一种掘进机盘形滚刀磨损分级检测装置及其分级检测方法与流程

1.本发明专利涉及掘进机盘形滚刀磨损检测技术领域，特别是一种掘进机盘形滚刀磨损分级检测装置及其分级检测方法。


背景技术：

2.随着我国交通运输业的快速发展，隧道掘进机已经越来越广泛的应用于在隧道施工领域。在隧道施工过程中，盘形滚刀是保障掘进机安全高效施工的关键因素之一。由于地质复杂多变，滚刀在施工过程中损耗很大，数量众多并且成本昂贵，直接影响施工效率和施工成本。滚刀磨损是最为主要的损坏形式，因此需要及时对滚刀磨损进行检测测量，保存分类管理，更加有效地提高施工效率；同时和厂家及时沟通滚刀薄弱点并进行改造，以降低施工成本。
3.目前主要采用普通卡规或者普通钢尺测量滚刀的磨损量，基于人工读数，没有固定基准点位；且测量基本上只能测量几个点位，无法对整个滚刀进行测量；无法识别出该滚刀是均匀磨损还是其他磨损形式，需要靠人工经验进行判断；目前对于滚刀数据依靠人工进行记录保存，缺乏图像等直观资料，数据资料调取麻烦。因此，对盘形滚刀磨损进行高精度自动化检测以及分类管理至关重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一在于提供一种掘进机盘形滚刀磨损分级检测装置，以解决上述背景技术中所述的需要人工利用卡规或钢尺进行粗略测量的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种掘进机盘形滚刀磨损分级检测装置，包括检测平台以及垂直设置在检测平台一侧的伸缩式机械臂；所述检测平台上设置有用于固定盘形滚刀的夹持组件；所述伸缩式机械臂的上端设置有用于绕所述伸缩式机械臂的轴线水平旋转的第一旋转机械臂，所述第一旋转机械臂的另一端设置有垂直的第二旋转机械臂，所述第二旋转机械臂用于绕其轴心线水平自转；所述第二旋转机械臂的下端设置有水平安装板，所述水平安装板上设置有用于沿所述水平安装板左右移动的移动机构；所述移动机构下方设置有带有翻转机构的摄像机，当移动机构左右移动时，带动所述摄像机随之左右移动，所述翻转机构用于带动摄像机进行竖直方向的翻转，所述摄像机的外壁上环绕设置有照明设备；还包括有控制系统；所述控制系统包括上位机和plc控制器；所述上位机具有人机交互界面和控制程序，并与所述plc控制器之间连接；所述plc控制器的输出端分别与伸缩式机械臂、第一旋转机械臂、第二旋转机械臂、摄像机、照明设备以及所述夹持组件、所述移动机构以及所述翻转机构之间电性连接。
6.进一步地，所述移动机构包括设置在水平安装板下表面的水平凹槽，与水平凹槽转动连接的丝杠，与所述丝杠螺纹连接的移动块，以及设置在水平安装板一侧的第一电机；所述丝杠的一端延伸出所述水平安装板并与所述第一电机的输出端连接；所述移动块卡设
在所述水平凹槽内。
7.进一步地，所述夹持组件包括两个相对设置的夹持板，两个夹持板相互靠近的一侧均设置有用于夹紧盘形滚刀刀轴的缺口；所述夹持板的前后两侧分别设置有双向螺纹杆，所述双向螺纹杆的两端分别与设置在所述检测平台上的固定座之间转动连接，两个夹持板的前后两端均设置有相互对称的安装块，两个夹持板上的安装块分别螺纹连接在所述双向螺纹杆的旋向相反的部分上，且两个双向螺纹杆之间通过同步带连接，其中一个双向螺纹杆的一端与设置在检测平台上的第三电机输出轴之间连接。
8.进一步地，所述翻转机构包括设置在移动块的下表面的安装板以及设置在安装板外侧的第二电机；所述安装板为开口向下的u型结构；所述摄像机的前后两侧的外壁上安装有转动轴，所述转动轴与所述安装板之间转动连接；其中一个转动轴与第二电机的输出轴之间连接，当所述第二电机转动时可以带动所述摄像机进行顺时针或者逆时针翻转。
