智能张拉机器人的制作方法

1.本实用新型涉及预应力施工的张拉技术领域，具体地说，涉及一种智能张拉机器人。


背景技术：

2.在预应力施工中，需在千斤顶组件、梁之间穿钢绞线、张拉，通过的施工方法为用人工将千斤顶组件安装到梁前端，穿铰绞线后进行张拉，这些施工，需大量的人工操作，而且不断的对设备进行拆装，费时费力，效率低。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种可针对不同梁的工况，实现自动找正、自动穿钢绞线、自动张拉、一次性完成整个梁的张拉工作的智能张拉机器人。
4.本实用新型公开的技术方案是:
5.一种智能张拉机器人，包括x、y、z移动机构、转动机构a组成的xyza四轴定位控制系统、限位板，所述x、y、z移动机构、转动机构a安装于行走系统平台上，跟随行走系统移动；千斤顶组件连接于四轴定位控制系统，在千斤顶组件固定激光测距仪，所述激光测距仪用于测量千斤顶组件与桥梁之间的距离数据和限位板的数据，将数据输入xyza四轴定位控制系统，xyza四轴定位控制系统用于控制千斤顶组件对准欲张拉孔位置并将千斤顶送入欲张拉孔内。
6.作为优选方案，所述转动机构a采用在y轴导轨与转动升降架销铰接的结构实现转动升降架的转动；所述转动升降架设置有弹簧组件的弹簧力支撑的杆端关节轴承，杆端关节轴承的摆动端连接千斤顶组件；转动升降架固定压头组件，所述压头组件下端与千斤顶组件后端接触，与千斤顶前端重力相抵消，维持千斤顶组件达到平衡。
7.作为优选方案，所述转动机构a包括固定于y轴组件的顶安装支架、转动支架、转动销、凸轮连杆、电动缸组件；转动支架与顶安装支架铰接，转动支架一端通过弹簧组件连接顶安装支架，转动支架另一端铰接千斤顶组件；所述凸轮连接铰接于转动支架，凸轮连杆中部连接电动缸组件，在电动缸组件的推动下凸轮组件的摆动，推动千斤顶组件转动。
8.作为优选方案，所述激光测距仪安装在千斤顶组件外部或者安装在千斤顶组件的活塞上。
9.作为优选方案，所述限位板端面边缘设置突变的台阶，激光测距仪测取该台阶位置时，通过激光位移值跳跃变化判断边缘位置。
10.作为优选方案，所述限位板端面的边缘为台阶结构，形成激光测距仪测取突变位移跳跃值的判断点。
11.作为优选方案，所述的行走系统平台安装张拉系统，张拉系统包括油箱、液压泵站。
12.作为优选方案，所述的行走系统平台安装控制系统。
13.本实用新型的有益效果是：可针对不同梁的工况，实现自动找正、自动穿钢绞线、自动张拉、一次性完成整个梁的张拉工作，节省人工操作时间，效率高。
附图说明
14.图1-1至图1-4是本实用新型的控制原理框图。
15.图2是本实用新型智能机器人结构示意图。
16.图3是本实用新型转动机构a的第一种实施例结构图。
17.图4是图3所示释放千斤顶向下自由度机构的结构图。
18.图5是本实用新型转动机构a的第二种实施例结构图。
19.图6是图5所示释放千斤顶向下自由度机构的结构图。
20.图7是xyza四轴定位控制系统实现移动的结构图。
21.图8是图7的正面视图。
22.图9是图8的右视图。
23.图10是对梁31进行粗定位张拉孔坐标示意图。
24.图11是激光测距仪光点测取位于限位板右下方的示意图。
25.图12是图11所处位置激光测距仪对限位板测定的位置示意图。
26.图13是测角度的示意图。
27.图14是四轴定位系统粗定位步骤中相对距离确定示意图。
28.图15是激光测距仪安装在千斤顶组件活塞的结构示意图。
29.图16是图15激光测距仪工作时的正面视图。
30.图17是图15激光测距仪停止工作时的正面视图。
31.图18是钢绞线张拉到最长时状态示意图。
32.图19是本实用新型限位板30的结构示意图。
