本发明涉及一种隧道模型试验中临时支撑的拆除装置及方法。
背景技术：
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
现阶段我国隧道施工中，大跨度隧道施工经常采用crd法、双侧壁导坑法等分部开挖的施工方法，将大断面隧道划分为多个较小的独立导洞分别开挖并进行支护，相邻导洞之间通常采用架设钢架结合喷射混凝土的形式进行临时支护，各导洞分别开挖支护完成后再破除断面上的所有临时支撑，最后施工仰拱、衬砌以完成隧道施工。
为了研究隧道临时支撑的拆除顺序、拆除时机、拆除长度、拆除部位等对隧道稳定性的影响，通常采用物理模型试验的手段来进行模拟研究，在模型试验常常采用钢材、木材等材料模拟实际施工中的钢架，采用石膏等相似材料模拟实际施工中的喷射混凝土，在物理缩尺模型中模拟隧道临时支撑的拆除时常存在以下问题：
1、常采用的模型试验的尺寸仅有实际工程的1/100到1/50，加之分部开挖法将隧道断面划分成多个小端面，施工空间狭小且形状不一，人工手动拆除临时支撑的难度较大，尤其隧道模型深部的临时支撑拆除难度更大，且不易观察临时支撑的拆除情况；
2、现阶段常采用的人工敲除临时支撑的方法，这种方法容易对与之相连的隧道衬砌及临时支撑造成破坏，影响模型试验的准确性及进度，且无法控制临时支撑的拆除尺寸、拆除部位；
3、现阶段常采用的人工敲除临时支撑的方法，临时支撑破除后在隧道模型洞室内部不易取出和清理。
4、模拟从洞室内向外拆除临时支撑时(先拆除洞室内部的临时支撑，再由内向外拆除其余临时支撑)，现阶段采用的方法难以实现。
技术实现要素：
本发明的目的是解决上述不足，提出了一种隧道模型试验中临时支撑的拆除装置及方法。本发明能够实现隧道模型试验中临时支撑的精准拆除，避免与拆除部位相连的隧道模型其它部位的损坏，保证模型中临时支撑拆除的精度与质量，可以实现隧道模型多角度洞室深处的临时支撑的拆除，可以实现临时支撑的分部拆除，并实现拆除施工模拟的实时监测，保证隧道模型试验的顺利进行。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
隧道模型试验中临时支撑的拆除装置，包括多自由度机械臂、固定执行端、切割执行端、机械臂plc控制系统、电动推杆plc控制器、供电系统；
所述的多自由度机械臂由旋转底盘、第一臂体、第二臂体、第一旋转轴关节、第二旋转轴关节、螺旋套筒连接组成；第一臂体的一端通过第一旋转轴关节与旋转底盘相连，第一臂体的另一端通过第二旋转关节与第二臂体一端相连，第二臂体的另一端与螺旋套筒相连；
所述的固定执行端包括第一径向径向电动推杆、第一轴向电动推杆和固定盘和针锥，所述的第一径向电动推杆沿着螺旋套筒的径向方向设置在径向电动推杆的上，所述的第一轴向电动推杆与径向电动推杆相连，第一径向电动推杆驱动第一轴向电动推杆，所述的固定盘安装在所述的轴向电动推杆端部；所述的固定盘上设置有若干针锥。
所述的切割执行端包括第二径向电动推杆、第二轴向电动推杆、滚刀，所述的第二径向电动推杆沿着螺旋套筒的径向方向设置，所述的第二轴向电动推杆与第二径向电动推杆相连，第二径向电动推杆驱动第二轴向电动推杆，所述的第二轴向电动推杆的端部通过连接轴连接一个滚刀。
所述的机械臂plc控制系统控制旋转底盘的旋转及机械臂的运行，所述的电动推杆plc控制器控制第一、第二径向电动推杆和第一、第二径向电动推杆的伸缩，所述的供电系统为多自由度机械臂、电动推杆的运行提供动力。
作为进一步的技术方案，所述的固定执行端的径向电动推杆尾节固定连接在末节臂体上，径向电动推杆的首节与轴向电动推杆的末节相连接，固定盘固定在轴向电动推杆的首节上。
作为进一步的技术方案，所述的切割执行端的径向电动推杆尾节固定连接在旋转套筒上，径向电动推杆的首节与轴向电动推杆的末节相连接。
作为进一步的技术方案，所述的滚刀通过球头关节轴承连接在轴向电动推杆的首节以满足不同方向的切割需要。