9.进一步地，所述摄像机的外壁上环绕设置有照明设备；所述摄像机的摄像头上设置有用于防止灰尘干扰的保护端盖；所述夹持板的上表面铺设有反光材料。
10.本发明的目的之二在于提供一种掘进机盘形滚刀磨损分级检测方法，以克服上述现有技术中无法准确测量滚刀刀圈的磨损量，也无法识别出该滚刀是均匀磨损还是其他磨损形式，需要靠人工经验进行判断的问题。
11.为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种掘进机盘形滚刀磨损分级检测方法，具体包括以下步骤：a、通过第一旋转机械臂将摄像机转至远离检测平台的位置，然后利用夹持组件将盘形滚刀的刀轴夹紧；b、通过第一旋转机械臂、以及所述移动机构来调整摄像机的位置；c、启动照明设备；d、启动第二旋转机械臂，使得摄像机以盘形滚刀的刀轴为圆心，进行360
°
旋转，每次旋转角度β启动摄像机拍摄一张照片，共拍摄360/β张照片；分别拍摄出盘形滚刀磨损前和磨损后的照片；其中旋转角度根据实际的精度需要和相机分辨率进行设定，角度β值越小，滚刀磨损量的测量精度越高；e、然后将所拍摄的照片上传至上位机；f、进行盘形滚刀刀圈直径方向的磨损量计算：将所拍摄的360/β张照片合成为盘形滚刀刀圈的照片，调取出盘形滚刀使用前后照片，测量照片中磨损前的盘形滚刀半径为r1；取磨损后的盘形滚刀照片中的n个点位测量该点的盘形滚刀的半径为r1；对于n1点位，该处的盘形滚刀磨损量s1=r0*（r1‑
r1）/r1；其中r0为盘形滚刀的实际半径长度；据此计算出n个点位的磨损量分别为s1、s2、s3······
s
n
，其中n值取720或其整数倍；g、通过第一旋转机械臂、所述移动机构以及所述翻转机构再次调整摄像机的位置；h、重复d、e的步骤；i、进行盘形滚刀刀圈厚度的磨损量计算：将所拍摄的360/β张照片合成为盘形滚刀刀圈的照片，调取出盘形滚刀使用前后照片，测量照片中磨损前的盘形滚刀的刀圈厚度为d1；取磨损后的盘形滚刀照片中的n个点位测量该点的盘形滚刀的刀圈厚度为d1；对于n1点位，该处的盘形滚刀磨损量l1=d0*（d1‑
d1）/d1；其中d0为盘形滚刀的刀圈厚度的实际值；据
此计算出n个点位的磨损量分别为l1、l2、l3······
l
n
；其中n值取720或其整数倍。
12.进一步地，所述步骤g包括以下步骤：p1、启动翻转机构，将摄像机逆时针旋转90
°
，然后启动移动机构沿所述水平安装板调整摄像机的位置，将所述摄像机移动至刀圈的外部；通过伸缩式机械臂调整摄像机的高度，直至摄像机沿盘形滚刀刀圈径向正对所述盘形滚刀，即摄像机对准盘形滚刀的刀刃；p2、然后启动移动机构，沿所述水平安装板调整摄像机的位置，根据检测的精度要求以及摄像机的分辨率，调整摄像机距离所述盘形滚刀刀刃的距离，以便清晰拍摄出盘形滚刀的照片；其中，精度=单方向视场大小/相机单方向分辨率。
13.进一步地，所述步骤b中具体包含以下步骤：s1、启动第一旋转机械臂将摄像机旋转至盘形滚刀的上方，启动移动机构，沿所述水平安装板调整摄像机的位置，将摄像机调整到第二旋转机械臂的轴心线与所述盘形滚刀的刀轴的轴心线之间重合，摄像机位于所述盘形滚刀的正上方；s2、根据检测的精度要求以及摄像机的分辨率，通过伸缩式机械臂调整摄像机的高度以便清晰拍摄出盘形滚刀的照片；其中，精度=单方向视场大小/相机单方向分辨率；所述步骤d中摄像机对盘形滚刀中心，对盘形滚刀磨损前和磨损后均只拍摄一张照片。