33.图20是限位板30设定的坐标示意图。
34.附图部件明细为：1、行走系统，2、x、y、z、a四轴定位系统，3、张拉系统，4、控制系统，5、激光测距仪，6、横移底座，7、电动缸转动销，8、电动缸组件，9、转动升降架，10、转动升降架，11、千斤顶组件，12、转动升降架销，13、电动缸转动销，14、第一电动缸组件，15、转动支架，16、凸轮轴，17、凸轮，18、凸轮连杆，19、千斤顶转动销， 20、凸轮触板，21、顶安装支架，101、顶安装支架，102、弹簧组件，103、压头组件，104、第一杆端关节轴承，111、第一顶安装支架，112、第一弹簧组件，113、转动销，114、千斤顶转动销， 22、z轴移动底座，23、x轴导轨，24、x轴移动底座，25、z轴伺服电机及减速器，26、z轴齿条，27、z轴驱动齿轮，28、x轴伺服电机及减速器，29、x轴驱动齿轮，210、x轴齿条，211、y轴导轨，212、钢轮，213、链条，214、链条导轮，215、y轴伺服电机及电动缸，216、z轴导轨，30、限位板，31、梁，32、千斤顶，33、安装支架、34、舵机，35、钢绞线，36、工具锚组件，
35.b、激光点初始位置点和测角度第二位置点，c、限位板边缘位置坐标1，d、限位板边缘位置坐标2，e、限位板边缘位置坐标3，f、测角度第一位置点。
具体实施方式
36.下面结合具体实施例和说明书附图对本实用新型做进一步阐述和说明:
37.本实用新型的智能张拉机器人包括x、y、z移动机构、转动机构a组成的xyza四轴定位控制系统（如图7、8、9所示）、限位板30，所述x、y、z移动机构、转动机构a安装于行走系统1平台上，跟随行走系统1移动；行走系统平台安装张拉系统3和控制系统4，张拉系统包括油箱、液压泵站，从而组成一个整体；千斤顶组件11连接于四轴定位控制系统，在千斤顶组件11固定激光测距仪5，所述激光测距仪5用于测量千斤顶32与桥梁31之间的距离数据和限位板30的数据，将数据输入xyza四轴定位控制系统，xyza四轴定位控制系统用于控制千斤顶32对准欲张拉孔位置并将千斤顶32送入欲张拉孔内；所述限位板30端面边缘设置突变的台阶，激光测距仪5测取该台阶位置时，通过激光位移值跳跃变化判断边缘位置。
38.如图19、20所示，所述限位板30端面的边缘为台阶结构，形成激光测距仪测取突变位移跳跃值的判断点；以图19的数值进行说明：该限位板在传统限位板的基础上，在其后面增加一个凸起的台阶，主要是方便激光测距仪能够有效识别到距离的跳跃，从而识别到外径的边缘，寻找三个不同位置边缘坐标，实现自动检测限位板圆心的目的，其工作原理为：在传统限位板的基础上，增加一个凸起的台阶，一般外径单边需增加5-10mm，深度≥20mm；激光测距仪发射激光打在限位板的初始点上，并记录测距的数值，激光水平移动，当激光扫过边缘位置坐标1时，激光测距的增量大于程序设定的值，激光测距仪停止前进，并记录坐标值。例如：程序设定的判断值是≥15mm，初始点测距是300mm，扫过边缘位置坐标1时，测距是320mm，增加值为20mm，已满足判断值的要求，激光测距仪停止前进。同理依次寻得边缘位置坐标2和3的坐标，有了三个坐标值即可算出限位板的圆心坐标；在限位板正表面喷涂颜色为浅色，例如：白色或乳白色，便于激光识别到限位板，提高测距精度。
39.激光测距仪5安装的位置有两种：
40.第一种，如图2所示，激光测距仪5安装于千斤顶组件的顶部。
