CN103334468A - 基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统，包括四轴全电驱土工离心机器人、挖斗和连接装置，四轴全电驱土工离心机器人包括垂直方向的θ轴驱动电机；挖斗包括挖斗壳体、斗瓣、斗瓣拉杆和挖斗垂直拉杆，两根斗瓣拉杆的一端分别与两个斗瓣的内侧旋转连接，两根斗瓣拉杆的另一端分别与挖斗垂直拉杆的下端旋转连接；连接装置安装于θ轴驱动电机和挖斗之间，连接装置上端的旋转运动输入端与θ轴驱动电机下端的转轴连接，连接装置下端的直线运动输出端与挖斗垂直拉杆的上端连接。本发明所述基坑开挖系统利用离心机器人的四轴驱动，能在100g离心场下完成土模型及砂模型的连续开挖，开挖能力强、速度快、效率高。

Description

基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统

技术领域

本发明涉及一种离心场条件下的基坑开挖系统，尤其涉及一种基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统。

背景技术

在岩土工程领域，离心模型试验是解决岩土工程问题和进行科学研究的有力手段。离心模型试验是根据相似理论实施的，它通过离心机高速旋转所产生的惯性离心力场来模拟自重应力场，将相对于原型缩小了n倍的模型在n倍重力加速度的空间中进行试验，则作用在模型上的体积力增加n倍。这样在原型与模型材料及边界应力相同的前提下，离心模型与原型各相应点不但应力状态完全相同，其应变也相同，变形相似，破坏机理相同，能再现原型特性。这样，便可通过对离心机上运转中模型性状的量测来预测原型的性状变化规律。

随着建筑物向高、大、重等方向发展，以及城市地区地铁车站、码头等市政工程的持续建设，使得需进行深基坑开挖的工程不断涌现。由于受周边环境和工程地质、水文条件的影响，在基坑施工过程中常常会遇到各种各样的复杂问题。为确保基坑及周围建筑物的安全，基坑开挖前需了解施工现场不同的施工参数及加固方式对软土基坑开挖周边土体沉降的影响，以便选用安全合理的施工方案。由于土体的非弹线性特性，这些信息无法通过理论计算获得，而利用土工离心试验模拟基坑开挖，根据相似理论可很好解决此类工程问题。

在高离心场下实现基坑开挖比较困难，主要是缺少既能满足离心试验设备结构限制又能适应高离心场的合理基坑开挖系统。目前，土工离心试验模拟基坑开挖主要采用以下几种方法：①在重力场下将土体挖掉，然后用增大离心加速度来研究应力提高的情况下土体或挡土结构的反应（见《土木工程学报》2009，42（12）：154-161页，徐前卫、马险峰、朱合华等撰写的科技论文——软土地基超深基坑开挖的离心模型试验研究）；②将与土体密度相当的代土液体预先装入需要开抗的空间，试验时利用阀控制液体排放而实现基坑开挖的模拟（见《地下空间与工程学报》2010.12(6)：1142-1145页，冉光斌、宁张伟、洪建忠等撰写的科技论文——具有多道支撑的深基坑开挖离心模拟试验方法）；③采用高精密特种机械设备在离心机高速运转的情况下实现自动开挖（见《Geotechnique》1998，48(6)：833-846页，Richards D J、Powrie W撰写的科技论文——Centrifuge model tests on doubly propped embedded retaining walls inverconsolidated kaolin clay）。

上述方法①中，采用“开机-停机开挖-再开机试验”模式，土体的应力路径与实际情况不符，得到的试验结果与实际情况相差较大，失去工程指导意义；上述方法②中，采用排放代土液体进行基坑开挖模拟的方法，要使代土液体在离心场下产生的压力与土体侧向压力相等，就必须合理调配代土液体，而且还需设计专用的试验装置，操作难度很大；上述方法③中，采用特种开挖设备虽可实现深基坑开挖，但开挖设备结构复杂且昂贵，通用性差，不能被大多数实验者采用。另外，上述方法①和②中，由于真实模拟深基坑开挖过程的土工离心试验难度很大，而实现其操作的土工离心机器人发展较晚，高效多功能土工离心机器人近年来才有问世，与机器人配套的高效基坑开挖系统在国内还是空白，为此大多数试验者采用近似试验方法，所以得到的试验结果与实际情况相差较大。

