一种隧道自动开槽系统及应急处理方法
阅读说明：本技术 一种隧道自动开槽系统及应急处理方法 (Automatic tunnel slotting system and emergency processing method ) 是由 杨凌武 雷刚 廖云洋 胡明华 李泽伦 郭武士 欧静 陈亮 唐豪 施芸 王银 盛 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及隧道开槽技术领域,本发明公开了一种隧道自动开槽系统及应急处理方法,包括平板车、发电机、机器人固定装置、工业机器人、开槽装置、控制子系统；所述开槽装置包括支架,所述支架连接于工业机器人的自由端,所述支架上滑动连接有滑台,所述滑台上连接有开槽电机,所述开槽电机上连接有开槽刀具,所述滑台能够带动开槽电机将开槽刀具从槽内抽离；所述控制子系统包括上位机控制系统、电气控制系统和机器人控制系统；所述上位机控制系统分别连接电气控制系统与机器人控制系统,所述上位机控制系统用于显示所述用户控制界面和实现人机交互用于处理应急信号,所述应急处理方法用于系统断电或设备故障可能引起铁路运行中断的紧急情况。(The invention relates to the technical field of tunnel slotting, and discloses an automatic tunnel slotting system and an emergency processing method, wherein the automatic tunnel slotting system comprises a flat car, a generator, a robot fixing device, an industrial robot, a slotting device and a control subsystem; the slotting device comprises a support, the support is connected to the free end of the industrial robot, a sliding table is connected onto the support in a sliding mode, a slotting motor is connected onto the sliding table, a slotting cutter is connected onto the slotting motor, and the sliding table can drive the slotting motor to draw the slotting cutter out of a slot; the control subsystem comprises an upper computer control system, an electrical control system and a robot control system; the upper computer control system is respectively connected with the electric control system and the robot control system, the upper computer control system is used for displaying the user control interface and realizing man-machine interaction for processing emergency signals, and the emergency processing method is used for emergency situations that the system power failure or equipment failure may cause railway operation interruption.)
技术领域
本发明涉及隧道施工设备及方法技术领域，特别是一种隧道自动开槽系统及应急处理方法。
背景技术
