本发明涉及盾构管片生产技术领域，尤其是一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统及方法。
背景技术：
盾构管片作为混凝土预制构件，混凝土的成型质量直接影响着管片的质量。另外，管片的外弧面是成品管片的起吊面，为保证吸盘吸附牢固，外弧面要求平整、光滑。因此，管片生产过程中，在混凝土达到初凝时，需打开盖板进行光面作业，目的是对外弧面进行修饰，确保弧度，提高表面光洁度。
现有的精抹面方法是人工用抹子进行收面，由于人工操作，工人的操作力度和均匀度难以掌握，整个弧面不能做到均匀统一，且会留下灰匙印，管片的外观质量难以保证。同时由于抹子的长度较短，人工收面的效率较低，用工人数较多，一般一个模具收面需要3-4人。为了实现盾构管片的智能化生产，提高管片的生产效率，保证管片的整体质量，减少用工人数，需要提供一种能够对盾构管片外弧面进行快速收面的自动精抹面装置。
技术实现要素：
为了解决盾构管片外弧面自动收面的技术问题，减少盾构管片生产现场操作人员的工作，提高了收面效率，增强管片的平整度和光洁度，本发明提供了一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统及方法，具体的技术方案如下。
一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，包括主体桁架、x轴行走机构、y轴行走机构、z轴行走机构、末端抹光机构和控制器，x轴行走机构、y轴行走机构和z轴行走机构共同控制末端抹光机构在操作空间内运动，x轴行走机构、y轴行走机构、z轴行走机构配置在主体桁架上，末端抹光机构配置在z轴行走机构上，控制器分别与x轴行走机构、y轴行走机构、z轴行走机构、末端抹光机构相连；所述末端抹光机构沿管片模具的外表面进行抹光作业，末端抹光机构的操作空间在主体桁架之间，管片模具沿y轴方向放置；所述抹光机构包括第一旋转装置、第二旋转装置和刀具，第二旋转装置固定配置在z轴行走机构的下端，第一旋转装置和第二旋转装置相连，第一旋转装置和第二旋转装置的转动轴相互垂直，所述刀具包括旋转支架、铰链和抹刀，旋转支架和第一旋转装置相连，抹刀和铰链相连接，铰链调节抹刀的角度。
优选的是，x轴行走机构包括齿轮齿条运动单元和拖链走线单元，齿轮齿条运动单元包括伺服驱动机构齿轮齿条机构和直线导轨，在主体桁架的上部沿x轴方向平行的顶梁上均配置有齿轮齿条机构和直线导轨，伺服驱动机构控制齿轮的转动；拖链走线单元包括直线导轨和走线拖链，拖链走线单元固定在横梁的两端，与齿轮齿条运动单元相互平行。
优选的是，y轴行走机构包括第一行走小车和第二行走小车，第一行走小车和第二行走小车之间固定配置有横梁，第一行走小车和第二行走小车平行并且同步运动；还包括运动单元，运动单元具有伺服驱动机构、齿轮齿条机构和直线导轨，齿轮齿条机构和直线导轨平行配置在横梁的上方，伺服驱动机构驱动行走小车沿y轴方向运动。
优选的是，z轴行走机构包括伺服驱动机构、齿轮齿条机构、支撑架、直线导轨和走线拖链，支撑架和y轴行走机构固定连接，支撑架的一个侧面配置有齿条，支撑架的下端和末端抹光机构固定连接，伺服驱动机构和齿轮相连，带动支撑架沿y轴升降运动，支撑架上还配置有直线导轨和走线拖链。
还优选的是，第一旋转装置包括变频电机和减速机，变频电机和减速机相连；所述第二旋转装置的转动范围为180°。
进一步优选的是，刀具还包括阻尼器，阻尼器控制抹刀压在混凝土表面；所述抹刀上具有工作面，工作面的四角上翘并具有平滑的圆弧；阻尼器和所述抹刀固定连接。
进一步优选的是，控制器包括plc控制单元、显示单元和紧急处理单元，plc控制单元具有6轴控制系统，plc控制单元分别对x轴行走机构的2个齿轮齿条运动单元，y轴行走机构的齿轮齿条运动单元，z轴行走机构的伺服驱动机构，以及末端抹光机构的第一旋转装置、第二旋转装置进行控制；紧急处理单元包括安全急停装置和暂停按钮，显示单元包括人机交互操作触摸屏，用于反馈运行信息、故障信息，并输入操控指令。
进一步优选的是，x轴行走机构、y轴行走机构和z轴行走机构均配置有限位传感器和限位块。
进一步优选的是，z轴行走机构和末端抹光机构分别设置有多个，各个z轴行走机构平行布置在y轴行走机构上，每个z轴行走机构下端均固定配置有末端抹光机构，多个末端抹光机构分别对多个管片模具进行抹光操作。