14.进一步地，所述步骤b中具体包含以下步骤：s1、利用第一旋转机械臂将摄像机旋转至盘形滚刀的上方，至第二旋转机械臂的轴心线与所述盘形滚刀的刀轴的轴心线之间重合；s2、然后启动移动机构，沿所述水平安装板调整摄像机的位置，直至摄像机移动至盘形滚刀刀圈边缘的正上方；s3、根据检测的精度要求以及摄像机的分辨率，通过伸缩式机械臂调整摄像机的高度以便清晰拍摄出盘形滚刀的照片；其中，精度=单方向视场大小/相机单方向分辨率。
15.进一步地，对于同一把盘形滚刀所测量的n个点位的磨损量，计算出最大值s
max
、最小值s
min
、平均值s
平
、方差s
²
、以及l
平
；s1、当方差s
²
＜m时，将该盘形滚刀分类为均匀磨损类别进行管理统计，并求出平均值s
平
以及l
平
作为该盘形滚刀磨损量的输出结果；其中m的取值范围为1
‑
4；s2、当方差s
²
＞m，且（s
max
－s
min
）＞p时，将该盘形滚刀分类到刀圈断裂类别进行管理统计，此类别以l
平
、s
max
以及断裂角度θ为输出结果；其中测量当s
b
=s
max
时，根据磨损数据识别出b点位两侧的数据中最靠近b点的最小磨损点e和f，点e和点f与圆心的夹角即为断裂角度θ；p取值范围为5
‑
10mm；s3、当s
a
=s
max
时，且s
a
‑1=s
a 1
，s
a
‑2=s
a 2
，s
a
‑3=s
a 3
······
s
a
‑
e
=s
a e
，将该盘形滚刀分类到刀圈偏磨类别进行管理统计，并测量出s
a
‑
e
，s
a e
所对应点位之间的距离x，计算得到偏磨距离x=（r0/r1）*x，将l
平
、偏磨部分最大值s
max
，偏磨距离x以及其他部分的平均值s
平
，作为该盘形滚刀磨损量的输出结果；其中a和e均小于n；s4、其他情况，将该盘形滚刀分类到其他类型非均匀磨损类别进行管理统计，将l
平
、最大值s
max
、平均值s
平
作为该盘形滚刀磨损量的输出结果。
16.本发明的有益效果：本发明提供了一种掘进机盘形滚刀磨损分级检测装置，通过设置夹持组件可以实现固定盘形滚刀的刀轴，便于后续对盘形滚刀的模式测量；通过设置
移动机构、伸缩式机械臂、第一旋转机械臂、第二旋转机械臂、带有翻转机构的摄像机可以实现对刀盘的仅拍摄一张照片（即粗精度检测），不同角度拍摄多张照片（高精度检测），以及对刀刃进行拍照，然后将拍摄的照片上传至上位机进行存储分析；本发明提供了一种掘进机盘形滚刀磨损分级检测方法，利用该方法可以对磨损的盘形滚刀进行精准的测量，从而有效检测出盘形滚刀直径方向以及刀刃的磨损数值，避免了进行人工判断工作量大且不准确的缺陷。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明的主视图；图2为本发明的夹持组件的结构示意图；图3为本发明的翻转机构与摄像机的结构示意图；图4为本发明的控制原理图；附图标记：1
‑
检测平台；2
‑
伸缩式机械臂；3
‑
第一旋转机械臂；4
‑
第二旋转机械臂；5
‑
水平安装板；6
‑
第一电机；7
‑
水平凹槽；8
‑
丝杠；9
‑
移动块；10
‑
安装板；11
‑
第二电机；12
‑
盘形滚刀；13
‑
夹持板；14
‑
固定座；15
‑
第三电机；16
‑
安装块；17
‑
双向螺纹杆；18
‑
摄像机；19
‑
转动轴；20
‑
同步带；21
‑
照明设备；22
‑
缺口。
具体实施方式
