道路管道施工辅助机器人设计及控制
2022-06-09
【论文摘要】基于实际需求设计了一种道路管道施工辅助机器人，用于非开挖铺设管道施工。首先依据挖掘机器人要求，以串联构型为参考，提出了一种适用于非开挖 机器人的新构型；基于构型设计了机器人系统各主要构件，包括切削刀头、螺旋输送装置、滚珠丝杠等，并利用Adams软件进行虚拟样机仿真；最后，研究机器 人系统的电气控制部分，搭建了主/控电路，并利用PLC编制了相应的控制程序。
【论文关键词】非开挖；道路管道施工；机器人；电气控制
Abstract： A kind of auxiliary robot was designed for road pipeline construction based on practical needs. According to the requirements of excavation robot， a new configuration for trenchless construction was put forward based on serial robot. Main components of the robot system were designed， including cutting cutter， screw conveyer and ball screw. The virtual prototype simulation was conducted by ADAMS. The electrical control part of the robot system was researched， and the main/control circuit was set， and corresponding control program was compiled based on PLC.
Key words： trenchless； road pipeline construction； robot； electrical control
0 引 言
机器人技术是一门迅速发展起来的新学科，它在科技领域和生产生活中得到了广泛应用，使传统的生产发生变革，对人类社会产生深远的意义。随着中 国人民生活水平的提高、环境保护力度的加大，传统的开挖铺设管道越来越不适应现代化建设的需求，非开挖铺设管道正得到各方面的大力支持，如何将机器人技术 应用到非开挖工程管道施工中，成为国内外研究人员十分关注的课题。
非开挖铺设地下管线有顶管法、定向钻进和导向钻进法、微型隧道施工法、夯管施工法、水平螺旋钻进法以及冲击矛铺管技术等十几种方法 [1-2]。1896年美国北太平洋铁路铺设工程的顶管法是最早使用的非开挖施工方法，1967年美国Schamm公司生产了第一台冲击式微型顶管 机，1975年日本推出第一台微型隧道铺设设备[3]，推动了该技术在国外的广泛应用。随着1953年北京的人工手掘式顶管出现，国内开始使用这项技术， 但设备相当简陋。20世纪80年代中后期，随着工程的增多及需求的增大，中国引进并开发了不少机械式非开挖铺管设备，但是在施工装备设计和制造工艺上，中 国仍处于较落后的状态，一些大型的非开挖管道铺设工程仍然需要引进国外设备[4]。
到目前为止，国内外还没有开发出这样一种设备，能够将工业机器人同非开挖铺设管道紧密结合起来，通过遥控和自动控制技术的结合进行道路管道铺设。
本文介绍一种新型道路管道施工辅助机器人，用于城市非开挖铺设管道施工。首先依据挖掘机器人的要求，提出一种适用于非开挖机器人的新构型。基 于这种新构型设计机器人系统中的主要构件，例如切削刀头、螺旋输送装置、滚珠丝杠等。对选取的零部件进行造型，并利用ADAMS进行虚拟样机仿真。最后， 设计设备的控制系统，并利用PLC编制相应的控制程序。
1 机器人综合构型
根据实际工况，要使设计的机器人能够按照预先设计的程序实现给定的运动，整个机构需满足以下要求。
（1）所需精度低。机构的主要作用是挖掘土壤，预铺设的管道直径是0.8～1.6 m，所以机构不需要很高的工作精度。
（2）所占空间较小。由于整个机车在地面以下进行切削工作，所以只有当机车的体积小于切削刀具的体积时，才能使整个机车工作。
（3）负荷较小。机构的负荷由自身的重量和工作负载组成，而切削土壤所需的工作负荷比较小。
（4）工程造价低。机车用于一般的工程机械，主要是非开挖铺设管道，它的工程造价同开挖铺设比相差不大，这样才能体现出本机构的优点并得到广泛的应用。
【论文关键词】非开挖；道路管道施工；机器人；电气控制
Abstract： A kind of auxiliary robot was designed for road pipeline construction based on practical needs. According to the requirements of excavation robot， a new configuration for trenchless construction was put forward based on serial robot. Main components of the robot system were designed， including cutting cutter， screw conveyer and ball screw. The virtual prototype simulation was conducted by ADAMS. The electrical control part of the robot system was researched， and the main/control circuit was set， and corresponding control program was compiled based on PLC.
Key words： trenchless； road pipeline construction； robot； electrical control
0 引 言
机器人技术是一门迅速发展起来的新学科，它在科技领域和生产生活中得到了广泛应用，使传统的生产发生变革，对人类社会产生深远的意义。随着中 国人民生活水平的提高、环境保护力度的加大，传统的开挖铺设管道越来越不适应现代化建设的需求，非开挖铺设管道正得到各方面的大力支持，如何将机器人技术 应用到非开挖工程管道施工中，成为国内外研究人员十分关注的课题。
非开挖铺设地下管线有顶管法、定向钻进和导向钻进法、微型隧道施工法、夯管施工法、水平螺旋钻进法以及冲击矛铺管技术等十几种方法 [1-2]。1896年美国北太平洋铁路铺设工程的顶管法是最早使用的非开挖施工方法，1967年美国Schamm公司生产了第一台冲击式微型顶管 机，1975年日本推出第一台微型隧道铺设设备[3]，推动了该技术在国外的广泛应用。随着1953年北京的人工手掘式顶管出现，国内开始使用这项技术， 但设备相当简陋。20世纪80年代中后期，随着工程的增多及需求的增大，中国引进并开发了不少机械式非开挖铺管设备，但是在施工装备设计和制造工艺上，中 国仍处于较落后的状态，一些大型的非开挖管道铺设工程仍然需要引进国外设备[4]。
到目前为止，国内外还没有开发出这样一种设备，能够将工业机器人同非开挖铺设管道紧密结合起来，通过遥控和自动控制技术的结合进行道路管道铺设。
本文介绍一种新型道路管道施工辅助机器人，用于城市非开挖铺设管道施工。首先依据挖掘机器人的要求，提出一种适用于非开挖机器人的新构型。基 于这种新构型设计机器人系统中的主要构件，例如切削刀头、螺旋输送装置、滚珠丝杠等。对选取的零部件进行造型，并利用ADAMS进行虚拟样机仿真。最后， 设计设备的控制系统，并利用PLC编制相应的控制程序。
1 机器人综合构型
根据实际工况，要使设计的机器人能够按照预先设计的程序实现给定的运动，整个机构需满足以下要求。
（1）所需精度低。机构的主要作用是挖掘土壤，预铺设的管道直径是0.8～1.6 m，所以机构不需要很高的工作精度。
（2）所占空间较小。由于整个机车在地面以下进行切削工作，所以只有当机车的体积小于切削刀具的体积时，才能使整个机车工作。
（3）负荷较小。机构的负荷由自身的重量和工作负载组成，而切削土壤所需的工作负荷比较小。
（4）工程造价低。机车用于一般的工程机械，主要是非开挖铺设管道，它的工程造价同开挖铺设比相差不大，这样才能体现出本机构的优点并得到广泛的应用。