何源福 夏毅敏? 李深遠(yuǎn) 姚捷

（1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083；3.中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長沙 410100；4.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063；5.水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖北武漢430063）

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）是一種用于開挖隧道的大型設(shè)備［1-3］，在鐵道、礦山、交通等隧道工程中被廣泛應(yīng)用［4-6］。TBM的施工勢(shì)必會(huì)引起圍巖變形、破壞甚至坍塌，在遇到圍巖質(zhì)量差、巖體破碎嚴(yán)重的情況時(shí)，必須由鋼拱架提供及時(shí)有效的支護(hù)來控制圍巖的變形，防止圍巖的破壞。目前，TBM鋼拱架安裝都是通過人工操作的方式進(jìn)行，施工人員的操作空間狹小、振動(dòng)強(qiáng)、粉塵多、陰暗潮濕，工作環(huán)境十分惡劣，施工人員常需站在泥漿中完成作業(yè)；且每片鋼拱架的質(zhì)量重達(dá)200 kg，人工工作難度非常大，鋼拱架安裝效率低，易導(dǎo)致支護(hù)不及時(shí)或質(zhì)量不穩(wěn)定，最終造成塌方事故。

目前，鋼拱架的安裝主要通過人工配合鋼拱架安裝器的方式進(jìn)行［7］，即由工人將鋼拱架搬運(yùn)至鋼拱架安裝器的拼裝環(huán)上并固定住，然后將拼裝環(huán)旋轉(zhuǎn)一定角度，放置第2塊鋼拱架，再將相鄰鋼拱架進(jìn)行螺栓連接；重復(fù)這些工序，待鋼拱架連接成一個(gè)開口環(huán)后，通過撐緊機(jī)構(gòu)將鋼拱架環(huán)頂至貼緊巖壁的位置；最后，進(jìn)行鋼拱架的封口作業(yè)，由工人手動(dòng)將鋼拱架環(huán)底部兩側(cè)拖動(dòng)對(duì)齊，利用千斤頂進(jìn)行鋼拱架的二次撐緊，確保鋼拱架貼緊巖壁，將鋼板焊接于鋼拱架環(huán)的底部缺口處，實(shí)現(xiàn)最終成環(huán)。由于鋼拱架十分沉重，難以抓緊和拖動(dòng)，最后的封口工序更是需要由多人來共同完成鋼拱架的位姿調(diào)整和二次撐緊作業(yè)，嚴(yán)重影響了施工效率。為了減少施工人員的工作量，提高施工的質(zhì)量、效率和安全性，文獻(xiàn)［8］中提出了TBM鋼拱架自動(dòng)封口安裝的概念，用一種可伸縮的鋼拱架封口件代替鋼板連接鋼拱架環(huán)底部缺口，并設(shè)計(jì)了一種鋼拱架快速封口安裝機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)鋼拱架的抓取與二次撐緊作業(yè)，提高TBM施工的智能化程度和安裝效率。

抓取模塊是鋼拱架快速封口安裝機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于夾持鋼拱架封口件。運(yùn)動(dòng)/力傳動(dòng)性能是抓取模塊的重要評(píng)估指標(biāo)，反映了抓取模塊將驅(qū)動(dòng)力傳遞到卡爪的能力［9］。國內(nèi)外學(xué)者基于傳動(dòng)角和壓力角對(duì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能做了許多研究。費(fèi)宇等［10］利用泰勒展開式簡化方程推導(dǎo)了推桿針輪活齒傳動(dòng)角的計(jì)算公式。劉辛軍等［11］、Wang等［12］推廣了連桿機(jī)構(gòu)的正向和反向傳動(dòng)角的概念，用于評(píng)估機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)/力傳輸性能。Liang等［13］基于壓力角和運(yùn)動(dòng)學(xué)等效機(jī)構(gòu)，提出了用于并聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)評(píng)估的傳動(dòng)指標(biāo)。除了傳動(dòng)角和壓力角，螺旋理論因其可同時(shí)表示剛體速度、力、約束等的特有優(yōu)勢(shì)［14-16］，在傳動(dòng)性能分析方面逐漸被廣泛應(yīng)用。Che等［17］、劉海濤等［18］、Meng等［19］等基于螺旋理論，建立了評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和力傳遞性能的輸入傳遞指標(biāo)和輸出傳遞指標(biāo)，并提出了有效傳動(dòng)位置工作空間的定義。Xie等［20］應(yīng)用該方法來評(píng)估四臂單平臺(tái)機(jī)器人的傳動(dòng)性能和旋轉(zhuǎn)能力，通過結(jié)合數(shù)值圖集方法實(shí)現(xiàn)幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。Wu等［21-22］將該運(yùn)動(dòng)/力傳遞指數(shù)應(yīng)用于Sch?nflies運(yùn)動(dòng)機(jī)械手、非對(duì)稱球面并聯(lián)機(jī)械手的幾何參數(shù)優(yōu)化?？梢钥闯?，這些研究成果多針對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，少有針對(duì)基礎(chǔ)平面機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)優(yōu)化研究。鋼拱架快速封口安裝機(jī)構(gòu)的設(shè)想與研究還未見報(bào)道。結(jié)合運(yùn)動(dòng)/力傳遞性能指標(biāo)，建立直觀的抓取模塊尺寸參數(shù)優(yōu)化模型，對(duì)封口機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)具有重要的意義。