作为进一步的技术方案，所述的针锥呈梅花状分布，依据隧道模型中临时支撑的厚度和材料性质选择不同长度及粗细程度的针锥。
作为进一步的技术方案，所述的螺旋套筒上安装有照明装置和红外摄像装置来实时监测临时支撑的拆除情况。
作为进一步的技术方案，所述的隧道模型试验中临时支撑的拆除装置的方法包括：
步骤1：根据目标隧道模型洞室的角度利用机械臂plc控制系统控制旋转底盘的旋转及机械臂的运行，调整机械臂至合适的工作高度及角度；
步骤2：使用电动推杆plc控制器控制固定执行端的第一径向电动推杆伸长至方便固定执行端进入隧道模型洞室内部的合适长度，控制固定执行端的第一轴向电动推杆伸长，将固定盘送达待拆除临时支撑的位置，控制第一径向电动推杆收缩，使得固定盘上的针锥插入临时支撑中；固定盘上的针锥插入临时支撑，在滚刀将临时支撑四周切割后，将临时支撑成块的运出来
步骤3：使用电动推杆plc控制器控制切割执行端的第二径向电动推杆、第二轴向电动推杆的伸缩，将刀盘送达待拆除临时支撑的位置后，控制第二轴向电动推杆的伸缩，同时通过红外摄像装置实时观察临时支撑的切割完成度，完成对待拆除临时支撑的切割；
步骤4：使用电动推杆plc控制器控制第一、第二径向电动推杆、第一、第二轴向电动推杆的伸缩，将滚刀及固定盘收回，在隧道模型外完成对固定盘上临时支撑的清除；
步骤5：旋转螺旋套筒和旋转底盘，调整机械臂的工作位置后重复步骤1到步骤4，完成所有临时支撑的拆除施工。
本发明的有益效果是：
本发明能够满足隧道模型试验中模拟临时支撑拆除的需要，克服了模型试验中因为施工空间狭小的困难，并通过滚刀分块切割的拆除形式以保证临时支撑拆除模拟的精度与质量；
本发明通过多自由度机械臂、电动推杆可以实现洞室不同深度、不同角度、不同方向的临时支撑拆除的模拟，并且通过滚刀切割后将临时支撑整体运出洞室的形式，避免了常规采用的洞内破碎临时支撑的方法而导致的临时支撑难以清理的问题；
本发明通过控制多自由度机械臂、电动推杆的伸缩配合可以进行临时支撑的分部拆除，也可以实现先拆除模拟洞室内部的临时支撑，从而实现模拟从洞室内部向外部拆除临时支撑的顺序，且通过滚刀切割的方式有效避免了对模型其他部位的损坏，保证了模型试验的精准度、效率。
附图说明
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1是本发明的整体结构示意图；
附图2是本发明的使用示例1图；
附图3是本发明的使用示例2图；
为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。其中：旋转底盘1、臂体2、旋转轴关节3、螺旋套筒4、径向电动推杆5-1、径向电动推杆5-2、轴向电动推杆6-1、轴向电动推杆6-2、固定盘7、滚刀8、电动推杆plc控制器9、照明装置和红外摄像装置10、针锥11、竖向临时支撑12、径向临时支撑13。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1、图2、图3所示，所述的隧道模型试验中临时支撑的拆除装置及方法，包括多自由度机械臂、固定执行端、切割执行端、机械臂plc控制系统、电动推杆plc控制器9、供电系统，所述的多自由度机械臂由旋转底盘1、两节臂体2、两个旋转轴关节3、螺旋套筒4连接组成，
具体的由旋转底盘、第一臂体、第二臂体、第一旋转轴关节、第二旋转轴关节、螺旋套筒连接组成；第一臂体的一端通过第一旋转轴关节与旋转底盘相连，第一臂体的另一端通过第二旋转关节与第二臂体一端相连，第二臂体的另一端与螺旋套筒相连；当然不难理解的多自由度机械臂还可以采用别的现有结构的机械臂，主要是为了实现固定执行端、切割执行端的运动。
