1.本实用新型属于盾构机技术领域，尤其涉及一种盾构机管片自动拼装系统。
背景技术：2.盾构施工法是指在地面下暗挖隧洞的施工方法，目前已经成为地铁隧道、公路隧道、铁路隧道等各种隧道工程的主要方法。在隧道盾构施工中，盾构施工机械在前端进行掘进，并在盾构施工机械的后方具有后配设备辅助施工，管片车为后配设备中的重要组成部分，管片拼装速度直接影响整个盾构机的掘进速度。
3.在现有技术中，盾构机管片拼装由拼装机将管片抓取旋转相应的角度将管片放置在确定的点位上，随即操作工人将螺栓穿入管片内部，将拼装的管片与上一环管片连接固定。固定完成后，拼装机脱离管片抓取下一块管片，旋转到相应角度进行安装，依次循环直至整环管片安装完成。盾构机管片拼装质量大部分取决于其操作手的技术能力水平，导致隧道内管片的堆砌的质量极不稳定，同时隧道内管片的拼装和管片内部螺栓的连接定位存在交叉作业，存在一定的安全隐患。
技术实现要素：4.为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本实用新型公开了一种盾构机管片自动拼装系统通过改变原有的安装工艺，通过自动化控制，无需人为的操作和干预，提高设备自动化智能化成都，减轻工人劳动强度，提高管片安装的工作效率，节约成本，使其安装质量可控。
5.本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种盾构机管片自动拼装系统，包括plc控制系统和激光定位系统，所述plc控制系统通过信号接收器接收激光定位系统中激光发射器的光束，并通过位移传感器与拼装机信号连接，所述激光定位系统包括激光发射器、激光靶、信号接收器和信号传感器，所述信号传感器通过信号接收器与激光发射器连接。
7.在该技术方案中，所述plc控制系统通过信号接收器接收激光定位系统中激光发射器的光束，将管片安装在所需的位置，并通过位移传感器控制拼装机初始位置到管片上方的距离，所述激光定位系统包括激光发射器、激光靶、信号接收器和信号传感器，所述信号传感器用于判断信号接收器是否接收到激光发射器的光束，以此来判断管片的拼接缝是否有平整无错台现象，通过plc控制系统发出指令进行微调。在16个点位上安装的激光发射器的监测距离随着安装的管片拼装一定的环数后，监测的距离随之增加，同时监测精度随之降低，当激光发射器与信号接收器距离一定远的距离后，将激光发射器的安装点位拆卸，再在安装环管片的往后4环的环管片上安装激光发射器以保证监测的精度和管片拼装的质量。
8.进一步的，所述视频监控系统包括图像采集端、图像处理器、信号传输器和监控显示屏，所述图像采集端安装在拼装机下部的抓取头上，所述图像处理器与处理图像采集端
连接，通过信号传输器与监控显示屏连接。
9.在该技术方案中，所述视频监控系统实现了监测整个管片拼装的过程。
10.进一步的，所述系统包括管片拼装系统，所述管片拼装系统包括拼装机，所述拼装机的上部设有用于检测拼装机行走抓取管片的安全作业范围是否存在干涉的上部激光测距仪，拼装机的下部设有用于检测管片是否被吊装到可抓取的工位上的下部激光测距仪。
11.在该技术方案中，所述plc控制系统控制管片拼装系统的红缸和蓝缸的动作，通过控制管片拼装系统的编码器，控制拼装机的旋转，通过信号接收器接收激光定位系统中激光发射器的光束，将管片安装在所需的位置，并通过位移传感器控制拼装机初始位置到管片上方的距离。
12.进一步的，所述系统包括螺栓连接固定系统，所述螺栓连接固定系统包括机械手和用于控制机械手的控制组件。
13.在该技术方案中，所述螺栓连接固定系统用于实现管片拼装系统发出的指令。
14.本实用新型的有益效果包括：
15.本实用新型通过自动化控制与自动化拼装的方式，改变了传统的人为操作设备完成拼装管片的方式，提高了设备自动化、集成化程度，使得隧道管片堆砌的质量可控，不再依靠拼装手的技术水准，提高了隧道堆砌质量和设备使用效率及设备的经济性，降低了设备的故障率以及现场工人的劳动强度，为实现盾构施工智能化迈出重要一步。
附图说明
16.图1为本实用新型实施例二提供的盾构机管片自动拼装系统示意图；