另外，经搜索专利文献资料，未见公开的关于离心场环境下的基坑开挖系统的文献，更未见相关产品在实际应用中使用。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统，包括四轴全电驱土工离心机器人、挖斗和连接装置，所述四轴全电驱土工离心机器人包括水平方向的X轴驱动系统、水平方向的Y轴驱动系统、垂直方向的Z轴驱动系统和垂直方向的θ轴驱动电机，所述θ轴驱动电机与所述Z轴驱动系统的Z轴移动块连接；所述挖斗包括挖斗壳体、斗瓣、斗瓣拉杆和挖斗垂直拉杆，所述斗瓣为两个并分别旋转安装于所述挖斗壳体下部的对称两侧，所述斗瓣拉杆为两根，两根所述斗瓣拉杆的一端分别与两个所述斗瓣的内侧旋转连接，两根所述斗瓣拉杆的另一端分别与所述挖斗垂直拉杆的下端旋转连接；所述连接装置安装于所述θ轴驱动电机和所述挖斗之间，所述连接装置上端的旋转运动输入端与所述θ轴驱动电机下端的转轴连接，所述连接装置下端的直线运动输出端与所述挖斗垂直拉杆的上端连接。

上述结构中，四轴全电驱土工离心机器人是本申请人于本专利申请的申请日之前研究并申报专利的技术，具体结构不在此赘述；挖斗下端的挖土装置是现有产品常用结构，写在这里只是表明用的是这一种斗瓣结构的挖斗。

使用中，四轴全电驱土工离心机器人通过连接装置带动挖斗运动，完成挖土过程。其中，四轴全电驱土工离心机器人的X轴驱动系统、Y轴驱动系统和Z轴驱动系统分别带动挖斗作X向、Y向、Z向三个相互垂直方向的运动，θ轴驱动电机的转轴带动连接装置的旋转运动输入端旋转，经过连接装置的转换，将旋转运动转化为直线运动，由连接装置下端的直线运动输出端带动挖斗垂直拉杆的上端作上下移动，从而通过斗瓣拉杆带动斗瓣作开、合运动，完成挖土和卸土的过程。

作为优选，所述连接装置包括上法兰盘、圆锥滚子轴承、推力球轴承、轴承座、下法兰盘、螺杆、螺母和连接垂直拉杆，所述上法兰盘的上端与所述θ轴驱动电机下端的转轴连接，所述上法兰盘的下端与所述下法兰盘的上端连接，所述下法兰盘的下端与所述螺杆的上端连接，所述螺杆的下端与所述螺母的上端连接，所述螺母的下端与所述连接垂直拉杆的上端连接，所述连接垂直拉杆的下端与所述挖斗垂直拉杆的上端连接；所述Z轴移动块的连接端套装于所述上法兰盘的外面，所述圆锥滚子轴承安装于所述上法兰盘的外壁与所述Z轴移动块的连接端的内壁之间，所述轴承座套装于所述Z轴移动块的连接端的下部外面和所述下法兰盘的外面，所述推力球轴承安装于由所述下法兰盘的上表面，所述Z轴移动块的连接端的下部外壁和所述轴承座的内壁共同形成的空间内，所述轴承座的下端与所述挖斗壳体的上端连接。

上述结构中，圆锥滚子轴承和推力球轴承是两个关键安装部件，它们使轴承座在固定的情况下不影响上法兰盘和下法兰盘的自由旋转，从而实现连接装置固定安装挖斗壳体并带动螺杆自由旋转；螺母、螺杆和连接垂直拉杆是关键的传动部件，通过螺母和螺杆的连接结构将旋转运动转化为直线运动，从而达到通过θ轴驱动电机带动斗瓣运动实现挖土和卸土的目的。

作为优选，所述连接垂直拉杆的上端为两个连接头，两个所述连接头分别通过两个销轴与所述螺母下端两侧的两个连杆连接；所述连接垂直拉杆的下端为一个连接头并通过一个销轴与所述挖斗垂直拉杆的上端连接。

本发明的有益效果在于：

本发明所述基坑开挖系统利用四轴全电驱土工离心机器人的四轴驱动实现挖斗在各方位的运动，通过连接装置实现将旋转运动转化为上下直线运动完成挖斗功能，能在100g离心场下完成土模型及砂模型的连续开挖，速度快、效率高，单次可实现80mm×72mm×65mm的土立方开挖；通过选用小螺距的螺杆和螺母，将θ轴驱动电机较小的扭矩转换成较大的上下推力，从而实现较强的开挖能力；另外，斗瓣结构的挖斗，其壳体下端为锥形结构，不仅较容易插入土模型，不会造成下层土模型的性状改变，而且这样的结构可减小斗瓣开合角度，从而缩短开挖时间。