所述的固定执行端包括径向电动推杆5-1、轴向电动推杆6-1、固定盘7和针锥11，所述的径向电动推杆5-1沿着螺旋套筒的径向方向设置，所述的轴向电动推杆6-1与径向电动推杆5-1相连，径向电动推杆5-1驱动轴向电动推杆6-1，所述的固定盘7安装在所述的轴向电动推杆6-1端部；固定盘7水平设置，固定盘的中心位置固定在轴向电动推杆6-1端部，所述的固定盘上设置有若干针锥；使用电动推杆plc控制器9控制固定执行端的径向电动推杆5-1伸长至方便固定执行端进入隧道模型洞室内部的合适长度，控制固定执行端的轴向电动推杆6-1伸长，将固定盘7送达待拆除临时支撑的位置，控制径向电动推杆5-1收缩，使得固定盘7上的针锥11插入临时支撑中；
所述的切割执行端包括径向电动推杆5-2、轴向电动推杆6-2、滚刀，所述的径向电动推杆5-2沿着螺旋套筒的径向方向设置，轴向电动推杆6-2与径向电动推杆5-2相连，径向电动推杆5-2驱动轴向电动推杆6-2沿着螺旋套筒的径向方向运动，轴向电动推杆6-2的端部通过连接轴连接一个滚刀；滚刀的轴线方向与轴向电动推杆6-2的轴线方向垂直；且径向电动推杆5-2的轴线与径向电动推杆5-1的轴线垂直。使用电动推杆plc控制器9控制切割执行端的径向电动推杆5-2、轴向电动推杆6-2的伸缩，将滚刀8送达待拆除临时支撑的位置后，控制轴向电动推杆6-2的伸缩，同时通过红外摄像装置10实时观察临时支撑的切割完成度，完成对待拆除临时支撑的切割；所述的机械臂plc控制系统控制旋转底盘1的旋转及机械臂的运行，所述的电动推杆plc控制器9控制径向电动推杆5-1、径向电动推杆5-2和轴向电动推杆6-1、轴向电动推杆6-2的伸缩，所述的供电系统为多自由度机械臂、电动推杆的运行提供动力。
如图1、图2、图3所示，所述的固定执行端的径向电动推杆5-1尾节固定连接在末节臂体2上，径向电动推杆5-1的首节与轴向电动推杆6-1的末节相连接，固定盘7固定在轴向电动推杆6-1的首节上。
如图1、图2、图3所示，所述的切割执行端的径向电动推杆5-2尾节固定连接在旋转套筒4上，径向电动推杆5-2的首节与轴向电动推杆6-2的末节相连接。
如图1、图2、图3所示，所述的滚刀8通过球头关节轴承连接在轴向电动推杆6的首节以满足不同方向的切割需要。
如图1、图2、图3所示，所述的固定盘7上焊接有针锥11，针锥11呈梅花状分布，依据隧道模型中临时支撑的厚度和材料性质选择不同长度及粗细程度的针锥11。
如图1、图2、图3所示，所述的螺旋套筒4上安装有照明装置和红外摄像装置10来实时监测临时支撑的拆除情况。
如图1、图2、图3所示，所述的隧道模型试验中临时支撑的拆除装置的方法包括：
步骤1：根据目标隧道模型洞室的角度利用机械臂plc控制系统控制旋转底盘1的旋转及机械臂的运行，调整机械臂至合适的工作高度及角度；
步骤2：使用电动推杆plc控制器9控制固定执行端的径向电动推杆5-1伸长至方便固定执行端进入隧道模型洞室内部的合适长度，控制固定执行端的轴向电动推杆6-1伸长，将固定盘7送达待拆除临时支撑的位置，控制径向电动推杆5-1收缩，使得固定盘7上的针锥11插入临时支撑中；
步骤3：使用电动推杆plc控制器9控制切割执行端的径向电动推杆5-2、轴向电动推杆6-2的伸缩，将滚刀8送达待拆除临时支撑的位置后，控制轴向电动推杆6-2的伸缩，同时通过红外摄像装置10实时观察临时支撑的切割完成度，完成对待拆除临时支撑的切割；
步骤4：使用电动推杆plc控制器9控制径向电动推杆5-1、径向电动推杆5-2、轴向电动推杆6-2、轴向电动推杆6-/1的伸缩，将滚刀8及固定盘7收回，在隧道模型外完成对固定盘7上临时支撑的清除；
步骤5：旋转螺旋套筒4和旋转底盘1，调整机械臂的工作位置后重复步骤1到步骤4，完成所有临时支撑的拆除施工。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
技术特征：
1.隧道模型试验中临时支撑的拆除装置及方法，其特征在于，包括多自由度机械臂、固定执行端、切割执行端、机械臂plc控制系统、电动推杆plc控制器、供电系统，
所述的固定执行端、切割执行端均安装在所述的多自由度机械臂的末端；