对于铁路隧道内部渗漏水的治理问题，目前通常采用堵排结合的方法进行处理。除了钻孔进行注浆封堵之外，还采用在渗水区开设倒梯形槽，在其中埋设PVC透水盲管并固定。目前在铁路施工中，开设排水槽多数采用人工开凿的方法。由于隧道穹顶较高，需要借助脚手架才能进行施工，而铁路还肩负着日常运输任务，所以施工时间非常受限，再加之人工开槽速度慢，所以施工效率非常低，无法满足作业需求。
采用机器人代替人工进行隧道排水槽开槽，能够有效减轻工人劳动强度，经济效益突出，实用性强，但是在隧道开槽过程中往往会遇到各种意外情况导致开槽不能继续，若发电机故障导致系统断电或机器人故障，造成机器人臂及开槽刀具无法回收到停机状态，达不到平板车及机器人运行需保持的安全限界，导致机器人开槽系统连同平板车无法在规定时间内移动到车站等限定位置，引起铁路正常运行中断的严重后果，对此，目前还没有专门的应急处理方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的出现停电及机器人故障情况时，开槽刀具及机器人臂无法从已开的槽内退出，造成机器人臂及开槽刀具无法回收到停机状态，达不到平板车及机器人运行需保持的安全限界，导致机器人开槽系统连同平板车无法在规定时间内移动到车站等限定位置，引起铁路正常运行中断的严重后果，提供一种隧道自动开槽系统及应急处理方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种隧道自动开槽系统，包括平板车、发电机、机器人固定装置、工业机器人、开槽装置、控制子系统，所述发电机、机器人固定装置与控制子系统均固定连接在所述平板车上；
所述控制子系统包括上位机控制系统、电气控制系统和机器人控制系统；所述上位机控制系统分别连接所述电气控制系统与所述机器人控制系统，所述机器人控制系统的信号输出端为所述控制子系统的第一控制信号输出端，所述电气控制系统的控制信号输出端为所述控制子系统的第二控制信号输出端；所述控制子系统的第一控制信号输出端连接所述工业机器人的信号输入端，所述控制子系统的第二控制信号输出端与所述开槽电机的信号输入端连接；
所述工业机器人上安装有扫描装置，所述扫描装置的信号输入端与电气控制系统的信号输出端连接，所述扫描装置的信号输出端与电气控制系统的信号输入端连接，所述扫描装置用于扫描作业面得到扫描信息；所述扫描信息包括工作面的凸起物尺寸；
所述开槽装置包括支架，所述支架连接于工业机器人的自由端，所述支架上滑动连接有滑台，所述滑台上连接有开槽电机，所述开槽电机上连接有开槽刀具，所述滑台能够带动开槽刀具从已开的槽内抽离。
上述技术方案所述的一种隧道自动开槽系统，通过上位机控制电气控制系统，使电气控制系统控制机器人进行开槽作业；在有工业机器人带动开槽电机进行开槽作业前，通过扫描装置对作业面进行扫描，得到工作面的扫描信息，能够识别工作面的凸起物，再由上位机根据扫描信息生成开槽轨迹，从而使开槽刀具在开槽过程中避开危险的凸起物，避免开槽过程中开槽刀具的损坏，节约了施工成本，不会因刀具损坏而耗费时间更换刀具，提高了施工效率。采用将开槽电机连接于滑台上、滑台与支架滑动连接的方式，能够通过移动滑台位置的方式带动开槽电机将开槽刀具从槽内退出，实现了能够在断电的情况下将开槽刀具从槽内退出，使工业机器人的机器人臂及开槽刀具位于安全限界内，能够快速将上述方案中的隧道自动开槽系统运出隧道外，及时恢复铁路运行，避免了引起铁路运行中断的严重后果。
作为本发明的优选方案，所述支架上固定连接有气缸与第一导轨，所述气缸的推杆与滑台连接，所述滑台下侧设置有第一滑块，所述第一滑块沿第一导轨滑动。
滑台与气缸的推杆连接，使得滑台的运动不需要电力驱动，能够在系统断电后移动滑台，使刀具退出已开的槽内。
作为本发明的优选方案，所述机器人固定装置为可升降固定座。
通过调节机器人固定装置的高度，可以使工业机器人位于隧道安全限界内，避免在移动平板车时对自动开槽系统造成损坏从而引起无法及时将机器人移出铁路运行线路的严重后果。
作为本发明的优选方案，所述机器人固定装置包括固定板、滑动板与安装板，所述固定板固定在平板车上，所述滑动板位于固定板与安装板之间并滑动连接于固定板上；所述安装板与滑动板之间连接有剪叉结构，所述剪叉结构采用液压缸实现升降，所述剪叉结构的两根剪叉臂的转动连接处设置有失电制动器，所述失电制动器的信号输入端与控制子系统的第二控制信号输出端连接；所述失电制动器还配备有备用电源，所述工业机器人固定在安装板上。