文中針對(duì)文獻(xiàn)［8］所提出的一種鋼拱架快速封口安裝機(jī)構(gòu)，對(duì)其抓取模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，研究了抓取模塊在不同姿勢(shì)下的傳動(dòng)性能，并結(jié)合鋼拱架封口件的實(shí)際抓取需求，優(yōu)化抓取模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置參數(shù)，最后利用仿真與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)抓取模塊的可行性，以期進(jìn)一步改進(jìn)和完善鋼拱架快速封口安裝機(jī)構(gòu)，提高其對(duì)工程復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。

1 鋼拱架封口機(jī)構(gòu)抓取模塊的結(jié)構(gòu)

1.1 鋼拱架快速封口安裝機(jī)構(gòu)介紹

為了實(shí)現(xiàn)鋼拱架的快速封口安裝，文獻(xiàn)［8］中提出了一種鋼拱架封口安裝方式，如圖1所示。鋼拱架封口件分成3段，前后兩段為長短不同的工字鋼，分別連接于兩側(cè)的鋼拱架上；中間段由兩個(gè)安裝于工字鋼內(nèi)的相同U型鋼組成，如圖2所示。U型鋼的一端焊接固定在短工字鋼上，另一端與長工字鋼之間可自由滑動(dòng)。機(jī)械臂分別抓取U型鋼和長工字鋼往兩側(cè)拖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)封口件的伸長。

圖1 鋼拱架封口件的安裝方式Fig.1 Installation method of steel arch looping part

圖2 鋼拱架封口件的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of steel arch looping part

鋼拱架快速封口安裝機(jī)構(gòu)為對(duì)稱的兩部分結(jié)構(gòu)，用于同時(shí)抓取鋼拱架封口件的兩側(cè)進(jìn)行撐緊作業(yè)，如圖3所示。機(jī)構(gòu)通過6個(gè)關(guān)節(jié)控制單卡爪的空間位置和姿態(tài)，使其能夠順利到達(dá)工作位置并完成作業(yè)。

封口安裝機(jī)構(gòu)的工作流程為：利用關(guān)節(jié)A的移動(dòng)靠近鋼拱架封口件封口位置；利用關(guān)節(jié)B的旋轉(zhuǎn)調(diào)整機(jī)構(gòu)角度，使得兩個(gè)機(jī)械臂對(duì)準(zhǔn)鋼拱架封口件；通過關(guān)節(jié)D，機(jī)械臂靠近鋼拱架封口件；利用關(guān)節(jié)E微調(diào)抓取執(zhí)行機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，使其能夠更好地執(zhí)行抓取鋼拱架封口件的任務(wù)；通過控制關(guān)節(jié)F，機(jī)構(gòu)的兩個(gè)抓取模塊分別抓緊鋼拱架封口件；通過油缸控制關(guān)節(jié)C的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂向兩邊撐緊，使得鋼拱架封口件貼緊巖壁。

抓取模塊是快速封口安裝機(jī)構(gòu)的核心部件，用于夾持鋼拱架封口件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，由兩個(gè)偏置曲柄滑塊結(jié)構(gòu)組成。以移動(dòng)塊為主動(dòng)件，卡爪為從動(dòng)件，移動(dòng)塊的直線運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致卡爪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)夾緊鋼拱架封口件的目的。

圖3 快速封口安裝機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of quick-looping installation mechanism

圖4 抓取模塊運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.4 Motion diagram of grasping module

