CN107422069A - 一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，包括支承机座，设置在支承机座上并可在X‑Y‑Z方向自由移动的运动机构，安装在运动机构上并随其移动的掘进机构，运动机构包括分别带动其负载物沿X向、Y向和Z向移动的X轴组件、Y轴组件和Z轴组件，其中，X轴组件设置在支承机座上，Y轴组件安装在X轴组件上，Z轴组件安置在Y轴组件上，掘进机构包括ZD转化单元、驱动组件、主轴以及刀具，ZD转化单元设置在Z轴组件上，并可沿Z向移动，驱动组件安装在ZD转化单元上，主轴的一端连接驱动组件的输出端，另一端上固定有刀具。与现有技术相比，本发明可进行三个方向的联动，从而能够开挖任意形状的隧道，降低了隧道模型试验的难度等。

Description

一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机

技术领域

本发明涉及一种模型试验中隧道开挖系统，尤其是涉及一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机。

背景技术

模型试验在揭示地下隧洞围岩中应力、位移分布规律及围岩破坏形态、机制等方面发挥着重要的作用。而在开展模型试验时，如何模拟隧洞开挖是一大难点。目前主要通过两种方法来实现：其一是将待开挖土体用其它易移除材料或模具代替，模拟开挖时将替代物移除即可。如专利CN103616287A、CN104634932A公布的隧道开挖模型试验装置分别将待开挖部分用熔点低的松香和易溶解的聚苯乙烯泡沫材料浇筑而成，隧道的开挖分别通过加热和供溶剂实现；专利CN104713987A公布的隧道开挖模拟系统采用外径与隧道洞径相同的圆柱形水囊，通过排水来模拟开挖过程；专利CN105572308A公布的模拟隧道开挖的试验装置，将拟开挖部分用片状分层的PVC板代替，使开挖过程变为将模拟件一片一片的取出；而专利CN105971618A、CN20165029U公布的卸载开挖器是事先将钢模具拼合于隧道洞壁，在模拟开挖时将钢片内部支撑结构抽出，让钢片塌落，以此完成开挖卸荷过程。这种方法较常用但存在明显的缺点：(1)填充物质或模具与围岩的性质差异较大，在初始加载时会出现差异性承载，不能真实还原隧道开挖前的初始应力状态；(2)填充物质的浇筑形状或模具的加工精度不易控制，易造成开挖偏差；(3)较难实现分部分段开挖，大多只能粗略的模拟全断面瞬时开挖，因而不能考虑围岩受力变形的时空效应。

而另一种实现方法是与实际隧道施工过程相一致的“先填土后开挖”。显然这种方法更符合实际，但在试验时较难实现，主要存在以下问题：(1)开挖精度不高，开挖后的隧道轮廓参差不齐，带有随机性，若进行平行试验，难以保证相同的开挖条件；(2)通常用于形状简单的隧道的开挖，而对轮廓形状复杂的隧道难以完成开挖；(3)费时费力。由此看来，要使模型试验真实还原实际施工过程，即实现“先填土后开挖”的隧道开挖方式，还有很多问题亟待解决。本发明正是基于此种需求而提出的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，包括支承机座，设置在支承机座上并可在X-Y-Z方向自由移动的运动机构，安装在运动机构上并随其移动的掘进机构，

所述的运动机构包括分别带动其负载物沿X向、Y向和Z向移动的X轴组件、Y轴组件和Z轴组件，其中，所述的X轴组件设置在支承机座上，所述的Y轴组件安装在X轴组件上，所述的Z轴组件安置在Y轴组件上，

所述的掘进机构包括ZD转化单元、驱动组件、主轴以及刀具，所述的ZD转化单元设置在Z轴组件上，并可沿Z向移动，所述的驱动组件安装在ZD转化单元上，所述的主轴的一端连接驱动组件的输出端，另一端上固定有所述刀具。

作为优选的实施方案，所述的驱动组件包括安装在Z轴组件上并随其移动的箱体固定板，设置在箱体固定板上的步进电机、传动轴、驱动齿轮和从动齿轮，其中，所述的步进电机通过联轴器连接所述传动轴，所述的驱动齿轮和从动齿轮啮合，并分别通过键连接所述传动轴和主轴。