17.图2为本实用新型实施例一提供的盾构机管片自动拼装系统一环管片点位示意图。
具体实施方式
18.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
19.在本技术实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.参见附图1和附图2，本实用新型提供的一种盾构机管片自动拼装系统，包括plc控制系统、激光定位系统、视频监控系统、管片拼装系统和螺栓连接固定系统。
21.进一步的，plc控制系统包括plc、位移传感器、编码器、接近开关、信号接收器、控制盒等组成，plc控制系统用于控制管片拼装系统的红缸和蓝缸的动作，通过控制管片拼装系统的编码器，控制拼装机的旋转，通过信号接收器接收激光定位系统中激光发射器的光束，将管片安装在所需的位置，并通过位移传感器控制拼装机初始位置到管片上方的距离。
22.进一步的，激光定位系统包括激光发射器、激光靶、信号接收器、信号传感器组成，所述信号传感器用于判断信号接收器是否接收到激光发射器的激光，以此来判断管片的拼接缝是否有平整无错台现象，通过plc控制系统发出指令进行微调，在16个点位上安装的激光发射器的监测距离随着安装的管片拼装一定的环数后，监测的距离随之增加，同时监测精度随之降低，因此当激光发射器与信号接收器距离一定远的距离后，将激光发射器的安装点位拆卸后，再在安装环的往后4环的管片上安装激光发射器以保证监测的精度和管片拼装的质量。视屏监控系统包括图像采集端、图像处理器、信号传输传感器和监控显示屏等组成，所述图像采集端安装在拼装机下部的抓取头上，所述图像处理器用于处理图像采集端采集到得图像，通过信号传输器将处理好的图像传输至监控显示屏上，实现检测整个管片拼装的过程，管片拼装系统包括拼装机及所抓取的管片组成，管片拼装系统包括拼装机，所述拼装机的上部设有用于检测拼装机行走抓取管片的安全作业范围是否存在干涉的上部激光测距仪，拼装机的下部设有用于检测管片是否被吊装到可抓取的工位上的下部激光测距仪，螺栓连接固定系统包括螺栓和机械手，机械手用于抓取管片的螺栓，将螺栓穿入一环管片与另一环管片的螺栓孔中。
23.当拼装点位为16点时，其拼装程序和工作原理如下所述：
24.首先拼装底部8点位置的标准块，然后拼装底部左右5点和11点的标准块，接着拼装上部2点和14点的邻接块，最后拼装16点的封顶块。
25.拼装机抓取头的吸盘将抓取的管片放在8点的位置，即拼装机不做旋转动作，拼装机先向前移动x2值(x2值约5cm)，plc直接控制拼装机的左右红缸和蓝缸伸出y2距离，随后拼装机向后移动x2值，使得拼装的管片与上一环管片紧靠在一起，y2值为拼装机红缸和蓝缸不动时的初始位置距离盾壳的距离，系统设定的y2值为固定值且不随拼装机的旋转而改变，当拼装机的红缸和蓝缸伸出y2值时，此时底部标准块的中心与8点重合，在距离安装当前环管片往后4环的管片上安装有激光定位系统，激光定位系统的激光发射器安装在当前安装环往后4环上，且按16个点位均匀分布，同样在拼装机抓取头真空吸盘上安装有3个点位的激光发射器对应的信号接收器，每个信号接收器同样的相差22.5
°
，当拼装机抓取头真空吸盘上的信号接收器接收到激光发射器的激光时，说明管片的拼接缝平整无错台现象，激光发射器的光束可以调节散射的角度，使得激光发射器的光束部分或全部能被信号接收器接收，说明允许两块环向拼接缝在一定的范围内存在上下偏差，当拼装底部8点的标准块时，拼装机先向前移动x2值的距离，然后拼装机红蓝缸伸出y2距离，随后拼装机向后移动x2值，使安装环的管片与上一环的管片紧密贴合，当安装在安装环后4环7点、8点、9点的位置的激光发射器发射的光束能够被安装在抓取管片的真空吸盘上的信号接收器接收时，说明激光光束在一条直线上，说明本环管片安装的环向接缝平整无错台现象，若7点、8点、9点的激光发射器发射的光束无法被真空吸盘上的信号接收器接收时，说明安装的本环管片与上一环管片存在错台现象，则plc控制系统发出真空吸盘微调的指令，具体指令如下所述：
26.(1)当7点、8点、9点的信号接收器均不能接收到激光光束时，说明本环管片靠近拼