1.2 抓取模塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

抓取模塊為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可將關(guān)節(jié)F處的力和運(yùn)動(dòng)傳遞到卡爪位置，實(shí)現(xiàn)抓取功能。為了更好地研究其傳動(dòng)性能，以左邊部分為研究對(duì)象進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。如圖5所示，以桿HI豎直布置姿態(tài)為初始位置，dF表示關(guān)節(jié)F的移動(dòng)距離；θI表示關(guān)節(jié)I的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；lij表示關(guān)節(jié)i到關(guān)節(jié)j的桿件長度；e為曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的偏置距離，e=lIJ-lFG。

被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)I的旋轉(zhuǎn)角度θI由移動(dòng)關(guān)節(jié)F的位移距離dF控制。根據(jù)抓取模塊單爪部分的偏置曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，可以得到

圖5 抓取模塊的運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the motion of grasping module

求解式（1）可以得到θI與lFJ+dF的關(guān)系如下：

如圖6所示，μ1、μ2分別為桿GH、HI與水平方向的夾角。根據(jù)抓取模塊各關(guān)節(jié)的相對(duì)位置關(guān)系，建立方程式如下：

求解得到μ1、μ2和μ的取值分別為

圖6 抓取模塊的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of grasping module’s structure

2 傳動(dòng)性能指標(biāo)

由于鋼拱架封口件自身重量大，且在鋼拱架封口件抓取過程中不能發(fā)生任何松動(dòng)滑移，抓取模塊要求具有良好的運(yùn)動(dòng)/力傳動(dòng)性能，以滿足鋼拱架封口件的抓取需求。抓取模塊具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)/力傳動(dòng)較為復(fù)雜，因此，文中以螺旋理論為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)抓取模塊閉環(huán)機(jī)構(gòu)的輸出特性進(jìn)行了深入的探索和優(yōu)化。

抓取模塊的輸出性能很大程度上取決于結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。為了更好地對(duì)抓取模塊的機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行分析，文中基于螺旋理論，提出運(yùn)動(dòng)/力傳動(dòng)性能指標(biāo)來評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)性能。

將移動(dòng)關(guān)節(jié)F視為驅(qū)動(dòng)副，將轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)I視為輸出副，在傳動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的能耗，為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)抓取模塊的傳動(dòng)性能，引入輸入傳動(dòng)指標(biāo)?和輸出傳動(dòng)指標(biāo)σ的概念。

各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)螺旋系如圖6所示。$6為輸入旋量，$9為輸出旋量。

在閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，其上的所有旋量必定線性相關(guān)，即存在不全為零的數(shù)n0、n1、n2、n3，使得

除去驅(qū)動(dòng)副和輸出副之外的運(yùn)動(dòng)副旋量線性無關(guān)，可構(gòu)成旋量系{$7，$8}，由旋量系理論可以得到輸入旋量和輸出旋量之間的虛擬系數(shù)——傳動(dòng)力螺旋$T，$T與$7、$8均互易，且與約束螺旋系線性無關(guān)，即

為了評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)抓取模塊的傳動(dòng)性能，定義其輸入傳動(dòng)指標(biāo)?和輸出傳動(dòng)指標(biāo)σ為［20］

機(jī)構(gòu)的綜合傳動(dòng)指標(biāo)χ為

χ越大表示運(yùn)動(dòng)/力的傳動(dòng)性越好。

3 抓取模塊的尺寸參數(shù)優(yōu)化

3.1 抓取模塊傳動(dòng)性能模型的建立

利用螺旋理論研究封口機(jī)構(gòu)抓取模塊的傳動(dòng)性能，并對(duì)抓取模塊上驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

驅(qū)動(dòng)副旋量為$6，輸出副旋量為$9，抓取模塊的運(yùn)動(dòng)螺旋系可表示為

式中，zi、yi為關(guān)節(jié)i在坐標(biāo)系z(mì)軸方向和y軸方向上的坐標(biāo)。

可以看出，該螺旋系的秩為3，即抓取模塊的運(yùn)動(dòng)螺旋系為3系。根據(jù)螺旋互易理論，得到其約束螺旋系為3系，表示為

對(duì)旋量系{$7，$8}進(jìn)行分析，求解得到其4系約束螺旋系為

通過與原3系約束螺旋系進(jìn)行分析對(duì)比，得到抓取模塊閉環(huán)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)力螺旋$T為

可得，輸入傳動(dòng)指標(biāo)?和輸出傳動(dòng)指標(biāo)σ分別為

式中，yG-yI=e。

結(jié)合封口機(jī)構(gòu)的抓取模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以得到輸入傳動(dòng)指標(biāo)?和輸出傳動(dòng)指標(biāo)σ方程中的參數(shù)取值為