19.为更加清楚地说明本发明的技术方案，以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细地说明。
20.实施例1：如附图1
‑
4所示，一种掘进机盘形滚刀磨损分级检测装置，包括检测平台1以及垂直设置在检测平台1一侧的伸缩式机械臂2；所述检测平台1上设置有用于固定盘形滚刀12的夹持组件；所述伸缩式机械臂2的上端设置用于绕所述伸缩式机械臂2的轴线水平旋转的第一旋转机械臂3，所述第一旋转机械臂3的另一端设置有垂直的第二旋转机械臂4，所述第二旋转机械臂4用于绕其轴心线水平自转；所述第二旋转机械臂4的下端设置有水平安装板5，所述水平安装板5上设置有用于沿所述水平安装板5左右移动的移动机构；所述移动机构下方设置有带有翻转机构的摄像机，当移动机构左右移动时，带动所述摄像机18随之左右移动，所述翻转机构用于带动摄像机18进行竖直方向的翻转；还包括有控制系统。所述检测平台1的底部四角处还设置有带有自锁结构的万向轮；所述伸缩式机械臂以及第一旋转机械臂、第二旋转机械臂均为现有技术中的常用结构，因此对其结构不再赘述。
21.所述移动机构包括设置在水平安装板5下表面的水平凹槽7，与水平凹槽7转动连接的丝杠8，与所述丝杠8螺纹连接的移动块9，以及设置在水平安装板5一侧的第一电机6；所述丝杠8的一端延伸出所述水平安装板5并与所述第一电机6的输出端连接；所述移动块9卡设在所述水平凹槽7内。
22.所述翻转机构包括设置在移动块9的下表面的安装板10以及设置在安装板10外侧的第二电机11；所述安装板10为开口向下的u型结构；所述摄像机18的前后两侧的外壁上安装有转动轴19，所述转动轴19与所述安装板10之间转动连接；其中一个转动轴19的与第二电机11的输出轴之间连接，当所述第二电机11转动时可以带动所述摄像机18顺时针或者逆时针翻转。
23.所述夹持组件包括两个相对设置的夹持板13，两个夹持板13相互靠近的一侧均设置有用于夹紧盘形滚刀12刀轴的缺口22；所述夹持板13的前后两侧分别设置有双向螺纹杆17，所述双向螺纹杆17的两端分别与设置在所述检测平台1上的固定座14之间转动连接，两个夹持板13的前后两端均设置有相互对称的安装块16，两个夹持板13上的安装块16分别螺纹连接在所述双向螺纹杆17的旋向相反的部分上，且两个双向螺纹杆17之间通过同步带23连接，其中一个双向螺纹杆17的一端与设置在检测平台1上的第三电机15输出轴之间连接。
24.所述摄像机18的外壁上环绕设置有照明设备21；所述摄像机18的摄像头上设置有用于防止灰尘干扰的保护端盖20，免受外界灰尘的干扰影响；所述夹持板13的上表面铺设有反光材料，有利于提高摄像机拍摄照片清晰度，提高磨损量检测精度；所述控制系统包括上位机和plc控制器；所述上位机与所述plc控制器之间连接，其具有人机交互界面和控制程序用于发出指令并存储摄像机所拍摄的照片；所述plc控制器的输出端分别与伸缩式机械臂2、第一旋转机械臂3、第二旋转机械臂4、摄像机18、第三电机15、第一电机6、第二电机11以及照明设备21之间电性连接。