一种用于盾构管片生产的自动精抹面方法，利用上述的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，步骤包括：
s1.末端抹光机构移动至起始位置；
s2.末端抹光机构移动作业；
s3.y轴行走机构、z轴行走机构和第二旋转装置进行插补运行控制，抹光机构的抹刀角度和管片的曲面吻合，末端抹光机构继续移动；
s4.z轴行走机构控制末端抹光机构上升，第一转转装置转动180°；
s5.末端抹光机构持续移动作业；
s6.y轴行走机构、z轴行走机构和第二旋转装置进行插补运行控制，抹光机构的抹刀角度和管片的曲面吻合，末端抹光机构继续移动；
s7.z轴行走机构控制末端抹光机构上升，第一转转装置转动0°；
s8.重复步骤s2-s7，完成管片模具的抹光操作后，末端抹光机构返回清洗工位。
本发明提供的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统及方法有益效果是：该系统通过x轴行走机构、y轴行走机构、z轴行走机构和末端抹光机构的协同配合，实现了盾构管片的外弧面混凝土自动抹光，从而可以进行盾构管片的自动化收面作业，减少了盾构管片生产的现场操作工作量，提供了收面效率，保证了混凝土表面的平整度和光洁度。另外该系统还可以适用于不同的工况、不同模具、不同类型、不同规格尺寸的管片模具精摸面作业。
附图说明
为了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，下面描述中的附图是本发明的一些实施事例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是盾构管片生产的自动精抹面系统示意图；
图2是x轴行走机构和y轴行走机构布置示意图；
图3是盾构管片生产的自动精抹面系统侧视图；
图4是末端抹光机构的结构示意图；
图5是末端抹光机构的侧视图；
图6是用于盾构管片生产的自动精抹面方法工作线路图；
图中：1-主体桁架，2-x轴行走机构，3-y轴行走机构，4-z轴行走机构，5-末端抹光机构，6-模具，7-第一旋转装置，8-第二旋转装置，9-刀具，10-旋转支架，11-铰链，12-抹刀，13-阻尼器。
具体实施方式
结合图1至图6所示，对本发明提供的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统及方法的具体实施方式进行说明。
一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，包括主体桁架1、x轴行走机构2、y轴行走机构3、z轴行走机构4、末端抹光机构5和控制器，x轴行走机构、y轴行走机构和z轴行走机构共同控制末端抹光机构在操作空间内运动，x轴行走机构2、y轴行走机构3、z轴行走机构4配置在主体桁架上，末端抹光机构5配置在z轴行走机构上，控制器分别与x轴行走机构2、y轴行走机构3、z轴行走机构4、末端抹光机构5相连。该系统通过x轴行走机构、y轴行走机构、z轴行走机构和末端抹光机构的协同配合，实现了盾构管片的外弧面混凝土自动抹光，从而可以进行盾构管片的自动化收面作业，减少了盾构管片生产的现场操作工作量，提供了收面效率，保证了混凝土表面的平整度和光洁度。
其中主体桁架1根据实际管片模具6的尺寸进行设置，管片模具固定在桁架支撑的空间内，桁架在x轴、y轴和z轴方向均具有稳定的支撑，主要是使用立柱和桁架等框架式结构，还可以在地面上通过混凝土基座来固定主体桁架，主体桁架的上平面保持水平。沿x轴方向水平运动，运动轨迹与管片模具宽度方向平行，当末端抹光机构完成整个外弧面的抹光作业后，沿x轴移出作业位置，进行末端刀具的清洗工作；清洗完成后，抹光机构复位，开始下一个循环的作业。
末端抹光机构5沿管片模具的外表面进行抹光作业，末端抹光机构的操作空间在主体桁架之间，管片模具6沿y轴方向放置。抹光机构包括第一旋转装置7、第二旋转装置8和刀具9，第二旋转装置8固定配置在z轴行走机构的下端，第一旋转装置和第二旋转装置相连，第一旋转装置和第二旋转装置的转动轴相互垂直。刀具包括旋转支架10、铰链11和抹刀12，旋转支架和第一旋转装置相连，抹刀和铰链相连接，铰链调节抹刀的角度。
