CN105965503A - 一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，包括：基座，基座上设置有腰身，腰身一侧与大臂的一端连接，大臂的另一端与中臂一端连接，大臂上安装有相枢接的第一、第二液压缸，中臂的另一端与前臂一端连接，中臂上安装有第三液压缸，前臂另一端连接有工具安装头，前臂上安装有第四液压缸，工具安装头一侧安装有滚刀抓取工具，滚刀抓取工具包括U型底座，U型底座的横梁上安装有两个对称设置的抓取钳，第五液压缸的一端枢接于U型底座的侧壁，另一端枢接于抓取钳。机械臂各部分均由液压驱动，具有超高的负载能力，可轻松抓取盾构机滚刀；结构简洁紧凑、体积小、运动灵活，可适应换刀作业的空间要求；采用数字液压技术，可以实现方便可靠的控制。

Description

一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂

技术领域：

本发明涉及工程机械技术领域，具体涉及一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂。

背景技术：

盾构机换刀机器人系统中需要配备一个机械臂来执行具体的换刀任务。传统的机械臂种类及功能较为丰富，但目前并没有一种机械臂产品可以很好地适应盾构机换刀任务，盾构机的最前端为刀盘，所述刀盘后面顺次布置有开挖舱、气垫舱及人闸舱，换刀作业是在开挖舱中进行，开挖舱由于本身结构的限制，换刀作业空间狭小、作业环境恶劣、刀具单体重量大，现有的机械臂则通常体积较大对作业环境要求较高、且负载能力相对不足，故并不能很好的适用于盾构机的换刀作业；例如用于深海作业的机械臂要求具有高的控制精度及超高压的耐受能力，价格昂贵但负载能力略有不足，用其进行换刀作业时一方面造成资源的浪费，另一方面无法适应大直径的滚刀，使用很有限制。

而在盾构机作业时，更换盾构机刀具是作业过程必不可少一个步骤，如何合理、经济地盾构机刀具的更换，并保证作业人员的安全是盾构施工中一个重要的研究方向。为此，研发盾构机换刀机器人系统来提高换刀效率、降低换刀成本、保障操作人员的安全将是盾构机换刀技术的一大进步。

因此，为了实现盾构机换刀机器人系统的功能，提高换刀作业的自动化水平，亟需研究一种应用于盾构机换刀机器人系统中的超大功率机械臂，可满足盾构机换刀作业的使用需求，执行盾构机的换刀任务。

发明内容：

本发明的目的是提供一种体积小、运动灵活、控制简单、可靠性高的适用于盾构机换刀作业的液压机械臂。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，包括：基座，基座上设置有腰身，且所述腰身可相对基座旋转，腰身一侧与大臂的一端连接，所述大臂的另一端与中臂一端连接，所述大臂上安装有相枢接的第一液压缸和第二液压缸，所述第一液压缸用以驱动所述大臂俯仰运动，所述第二液压缸用以驱动所述中臂俯仰运动，中臂的另一端与前臂一端连接，所述中臂上安装有第三液压缸，用以驱动所述前臂俯仰运动，前臂另一端连接有工具安装头，所述前臂上安装有第四液压缸，用以驱动所述前臂左右摆动，所述工具安装头一侧安装有滚刀抓取工具，所述滚刀抓取工具包括U型底座，U型底座的横梁上安装有两个对称设置的抓取钳，第五液压缸的一端枢接于所述U型底座的侧壁，另一端枢接于所述抓取钳，用以带动抓取钳的张开和闭合。

所述腰身为摆动液压缸，所述摆动液压缸包括第一旋转轴和套设于第一旋转轴外部的液压缸壳体，液压缸壳体上设置有第一支座和第一销轴座。

所述大臂的两端分别设置有第一轴承座和第二轴承座，所述腰身和大臂通过第一支座和第一轴承座连接为一体，且第二旋转轴插设于所述第一支座和第一轴承座上，用以使得所述大臂可相对腰身转动，所述大臂中部设置有第二销轴座，第一液压缸一端通过第一销轴枢接于第一销轴座，其另一端通过第二销轴枢接于第二销轴座，第二液压缸一端通过第二销轴枢接于第二销轴座，另一端通过第三销轴枢接于中臂。