接缝一端过高，遮蔽光束传输，则plc控制系统控制真空吸盘靠近环向接缝一端下压，远离环向接缝一端上翘。使信号接收器能够接收到激光发射器发射的光束。
27.(2)当7点、8点、9点的信号接收器均接收到激光光束时，说明环向接缝平整无错台现象。
28.(3)若7点、8点的信号接收器能接收到光束、9点的信号接收器不能接收到光束，或者8点、9点的信号接收器能接收到光束、7点的信号接收器不能接收到光束，说明不能接收到光束的点位方向位置上翘，挡住激光光束的传输。此时plc控制系统发出真空吸盘微调指令，控制真空吸盘将无法接收到激光光束的一端下压，远离一端轻微上翘，当7点、8点、9点三个点位的信号接收器都检测到激光光束时，说明管片环向接缝拼装质量优良，无错台现象。
29.当安装底部8点位置的标准块时，拼装机红蓝缸伸出y2的距离使本安装环的管片与上一环的管片环向接缝安装平稳无错台现象，且7点、8点、9点的信号接收器均接收到信号时，机械手抓取管片的螺栓，将螺栓穿入本环管片与上一环管片的螺栓孔中，当螺栓都穿入完毕后，拼装机的真空吸盘与管片的区域泄压，使其到达正常的大气压压力，泄压完成后，拼装机的红蓝缸收回伸出的距离y2，即回到初始位置，准备抓取拼装第2块标准块。
30.当拼装底部左边11点位置的标准块时，拼装机抓取头真空吸盘将管片抓取后回到初始位置时，plc控制系统发出控制指令，拼装机的编码器接收到指令后，控制拼装机向前移动x2值，随后控制拼装机顺时针旋转72.5
°
，接着plc控制系统控制拼装机红蓝缸伸出y2值，接着拼装机回旋5
°
，使得第2块标准块与第1块标准块紧靠一起，拼装机回到67.5
°
位置，此时拼装机抓取头真空吸盘的中心与11点位重合，接着拼装机向后移动x2值，使得第2块标准块与上一环管片紧密贴合。。同样的10点、11点、12点安装有激光发射器，其发射出的光束，真空吸盘上的信号接收器进行接收，工作原理和作用与拼装上一步8点位置时候的标准块时一致，当真空吸盘上的信号接收器都接收到10点、11点、12点激光发射器发射的光束时，满足螺栓连接固定的条件，机械手抓取管片螺栓穿入本环安装的管片内与上一环管片连接固定。当本安装标准块所有螺栓安装连接后，拼装机抓取头真空吸盘泄压，系统压力达到标准大气压后，plc控制系统控制拼装机红蓝缸内置传感器使其缩回y1距离，油缸缩回后，plc控制系统控制拼装机编码器，使其逆时针旋转67.5
°
回到初始的位置，接着准备安装第三块标准块即5点方向的标准块。
31.当拼装底部右边5点位置的标准块时，其动作和工作原理均与拼装11点的标准块时完全一致，仅旋转的方向不同。即：当拼装底部右侧5点位置的标准块时，拼装机先向前移动x2值，随后plc控制系统控制拼装机编码器使其逆时针旋转72.5
°
，接着plc控制系统控制拼装机红蓝缸伸出y2值，接着拼装机回旋5
°
，拼装机回到逆时针67.5
°
位置，使得第3块标准块与第1块标准块紧靠一起，最后拼装机向后移动x2值，使得第3块标准块与上一环管片紧密贴合。当安装完毕后，拼装机抓取头的真空吸盘泄压后，拼装机顺时针旋转67.5
°
回到初始位置。
32.当拼装顶部左边14点位置的邻接块时，其工作原理与拼装11点标准块的动作和工作原理大致一致，仅拼装机旋转的角度存在变化，具体为14点位置距离8点位置为135
°
，但如果拼装机仅旋转135
°
就直接控制红蓝缸伸缩y1的距离，可能会出现因已经拼装好的11点标准块的干涉，导致仅旋转135
°
到14点中心位置的邻接块无法放置到位，因此拼装邻接块
时，无论是左边14点的邻接块还是右边2点的邻接块，设定系统旋转角度为140
°
，即拼装左边的14点邻接块时，拼装机抓取邻接块后，拼装机向前移动x2值，随后顺时针旋转140
°
，接着plc控制系统控制拼装机的红蓝缸使其伸出y2距离，然后逆时针旋转5
°
，使邻接块与第2块标准块在横向接缝处紧密贴合，然后拼装机向后移动x2值，使得邻接块与上一环管片在纵向接缝处紧密贴合。同时与之前拼装8点位置时的标准环一致，拼装质量及错台的误差由13点、14点、15点的激光发射器和真空吸盘上的信号接收器控制，激光发射器的工作原理及满足条件与拼装8点位置时的标准环时一致。