41.第二种，如图16、17、18所示，安装支架33固定于千斤顶的活塞上，舵机34固定在安装支架33上，激光测距仪5与舵机输出轴固定连接，舵机34可在0-180度范围内任意角度定位，定位精度0.3以上，进行角度检测和圆心的检测；激光测距仪5工作完成后，调整舵机角度将激光测距仪转至千斤顶活塞内孔边缘处；张拉时钢绞线35被拉长，当钢绞线35被拉至最长时，激光测距仪也不会与钢绞线发生干涉，实现激光测距仪穿过工具锚组件孔射向限位板进行检测角度和检测量圆心工作。
42.激光测距仪放在活塞内部的优点：在检测完角度并调整角度后需移回到激光初始位置点和检测完圆心位置后需将千斤顶移至圆心位置，这两个移动动作，千斤顶都需在y轴上升移动，而激光测距仪装在内部较安装在外部移动距离要小，可以缩短移动时间，提高效率；节省外部的空间；在外部安装易被碰撞，激光测距仪还需要增加防护装置，放在内部则不用担心会被碰撞。
43.所述的转动机构a有如下两种结构：
44.第一种结构：如图3、4所示，包括横移底座6、电动缸转动销7、电动缸组件8、转动升降架9、转动升降架10、千斤顶组件11、转动升降架销12；所述转动机构a采用在y轴导轨的转动升降架9与转动升降架销12铰接的结构实现转动升降架的转动；横移底座6铰接电动缸组件8，电动缸组件8移动端连接升降架9，电动缸组件8的移动推动转动升降架9绕转动升降架销12转动；所述转动升降架9外伸的顶安装支架101设置有弹簧组件102的弹簧力支撑的杆端关节轴承104，杆端关节轴承104的摆动端连接千斤顶组件11；转动升降架9固定压头组件
103，所述压头组件103下端与千斤顶组件11后端接触，与千斤顶前端重力相抵消，维持千斤顶组件达到平衡；千斤顶组件11通过杆端关节轴承104与弹簧组件102相连接；弹簧组件102固定在顶安装支架上，预紧力略大于下端千斤顶组件重量；千斤顶组件重心位置靠近前端，压头组件103与千斤顶组件11后端接触；当张拉时，千斤顶组件11需要向下移动或摆动时，所产生的向下力大于弹簧组件的预紧力，则弹簧压缩并释放向下自由度，可实现在张拉过程千斤顶可能向下移动或摆动且产生巨大的向下的力时，千斤顶可以有向下移动的自由度，以免整个设备遭到破坏。
45.第二种结构：如图5、6所示，包括横移底座6、转动升降架9、电动缸转动销13、第一电动缸组件14、转动支架15、凸轮轴16、凸轮17、凸轮连杆18、千斤顶转动销19、凸轮触板20、顶安装支架21，转动支架15与顶安装支架21铰接，转动支架15一端通过第一弹簧组件112连接第一顶安装支架111，转动支架15另一端铰接千斤顶组件11；所述凸轮17连接铰接于转动支架15，凸轮17连杆中部连接第一电动缸组件14，在第一电动缸组件14的推动凸轮组件的摆动，推动千斤顶组件11绕千斤顶转动销114转动；转动支架15通过转动销113与第一顶安装支架111相连接；千斤顶组件11通过千斤顶转动销114以及凸轮机构与转动支架15相连接；转动支架15一端连接千斤顶组件11，另一端与第一弹簧组件112连接，从而将千斤顶组件安装在转动支架15上，并施加一定的预紧力，施加的预紧力通过杠杆力应略大于千斤顶的重力，从而使千斤顶组件达到平衡；当张拉时，千斤顶组件需要向下移动或摆动时，所产生的向下力大于弹簧组件的预紧力的杠杆力，则弹簧压缩，转动支架绕着转动销顺时针旋转并释放千斤顶向下的自由度；可实现在张拉过程千斤顶可能向下移动或摆动且产生巨大的向下的力时，千斤顶可以有向下移动的自由度，以免整个设备遭到破坏。
46.参见图2，本实用新型在行走系统1的平台上安装x、y、z、a四轴定位系统2、张拉系统3、控制系统4，形成一个独立的施工设备，以方便将机器人移动到施工位置。
47.参见图7、8、9，z轴导轨216连接z轴移动底座22， z轴伺服电机及减速器25、z轴齿条26、z轴驱动齿轮27构成z轴驱动单元；x轴导轨23连接x轴移动底座24， x轴伺服电机及减速器28、x轴驱动齿轮29、x轴齿条210构成x轴驱动单元； y轴导轨211、钢轮212、链条213、链条导轮214、y轴伺服电机及电动缸215构成y轴驱动单元。
