示。90°<γ3=γ1≤180°,γ2=90°

③當(dāng)180°<γ3≤200°，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)預(yù)定位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°～200°時(shí)，如圖4(a)中C位置所示。γ1<0°,γ2=90°,γ3=γ1°+360°

④當(dāng)-90°<γ3<0°，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)預(yù)定位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)0°～90°時(shí)，如圖4(a)中A位置所示。-90°≤γ3=γ1=γ2°<0°

⑤當(dāng)-180°≤γ3<-90°，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)預(yù)定位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°～180°時(shí)，如圖4(b)中位置B所示。-180°≤γ3=γ1<-90°，γ2°=-90°

⑥當(dāng)-200°≤γ3<-180°，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)預(yù)定位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°～200°時(shí)，如圖4(b)中位置C所示，γ1>0°,γ2=-90°,γ3=γ1-°360°

綜上所述，檢測(cè)角度γ3與1#傾角傳感器輸出角度γ1和2#傾角傳感器的輸出角度γ2的關(guān)系為如式(3)所示：

(3)

2 角度檢測(cè)邏輯實(shí)現(xiàn)

傾角傳感器輸出物理信號(hào)為4～20 mA,通過模擬量輸入模塊讀取到PLC，旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算在PLC中完成。管片拼裝機(jī)角度檢測(cè)邏輯主要分為以下2部分。

第1部分為傾角傳感器輸出信號(hào)的處理，主要包括傾角傳感器量程的標(biāo)定、輸入信號(hào)的過濾及溢出處理。第1部分運(yùn)算結(jié)果為1#傾角傳感器輸出角度Angle1和2#傾角傳感器的輸出角度Angle2。

第2部分為拼裝機(jī)檢測(cè)角度的計(jì)算，運(yùn)算結(jié)果為拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度ErectAngle。部分主要程序如下：

A(

L Angle1

L 0

)

A(

L Angle2

L 900

==I

)

JNB _001

LAngle1

L 3600

+I

TErectAngle

JU _003

_001: NOP 0

A(

L Angle1

L 0

>I

)

A(

L Angle2

L -900

==I

)

JNB _002

L -3600

L Angle1

+I

TErectAngle

JU _003

_002:L Angle1

T ErectAngle

_003: NOP 0

3 方案驗(yàn)證

根據(jù)提出的管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)原理，進(jìn)行驗(yàn)證。旋轉(zhuǎn)角度與1#傳感器、2#傳感器輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)角度與1#傳感器輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6 旋轉(zhuǎn)角度與2#傳感器輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5、圖6結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)滿足傾角傳感器的角度適用范圍，同時(shí)滿足管片拼裝機(jī)角度檢測(cè)范圍。檢測(cè)角度與旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，管片拼裝機(jī)的檢測(cè)角度與旋轉(zhuǎn)角度處處相等，表明采用該原理可以準(zhǔn)確檢測(cè)出管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。

圖7 檢測(cè)角度與旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)束語

利用傾角傳感器檢測(cè)拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的方案已大量應(yīng)用在我們公司生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)管片拼裝機(jī)上。實(shí)踐證明，利用傾角傳感器檢測(cè)拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的方案簡(jiǎn)便、精確、可靠，能迅速檢測(cè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向和角度，從而保證了管片拼裝施工的進(jìn)度和質(zhì)量，避免了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)因轉(zhuǎn)動(dòng)位置不合理而導(dǎo)致的設(shè)備損壞或者人身傷害。