所述第一液压缸的伸出杆端部设置有第一耳环，第一耳环套装在第一销轴上，所述第一液压缸的缸体端部设置有第二耳环，第二耳环套装在第二销轴上，所述第二液压缸的缸体端部设置有第三耳环，第三耳环套装在第二销轴上，且第三耳环卡设在第二耳环两侧，第二液压缸的伸出杆端部设置有第四耳环，第四耳环套装在第三销轴上。

所述第二耳环为单耳结构，第三耳环为双耳结构。

所述中臂一端设置有第二支座，另一端设置有第三轴承座，所述中臂和大臂通过第二支座和第二轴承座连接为一体，且第三旋转轴插设于第二支座和第二轴承座上，用以使得所述中臂可相对大臂转动，所述第二支座上设置有第三销轴座，第二液压缸的一端通过第三销轴枢接于第三销轴座，所述第二支座上还插设有第四销轴，第三液压缸的一端通过第四销轴枢接于第二支座。

所述前臂一端设置有第三支座，另一端设置有第四轴承座，所述中臂和前臂通过第三支座和第三轴承座连接为一体，且第四旋转轴插设于第三支座和第三轴承座上，用以使得所述前臂可相对中臂转动，所述第三支座上插设有第五销轴，第三液压缸的一端通过第五销轴枢接于第三支座，所述第三支座一侧的侧壁上还设置有第四销轴座，第四液压缸一端通过第六销轴枢接于第四销轴座。

所述第三液压缸的缸体端部设置有第五耳环，第五耳环套装在第四销轴上，所述第三液压缸的伸出杆端部设置有第六耳环，第六耳环套装在第六销轴上。

所述工具安装头包括安装板，安装板上设置有第四支座，所述工具安装头和前臂通过第四支座和第四轴承座连接为一体，且第五旋转轴插设于第四支座和第四轴承座上，用以使得所述工具安装头可相对前臂转动，第四支座上还设置有第五销轴座，第四液压缸一端通过第七销轴枢接于第五销轴座，所述U型底座固接于所述安装板上，所述U型底座的横梁上设置有第六销轴座，抓取钳的端部通过第八销轴枢接于第六销轴座，所述U型底座的侧壁上设置有第七销轴座，第五液压缸的一端通过第九销轴枢接于第七销轴座，且第五液压缸的另一端通过第十销轴枢接于抓取钳。

所述第四液压缸的缸体端部设置有第七耳环，第七耳环套装在第五销轴上，所述第四液压缸的伸出杆端部设置有第八耳环，第八耳环套装在第七销轴上；所述第五液压缸的缸体端部设置有第九耳环，第九耳环套装在第九销轴上，所述第五液压缸的伸出杆端部设置有第十耳环，第十耳环套装在第十销轴上。

所述第十耳环为双耳结构。

所述第一、第二、第三、第四液压缸均为数字液压缸。

本发明一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂的有益效果：机械臂各部分均由液压驱动，具有超高的负载能力，可以轻松抓取盾构机滚刀；结构简洁紧凑、体积小、运动灵活，可以适应盾构机换刀作业的空间要求；采用数字液压技术，可以实现方便可靠的控制；能满足盾构机换刀作业的需求，可应用于盾构机换刀机器人系统中，执行盾构机换刀任务。

附图说明：

图1为本发明一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂的结构示意图；

图2为腰身及基座的局部结构示意图；

图3为大臂的结构示意图；

图4为第一液压缸和第二液压缸连接部分的结构示意图；

图5为中臂的结构示意图；

图6为中臂上端的局部结构示意图；

图7为前臂的结构示意图；

图8为前臂与工具安装头局部视图；

图9为工具安装头上安装板的结构示意图；

图10为滚刀抓取工具的结构示意图；

图11为滚刀抓取工具的侧视图；

图12为第十耳环的结构示意图；

1-基座，2-腰身，3-第一旋转轴，4-液压缸壳体，5-第一支座，6-第一销轴座，7-第一销轴，8-大臂，9-第一轴承座，10-第二轴承座，11-第二旋转轴，12-第二销轴座，13-第二销轴，14-第一液压缸，15-第一耳环，16-第二耳环，17-第二液压缸，18-第三耳环，19-第四耳环，20-中臂，21-第二支座，22-第三轴承座，23-第三旋转轴，24-第三销轴座，25-第三销轴，26-第四销轴，27-第三液压缸，28-第五耳环，29-第六耳环，30-前臂，31-第三支座，32-第四轴承座，33-第四旋转轴，34-第五销轴，35-第四销轴座，36-第六销轴，37-第四液压缸，38-第七耳环，39-第八耳环，40-工具安装头，41-安装板，42-第四支座，43-第五旋转轴，44-第五销轴座，45-第七销轴，46-滚刀抓取工具，47-U型底座，48-安装孔，49-伸出轴，50-U型底座的横梁，51-抓取钳，52-第六销轴座，53-第八销轴，54-U型底座的侧壁，55-第七销轴座，56-第九销轴，57-第五液压缸，58-第九耳环，59-第十耳环，60-第十销轴。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