33.当拼装顶部右边2点位置的邻接块时，拼装的技术要求和角度设定与拼装左边14点位置的邻接块时一致，仅初始拼装机的旋转方向不一致，即：拼装机的抓取头真空吸盘抓取管片后，拼装机先向前移动x2值，随后拼装机逆时针旋转140
°
，然后拼装机红蓝缸伸出y2距离后，拼装机再往回旋转5
°
，到达2点位置，使得邻接块与第3块标准块紧密贴合，最后拼装机向后移动x2值，使得邻接块与上一环管片紧密贴合。邻接块的接缝处质量同样由1点、2点、3点的激光发射器和真空吸盘上的信号接收器控制，当机械手将管片的螺栓安装固定后，拼装机真空吸盘进行泄压，泄压完成后其红蓝缸缩回y2值，拼装机顺时针旋转140
°
回到初始位置。准备安装封顶块。
34.当拼装顶部16点位置的封顶块时，由于封顶块成楔形状，因此不能直接将封顶块安装到位，所以拼装封顶块的时的程序和动作与拼装标准块和邻接块时略有不同，设定封顶块的长度为x3，系统内设定拼装机抓取封顶块后，回到初始位置后，向前再移动x3/2的距离，然后plc控制系统控制编码器使拼装机顺时针旋转180
°
，此时封顶块中心与16点的位置重合，然后plc控制系统控制拼装机的红蓝缸伸出y2距离，使封顶块放入楔形槽内，此时楔形块的1/2长度在楔形槽内，当拼装机的红蓝缸伸出y2距离后，然后拼装机在回到初始位置向回移动x3/2的距离，即将外露的x3/2的封顶块完全插入楔形槽内，同时真空吸盘上的信号接收器接收到激光发射器的光束时，满足螺栓连接定位条件，机械手抓取管片螺栓插入封顶块内的螺栓孔内与相邻的邻接块和上一环管片一起固定，最后拼装机抓取头真空吸盘内泄压，拼装机红蓝缸缩回y2值，拼装机逆时针旋转180
°
回到初始位置，完成一环管片的全部安装过程。
35.当需要拼装的点位在1点时，即最后一块封顶块的位置在1点的位置，拼装1点时与拼装16点的动作完全一致，均有回靠的动作，本环与上一环回靠距离均为x2，标准块之间，标准块与邻接块之间的回靠角度均为5
°
，下文不在过多阐述，仅阐述旋转角度的差异，其拼装程序和工作原理如下所述：
36.当拼装底部标准块时，拼装机顺时针旋转22.5
°
到达9点的位置安装第一块标准块，第二块与第三块标准块分别顺时针旋转95
°
，然后回旋5
°
到90
°
，达到12点位置和逆时针旋转50
°
，然后回旋5
°
，到45
°
到达6点位置，拼装第四块和第五块邻接块时，拼装机首先旋转162.5
°
，接着拼装机逆时针旋转5
°
，旋转到157.5
°
位置，即拼装机旋转到15点位置，使第四块邻接块与标准块靠紧；拼装第五块邻接块时，拼装机逆时针旋转117.5
°
，接着拼装机顺时针旋转5
°
，旋转到112.5
°
即拼装机旋转到3点的位置使第五块邻接块与标准块紧靠。拼装最后一块封顶块时，拼装机仍然先前行x3/2的距离，x3为封顶块的长度，接着拼装机逆时针旋转157.5
°
到达1点位置，接着拼装机红蓝缸伸出y2距离，使封顶块一般放入楔形槽内，接着拼装机向回移动x3/2的距离，使封顶块完全插入楔形槽内，接着机械手将螺栓穿入封顶块
的螺栓孔内连接固定，然后真空吸盘泄压，收回拼装机红蓝缸，拼装机顺时针旋转157.5
°
回到初始位置，即完成拼装1点时的所有工序。
37.当需要拼装的点位在2点时，即封顶块在2点位置，其拼装程序和工作原理如下所述：
38.当拼装的点位为2点时，其标准块的点位分别是7点、10点和13点，邻接块的点位分别是4点和16点，首先拼装机顺时针旋转45
°
到达10点的位置，安装第一块标准块，然后安装第二块标准块，拼装机逆时针旋转27.5
°
，回旋5
°
后到7点位置安装第二块标准块，安装完成后，顺时针旋转117.5
°
，回旋5
°
后到13点安装第三块标准块，安装完成后，拼装机安装4点位置的邻接块，拼装机逆时针旋转95
°
，拼装机顺时针旋转5
°
，旋转到90
°
即拼装机回到4点位置，使邻接块与标准块紧靠一起，拼装16点位置的邻接块时，拼装机先逆时针旋转175
°
，接着拼装机逆时针旋转5
°
，拼装机旋转到180