所述的固定执行端包括第一径向电动推杆、第一轴向电动推杆和固定盘和针锥，所述的第一径向电动推杆沿着螺旋套筒的径向方向设置在径向电动推杆的上，所述的第一轴向电动推杆与径向电动推杆相连，第一径向电动推杆驱动第一轴向电动推杆，所述的固定盘安装在所述的轴向电动推杆端部；所述的固定盘上设置有若干针锥。
所述的切割执行端包括第二径向电动推杆、第二轴向电动推杆、滚刀，所述的第二径向电动推杆沿着螺旋套筒的径向方向设置，所述的第二轴向电动推杆与第二径向电动推杆相连，第二径向电动推杆驱动第二轴向电动推杆，所述的第二轴向电动推杆的端部通过连接轴连接一个滚刀。
所述的机械臂plc控制系统控制旋转底盘的旋转及机械臂的运行，所述的电动推杆plc控制器控制径向电动推杆和轴向电动推杆的伸缩，所述的供电系统为多自由度机械臂、电动推杆的运行提供动力。
2.如权利要求1所述的隧道模型试验中临时支撑的拆除装置及方法，其特征在于，所述的多自由度机械臂由旋转底盘、第一臂体、第二臂体、第一旋转轴关节、第二旋转轴关节、螺旋套筒连接组成；第一臂体的一端通过第一旋转轴关节与旋转底盘相连，第一臂体的另一端通过第二旋转关节与第二臂体一端相连，第二臂体的另一端与螺旋套筒相连。
3.如权利要求1所述的隧道模型试验中临时支撑的拆除装置及方法，其特征在于，径向径向第一径向电动推杆的轴线与第二径向电动推杆的轴线相互垂直。
4.如权利要求1所述的隧道模型试验中临时支撑的拆除装置及方法，其特征在于，所述的滚刀通过球头关节轴承连接在轴向电动推杆的首节以满足不同方向的切割需要。
5.如权利要求1所述的隧道模型试验中临时支撑的拆除装置及方法，其特征在于，所述的针锥呈梅花状分布，依据隧道模型中临时支撑的厚度和材料性质选择不同长度及粗细程度的针锥。
6.如权利要求1所述的隧道模型试验中临时支撑的拆除装置及方法，其特征在于，所述的螺旋套筒上安装有照明装置和红外摄像装置来实时监测临时支撑的拆除情况。
7.如权利要求1所述的隧道模型试验中临时支撑的拆除装置及方法，其特征在于，所述的隧道模型试验中临时支撑的拆除装置的方法包括：
步骤1：根据目标隧道模型洞室的角度利用机械臂plc控制系统控制旋转底盘的旋转及机械臂的运行，调整机械臂至合适的工作高度及角度；
步骤2：使用电动推杆plc控制器控制固定执行端的第一径向电动推杆伸长至方便固定执行端进入隧道模型洞室内部的合适长度，控制固定执行端的第一轴向电动推杆伸长，将固定盘送达待拆除临时支撑的位置，控制第一径向电动推杆收缩，使得固定盘上的针锥插入临时支撑中；
步骤3：使用电动推杆plc控制器控制切割执行端的第二径向电动推杆、第二轴向电动推杆的伸缩，将刀盘送达待拆除临时支撑的位置后，控制第二轴向电动推杆的伸缩，同时通过红外摄像装置实时观察临时支撑的切割完成度，完成对待拆除临时支撑的切割；
步骤4：使用电动推杆plc控制器控制第一、第二径向电动推杆、第一、第二轴向电动推杆的伸缩，将滚刀及固定盘收回，在隧道模型外完成对固定盘上临时支撑的清除；
步骤5：旋转螺旋套筒和旋转底盘，调整机械臂的工作位置后重复步骤1到步骤4，完成所有临时支撑的拆除施工。
技术总结
本发明公开了一种隧道模型试验中临时支撑的拆除装置及方法，包括多自由度机械臂、固定执行端、切割执行端、机械臂PLC控制系统、电动推杆PLC控制器、供电系统，所述的固定执行端包括径向电动推杆、轴向电动推杆、固定盘，所述的切割执行端包括径向电动推杆、轴向电动推杆、滚刀，所述的机械臂PLC控制系统控制旋转底盘的旋转及机械臂的运行，所述的电动推杆PLC控制器控制径向电动推杆和轴向电动推杆的伸缩，所述的供电系统为多自由度机械臂、电动推杆的运行提供动力，本发明能够满足隧道模型试验中模拟临时支撑拆除的需要，克服了模型试验中因为施工空间狭小的困难，可以保证临时支撑拆除模拟的精度与质量。
技术研发人员：薛翊国;公惠民;高海东;李刚;郭彦兵;罗兴虎;冀大禹;郑涛
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：.11.08
技术公布日：.02.21