作为优选的实施方案，所述的箱体固定板还垂直间隔设置至少一块箱体立板，所述的传动轴和主轴分别通过轴承穿设于所述箱体立板上，并分别通过轴承盖与固定在箱体立板上的安装座螺栓连接；

所述的箱体固定板上还设有电机基板，在电机基板上安装有电机支架，该电机支架的一侧固定设置所述步进电机，另一侧上设置有连接所述步进电机和传动轴的所述联轴器。

作为上述优选的实施方案更优选，所述的ZD转化单元由ZD-底板与ZD-滑块组成，其中，ZD-滑块设置在Z轴组件上并沿Z向移动，所述的ZD-底板固定在ZD-滑块上。

作为上述更优选的实施方案进一步优选，所述的Z轴组件包括设置在Y轴组件上并沿Y向移动的YZ转化单元、固定于YZ转化单元上的Z-基座，以及安装在Z-基座上的Z-导轨座、Z-导轨、Z-滚珠丝杠、Z-联轴器、Z-减速器和Z-伺服电机，其中，在Z-导轨上骑跨设置所述ZD转化单元，所述的Z-伺服电机的输出端依次连接Z-减速器、Z-联轴器和Z-滚珠丝杠，该Z-滚珠丝杠还连接并驱动ZD转化单元在Z-导轨上移动。

作为上述进一步优选的实施方案更进一步优选，所述的Z-滚珠丝杠由Z-螺杆与Z-螺母组成，其中，Z-螺杆的一端转动设置在固定于Z-基座上的Z-支撑块，另一端穿过安装在Z-基座上的Z-固定块并连接所述Z-联轴器，所述的Z-螺母通过Z-螺母连接座安装在ZD转化单元上；工作时，Z-螺杆由Z-伺服电机驱动转动，并带动Z-螺母及ZD转化单元沿Z向移动；

所述的YZ转化单元由YZ-滑块和安装在YZ-滑块上的YZ-底板组成，其中，YZ-滑块设置在Y轴组件上并沿Y向移动，YZ-底板上设置所述Z-基座。

更优选的，所述的Y轴组件包括设置在X轴组件上并沿X向移动的Y-滑块、固定在Y-滑块上的Y-底板，以及安装在Y-底板上的Y-导轨座、Y-导轨、Y-滚珠丝杠(结构可参照Z-滚珠丝杠)、Y-联轴器、Y-减速器和Y-伺服电机，其中，在Y-导轨上骑跨设置所述YZ转化单元，所述的Y-伺服电机的输出端依次连接Y-减速器、Y-联轴器和Y-滚珠丝杠，该Y-滚珠丝杠还连接并驱动YZ转化单元在Y-导轨上移动。

更优选的，所述的Y-滑块两侧设有螺栓连接于Y-底板上的Y-滑块撑紧条和Y-滑块挡条，所述的Y-滑块撑紧条和Y-滑块挡条配合夹紧固定所述Y-滑块。

作为一个优选的实施方案，所述的X轴组件包括设置在支承机座上的X-底板，以及安装在X-底板上的X-导轨座、X-导轨、X-滚珠丝杠(结构可参照Z-滚珠丝杠)、X-联轴器、X-减速器和X-伺服电机，其中，在X-导轨上骑跨设置所述Y-滑块，所述的X-伺服电机的输出端依次连接X-减速器、X-联轴器和X-滚珠丝杠，该X-滚珠丝杠还连接并驱动Y-滑块在X-导轨上移动。

作为一个优选的实施方案，掘进机还包括数控系统和传感器信号采集系统，其中，

所述的数控系统包括工控机、四轴控制卡、接线板、X-伺服驱动器、Y-伺服驱动器、Z-伺服驱动器、步进驱动器、电器配电箱，所述的四轴控制卡与接线板相连，并插入工控机内，所述的X-伺服驱动器、Y-伺服驱动器、Z-伺服驱动器及步进驱动器分别与X-伺服电机、Y-伺服电机、Z-伺服电机及步进电机相连，并一同连接到与四轴控制卡配套的接线板上，数控系统主要布置于安装支座下部的电控柜里。