根据图1所示，一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，可轻松抓取重量高达200kg以上盾构机滚刀，包括：基座1，基座1上开设有四个螺栓孔，用于机械臂与工作平台的固定连接，所述基座1上设置有腰身2，所述腰身2为摆动液压缸，摆动液压缸包括第一旋转轴3和套设于第一旋转轴3外部的液压缸壳体4，且第一旋转轴3与液压缸壳体4构成机械臂的第一关节，所述第一旋转轴3固定在基座1上，通过液压缸壳体4相对第一旋转轴3的转动，实现第一关节的旋转，进而带动所述腰身2相对基座1旋转，使得机械臂具有第一个自由度，在液压缸壳体4上设置有第一支座5和第一销轴座6，第一销轴7插设于所述第一销轴座6上，液压缸壳体4的一侧与大臂8的一端连接，所述大臂8的另一端与中臂20一端连接，所述大臂8上安装有相枢接的第一液压缸14和第二液压缸17，所述第一液压缸14用以驱动所述大臂8俯仰运动，所述第二液压缸17用以驱动所述中臂20俯仰运动，中臂20的另一端与前臂30一端连接，所述中臂20上安装有第三液压缸27，用以驱动所述前臂30俯仰运动，前臂30另一端连接有工具安装头40，用以抓取刀具并将刀具安装于盾构机上，所述前臂30上安装有第四液压缸37，用以驱动所述前臂30左右摆动，所述第一、第二、第三、第四液压缸均为数字液压缸。

根据图2～图4所示，所述大臂8的两端分别设置有第一轴承座9和第二轴承座10，所述腰身2和大臂8通过第一支座5和第一轴承座9连接为一体，第二旋转轴11插设于所述第一支座5和第一轴承座9上，用以使得所述大臂8可相对腰身2转动，且第一支座5、第一轴承座9及第二旋转轴11构成机械臂的第二关节，在所述大臂8中部设置有第二销轴座12，第二销轴13插设于所述第二销轴座12上，所述第一液压缸14的伸出杆端部设置有第一耳环15，第一耳环15套装在第一销轴7上，第一耳环15与第一销轴7构成转动副，所述第一液压缸14的缸体端部设置有第二耳环16，第二耳环16套装在第二销轴13上，第二耳环16与第二销轴13构成转动副，第一液压缸14的两个端部分别枢接于第一销轴座6和第二销轴座12，当第一液压缸14伸缩运动时，驱动第二关节旋转，进而带动大臂8俯仰运动，使得机械臂具有第二个自由度，所述第二液压缸17的缸体端部设置有第三耳环18，第三耳环18套装在第二销轴13上，第三耳环18和第二销轴13构成转动副，即第二液压缸17的一端枢接于第二销轴座12，且在本实施例中，第二耳环16为单耳结构，第三耳环18为双耳结构，第二耳环16和第三耳环18同轴套装在第二销轴13上时，第三耳环18卡设在第二耳环16两侧。

根据图5、图6所示，所述中臂20一端设置有第二支座21，另一端设置有第三轴承座22，所述中臂20和大臂8通过第二支座21和第二轴承座10连接为一体，第三旋转轴23插设于第二支座21和第二轴承座10上，用以使得所述中臂20可相对大臂8转动，且第二支座21、第二轴承座10及第三旋转轴23构成机械臂的第三关节，在所述第二支座21上设置有第三销轴座24，第三销轴25插设于所述第三销轴座24上，所述第二液压缸17的伸出杆端部设置有第四耳环19，第四耳环19套装在第三销轴25上，第四耳环19和第三销轴25构成转动副，即第二液压缸17的另一端枢接于第三销轴座24，当第二液压缸17伸缩运动时，驱动第三关节旋转，进而带动中臂20俯仰运动，使得机械臂具有第三个自由度，所述第二支座21上还插设有第四销轴26，所述第三液压缸27的缸体端部设置有第五耳环28，第五耳环28套装在第四销轴26上，第五耳环28和第四销轴26构成转动副，即第三液压缸27的一端枢接于第二支座21。