48.本实用新型采用的控制方法如下：
49.请参考图1，本控制方法包括步骤：
50.（1）四轴定位机构设置步骤：并排建立两个x、y、z移动机构，在每个x、y、z移动机构输出端分别设置转动机构a，建立起xyza四轴定位控制系统，将千斤顶连接于四轴定位控制系统，在千斤顶固定激光测距仪；
51.（2）定位行走小车与张拉梁孔之间水平距离的步骤：将xyza四轴定位系统移动到梁的一侧，激光测距仪测量出和张拉梁两端之间的相对距离l1和l2，且保证
│
l1-l2
│
≤5mm；参见图14；
52.（3）四轴定位系统定位张拉梁孔步骤：手动调整激光测距仪光点至张拉梁aa孔限位板初始位置点b，操作四轴定位控制系统触摸屏读取四轴定位控制系统x轴、y轴、z轴、a轴当前绝对位置数据并且存储，将x和y轴坐标设置为（0，0），再输入各孔图纸尺寸，计算获得剩余各孔坐标；具体方法参见图10，设定以aa孔为起点（也可以设定其它的孔为起点），手动调整顶的位置到aa孔限位板初始位置点b，将坐标设置为（0，0），再输入各孔图纸尺寸，自动
获得剩余各孔坐标，右边孔同左边孔定位方法一样。
53.（4）限位板初始位置点b的确定步骤：初始位置点b点设置规则为水平和垂直移动路径不得与限位板的孔发生相交，初始位置点b设置在右下角或者右上角或者左上角或者左下角之任何一点：参见图12，本实施例采用右下角为初始位置b点
54.（5）操作下载欲张拉孔初始坐标位置步骤：通过上一孔或下一孔按钮选择欲张拉孔，xyza四轴定位系统自动定位初始坐标位置，将所有的张拉孔都定位记录完毕后，将初始坐标参数下载入plc控制器内，参见图11；
55.（6）测量限位板角度步骤：控制四轴定位系统，将激光测距仪光点自动上偏移、下偏移，记录上点、下点激光测距位移，四轴定位系统自动计算千斤顶横截面相对于限位板横截面的角度：参见图12，其中，上点为图中测角度第一位置点f，下点为图中激光点初始位置点b；
56.四轴定位系统自动计算千斤顶横截面相对于限位板横截面的角度，自动调整千斤顶横截面和限位板的角度，使得激光测距仪光点上点、下点距离相等，千斤顶横截面和限位板保持平行状态，参见图13，
57.（7）调整千斤顶的角度步骤：此时激光测距仪光点已离开b点位置，通过计算，自动调整激光测距仪光点回到b点位置；
58.（8）测量限位板圆心步骤：通过激光测距仪自动扫描限位板轮廓边缘，自动读取限位板轮廓边缘三个坐标，然后通过测取的三个坐标，采用常用的圆心计算公式自动计算出限位板圆心坐标和限位板半径r；四轴定位系统自动判断计算的限位板半径是否和预设的限位板半径一致，如果不一致，则再送到圆心计数器进行计算，计算后再输入进行自动读取限位板轮廓边缘三个坐标的操作，重复上述步骤，直到限位板半径是否和预设的限位板半径一致；
59.（9）根据算出圆心坐标，在y轴坐标值加上激光仪与顶圆心的距离.自动将千斤顶移动至欲张拉孔位置；
60.（10）千斤顶前移动步骤：四轴定位系统自动按之前测定的角度沿钢绞线方面向前移动，根据在初始位置点b激光测距的距离计算出前移距离，自动前移，将千斤顶移动至欲张拉孔位置。
61.所述步骤（3）中，四轴定位控制系统触摸屏读取四轴定位控制系统x轴、y轴、z轴、a轴当前绝对位置数据是做为xyza轴自动控制的初始位置。
62.所述步骤（6）中，四轴定位系统自动计算千斤顶横截面相对于限位板横截面的角度采用的计算方法为：角度a=atan（z轴两点坐标差/y轴两点测距差），测取方式参见图13；
63.其调整步骤包括：
64.1）xyza伺服系统首先将激光光点移动至初始坐标位置，参见图11中的激光点初始位置点b；