所述的传感器信号采集系统包括手动控制面板和六个限位器，所述六个限位器包括分别设置在X-导轨、Y-导轨和Z-导轨旁并两两配合限制Y-滑块、YZ转化单元和ZD转化单元移动的X-固定限位器和X-活动限位器、Y-固定限位器和Y-活动限位器、Z-固定限位器和Z-活动限位器，其中，所述的X-固定限位器、Y-固定限位器和Z-固定限位器分别固定在X-导轨、Y-导轨和Z-导轨旁，在X-导轨、Y-导轨和Z-导轨旁还分别安装有供X-活动限位器、Y-活动限位器和Z-活动限位器移动的活动限位导轨，手动控制面板上有急停开关、报警清除按钮、零速钳位开关、主轴开关。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可进行三个方向的联动，从而能够开挖任意形状的隧道，降低了隧道模型试验的难度；

(2)能实现分部开挖，最大化的还原实际隧道开挖过程。采用本发明还可以开展不同工况对比试验，进而分析开挖导致围岩受力和变形的时空效应；

(3)所用试验装置操作简单方便，自动化程度高，可减轻劳动强度，隧道开挖形状改变时，只需更改数控程序；

(4)加工精度高，开挖边界与预先设计的几何边界能很好的吻合，能对隧道断面形状进行极为精准的控制，具有稳定的加工质量。

附图说明

图1为本发明的隧道掘进机的总体结构示意图；

图2为本发明的Y轴组件的局部结构示意图；

图3为本发明的主轴机构的局部结构示意图；

图4为本发明的限位器安装位置的结构示意图；

图5为电控柜的局部结构示意图；

图中，1-支承机座，2-底脚板，3-支架，4-X-底板，5-X-导轨座，6-X-导轨，7-X-螺杆，8-X-螺母，9-X-螺母连接座，10-X-支撑块，11-X-固定块，12-X-伺服电机支座，13-X-减速器，14-X-伺服电机，15-X-联轴器，16-Y-底板，17-Y-滑块，18-Y-导轨座，19-Y-导轨，20-Y-螺杆，21-Y-螺母，22-Y-螺母连接座，23-Y-支撑块，24-Y-固定块，25-Y-伺服电机支座，26-Y-减速器，27-Y-伺服电机，28-Y-联轴器，29-Y-滑块撑紧条，30-Y-滑块挡条，31-YZ-底板，32-YZ-滑块，33-YZ-滑块挡条，34-YZ-滑块压板，35-Z-底板，36-Z-侧板，37-Z-中筋板，38-Z-导轨座，39-Z-导轨，40-Z-螺杆，43-Z-支撑块，44-Z-固定块，45-Z-伺服电机支座，46-Z-减速器，47-Z-伺服电机，48-Z-联轴器，49-ZD-底板，50-ZD-滑块，51-ZD-滑块撑紧条，52-箱体固定板，53-箱体立板，54-箱体底板，55-箱体面板，56-箱体电机安装基板，57-安装座，58-轴承盖，59-驱动齿轮，60-从动齿轮，61-大平键，62-D-传动轴，63-D-联轴器，64-步进电机，65-电机支架，66-主轴，67-刀具，69-手动控制面板，70-电控柜，71-工控机，72-步进驱动器，73-X-伺服驱动器，74-Y-伺服驱动器，75-Z-伺服驱动器，76-接线板，77-电器配电箱，78-X-活动限位器，79-X-固定限位器，80-Y-活动限位器，81-Y-固定限位器，82-Z-活动限位器，83-Z-固定限位器，84-活动限位安装底板，85-活动限位导轨，86-活动限位安装板，87-固定限位安装板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其结构如图1所示，包括支承机座1，设置在支承机座1上并可在X-Y-Z方向自由移动的运动机构，安装在运动机构上并随其移动的掘进机构，

运动机构包括分别带动其负载物沿X向、Y向和Z向移动的X轴组件、Y轴组件和Z轴组件，其中，X轴组件设置在支承机座1上，Y轴组件安装在X轴组件上，Z轴组件安置在Y轴组件上，

如图3所示，掘进机构包括ZD转化单元、驱动组件、主轴66以及刀具67，ZD转化单元设置在Z轴组件上，并可沿Z向移动，驱动组件安装在ZD转化单元上，主轴66的一端连接驱动组件的输出端，另一端上固定有刀具67。

作为优选的实施方案，驱动组件包括安装在Z轴组件上并随其移动的箱体固定板52，设置在箱体固定板52上的步进电机64、D-传动轴62、驱动齿轮59和从动齿轮60，其中，步进电机64通过D-联轴器63连接D-传动轴62，驱动齿轮59和从动齿轮60啮合，并分别通过键连接D-传动轴62和主轴66。