根据图7、图8所示，所述前臂30一端设置有第三支座31，另一端设置有第四轴承座32，所述中臂20和前臂30通过第三支座31和第三轴承座22连接为一体，第四旋转轴33插设于第三支座31和第三轴承座22上，用以使得所述前臂30可相对中臂20转动，且第三支座31、第三轴承座22及第四旋转轴33构成机械臂的第四关节，所述第三支座31上插设有第五销轴34，所述第三液压缸27的伸出杆端部设置有第六耳环29，第六耳环29套装在第五销轴34上，第六耳环29和第五销轴34构成旋转副，即第三液压缸27的另一端枢接于第三支座31，当第三液压缸27伸缩运动时，驱动第四关节旋转，进而带动前臂30俯仰运动，使得机械臂具有第四个自由度，在所述第三支座31一侧的侧壁上还设置有第四销轴座35，第六销轴36插设于所述第四销轴座35上，所述第四液压缸37的缸体端部设置有第七耳环38，第七耳环38套装在第六销轴36上，第七耳环38和第六销轴36构成转动副，即第四液压缸37的一端枢接于第四销轴座35。

根据图9～图12所示，所述工具安装头40包括安装板41，安装板41一侧设置有第四支座42，所述工具安装头40和前臂30通过第四支座42和第四轴承座32连接为一体，第五旋转轴43插设于第四支座42和第四轴承座32上，用以使得所述工具安装头40可相对前臂30转动，且第四支座、第四轴承座32及第五旋转轴43构成机械臂的第五关节，在第四支座42上还设置有第五销轴座44，第七销轴45插设于所述第五销轴座44上，所述所述第四液压缸37的伸出杆端部设置有第八耳环39，第八耳环39套装在第七销轴45上，第八耳环39和第七销轴45构成转动副，即第四液压缸37的另一端枢接于第五销轴座44，当第四液压缸37伸缩运动时，驱动第五关节旋转，进而带动工具安装头40左右摆动，使得机械臂具有第五个自由度；安装板41另一侧设置有滚刀抓取工具46，所述滚刀抓取工具46包括U型底座47，所述U型底座47固接于所述安装板41上，在本实施例中，具体地说，是在安装板41上开设有通孔作为安装孔48，U型底座的横梁50上设置有伸出轴49，所述伸出轴49插入所述安装孔48中，并通过两个固定螺栓进行锁紧；U型底座的横梁50上安装有两个对称设置的抓取钳51，所述U型底座的横梁50上设置有第六销轴座52，第八销轴53轴插设于所述第六销轴座52上，所述抓取钳51的端部通过第八销轴53枢接于第六销轴座52，抓取钳51端部与第八销轴53构成转动副，所述U型底座的侧壁54上设置有第七销轴座55，第九销轴56插设于所述第七销轴座55上，所述第五液压缸57的缸体端部设置有第九耳环58，第九耳环58套装在第九销轴56上，第九耳环58和第九销轴56构成转动副，即第五液压缸57的一端枢接于所述U型底座47的侧壁，抓取钳51上还插设有第十销轴60，所述第五液压缸57的伸出杆端部设置有第十耳环59，第十耳环59套装在第十销轴60上，第十耳环59和第十销轴60构成转动副，即第五液压缸57的另一端枢接于所述抓取钳51，用以带动抓取钳51的张开和闭合，且在本实施例中，所述第十耳环59为双耳结构，以避免抓取钳51在抓取刀具时与刀具发生干涉。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，其特征在于，包括：基座，基座上设置有腰身，且所述腰身可相对基座旋转，腰身一侧与大臂的一端连接，所述大臂的另一端与中臂一端连接，所述大臂上安装有相枢接的第一液压缸和第二液压缸，所述第一液压缸用以驱动所述大臂俯仰运动，所述第二液压缸用以驱动所述中臂俯仰运动，中臂的另一端与前臂一端连接，所述中臂上安装有第三液压缸，用以驱动所述前臂俯仰运动，前臂另一端连接有工具安装头，所述前臂上安装有第四液压缸，用以驱动所述前臂左右摆动，所述工具安装头一侧安装有滚刀抓取工具，所述滚刀抓取工具包括U型底座，U型底座的横梁上安装有两个对称设置的抓取钳，第五液压缸的一端枢接于所述U型底座的侧壁，另一端枢接于所述抓取钳，用以带动抓取钳的张开和闭合。