25.实施例2：本实施例为采用实施例1中的分级检测装置进行掘进机盘形滚刀磨损分级检测方法，本实施例为盘形滚刀磨损量的低精度检测方法，具体包括以下步骤：a、通过第一旋转机械臂3将摄像机18转至远离检测平台1的位置，然后将需要检测的盘形滚刀12的刀轴放置在两个夹持板13之间，启动第三电机15直至夹紧盘形滚刀12的刀轴；b、启动第一旋转机械臂3将摄像机18旋转至盘形滚刀12的上方，启动第一电机6，将摄像机18调整到第二旋转机械臂4的轴心线与所述盘形滚刀12的刀轴的轴心线之间重合，摄像机18位于所述盘形滚刀12的正上方；根据检测的精度要求以及摄像机18的分辨率，通过伸缩式机械臂2调整摄像机18的高度以便清晰拍摄出盘形滚刀12的照片；其中，精度=单方向视场大小/相机单方向分辨率；c、启动照明设备21；d、摄像机18对盘形滚刀12中心，对盘形滚刀12磨损前和磨损后均只拍摄一张照片；e、然后将所拍摄的照片上传至上位机；f、进行盘形滚刀12刀圈直径方向的的磨损量计算：调取出盘形滚刀12使用前后的照片，测量照片中磨损前的盘形滚刀12半径为r1；取磨损后的盘形滚刀12照片中的n个点位测量该点的盘形滚刀12的半径为r1；对于n1点位，该处的盘形滚刀12磨损量s1=r0*（r1‑
r1）/r1；其中r0为盘形滚刀12的实际半径长度；据此计算出n个点位的磨损量分别为s1、s2、s3······
s
n
；其中n值取720或其整数倍；g、启动翻转机构，将摄像机18逆时针旋转90
°
，然后启动移动机构沿所述水平安装
板5调整摄像机18的位置，将所述摄像机18移动至刀圈的外部；通过伸缩式机械臂2调整摄像机18的高度，直至摄像机18沿盘形滚刀12刀圈径向正对所述盘形滚刀12，即摄像机18对准盘形滚刀12的刀刃；然后再次启动移动机构，沿所述水平安装板5调整摄像机18的位置，根据检测的精度要求以及摄像机18的分辨率，调整摄像机18距离所述盘形滚刀12刀刃的距离，以便清晰拍摄出盘形滚刀12的照片；其中，精度=单方向视场大小/相机单方向分辨率；h、启动第二旋转机械臂4，使得摄像机18以盘形滚刀12的刀轴为圆心，进行360
°
旋转，每次旋转角度β启动摄像机18拍摄一张照片，共拍摄360/β张照片；分别拍摄出盘形滚刀12刀圈的磨损前和磨损后的照片；其中旋转角度根据实际的精度需要和相机分辨率进行设定，角度β值越小，滚刀磨损量的测量精度越高；然后将所拍摄的照片上传至上位机；i、进行盘形滚刀12刀圈厚度的磨损量计算：将所拍摄的360/β张照片合成为盘形滚刀12刀圈刀刃处的照片，调取出盘形滚刀12使用前后照片，测量照片中磨损前的盘形滚刀12的刀圈厚度为d1；取磨损后的盘形滚刀12照片中的n个点位测量该点的盘形滚刀12的刀圈厚度为d1；对于n1点位，该处的盘形滚刀12磨损量l1=d0*（d1‑
d1）/d1；其中d0为盘形滚刀12的刀圈厚度的实际值；据此计算出n个点位的磨损量分别为l1、l2、l3······
l
n
；其中n值取720或其整数倍。
26.实施例3：本实施例为采用实施例1中的分级检测装置进行掘进机盘形滚刀磨损分级检测方法，本实施例为盘形滚刀磨损量的高精度检测方法，本实施例与实施例2的区别在于：步骤b中摄像机位置的调整方法不同，步骤d 中照片的拍摄方法不同。
27.本实施例中的步骤b包括以下步骤：利用第一旋转机械臂3将摄像机18旋转至盘形滚刀12的上方，至第二旋转机械臂4的轴心线与所述盘形滚刀12的刀轴的轴心线之间重合；然后启动第一电机6，沿水平凹槽7移动摄像机18，直至摄像机18移动至盘形滚刀12刀圈边缘的正上方；根据检测的精度要求以及摄像机18的分辨率，通过伸缩式机械臂2调整摄像机18的高度以便清晰拍摄出盘形滚刀12的照片；其中，精度=单方向视场大小/相机单方向分辨率。
28.本实施例中的步骤d为：启动第二旋转机械臂4，使得摄像机18以盘形滚刀12的刀轴为圆心，进行360
°