附图说明

图1是本发明所述基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统的立体图；

图2是本发明所述Z轴驱动系统、Z轴移动块、θ轴驱动电机、连接装置和挖斗相互连接的立体图；

图3是本发明所述Z轴驱动系统、Z轴移动块、θ轴驱动电机、连接装置和挖斗相互连接的剖视图；

图4是本发明所述连接装置和挖斗相互连接的剖视图；

图5是本发明所述轴承座的立体图；

图6是本发明所述上法兰盘的立体图；

图7是本发明所述下法兰盘的立体图；

图8是本发明所述挖斗壳体的立体图；

图9是本发明所述螺杆的立体图；

图10是本发明所述螺母的立体图；

图11是本发明所述连接垂直拉杆的立体图；

图12是本发明所述挖斗垂直拉杆的立体图；

图13是本发明所述斗瓣拉杆的立体图；

图14是本发明所述斗瓣的立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体描述：

如图1所示，本发明所述基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统，包括四轴全电驱土工离心机器人1、挖斗21和连接装置22，四轴全电驱土工离心机器人1包括水平方向的X轴驱动系统19、水平方向的Y轴驱动系统2、垂直方向的Z轴驱动系统3和垂直方向的θ轴驱动电机5，θ轴驱动电机5与Z轴驱动系统的Z轴移动块4连接。四轴全电驱土工离心机器人1的X轴驱动系统19置于机器人底座上，X轴驱动系统19通过驱动X向丝杆18旋转，从而带动挖斗21在X轴方向运动；Y轴驱动系统2置于X向丝杆18上，Y轴驱动系统2通过驱动Y向丝杆20旋转，从而带动挖斗21在Y轴方向运动；Z轴驱动系统3的一侧置于Y向丝杆20上，Z轴驱动系统3通过皮带传动驱动Z向丝杆24旋转，从而带动挖斗21在Z轴方向运动；θ轴驱动电机5旋转，带动挖斗21完成挖土和卸土作业。四轴全电驱土工离心机器人1是本申请人于本专利申请的申请日之前研究并申报专利的技术，具体结构不在此赘述。

如图2、图3和图4所示，挖斗21包括挖斗壳体8、斗瓣13、斗瓣拉杆12和挖斗垂直拉杆11，斗瓣13为两个并分别旋转安装于挖斗壳体8下部的对称两侧，斗瓣拉杆12为两根，两根斗瓣拉杆12的一端分别与两个斗瓣13的内侧旋转连接，两根斗瓣拉杆12的另一端分别与挖斗垂直拉杆11的下端旋转连接；连接装置22（标记见图1）安装于θ轴驱动电机5和挖斗21之间，连接装置22包括上法兰盘14、圆锥滚子轴承15、推力球轴承16、轴承座6、下法兰盘17、螺杆7、螺母9和连接垂直拉杆10，上法兰盘14的上端与θ轴驱动电机5下端的转轴连接，上法兰盘14的下端与下法兰盘17的上端连接，下法兰盘17的下端与螺杆7的上端连接，螺杆7的下端与螺母9的上端连接，螺母9的下端与连接垂直拉杆10的上端连接，连接垂直拉杆10的下端与挖斗垂直拉杆11的上端连接；Z轴移动块4的连接端套装于上法兰盘14的外面，圆锥滚子轴承15安装于上法兰盘14的外壁与Z轴移动块4的连接端的内壁之间，轴承座6套装于Z轴移动块4的连接端的下部外面和下法兰盘17的外面，推力球轴承16安装于由下法兰盘17的上表面、Z轴移动块4的连接端的下部外壁和轴承座6的内壁共同形成的空间内，轴承座6的下端与挖斗壳体8的上端连接。挖斗21下端的挖土装置是现有产品常用结构，这里只是表明用的是这一种斗瓣结构的挖斗；连接垂直拉杆10的上端为两个连接头，两个连接头分别通过两个销轴与螺母9下端两侧的两个连杆连接；连接垂直拉杆10的下端为一个连接头并通过一个销轴与挖斗垂直拉杆11的上端连接。

关于连接装置22的结构，上述结构仅为优选结构，实际应用中可以有多种其它的常规选择，如圆锥滚子轴承15和推力球轴承16可以采用其它轴承，只要能够实现中心部件自由旋转、外围部件固定不动的目的即可；上法兰盘和下法兰盘也可以采用其它部件代替，只要实现θ轴驱动电机5的旋转动力传输到螺杆7即可；连接垂直拉杆10也可以采用上下两端均为一个连接头的结构，只需将螺母9适当加长并在其下端焊接一个连接头即可。在上述结构基础上，连接装置22的结构还可以有其它变化。