所述失电制动器能够在断电时进行制动，阻止剪叉结构运动，避免了安装在安装板上的工业机器人坠落；备用电源能够在系统断电的情况下为失电制动器提供电源，使得系统断电后也能够调节机器人固定装置的高度；滑动板与固定板滑动连接，能够移动工业机器人与开槽装置的位置，方便将整个自动开槽系统从隧道内安全拖出，在实现调节机器人固定装置高度的同时兼顾了安全性。
作为本发明的优选方案，所述固定板上设置有第二导轨与多个定位块，所述滑动板下表面固定连接有第二滑块，所述第二滑块沿第二导轨滑动；所述固定板与滑动板之间还连接有丝杆螺母结构，所述丝杆螺母结构用于带动滑动板沿第二导轨滑动；所述安装板与定位块之间固定连接有定位螺栓。
通过机械结构操纵安装板带动工业机器人左右移动，使得在断电情况下也能将工业机器人移动至隧道的安全限界内，避免在故障状况下因无法将工业机器人移至安全界限内而引起铁路运行中断的严重后果。
作为本发明的优选方案，所述开槽电机上设置有温度传感器与电流传感器，所述温度传感器与电流传感器的信号输出端均与电气控制系统的信号输入端连接。
开槽电机上设置的温度传感器能够收集开槽电机工作时的数据，数据最终被传送至上位机，由上位机对数据进行分析，以实现对开槽电机工作状态的监控。
作为本发明的优选方案，所述上位机控制系统包括上位机和人机交互触摸显示屏；所述上位机用于生成用户控制界面和根据所述扫描信息生成开槽轨迹；所述人机交互触摸显示屏用于显示所述用户控制界面和实现人机交互；
所述人机交互包括操作人员在用户控制界面进行所述自动开槽系统的启动、暂停开槽、停止开槽等命令的选择和预先浏览开槽轨迹并执行机器人预走轨迹操作以及设置工作参数，当实际工作参数超过设置的工作参数时，电气控制系统发出应急信号。
本发明还公开了一种隧道自动开槽系统的应急处理方法，采用了上述的一种隧道开槽系统，用于处理所述应急信号，其特征在于，所述电气控制系统发出应急信号时，所述上位机产生第一处理信号、第二处理信号、第三处理信号与第四处理信号；所述第一处理信号为暂停开槽信号，所述第一信号能够使所述开槽刀具停止工作，同时使所述工业机器人将所述开槽刀具从已开的槽内退出；所述第二处理信号为停止开槽信号，所述第二信号能够使所述开槽刀具停止工作，然后使所述工业机器人将开槽刀具从已开的槽内退出，以及使所述工业机器人回到开槽的起始位置；所述第三处理信号为避让信号，所述第三处理信号能够使所述开槽刀具避开凸起物；所述第四处理信号为不避让信号，所述第四处理信号能够使所述开槽刀具按照所述开槽轨迹继续开槽。
采用上述方法能够确保遇到紧急情况时开槽刀具退出已开的槽内，避免了刀具留在槽内造成损坏。对于操作面有异常凸起物的情况，由操作人员判断是否需要避开该凸起物，能够避免开槽刀具切割到凸起物发生意外。
本发明还公开了一种隧道自动开槽系统的应急处理方法，采用上述的一种隧道自动开槽系统，其特征在于，包括以下步骤：
a.判断是否收到执行应急处理指令，如果未收到应急处理指令，则等待电力恢复，如果收到执行应急处理指令，所述隧道自动开槽系统执行步骤b；
b.向气缸通入压缩空气，所述气缸的推杆带动滑台将开槽电机上的开槽刀具从已开的槽内退出；
c.使用备用电源为失电制动器供电，解除失电制动器的制动，安装板与工业机器人下降；
d.判断机器人及开槽装置是否在隧道的安全限界范围内，如果超过安全限界范围，则执行e步骤，如果在安全限界范围内，则执行f步骤；
e.取下固定板与定位块之间的定位螺栓，通过丝杆螺母结构将工业机器人以及开槽装置移动至隧道的安全限界内；
f.将整个平板车拖离隧道作业位置。
采用上述方法，向气缸中通入压缩空气，使开槽刀具从已开的槽内退出，避免拖动平板车的时候损坏开槽刀具，还能手动将自动开槽系统移至隧道的安全限界内，避免了在拖动平板车的时候对所述自动开槽系统造成损坏。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、开槽电机安装在滑台上，滑台与固定在工业机器人上的支架滑动连接，使得在整个系统断电的情况下也能通过人工操作移动滑台、将开槽电机从已开的槽内退出，避免刀具损坏。
2、出现应急信号时，控制子系统向工业机器人发出信号，使开槽刀具沿开槽深度方向退出一定距离，保护了开槽刀具的安全。
3、即使系统断电或故障也能够将自动开槽系统调节至隧道的安全限界内，以便由牵引车辆将平板车拖离作业位置时能保证人身和设备安全，同时保障铁路及时恢复正常运行。
4、控制子系统能够监控开槽装置的工作状态，预防意外事故发生。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明开槽装置的结构示意图；