x轴行走机构包括齿轮齿条运动单元和拖链走线单元，齿轮齿条运动单元包括伺服驱动机构齿轮齿条机构和直线导轨，在主体桁架的上部沿x轴方向平行的顶梁上均配置有齿轮齿条机构和直线导轨，伺服驱动机构控制齿轮的转动；拖链走线单元包括直线导轨和走线拖链，拖链走线单元固定在横梁的两端，与齿轮齿条运动单元相互平行。x轴行走机构是由两套运动控制单元，控制横梁的两端同步、同向运动。伺服驱动机构中的伺服电机连接减速机，减速机输出端连接齿轮，齿轮和齿条啮合传动，带动横梁沿齿条方向(x轴方向)往复运动。x轴行走机构有两组拖链走线单元，分别固定在齿轮齿条模组的一侧，工作时方向与x轴保持一致；x轴运动行程末端设置限位块和限位传感器。
y轴行走机构3包括第一行走小车和第二行走小车，第一行走小车和第二行走小车之间固定配置有横梁，第一行走小车和第二行走小车平行布置并且同步运动；还包括运动单元，运动单元具有伺服驱动机构、齿轮齿条机构和直线导轨，齿轮齿条机构和直线导轨平行配置在横梁的上方，伺服驱动机构驱动行走小车沿y轴方向运动。y轴是水平运动轴，y轴与x轴垂直，是管片生产的流转方向，运动轨迹与模具的长度方向平行，是抹光机构沿圆弧轨迹进行抹光作业的运动方向。y轴行走机构的伺服驱动机构连接减速机，减速机输出端连接齿轮，齿轮和齿条啮合传动，带动末端抹光机构沿齿条方向(y轴方向)往复运动。一组拖链走线单元包括一列直线导轨和一条走线拖链，固定在横梁上，工作时沿y轴运动；y轴运动行程末端设置限位块和限位传感器。
z轴行走机构4包括伺服驱动机构、齿轮齿条机构、支撑架、直线导轨和走线拖链，支撑架和y轴行走机构固定连接，支撑架的一个侧面配置有齿条，支撑架的下端和末端抹光机构固定连接，伺服驱动机构和齿轮相连，带动支撑架沿y轴升降运动，支撑架上还配置有直线导轨和走线拖链。伺服驱动机构连接减速机，减速机输出端连接齿轮，齿轮和齿条啮合传动，带动末端抹光机构沿齿条方向(z轴方向)往复运动。同时通过对y轴伺服电机与z轴伺服电机的插补运算来实现轨迹曲线运动，抹光机构沿管片模具外圆弧面，完成精抹作业。
末端抹光机构5的第一旋转装置包括变频电机和减速机，变频电机和减速机相连；第二旋转装置的转动范围为180°。刀具还包括阻尼器13，阻尼器13控制抹刀压在混凝土表面；抹刀上具有工作面，工作面的四角上翘并具有平滑的圆弧；阻尼器13和抹刀12固定连接。当末端抹光机构运行到任意一个工作段末端，第一旋转装置7中的变频电机开始工作，减速机输出端带动刀具转动180度，开始下一个工作段的抹光作业。当全部抹光作业完成后，抹光机构沿x轴复位到原点位置，等待执行下一个循环动作。刀具9包括刀具旋转支架、铰链、阻尼器和抹刀，刀具固定架固定在第一旋转装置中的减速机输出轴上，通过铰链和抹刀相连接，工作时抹刀处于悬浮状态，铰链端可以根据工作情况自由调节角度，抹刀另一端和混凝土工作面接触，通过阻尼器压在混凝土表面。抹刀为特殊材质制作，工作时随第二旋转轴进行旋转，以切合曲面角度的变化。通过阻尼器调节压力，可根据阻尼器的规格适当选择阻尼器配置的数量。抹刀工作面为平面，四角均为向上翘起状，弯折处为平滑的圆弧；阻尼器固定在抹刀的上平面，免受混凝土的污染。
控制器包括plc控制单元、显示单元和紧急处理单元，plc控制单元具有6轴控制系统，plc控制单元分别对x轴行走机构的2个齿轮齿条运动单元，y轴行走机构的齿轮齿条运动单元，z轴行走机构的伺服驱动机构，以及末端抹光机构的第一旋转装置、第二旋转装置进行控制。紧急处理单元包括安全急停装置和暂停按钮，显示单元包括人机交互操作触摸屏，用于反馈运行信息、故障信息，并输入操控指令。控制器内设有多套运行程序，运行程序是根据管片图纸预先编程导入的，以适应不同模具的抹面需求，可自动转换，也可手动切换；控制器设有暂停按钮和安全急停装置，按下时设备暂停运行，重新启动后继续按照暂停前的步序运行。控制器设有防人员进入安全装置，运行末端设有极限限位装置，各轴设有超力矩防护装置。控制器采用人机界面操作模式，运行信息、故障信息、程序选择都可通过触摸屏进行显示、查询及操控。另外控制器还根据不同规格尺寸的管片，进行相应的模具曲面轨迹运动调整。x轴行走机构、y轴行走机构和z轴行走机构均配置有限位传感器和限位块。