作为优选的实施方案，箱体固定板52还垂直间隔设置至少一块箱体立板53，D-传动轴62和主轴66分别通过轴承穿设于箱体立板53上，并分别通过轴承盖58与固定在箱体立板53上的安装座57螺栓连接；

箱体固定板52上还设有电机基板(即箱体电机安装基板56)，在电机基板上安装有电机支架65，该电机支架65的一侧固定设置步进电机64，另一侧上设置有连接步进电机64和D-传动轴62的D-联轴器63。

作为上述优选的实施方案更优选，ZD转化单元由ZD-底板49与ZD-滑块50组成，其中，ZD-滑块50设置在Z轴组件上并沿Z向移动，ZD-底板49固定在ZD-滑块50上。

作为上述更优选的实施方案进一步优选，Z轴组件包括设置在Y轴组件上并沿Y向移动的YZ转化单元、固定于YZ转化单元上的Z-基座，以及安装在Z-基座上的Z-导轨座38、Z-导轨39、Z-滚珠丝杠、Z-联轴器48、Z-减速器46和Z-伺服电机47，其中，在Z-导轨39上骑跨设置ZD转化单元，Z-伺服电机47的输出端依次连接Z-减速器46、Z-联轴器48和Z-滚珠丝杠，该Z-滚珠丝杠还连接并驱动ZD转化单元在Z-导轨39上移动。

作为上述进一步优选的实施方案更进一步优选，Z-滚珠丝杠由Z-螺杆40与Z-螺母组成，其中，Z-螺杆40的一端转动设置在固定于Z-基座上的Z-支撑块43，另一端穿过安装在Z-基座上的Z-固定块44并连接Z-联轴器48，Z-螺母通过Z-螺母连接座安装在ZD转化单元上；工作时，Z-螺杆40由Z-伺服电机47驱动转动，并带动Z-螺母及ZD转化单元沿Z向移动；

YZ转化单元由YZ-滑块3232和安装在YZ-滑块32上的YZ-底板31组成，其中，YZ-滑块32设置在Y轴组件上并沿Y向移动，YZ-底板31上设置Z-基座。

更优选的，如图2所示，Y轴组件包括设置在X轴组件上并沿X向移动的Y-滑块17、固定在Y-滑块17上的Y-底板16，以及安装在Y-底板16上的Y-导轨座18、Y-导轨19、Y-滚珠丝杠、Y-联轴器28、Y-减速器26和Y-伺服电机27，其中，在Y-导轨19上骑跨设置YZ转化单元，Y-伺服电机27的输出端依次连接Y-减速器26、Y-联轴器28和Y-滚珠丝杠，该Y-滚珠丝杠还连接并驱动YZ转化单元在Y-导轨19上移动。

更优选的，Y-滑块17两侧设有螺栓连接于Y-底板16上的Y-滑块撑紧条29和Y-滑块挡条30，Y-滑块撑紧条29和Y-滑块挡条30配合夹紧固定Y-滑块17。

作为一个优选的实施方案，X轴组件包括设置在支承机座1上的X-底板4，以及安装在X-底板4上的X-导轨座5、X-导轨6、X-滚珠丝杠、X-联轴器15、X-减速器13和X-伺服电机14，其中，在X-导轨6上骑跨设置Y-滑块17，X-伺服电机14的输出端依次连接X-减速器13、X-联轴器15和X-滚珠丝杠，该X-滚珠丝杠还连接并驱动Y-滑块17在X-导轨6上移动。

作为一个优选的实施方案，掘进机还包括数控系统和传感器信号采集系统，其中，

数控系统包括工控机71、四轴控制卡、接线板76、X-伺服驱动器73、Y-伺服驱动器74、Z-伺服驱动器75、步进驱动器72、电器配电箱77，四轴控制卡与接线板76相连，并插入工控机71内，X-伺服驱动器73、Y-伺服驱动器74、Z-伺服驱动器75及步进驱动器72分别与X-伺服电机14、Y-伺服电机27、Z-伺服电机47及步进电机64相连，并一同连接到与四轴控制卡配套的接线板76上，数控系统主要布置于安装支座下部的电控柜70里。