2.根据权利要求1所述的一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，其特征在于：所述腰身为摆动液压缸，所述摆动液压缸包括第一旋转轴和套设于第一旋转轴外部的液压缸壳体，液压缸壳体上设置有第一支座和第一销轴座。

3.根据权利要求2所述的一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，其特征在于：所述大臂的两端分别设置有第一轴承座和第二轴承座，所述腰身和大臂通过第一支座和第一轴承座连接为一体，且第二旋转轴插设于所述第一支座和第一轴承座上，用以使得所述大臂可相对腰身转动，所述大臂中部设置有第二销轴座，第一液压缸一端通过第一销轴枢接于第一销轴座，其另一端通过第二销轴枢接于第二销轴座，第二液压缸一端通过第二销轴枢接于第二销轴座，另一端通过第三销轴枢接于中臂。

4.根据权利要求3所述的一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，其特征在于：所述第一液压缸的伸出杆端部设置有第一耳环，第一耳环套装在第一销轴上，所述第一液压缸的缸体端部设置有第二耳环，第二耳环套装在第二销轴上，所述第二液压缸的缸体端部设置有第三耳环，第三耳环套装在第二销轴上，且第三耳环卡设在第二耳环两侧，第二液压缸的伸出杆端部设置有第四耳环，第四耳环套装在第三销轴上。

5.根据权利要求3所述的一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，其特征在于：所述中臂一端设置有第二支座，另一端设置有第三轴承座，所述中臂和大臂通过第二支座和第二轴承座连接为一体，且第三旋转轴插设于第二支座和第二轴承座上，用以使得所述中臂可相对大臂转动，所述第二支座上设置有第三销轴座，第二液压缸的一端通过第三销轴枢接于第三销轴座，所述第二支座上还插设有第四销轴，第三液压缸的一端通过第四销轴枢接于第二支座。

6.根据权利要求5所述的一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，其特征在于：所述前臂一端设置有第三支座，另一端设置有第四轴承座，所述中臂和前臂通过第三支座和第三轴承座连接为一体，且第四旋转轴插设于第三支座和第三轴承座上，用以使得所述前臂可相对中臂转动，所述第三支座上插设有第五销轴，第三液压缸的一端通过第五销轴枢接于第三支座，所述第三支座一侧的侧壁上还设置有第四销轴座，第四液压缸一端通过第六销轴枢接于第四销轴座。

7.根据权利要求6所述的一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，其特征在于：所述工具安装头包括安装板，安装板上设置有第四支座，所述工具安装头和前臂通过第四支座和第四轴承座连接为一体，且第五旋转轴插设于第四支座和第四轴承座上，用以使得所述工具安装头可相对前臂转动，第四支座上还设置有第五销轴座，第四液压缸一端通过第七销轴枢接于第五销轴座，所述U型底座固接于所述安装板上，所述U型底座的横梁上设置有第六销轴座，抓取钳的端部通过第八销轴枢接于第六销轴座，所述U型底座的侧壁上设置有第七销轴座，第五液压缸的一端通过第九销轴枢接于第七销轴座，且第五液压缸的另一端通过第十销轴枢接于抓取钳。

8.根据权利要求7所述的一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，其特征在于：所述第三液压缸的缸体端部设置有第五耳环，第五耳环套装在第四销轴上，所述第三液压缸的伸出杆端部设置有第六耳环，第六耳环套装在第六销轴上；所述第四液压缸的缸体端部设置有第七耳环，第七耳环套装在第五销轴上，所述第四液压缸的伸出杆端部设置有第八耳环，第八耳环套装在第七销轴上；所述第五液压缸的缸体端部设置有第九耳环，第九耳环套装在第九销轴上，所述第五液压缸的伸出杆端部设置有第十耳环，第十耳环套装在第十销轴上。

9.根据权利要求8所述的一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，其特征在于：所述第二耳环为单耳结构，第三耳环为双耳结构，所述第十耳环为双耳结构。

10.根据权利要求7所述的一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂，其特征在于：所述第一、第二、第三、第四液压缸均为数字液压缸。