因此得到機(jī)構(gòu)抓取模塊的輸入傳動(dòng)指標(biāo)?和輸出傳動(dòng)指標(biāo)σ為

式中，

μ1為桿GH與水平方向的夾角，由圖6可知，μ1∈[0°，90°]。通過式（18）可得，輸入傳動(dòng)指標(biāo)?隨μ1的增大而增大。

為了分析μ1隨dF+lFJ的變化規(guī)律，將μ1對(duì)dF+lFJ進(jìn)行一階、二階求導(dǎo)，得

可以發(fā)現(xiàn)，在抓取模塊運(yùn)動(dòng)過程中，μ″1恒大于零。

令μ′1=0，已知dF+lFJ恒大于零，求解得到符合條件的dF+lFJ值為

為了避免抓取模塊出現(xiàn)圖7所示的奇異位形，需保證(dF+lFJ)＞etanμ1，即σ0=(dF+lFJ)cosμ1-esinμ1＞0。

將σ0對(duì)dF+lFJ進(jìn)行一階、二階求導(dǎo)：

圖7 抓取模塊的奇異位形Fig.7 Singularity configuration of grasping module

已知μ1∈[0°，90°]，可以得到：σ″0恒小于零，σ′0隨dF+lFJ的增大呈單調(diào)遞減趨勢(shì)。當(dāng)dF+lFJ≤此時(shí)的σ′0恒大于零；當(dāng)時(shí)，存 在 當(dāng)dF+lFJ＞(1/μ′1-e)/tanμ1時(shí)σ′0小于零的情況。即：輸出傳動(dòng) 指 標(biāo)σ在dF+lFJ＞(1/μ′1-e)/tanμ1處 取 到 最大值。

3.2 抓取模塊參數(shù)優(yōu)化

為了適應(yīng)鋼拱架封口安裝的狹小空間，抓取模塊的各桿件尺寸需在滿足抓取需求的情況下盡可能地小，各桿件的布置盡量緊湊。鋼拱架封口件的結(jié)構(gòu)呈工字型，高度和腿長均為150 mm，腿厚為30 mm，腰厚為50mm。如圖8所示，為了實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作且不發(fā)生碰撞，抓取模塊張開時(shí)卡爪末端之間的距離s需大于200mm。卡爪夾持位置需盡量靠近桿IJ，利用桿IJ的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步保證夾持的穩(wěn)定性，因此2lIJ需大于鋼拱架的腰長。考慮裝配、卡爪結(jié)構(gòu)等因素的影響，設(shè)定2lIJ＞250 mm。結(jié)合實(shí)際裝配條件和生產(chǎn)便捷性，各桿長不得小于50 mm?？紤]抓取模塊的各奇異點(diǎn)位置，得到約束條件如下：

圖8 抓取模塊尺寸的約束條件Fig.8 Constraints on the size of grasping module

根據(jù)約束條件，得到滿足需求的抓取模塊各尺寸參數(shù)，如表1所示?？ㄗΦ慕Y(jié)構(gòu)角度α、關(guān)節(jié)F的最優(yōu)布置位置與運(yùn)動(dòng)范圍等均未知，需要基于傳動(dòng)性能指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 抓取模塊的主要尺寸參數(shù)Table 1 Main size parameters of grasping module mm

將各桿長代入式（18），可以得到抓取模塊的傳動(dòng)指標(biāo)隨dF+lFJ的變化曲線，如圖9所示。

可以看出，封口機(jī)構(gòu)抓取模塊的綜合傳動(dòng)指標(biāo)隨dF+lFJ變化總體呈先增大后減小的趨勢(shì)，在輸入傳動(dòng)指標(biāo)曲線與輸出傳動(dòng)指標(biāo)曲線相交的范圍附近達(dá)到較大值，此時(shí)，機(jī)構(gòu)的綜合傳動(dòng)性能較優(yōu)。取綜合傳動(dòng)指標(biāo)大于0.8的工作空間為優(yōu)質(zhì)工作空間，得到dF+lFJ的優(yōu)質(zhì)取值為dF+lFJ∈［170 mm，233 mm］。以此為依據(jù)，可指導(dǎo)抓取模塊的尺寸設(shè)計(jì)，移動(dòng)關(guān)節(jié)F與關(guān)節(jié)J的初始位置可取lFJ=170 mm，控制關(guān)節(jié)F的油缸伸長范圍dF∈[0 mm，63 mm]。