作为一个优选的实施方案，传感器信号采集系统包括手动控制面板69和六个限位器，六个限位器包括分别设置在X-导轨6、Y-导轨19和Z-导轨39旁并两两配合限制Y-滑块17、YZ转化单元和ZD转化单元移动的X-固定限位器79和X-活动限位器78、Y-固定限位器81和Y-活动限位器80、Z-固定限位器83和Z-活动限位器82，其中，X-固定限位器79、Y-固定限位器81和Z-固定限位器83分别固定在X-导轨6、Y-导轨19和Z-导轨39旁，在X-导轨6、Y-导轨19和Z-导轨39旁还分别安装有供X-活动限位器78、Y-活动限位器80和Z-活动限位器82移动的活动限位导轨85，如图4和图5所示，手动控制面板69上有急停开关、报警清除按钮、零速钳位开关、主轴66开关。

实施例1

一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其结构参见图1-5，包括支承机座、X轴组件、Y轴组件、Z轴组件、掘进机构、数控系统及传感器信号采集系统，其中：

支承机座1由支架3与底脚板2组成，支架3由方钢管焊接而成，并焊接于底脚板2上。

X轴机构包括X-底板4、X-导轨座5、X-导轨6、X-滚珠丝杠、X-减速器13、X-伺服电机14。X-底板4由三块横向钢板及两块纵向钢板焊接而成并焊接固定于支承机座1上。X-导轨座5焊接于X-底板4上，X-导轨6通过内六角沉头螺钉固定于X-导轨座5上。X-滚珠丝杠由X-螺杆7与X-螺母8组成，X-螺杆7一端安装于X-支撑块10，另一端穿过X-固定块11通过X-联轴器15连于X-减速器13。X-减速器13固定于X-伺服电机支座12上，并与X-伺服电机14相连。X-螺母8带有法兰盘并与X-螺母连接座9相连。X-支撑块10、X-固定块11及X-伺服电机支座12通过螺栓固定于相应的底座上，底座用螺栓固定于X-底板4上。

Y轴组件包括Y-底板16、Y-滑块17、Y-导轨座18、Y-导轨19、Y-滚珠丝杠、Y-减速器26、Y-伺服电机27。Y-底板16与X-螺母连接座9螺栓连接，Y-滑块17骑跨于X-导轨6上，并通过螺栓连接于Y-底板16，Y-滑块17两侧的Y-滑块撑紧条29及Y-滑块挡条30螺栓连接于Y-底板16。Y-导轨座18焊接于Y-底板16上，Y-导轨19通过内六角沉头螺钉固定于Y-导轨座18上。Y-滚珠丝杠由Y-螺杆20与Y-螺母21组成，Y-螺杆20一端安装于Y-支撑块23，另一端穿过Y-固定块24通过Y-联轴器28连于Y-减速器26。Y-减速器26固定于Y-伺服电机支座25上，并与Y-伺服电机27相连。Y-螺母21带有法兰盘并与Y-螺母连接座22相连。Y-支撑块23、Y-固定块24及Y-伺服电机支座25通过螺栓固定于相应的底座上，其底座用螺栓固定于Y-底板16上。

Z轴组件由YZ转化单元、Z-基座、Z-导轨座38、Z-导轨39、Z-滚珠丝杠、Z-减速器46、Z-伺服电机47组成。YZ转化单元由YZ-底板31和YZ-滑块32组成，其中YZ-滑块32骑跨于Y-导轨19上，YZ-底板31与Y-螺母连接座22及YZ-滑块32螺栓连接，YZ-滑块两侧布置的YZ-滑块挡条33与YZ-滑块压板34螺栓连接于YZ-底板31。Z-基座由Z-底板35、Z-侧板36及Z-中筋板37焊接而成，而Z-底板35通过内六角螺钉固定于YZ-底板31上。Z-导轨座38焊接于Z-中筋板37上，Z-导轨39通过内六角沉头螺钉固定于Z-导轨座38上。Z-滚珠丝杠由Z-螺杆40与Z-螺母组成，Z-螺杆40一端安装于Z-支撑块43，另一端穿过Z-固定块44通过Z-联轴器48连于Z-减速器46。Z-减速器46固定于Z-伺服电机支座45上，并与Z-伺服电机47相连。Z-螺母带有法兰盘并与Z-螺母连接座相连。Z-支撑块43、Z-固定块44及Z-伺服电机支座45通过螺栓固定于相应的底座上，底座用螺栓固定于Z-中筋板37上。