65.2）xyza伺服系统通过上偏移记录激光位移，然后下偏移记录激光位移，通过三角函数式计算激光千斤顶和限位板角度偏差；
66.3）xyza伺服系统通过计算出的角度偏差，自动修正千斤顶和限位板的角度使之保持平行状态；
67.4）xyza伺服系统通过三角函数式计算出的限位板中心与系统预设的斤顶中心偏
移距离进行比较，自动修正千斤顶中心和限位板中心使之保持同心。
68.所述步骤（8）中，限位板轮廓边缘三个坐标设定方法为：从初始位置坐标开始，向右扫描至限位板边缘，自动记录并且存储边缘位置坐标1（x1，y1）；从初始位置坐标开始，向左扫描至限位板边缘，自动记录并且存储边缘位置坐标2（x2，y2）；从初始位置坐标开始，向上扫描至限位板边缘，自动记录并且存储边缘位置坐标3（x3，y3），参见图12，其中限位板轮廓边缘三个坐标分别是：限位板边缘位置坐标1c、限位板边缘位置坐标2d、限位板边缘位置坐标3e。
69.所述步骤（8）中，限位板轮廓边缘三个坐标设定方法采用激光位移值跳跃变化法进行测定，即在限位板端面边缘设置突变的台阶，plc通过modbus总线通讯协议实时读取激光位移传感器位移值，当监测到激光位移处于突变的台阶位置时，激光位移值跳跃变化超过预设值时，plc判断边缘位置坐标设置成功，记录并且保存，参见图19、20，本实用新型在限位板30端面的边缘为台阶结构，形成激光测距仪测取突变位移跳跃值的判断点；以图19的数值进行说明：该限位板在传统限位板的基础上，在其后面增加一个凸起的台阶，主要是方便激光测距仪能够有效识别到距离的跳跃，从而识别到外径的边缘，寻找三个不同位置边缘坐标，实现自动检测限位板圆心的目的，其工作原理为：在传统限位板的基础上，增加一个凸起的台阶，一般外径单边需增加5-10mm，深度≥20mm；激光测距仪发射激光打在限位板的初始点上，并记录测距的数值，激光水平移动，当激光扫过边缘位置坐标1时，激光测距的增量大于程序设定的值，激光测距仪停止前进，并记录坐标值。例如：程序设定的判断值是≥15mm，初始点测距是300mm，扫过边缘位置坐标1时，测距是320mm，增加值为20mm，已满足判断值的要求，激光测距仪停止前进。同理依次寻得边缘位置坐标2和3的坐标，有了三个坐标值即可算出限位板的圆心坐标。
70.结合附图1-1、1-2、1-3、1-4、2、3、4、5，6、7，本实用新型的一个系统的实施例如下：
71.本系统由行走小车系统、xyza四轴定位控制系统、智能张拉系统组成。
72.将图1-1至图1-4按顺序组合后是本实用新型的全部控制原理框图。
73.行走系统负责将xyza四轴定位系统、智能张拉系统移动至需要张拉的桥梁附近，通过四轴定位系统左右两侧的激光位移传感器测量行走小车和桥梁两端之间的相对距离相等，以确保四轴定位控制系统相对于桥梁之间保持一个平行的姿态，此时行走系统撑起撑脚，保持智能张拉机器人系统相对于张拉梁处于一个相对静止的状态。
74.当需要将智能张拉千斤顶自动穿入张拉孔时，对xyza四轴定位控制系统进行操作步骤如下：
75.1、通过手持遥控器将激光位移传感器光点移动至限位板右下方；
76.2、操作四轴定位控制系统触摸屏读取四轴定位控制系统伺服当前坐标并且存储。
77.3、其他需要张拉的孔重复步骤1、2操作，当所有的张拉孔都记录完毕后，将初始坐标参数下载入plc控制器内。
78.4、操作xyza四轴定位系统“上一孔”或“下一孔”按钮，选择需要张拉的孔。
79.5、xyza四轴定位系统通过激光位移传感器自动测量限位板角度，
80.6、xyza四轴定位系统自动调整千斤顶横截面和限位板的角度，使之保持平行状态。
81.7、xyza四轴定位系统通过激光位移传感器自动扫描限位板轮廓边缘，自动读取限