圖9 傳動(dòng)指標(biāo)與dF+lFJ的關(guān)系Fig.9 Relationship between transmission coefficient and dF+lFJ

將dF+lFJ∈[170 mm，233 mm]代入式（2），可得到轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)I的旋轉(zhuǎn)角度θI范圍如下：

將dF+lFJ∈[170 mm，233 mm]代入式（26），證明其取值范圍滿足約束條件。選擇dF+lFJ=170 mm為抓取模塊夾持狀態(tài)，得到α=88°。此時(shí)，當(dāng)dF+lFJ=233 mm時(shí)，θI=27°，兩個(gè)卡爪末端間的距離s=231.4 mm，滿足條件。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

為了進(jìn)一步分析抓取模塊的可靠性，根據(jù)求解得到的抓取模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了抓取模塊機(jī)構(gòu)模型，其夾緊和張開姿勢(shì)如圖10所示。

圖10 抓取模塊的結(jié)構(gòu)模型Fig.10 Structure model of grasping module

利用ADAMS軟件對(duì)抓取模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。首先導(dǎo)桿以10 mm/s的速度運(yùn)動(dòng)6.3 s，使抓取模塊從夾緊姿勢(shì)變?yōu)閺堥_姿勢(shì)。分別取左右卡爪末端上方的點(diǎn)，研究抓取模塊工作過程中兩點(diǎn)之間的距離變化，如圖11所示。

圖11 卡爪末端間距離的變化曲線Fig.11 Change curve of distance between the ends of clamping jaws

可以看出：夾緊姿勢(shì)下，兩卡爪間的距離s=50.0 mm，滿足鋼拱架封口件的抓取距離需求；張開姿勢(shì)下，兩卡爪間的距離s達(dá)到234.6mm，與模型計(jì)算結(jié)果基本一致，滿足靠近鋼拱架封口件時(shí)的空間要求。兩者存在誤差的原因?yàn)椋河?jì)算所用的模型為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而仿真時(shí)建立了三維模型，在測(cè)量兩卡爪間距離時(shí)取的點(diǎn)為卡爪末端下方的位置，故得到的值會(huì)偏大一些。

在導(dǎo)桿處添加驅(qū)動(dòng)力1000N，在機(jī)架與卡爪的連接處（即關(guān)節(jié)I）添加剛度足夠大的扭轉(zhuǎn)彈簧，用于測(cè)量抓取模塊的輸出扭矩。得到抓取模塊輸出扭矩T隨導(dǎo)桿移動(dòng)距離dF的變化曲線，如圖12所示。

圖12 抓取模塊輸出扭矩與導(dǎo)桿移動(dòng)距離的關(guān)系Fig.12 Relationship between the output torque and the guide rod travel distance

可以看出，在設(shè)定的dF（dF∈[0 mm，63 mm]）范圍內(nèi)，抓取模塊輸出扭矩T隨導(dǎo)桿移動(dòng)距離dF的增大而呈先增大后減小的趨勢(shì)。在dF=34 mm時(shí)抓取模塊輸出扭矩取到最大值Tmax=29.58 N·m，在dF=63 mm時(shí)達(dá)21.23 N·m。

已知封口機(jī)構(gòu)的撐緊力為FE=2 000 N，抓取模塊卡爪前端尼龍塊與鋼拱架封口件之間的摩擦系數(shù)μE=0.37。由于鋼拱架快速封口安裝機(jī)構(gòu)的每個(gè)伸縮臂下面有兩個(gè)抓取模塊，在撐緊作業(yè)時(shí)，需要的抓取模塊最小輸出扭矩TE為

抓取模塊的輸出扭矩滿足要求，證明了所設(shè)計(jì)的抓取模塊的可靠性。

4.2 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)研究結(jié)果，設(shè)計(jì)制造了鋼拱架封口機(jī)構(gòu)的樣機(jī)，如圖13所示。將該樣機(jī)應(yīng)用在TBM上，通過液壓油缸對(duì)卡爪進(jìn)行位姿控制，可以實(shí)現(xiàn)鋼拱架封口件的抓取、調(diào)整、撐緊等動(dòng)作。

圖13 封口機(jī)構(gòu)樣機(jī)Fig.13 Prototype of looping mechanism

樣機(jī)由兩個(gè)伸縮臂組成，每個(gè)伸縮臂下方均固定著由橫桿連接的兩個(gè)抓取模塊。兩個(gè)抓取模塊同時(shí)對(duì)鋼拱架封口件進(jìn)行夾持作業(yè)，以保證夾持動(dòng)作的穩(wěn)定性和可靠性。抓取模塊的卡爪前端安裝了尼龍塊，以加強(qiáng)卡爪與鋼拱架封口件的摩擦力。