图3是本发明机器人固定装置的结构示意图；
图4是安全限界示意图；
图5是本发明各部件连接框图；
图6是本发明的应急处理方法流程图；
图7是本发明响应暂停和停止命令时的流程图。
图标：10、平板车；11、发电机；12、工业机器人；13、上位机控制系统；14、电气控制系统；15、机器人控制系统；16、扫描装置；2、机器人固定装置；21、固定板；22、滑动板；23、安装板；24、剪叉结构；25、失电制动器；26、第二导轨；27、定位块；28、丝杆；29、备用电源；3、开槽装置；31、支架；32、滑台；33、开槽电机；34、开槽刀具；35、气缸；36、第一导轨；37、第一滑块；4、安全限界。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种自动开槽系统，所述自动开槽系统包括平板车10、发电机11、控制子系统、机器人固定装置2、工业机器人12、扫描装置16、开槽装置3和压缩气罐。所述发电机11、控制子系统、机器人固定装置2均固定在平板车10上，所述工业机器人12固定在机器人固定装置2上，所述扫描装置16固定在工业机器人12上，所述开槽装置3固定在工业机器人12的自由端，所述发电机11为自动开槽系统供电。
如图5所示，所述控制子系统包括机器人控制系统15、电气控制系统14与上位机控制系统13；所述电气控制系统14包括PLC控制器与变频器，所述PLC控制器与变频器连接；所述上位机控制系统13包括上位机和人机交互触摸显示屏。所述上位机用于生成整个系统的用户界面；所述人机交互触摸显示屏用于实现人机交互，除了基本的启动、急停、暂停开槽、停止开槽等一般操作外，还包括设置凸起物尺寸的最大值、电机工作时电流与温度的安全值等工作参数、选择是否开槽等操作。所述上位机与机器人控制系统15、电气控制系统14和人机交互触摸显示屏相连。
如图3所示，所述机器人固定装置2包括固定板21、滑动板22与安装板23，所述固定板21固定在平板车10上，所述固定板21左右两侧设置有第二导轨26，所述滑动板22底面左右两侧均固定连接有第二滑块，左右两侧的所述第二滑块沿同侧第二导轨26滑动；所述固定板21左右两侧沿第二导轨26方向均设置有多个定位块27，左右两侧所述定位块27位于左右两侧第二导轨26的内侧；所述滑动板22与定位块27之间连接有定位螺栓。所述滑动板22与固定板21之间还连接有丝杆28螺母结构，所述丝杆28螺母结构的螺母固定在滑动板22底部，所述丝杆28螺母结构的丝杆28与固定板21之间连接有丝杆支架，所述丝杆28穿过丝杆支架且所述丝杆28穿过丝杆支架并远离螺母的一端设置有摇把。
如图3所示，所述滑动板22上方设置有安装板23，所述安装板23与滑动板22的四周连接有剪叉结构24，左右两侧所述剪叉结构24对应的两组剪叉臂之间分别连接有第一横杆与第二横杆，所述第一横杆与第二横杆之间连接有液压缸，所述液压缸油路连接有电磁换向阀，所述电磁换向阀与PLC控制器连接；前后侧的所述剪叉结构24均设置有失电制动器25，所述失电制动器25设置于剪叉臂之间的转动连接处，所述失电制动器25与PLC控制器连接。所述失电制动器25还配备有备用电源29。
所述工业机器人12可采用不同厂商生产的六自由度机器人，所述机器人控制系统15为与工业机器人12配套使用的机器人控制柜，所述工业机器人12的信号输入端与机器人控制系统15的控制信号输出端连接。
所述扫描装置16通过螺栓连接在工业机器人12上，所述扫描装置16的信号输出端与信号输入端均与PLC控制器连接。
如图2所示，所述开槽装置3包括支架31、滑台32、开槽电机33与开槽刀具34。所述支架31通过法兰盘连接在工业机器人12的末端法兰盘上，所述支架31上固定连接有气缸35和两根相互平行的第一导轨36；所述滑台32底面两侧螺栓连接有多个第一滑块37，两侧的多个所述第一滑块37分别在对应侧的第一导轨36上滑动，所述气缸35的活塞杆与滑台32固定连接；所述开槽电机33与变频器连接并固定连接在滑台32上，为了避免开槽电机33工作时晃动，可采用螺栓将滑台32与支架31可拆卸地固定连接，所述开槽电机33上还设置有温度传感器与电流传感器，所述温度传感器与电流传感器的信号输出端均与PLC控制器连接；电流传感器与温度传感器均用于检测开槽电机33的工作参数，即开槽电机33工作时的电流与温度；所述开槽刀具34连接在开槽电机33的输出轴上。
具体工作原理：