位板轮廓边缘三个坐标，然后自动计算出限位板圆心坐标。
82.8、xyza四轴定位系统自动计算出限位板中心相对于千斤顶中心偏移距离。
83.9、xyza四轴定位系统自动将千斤顶移动至欲穿张拉孔位置，自动调整千斤顶中心和限位板中心距离，使之保持同心状态。
84.10、xyza四轴定位系统自动将千斤顶传入张拉孔内。
85.11、xyza四轴定位系统通知智能张拉张拉系统按照预设的张拉流程进行张拉。
86.12、智能张拉系统张拉完成通知xyza四轴定位系统张拉完成。
87.13、xyza四轴定位系统自动将千斤顶退出张拉孔。
88.14、如需张拉其他孔，则通过图1的ab回到重复步骤4操作。
89.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种智能张拉机器人，包括x、y、z移动机构、转动机构a组成的xyza四轴定位控制系统、限位板，其特征在于：所述x、y、z移动机构、转动机构a安装于行走系统平台上，跟随行走系统移动；千斤顶组件连接于四轴定位控制系统，在千斤顶组件固定激光测距仪，所述激光测距仪用于测量千斤顶组件与桥梁之间的距离数据和限位板的数据，将数据输入xyza四轴定位控制系统，xyza四轴定位控制系统用于控制千斤顶组件对准欲张拉孔位置并将千斤顶送入欲张拉孔内。2.根据权利要求1所述的智能张拉机器人，其特征在于：所述转动机构a采用在y轴导轨与转动升降架销铰接的结构实现转动升降架的转动；所述转动升降架设置有弹簧组件的弹簧力支撑的杆端关节轴承，杆端关节轴承的摆动端连接千斤顶组件；转动升降架固定压头组件，所述压头组件下端与千斤顶组件后端接触，与千斤顶前端重力相抵消，维持千斤顶组件达到平衡。3.根据权利要求1所述的智能张拉机器人，其特征在于：所述转动机构a包括固定于y轴组件的顶安装支架、转动支架、转动销、凸轮连杆、电动缸组件；转动支架与顶安装支架铰接，转动支架一端通过弹簧组件连接顶安装支架，转动支架另一端铰接千斤顶组件；所述凸轮连接铰接于转动支架，凸轮连杆中部连接电动缸组件，在电动缸组件的推动下凸轮组件的摆动，推动千斤顶组件转动。4.根据权利要求1所述的智能张拉机器人，其特征在于：所述激光测距仪安装在千斤顶组件外部或者安装在千斤顶组件的活塞上。5.根据权利要求1所述的智能张拉机器人，其特征在于：所述限位板端面边缘设置突变的台阶，激光测距仪测取该台阶位置时，通过激光位移值跳跃变化判断边缘位置。6.根据权利要求5所述的智能张拉机器人，其特征在于：所述限位板端面的边缘为台阶结构，形成激光测距仪测取突变位移跳跃值的判断点。7.根据权利要求1所述的智能张拉机器人，其特征在于：所述的行走系统平台安装张拉系统，张拉系统包括油箱、液压泵站。8.根据权利要求1所述的智能张拉机器人，其特征在于：所述的行走系统平台安装控制系统。

技术总结
一种智能张拉机器人，包括安装于行走系统平台上的X、Y、Z移动机构、转动机构A组成的XYZA四轴定位控制系统，在千斤顶组件固定激光测距仪，激光测距仪用于测量千斤顶组件与桥梁之间的距离数据和限位板的数据，将数据输入XYZA四轴定位控制系统，XYZA四轴定位控制系统用于控制千斤顶组件对准欲张拉孔位置并将千斤顶送入欲张拉孔内；限位板端面边缘设置突变的台阶，激光测距仪测取该台阶位置时，通过激光位移值跳跃变化判断边缘位置；限位板端面的边缘为台阶结构。其优点是可针对不同梁的工况，实现自动找正、自动穿钢绞线、自动张拉、一次性完成整个梁的张拉工作，节省人工操作时间，效率高。高。高。


技术研发人员：李建强 廖嵘 杨帆 谢运灵 张振麒
受保护的技术使用者：柳州泰姆预应力机械有限公司
技术研发日：2021.09.02
技术公布日：2022/5/25