另外该系统还可以适用于不同的工况、不同模具、不同类型、不同规格尺寸的管片模具精摸面作业。
本实施例的另一变形例中，该系统还可以配置多个z轴行走机构和末端抹光机构，各个z轴行走机构平行布置在y轴行走机构上，每个z轴行走机构下端均固定配置有末端抹光机构，多个末端抹光机构分别对多个管片模具进行抹光操作。
一种用于盾构管片生产的自动精抹面方法，利用上述的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，步骤包括：
s1.末端抹光机构移动至起始位置；
s2.末端抹光机构移动作业；
s3.y轴行走机构、z轴行走机构和第二旋转装置进行插补运行控制，抹光机构的抹刀角度和管片的曲面吻合，末端抹光机构继续移动；
s4.z轴行走机构控制末端抹光机构上升，第一转转装置转动180°；
s5.末端抹光机构持续移动作业；
s6.y轴行走机构、z轴行走机构和第二旋转装置进行插补运行控制，抹光机构的抹刀角度和管片的曲面吻合，末端抹光机构继续移动；
s7.z轴行走机构控制末端抹光机构上升，第一转转装置转动0°；
s8.重复步骤s2-s7，完成管片模具的抹光操作后，末端抹光机构返回清洗工位。
结合图6对本发明提供的一种用于盾构管片生产的自动精抹面方法的具体操作步骤进行详细的说明，具体步骤如下。
布料完成后，模具到达精抹工序位置，模具定位装置自动将模具定位，自动精抹面系统启动，工作开始：
(1)摸光机构运行到到起始位置a(a为x轴中点与y中点交接位置及z轴零点位置)；
(2)抹光机构从a点移动到作业b点；
(3)y轴、z轴、b轴进行插补，抹光机构移动到c点，抹刀角度与管片曲面相吻合；
(4)y轴、z轴、b轴进行插补，抹光机构从c点移动到d点；
(5)z轴上升到e点，抹刀离开管片曲面，a轴旋转到180°
(6)x轴运行从e点运行到f点；
(7)z轴下降与y轴、b轴插补运行抹光机构从f移动到g点；
(8)y轴、z轴、b轴进行插补，抹光机构由g点移动到h点；
(9)z轴上升到i点抹刀离开管片曲面，a轴旋转0°；
(10)x轴运行从i点运行到j点；
(11)z轴下降与y轴、b轴插补运行抹光机构从j移动到k点；
(12)y轴、z轴、b轴进行插补，抹光机构由k点移动到l点；
(13)z轴上升到m点，抹刀离开管片曲面，a轴旋转到180°
(14)x轴运行从m点运行到n点；
(15)z轴下降与y轴、b轴插补运行抹光机构从n移动到o点；
(16)y轴、z轴、b轴进行插补，抹光机构由o点移动到p点；
(17)z轴上升到q点，抹刀离开管片曲面，a轴旋转到0°
(18)x轴运行从q点运行到r点；
(19)z轴下降与y轴、b轴插补运行抹光机构从r移动到s点；
(20)y轴、z轴、b轴进行插补，抹光机构由s点移动到t点；
(21)z轴上升，x轴、y轴、b轴插补运行到a点；
(22)x轴运行，抹刀离开管片曲面，抹光机构从a点回到清洗工位。
该系统的操作包括上述的步骤，但不仅限于所描述的动作流程，还可以根据该系统做出多种相应的改变。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“x”、“y”、“z”、“a”、“b”、“上”“下”“左”“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
1.一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，其特征在于，包括主体桁架、x轴行走机构、y轴行走机构、z轴行走机构、末端抹光机构和控制器，x轴行走机构、y轴行走机构和z轴行走机构共同控制末端抹光机构在操作空间内运动，x轴行走机构、y轴行走机构、z轴行走机构配置在主体桁架上，末端抹光机构配置在z轴行走机构上，控制器分别与x轴行走机构、y轴行走机构、z轴行走机构、末端抹光机构相连；
所述末端抹光机构沿管片模具的外表面进行抹光作业，末端抹光机构的操作空间在主体桁架之间，管片模具沿y轴方向放置；所述抹光机构包括第一旋转装置、第二旋转装置和刀具，第二旋转装置固定配置在z轴行走机构的下端，第一旋转装置和第二旋转装置相连，第一旋转装置和第二旋转装置的转动轴相互垂直，所述刀具包括旋转支架、铰链和抹刀，旋转支架和第一旋转装置相连，抹刀和铰链相连接，铰链调节抹刀的角度。