利用封口機(jī)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行鋼拱架的快速封口安裝實(shí)驗(yàn)，如圖14所示。首先，抓取模塊在導(dǎo)桿油缸的控制下將卡爪張開；然后，伸縮臂開始伸長，帶動(dòng)抓取模塊靠近鋼拱架封口件；之后，抓取模塊的卡爪開始收攏，直至抓緊鋼拱架封口件；接著，在撐緊油缸的作用下，抓取模塊夾住鋼拱架封口件向兩側(cè)撐緊，直至完全貼緊巖壁；最后，由焊接機(jī)械手對(duì)封口件進(jìn)行自動(dòng)封口焊接，實(shí)現(xiàn)鋼拱架成環(huán)。其中，導(dǎo)桿油缸的輸出力為1000N，撐緊油缸的輸出力為2000N。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，抓取模塊夾緊鋼拱架封口件時(shí)，導(dǎo)桿與機(jī)架底部的距離dF+lFJ為174.5 mm，與計(jì)算模型相差4.5 mm，可忽略不計(jì)；造成該誤差的主要原因?yàn)椋阂环矫?，鋼拱架封口件的制造精度較差，其夾持位置的厚度與標(biāo)準(zhǔn)值有偏差；另一方面，關(guān)節(jié)間隙的存在也會(huì)對(duì)dF+lFJ造成誤差。鋼拱架的整個(gè)封口安裝時(shí)間為8.6 min，成環(huán)效率較高；鋼拱架封口件抓取及撐緊過程中，抓取模塊與鋼拱架封口件之間未發(fā)生滑移，抓取效果良好；鋼拱架封口件完全貼緊模擬洞壁，滿足鋼拱架封口件的撐緊要求，證明了封口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性。

由于鋼拱架過于沉重，封口安裝時(shí)需要使用千斤頂?shù)妊b置進(jìn)行輔助，傳統(tǒng)人工封口鋼拱架的時(shí)間達(dá)10～15 min。與人工進(jìn)行鋼拱架封口作業(yè)相比，鋼拱架封口機(jī)構(gòu)的作業(yè)效率提高了20%～70%，大大加快了施工進(jìn)程。

圖14 鋼拱架快速封口安裝實(shí)驗(yàn)Fig.14 Rapid-looping installation experiment of steel arches

5 結(jié)語

文中提出了一種用于實(shí)現(xiàn)TBM鋼拱架自動(dòng)封口成環(huán)的快速封口安裝機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可代替人工快速安全地完成支護(hù)作業(yè)，為工程上其他重載機(jī)械手和夾具的設(shè)計(jì)提供了參考。

為了保證封口機(jī)構(gòu)抓取模塊的夾持性能，文中基于螺旋理論，提出了一種綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)/力傳動(dòng)性能指標(biāo)，并對(duì)鋼拱架封口機(jī)構(gòu)的抓取模塊進(jìn)行了傳動(dòng)性能分析，探究驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)位置和各連桿參數(shù)對(duì)傳動(dòng)性能的影響，結(jié)合工字鋼結(jié)構(gòu)尺寸和抓取空間需求，對(duì)抓取模塊進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

文中還利用ADAMS軟件，清晰地得到了抓取模塊從夾持姿勢(shì)到張開姿勢(shì)過程中卡爪末端間的距離變化與輸出扭矩的變化，證明了所設(shè)計(jì)的抓取模塊能滿足封口件抓取過程的空間需求和輸出扭矩需求。

文中最后研制了鋼拱架封口機(jī)構(gòu)的樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行封口成環(huán)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：抓取模塊夾緊鋼拱架封口件時(shí)，測(cè)得的dF+lFJ與計(jì)算模型僅相差4.5mm，說明所建立的模型是正確的；鋼拱架的整個(gè)封口安裝時(shí)間為8.6min，與傳統(tǒng)人工作業(yè)相比，鋼拱架封口機(jī)構(gòu)的作業(yè)效率提高了20%～70%，大大加快了施工進(jìn)程。

為了進(jìn)一步提高鋼拱架封口機(jī)構(gòu)應(yīng)對(duì)工程惡劣環(huán)境的能力，下一步將對(duì)機(jī)構(gòu)的控制進(jìn)行研究與分析，以提高鋼拱架封口安裝過程中的精度和穩(wěn)定性。