如图1、图2和图3所示，工作时，θ轴驱动电机5带动螺杆7旋转，而轴承座6和挖斗壳体8相对于Z轴移动块4固定不动，则螺母9就能带动连接垂直拉杆10上下移动，从而通过挖斗垂直拉杆11和斗瓣拉杆12传动实现斗瓣13的开合，完成挖土和卸土过程。在进行深基坑开挖土离心模拟试验时，四轴全电驱土工离心机器人1根据给定程序，通过X轴驱动系统19、Y轴驱动系统2和Z轴驱动系统3对挖斗21进行X、Y、Z三维空间的定位，使挖斗21位于模型开挖面的上方，然后驱动θ轴驱动电机5旋转，使螺母9向下移动，打开斗瓣13，然后驱动Z轴驱动系统3，使挖斗21进入土模型设定深度，再驱动θ轴驱动电机5反转，螺杆7的旋转带动螺母9及其连接一起的挖斗垂直拉杆11和斗瓣拉杆12向上移动，关闭斗瓣13，接着驱动Z轴驱动系统3带动挖斗21向上移动，从而完成一次土模型开挖。通过驱动X轴驱动系统19和Y轴驱动系统2运动，实现控制挖斗21在X轴方向和Y轴方向运动的目的，把挖出的土模型运送到储土箱（图中未示出）上方，打开斗瓣13，土模型在离心力作用下，自动卸入储土箱，再进行下一次循环开挖。

为了对上述各部件进行更加直观的了解，附图中还分别列出了各部件的独立立体图，具体说明如下：

如图5所示，轴承座6的外圈法兰用于与挖斗壳体8连接。

如图6所示，上法兰盘14的内壁上设有用于与θ轴驱动电机5的转轴连接的键槽。

如图7所示，下法兰盘17上设有多个用于连接的螺孔。

如图8所示，挖斗壳体8上设有用于与轴承座6连接的法兰和用于与斗瓣13连接的轴孔；

如图9所示，螺杆7的上端设有用于与下法兰盘17连接的法兰。

如图10所示，螺母9的轴向中心设有与螺杆7配套的螺纹孔。

如图11所示，连接垂直拉杆10的两端分别为双连接头和单连接头。

如图12所示，挖斗垂直拉杆11仅用于传递直线运动动力。

如图13所示，斗瓣拉杆12的两端设有连接孔。

如图14所示，斗瓣13的内壁中部位置设有用于与斗瓣拉杆12连接的轴孔。

Claims (3)

1.一种基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统，其特征在于：包括四轴全电驱土工离心机器人、挖斗和连接装置，所述四轴全电驱土工离心机器人包括水平方向的X轴驱动系统、水平方向的Y轴驱动系统、垂直方向的Z轴驱动系统和垂直方向的θ轴驱动电机，所述θ轴驱动电机与所述Z轴驱动系统的Z轴移动块连接；所述挖斗包括挖斗壳体、斗瓣、斗瓣拉杆和挖斗垂直拉杆，所述斗瓣为两个并分别旋转安装于所述挖斗壳体下部的对称两侧，所述斗瓣拉杆为两根，两根所述斗瓣拉杆的一端分别与两个所述斗瓣的内侧旋转连接，两根所述斗瓣拉杆的另一端分别与所述挖斗垂直拉杆的下端旋转连接；所述连接装置安装于所述θ轴驱动电机和所述挖斗之间，所述连接装置上端的旋转运动输入端与所述θ轴驱动电机下端的转轴连接，所述连接装置下端的直线运动输出端与所述挖斗垂直拉杆的上端连接。

2.根据权利要求1所述的基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统，其特征在于：所述连接装置包括上法兰盘、圆锥滚子轴承、推力球轴承、轴承座、下法兰盘、螺杆、螺母和连接垂直拉杆，所述上法兰盘的上端与所述θ轴驱动电机下端的转轴连接，所述上法兰盘的下端与所述下法兰盘的上端连接，所述下法兰盘的下端与所述螺杆的上端连接，所述螺杆的下端与所述螺母的上端连接，所述螺母的下端与所述连接垂直拉杆的上端连接，所述连接垂直拉杆的下端与所述挖斗垂直拉杆的上端连接；所述Z轴移动块的连接端套装于所述上法兰盘的外面，所述圆锥滚子轴承安装于所述上法兰盘的外壁与所述Z轴移动块的连接端的内壁之间，所述轴承座套装于所述Z轴移动块的连接端的下部外面和所述下法兰盘的外面，所述推力球轴承安装于由所述下法兰盘的上表面，所述Z轴移动块的连接端的下部外壁和所述轴承座的内壁共同形成的空间内，所述轴承座的下端与所述挖斗壳体的上端连接。

3.根据权利要求2所述的基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统，其特征在于：所述连接垂直拉杆的上端为两个连接头，两个所述连接头分别通过两个销轴与所述螺母下端两侧的两个连杆连接；所述连接垂直拉杆的下端为一个连接头并通过一个销轴与所述挖斗垂直拉杆的上端连接。

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