2.根据权利要求1所述的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，其特征在于，所述x轴行走机构包括齿轮齿条运动单元和拖链走线单元，齿轮齿条运动单元包括伺服驱动机构齿轮齿条机构和直线导轨，在主体桁架的上部沿x轴方向平行的顶梁上均配置有齿轮齿条机构和直线导轨，伺服驱动机构控制齿轮的转动；拖链走线单元包括直线导轨和走线拖链，拖链走线单元固定在横梁的两端，与齿轮齿条运动单元相互平行。
3.根据权利要求1所述的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，其特征在于，所述y轴行走机构包括第一行走小车和第二行走小车，第一行走小车和第二行走小车之间固定配置有横梁，第一行走小车和第二行走小车平行布置并且同步运动；还包括运动单元，运动单元具有伺服驱动机构、齿轮齿条机构和直线导轨，齿轮齿条机构和直线导轨平行配置在横梁的上方，伺服驱动机构驱动行走小车沿y轴方向运动。
4.根据权利要求1所述的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，其特征在于，所述z轴行走机构包括伺服驱动机构、齿轮齿条机构、支撑架、直线导轨和走线拖链，支撑架和y轴行走机构固定连接，支撑架的一个侧面配置有齿条，支撑架的下端和末端抹光机构固定连接，伺服驱动机构和齿轮相连，带动支撑架沿y轴升降运动，支撑架上还配置有直线导轨和走线拖链。
5.根据权利要求1所述的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，其特征在于，所述第一旋转装置包括变频电机和减速机，变频电机和减速机相连；所述第二旋转装置的转动范围为180°。
6.根据权利要求1或5所述的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，其特征在于，所述刀具还包括阻尼器，阻尼器控制抹刀压在混凝土表面；所述抹刀上具有工作面，工作面的四角上翘并具有平滑的圆弧；阻尼器和所述抹刀固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，其特征在于，所述控制器包括plc控制单元、显示单元和紧急处理单元，plc控制单元具有6轴控制系统，plc控制单元分别对x轴行走机构的2个齿轮齿条运动单元，y轴行走机构的齿轮齿条运动单元，z轴行走机构的伺服驱动机构，以及末端抹光机构的第一旋转装置、第二旋转装置进行控制；紧急处理单元包括安全急停装置和暂停按钮，显示单元包括人机交互操作触摸屏，用于反馈运行信息、故障信息，并输入操控指令。
8.根据权利要求6所述的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，其特征在于，所述x轴行走机构、y轴行走机构和z轴行走机构均配置有限位传感器和限位块。
9.根据权利要求1至5任一项所述的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，其特征在于，所述z轴行走机构和末端抹光机构均配置有多个，各个z轴行走机构平行布置在y轴行走机构上，每个z轴行走机构下端均固定配置有末端抹光机构，多个末端抹光机构分别对多个管片模具进行抹光操作。
10.一种用于盾构管片生产的自动精抹面方法，其特征在于，利用权利要求1至9任一项所述的一种用于盾构管片生产的自动精抹面系统，步骤包括：
s1.末端抹光机构移动至起始位置；
s2.末端抹光机构移动作业；
s3.y轴行走机构、z轴行走机构和第二旋转装置进行插补运行控制，抹光机构的抹刀角度和管片的曲面吻合，末端抹光机构继续移动；
s4.z轴行走机构控制末端抹光机构上升，第一转转装置转动180°；
s5.末端抹光机构持续移动作业；
s6.y轴行走机构、z轴行走机构和第二旋转装置进行插补运行控制，抹光机构的抹刀角度和管片的曲面吻合，末端抹光机构继续移动；
s7.z轴行走机构控制末端抹光机构上升，第一转转装置转动0°；
s8.重复步骤s2-s7，完成管片模具的抹光操作后，末端抹光机构返回清洗工位。
技术总结