旋转，每次旋转角度β启动摄像机18拍摄一张照片，共拍摄360/β张照片；分别拍摄出盘形滚刀12磨损前和磨损后的照片；其中旋转角度根据实际的精度需要和相机分辨率进行设定，角度β值越小，滚刀磨损量的测量精度越高；其中β为可以被360整除的角度。
29.本实施例的步骤f中，在进行磨损前后的照片进行对比前，先将拍摄的360/β张照片合成一张滚刀刀盘的照片，然后再进行对比计算。
30.实施例4：本实施例为滚刀刀盘的磨损数据分析方法，对于同一把盘形滚刀12所测量的n个点位的磨损量，计算出最大值s
max
、最小值s
min
、平均值s
平
、方差s
²
、以及l
平
； 1）当方差s
²
＜m时，将该盘形滚刀12分类为均匀磨损类别进行管理统计，并求出平均值s
平
作为该盘形滚刀12磨损量的输出结果；其中m的取值范围为1
‑
4。
31.2）当方差s
²
＞m，且（s
max
－s
min
）＞p时，将该盘形滚刀（12）分类到刀圈断裂类别进行管理统计，此类别以s
max
处以及断裂角度θ为输出结果；其中测量当s
b
=s
max
时，根据磨损数
据识别出b点位两侧的数据中最靠近b点的最小磨损点e和f，点e和点f与圆心的夹角即为断裂角度θ；p取值范围为5
‑
10mm；3）当s
a
=s
max
时，且s
a
‑1=s
a 1
，s
a
‑2=s
a 2
，s
a
‑3=s
a 3
······
s
a
‑
e
=s
a e
，将该盘形滚刀12分类到刀圈偏磨类别进行管理统计，并测量出s
a
‑
e
，s
a e
所对应点位之间的距离x，计算得到偏磨距离x=（r0/r1）*x，将l
平
、偏磨部分最大值s
max
，偏磨距离x以及其他部分的平均值s
平
，作为该盘形滚刀12磨损量的输出结果；其中a和e均小于n；4）其他情况，将该盘形滚刀12分类到其他类型非均匀磨损类别进行管理统计，将l
平
、最大值s
max
、平均值s
平
作为该盘形滚刀12磨损量的输出结果。
32.需要说明的是，工程一般采用17
‑
19寸滚刀直径小于500mm，滚刀磨损范围一般在20mm以内。根据公式：精度=单方向视场大小/相机单方向分辨率。对于低精度检测方法（实施例2），视场大小为滚刀直径500mm，为实现精度1mm，相机单方向分辨率应达到500pixel，选用30万像素相机(分辨率640
×
480)，即可完成滚刀磨损量1mm精度需求。对于刀盘磨损程度的高精度检测方法（实施例3），为提高检测精度，将摄像机近距离拍摄滚刀，放置于滚刀上方，把视场大小控制在20mm以内，为实现精度0.01mm，相机单方向分辨率应达到2000pixel，选用500万像素相机(分辨率2592
×
1944)，即可完成滚刀磨损量0.01mm精度需求。为进一步提高滚刀磨损量检测精度，可以根据实际需要更换更高精度的工业相机。
33.采用上述检测方法，对滚刀刀盘以及刀刃分别进行低精度和高精度的磨损检测测量，并进行编号保存。通过调取数据库，进行磨损量对比测量，分析滚刀磨损形式，分类管理，构建出该工程项目的滚刀信息数据库。可以直观统计滚刀相关情况，换刀次数，消耗量，损坏形式，及时更换滚刀，从而方便找到滚刀易损坏的薄弱点，为滚刀的制造加工使用提供参考。本发明可实现不同精度的检测，避免人工测量精度误差，形成二维图像对数据进行保存管理，高精度可视化，便于调取研究分析，对项目滚刀管理分系统及和厂家的维修改造提供帮助。因此本发明具备推广价值和意义。
34.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。