°
到达16点位置，使邻接块与标准块紧靠一起，最后拼装封顶块时与拼装其它点位时候一致，拼装机先前行x3/2的距离，接着逆时针旋转135
°
到达2点位置，然后拼装机红蓝缸伸出y2距离，使封顶块放入楔形槽内，拼装机再移动x3/2的距离回到初始位置，使封顶块完全插入楔形槽内，最后机械手将螺栓穿入封顶块螺栓孔内，拼装机抓取头真空吸盘泄压，红蓝缸回缩到位，拼装机顺时针旋转135
°
回到初始位置，即完成拼装2点点位时的整环管片拼装。
39.当需要拼装的点位为15点时，即封顶块在15点位置，其拼装程序和工作原理如下所述：
40.三块标准块的点位分别是4点、7点、10点，两块邻接块分别是13点、1点，封顶块的位置为15点，首先拼装机逆时针旋转22.5
°
到7点位置拼装第一块标准块，拼装完成后拼装机顺时针旋转50
°
，回旋5
°
，拼装机旋转到45
°
到10点位置拼装第二块标准块，拼装完成后，拼装机逆时针旋转95
°
，回旋5
°
，拼装机旋转到90
°
到4点位置拼装第三块标准块，接着拼装机顺时针旋转117.5
°
，回旋5
°
，拼装机旋转到112.5
°
到达13点位置，使邻接块和标准块紧靠完成第一块邻接块的拼装，接着拼装机逆时针旋转162.5
°
，然后顺时针回旋5
°
，拼装机旋转到157.5
°
到达1点位置，使邻接块和标准块紧靠完成第二块邻接块拼装，最后拼装封顶块，拼装机先前行x3/2的距离，接着顺时针旋转157.5
°
到达15点位置，然后拼装机红蓝缸伸出y2距离，使封顶块放入楔形槽内，拼装机再移动x3/2的距离回到初始位置，使封顶块完全插入楔形槽内，最后机械手将螺栓穿入封顶块螺栓孔内，拼装机抓取头真空吸盘泄压，红蓝缸回缩到位，拼装机逆时针旋转157.5
°
回到初始位置，即完成拼装15点点位时的整环管片拼装。
41.将整个系统16个点位的拼装程序和控制指令写入系统内，在拼装本环管片前，首先决定拼装的点位，即在控制屏幕上旋转拼装的点位，拼装机根据控制指令选择对应的拼装程序完成指定点位的管片拼装。
42.以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。
技术特征：1.一种盾构机管片自动拼装系统，其特征在于：包括 plc 控制系统、视频监控系统和激光定位系统，所述 plc 控制系统通过信号接收器接收激光定位系统中激光发射器的光束，并通过位移传感器与拼装机信号连接，所述激光定位系统包括激光发射器、激光靶、信号接收器和信号传感器，所述信号传感器通过信号接收器与激光发射器连接。2.根据权利要求 1 所述的一种盾构机管片自动拼装系统，其特征在于：所述视频监控系统包括图像采集端、图像处理器、信号传输器和监控显示屏，所述图像采集端安装在拼装机下部的抓取头上，所述图像处理器与处理图像采集端连接，通过信号传输器与监控显示屏连接。3.根据权利要求 1 所述的一种盾构机管片自动拼装系统，其特征在于：所述系统包括管片拼装系统，所述管片拼装系统包括拼装机，所述拼装机的上部设有用于检测拼装机行走抓取管片的安全作业范围是否存在干涉的上部激光测距仪，拼装机的下部设有用于检测管片是否被吊装到可抓取的工位上的下部激光测距仪。4.根据权利要求 1 所述的一种盾构机管片自动拼装系统，其特征在于：所述系统包括螺栓连接固定系统，所述螺栓连接固定系统包括机械手和用于控制机械手的控制组件。
技术总结本实用新型公开了一种盾构机管片自动拼装系统，属于盾构机技术领域，所述系统包括PLC控制系统和激光定位系统，所述PLC控制系统通过信号接收器接收激光定位系统中激光发射器的光束，并通过位移传感器与拼装机信号连接，所述激光定位系统包括激光发射器、激光靶、信号接收器和信号传感器，所述信号传感器通过信号接收器与激光发射器连接。其目的在于，通过自动化控制，无需人为的操作和干预，提高设备自动化智能化程度，减轻工人劳动强度，提高管片安装的工作效率，节约成本，使其安装质量可控。控。控。
技术研发人员：唐佳伟 梁炜 罗泽儒
受保护的技术使用者：成都工投装备有限公司
技术研发日：2021.12.17
技术公布日：2022/7/5