所述温度传感器与电流传感器用于收集开槽电机33工作时的温度与电流数据，并将所述温度与电流数据传回电气控制系统14，所述电气控制系统14将温度与电流数据传递给上位机进行分析，上位机根据分析结果监控电机的工作状态，并向电气控制系统14发出电机转速控制信号，再由变频器根据电机转速控制信号调节开槽电机33的转速。
由操作人员通过人机交互触摸显示屏控制自动开槽系统启动，所述电气控制系统14输出扫描信号，所述扫描信号用于控制所述扫描装置16扫描待开槽作业面以获取扫描信息并将扫描信息传回电气控制系统14,所述电气控制系统14将扫描信息传送到所述上位机控制系统13并由所述上位机控制系统13根据所述扫描信息建立待开槽作业面的相关曲线模型、生成开槽轨迹；所述上位机控制系统13将所述开槽轨迹传输给所述机器人控制系统15，所述机器人控制系统15的控制信号输出端输出第一控制信号控制所述工业机器人12按照所述开槽轨迹运动,所述上位机控制系统13还将所述开槽轨迹传输给所述电气控制系统14,所述电气控制系统14的控制信号输出端输出第二控制信号控制所述开槽电机33按照所述开槽轨迹执行开槽作业。
当上位机分析扫描信息后发现作业面的凸起物尺寸超过操作人员设置的安全范围值时，由电气控制系统14发出应急信号，应急信号为声光警示；同时上位机会产生第一处理信号、第二处理信号、第三处理信号与第四处理信号，其中第一处理信号为暂停开槽信号，第二处理信号停止开槽信号，第三处理信号为避让信号，第四处理信号为不避让信号；第一处理信号的作用在于：在人机交互触摸显示屏生成“暂停开槽”按钮；第二处理信号的作用在于：在人机交互触摸显示屏生成“停止开槽”按钮；第三处理信号的作用在于：在人机交互触摸显示屏生成“避让”按钮；第四处理信号的作用在于：在人机交互触摸显示屏生成“不避让”按钮。
若操作人员选择“暂停开槽”按钮，则开槽电机33停止工作，由工业机器人12带动开槽电机33沿开槽深度方向将开槽刀具34退至已开的槽外。
若操作人员选择“停止开槽”按钮，则开槽电机33停止工作，由工业机器人12带动开槽电机33沿开槽深度方向将开槽刀具34退至已开的槽外，再由上位机生成退刀路径，并将所述退刀路径传输给机器人控制系统15，所述机器人控制系统15接收到退刀路径后控制工业机器人12将开槽装置3沿退刀路径退回。
若操作人员选择“避让”按钮，则由所述工业机器人12在开槽刀具34切割到凸起物之前带动开槽刀具34沿切槽深度方向退出，同时继续保持沿开槽轨迹方向运动；控制工业机器人12在避过凸起物后，带动开槽刀具34向开槽深度方向运动，继续执行开槽作业。
若操作人员选择“不避让”按钮，则所述控制工业机器人12与开槽装置3接着原来的开槽轨迹继续开槽。
当操作人员通过人机交互触摸显示屏进行急停操作，使电气控制系统14发出急停信号时，或者当操作人员通过人机交互触摸显示屏进行暂停或停止操作时，上位机均会向电气控制系统14与机器人控制系统15发出暂停信号，所述暂停信号作用在于：使开槽电机33停止工作，使工业机器人12带动开槽电机33沿开槽深度方向将开槽刀具34退至已开的槽外。若操作人员按下的按钮为“暂停”，则控制子系统等待操作人员的下一步指令；若操作人员按下的是“停止”按钮，则再由上位机生成退刀路径，并将所述退刀路径传输给机器人控制系统15，所述机器人控制系统15接收到退刀路径后控制工业机器人12将开槽装置3沿退刀路径退回。上述过程如图7所示。
利用自动开槽系统开槽作业遇到系统断电时，包括如下步骤：
a.判断是否收到执行应急处理指令，如果未收到应急处理指令，则等待电力恢复，如果收到执行应急处理指令，所述隧道自动开槽系统执行步骤b；
b.向气缸35通入压缩空气，所述气缸35的推杆带动滑台32将开槽电机33上的开槽刀具34从已开的槽内退出；
c.使用备用电源29为失电制动器25供电，解除失电制动器25的制动，安装板23与工业机器人12下降；
d.判断机器人及开槽装置3是否在隧道的安全限界4范围内，如果超过安全限界4范围，则执行e步骤，如果在安全限界4范围内，则执行f步骤；
e.取下固定板21与定位块27之间的定位螺栓，通过丝杆28螺母结构将工业机器人12以及开槽装置3移动至隧道的安全限界4内；
f.将整个平板车10拖离隧道作业位置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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