掘进机构包括ZD转化组件、主轴箱、传动轴62、步进电机64、驱动齿轮59、从动齿轮60、主轴66、刀具67。ZD转化机构由ZD-底板49与ZD-滑块50组成，ZD-滑块50骑跨于Z-导轨39上，ZD-底板49通过螺栓与Z-螺母连接座及ZD-滑块50相连。主轴箱由箱体固定板52、箱体底板56、箱体面板57、三块箱体立板53及箱体电机安装基板56焊接而成，且箱体固定板52与ZD-底板49螺栓连接。箱体电机安装基板56螺栓连接有电机支架65，步进电机64螺栓固定于电机支架65，并与传动轴62通过联轴器63相连。传动轴62两端连于轴承，并通过轴承盖58与焊于箱体立板53上的安装座57螺栓连接。驱动齿轮59与传动轴62键连接，从动齿轮60与驱动齿轮59啮合，并通过大平键61与主轴66相连。主轴66通过轴承盖58与焊于箱体立板53上的安装座57螺栓连接。刀具67与主轴66采用定位螺栓连接。

数控系统由工控机71、四轴控制卡、接线板76、X-伺服驱动器73、Y-伺服驱动器74、Z-伺服驱动器75、步进驱动器72、电器配电箱77组成。X-伺服驱动器73、Y-伺服驱动器74、Z-伺服驱动器75及步进驱动器72分别与X-伺服电机14、Y-伺服电机27、Z-伺服电机47及步进电机64相连，并一同连接到与四轴控制卡配套的接线板76上。四轴控制卡与接线板76相连，并插入工控机71内。数控系统主要布置于位于支承机座1下部的电控柜70里。

传感器信号采集系统主要包括6个限位器和手动控制面板69。六个限位器包括分别设置在X-导轨6、Y-导轨19和Z-导轨39旁并两两配合限制Y-滑块17、YZ转化单元和ZD转化单元移动的X-固定限位器79和X-活动限位器78、Y-固定限位器81和Y-活动限位器80、Z-固定限位器83和Z-活动限位器82，其中，X-固定限位器79、Y-固定限位器81和Z-固定限位器83分别固定在X-导轨6、Y-导轨19和Z-导轨39旁，在X-导轨6、Y-导轨19和Z-导轨39旁还分别安装活动限位安装底板84，在活动限位安装底板84上还设有活动限位导轨85，在活动限位导轨85上安装有沿其移动的活动限位安装板86，活动限位安装板86上分别安装X-活动限位器78、Y-活动限位器80和Z-活动限位器82。手动控制面板69上有急停开关、报警清除按钮、零速钳位开关、主轴开关。

工控机71装有WINCNC操作软件，其具有手动、自动两种控制模式，手动模式时可直接在面板上对电机的转速、启停及其它铣削参数进行控制；自动模式时可根据编写好的G-Code程序自动开挖隧道。其中所需的G-Code可直接编写，也可利用软件WINCNC将AutoCAD、Pro/Engineer等软件绘制的掘削轨迹图直接转化为G-Code。工控机运行时产生的控制信息通过四轴控制卡传至驱动器，进而控制三个进给轴的伺服电机和主轴步进电机。

信号采集系统将开关量信号经接线板76和四轴控制卡传给工控机71，同时也将控制信号通过接线板76直接传至电机驱动器，进而控制电机转停。

刀具67采用机夹式安装，可根据需要更换不同类型的刀具，同时软件WINCNC中存储有多种刀具，使用时要根据实际使用的刀具进行设置。刀具各方向的运行极限位置可调，由各轴的活动限位器来限制开挖范围。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其特征在于，包括支承机座(1)，设置在支承机座(1)上并可在X-Y-Z方向自由移动的运动机构，安装在运动机构上并随其移动的掘进机构，

所述的运动机构包括分别带动其负载物沿X向、Y向和Z向移动的X轴组件、Y轴组件和Z轴组件，其中，所述的X轴组件设置在支承机座(1)上，所述的Y轴组件安装在X轴组件上，所述的Z轴组件安置在Y轴组件上，

所述的掘进机构包括ZD转化单元、驱动组件、主轴(66)以及刀具(67)，所述的ZD转化单元设置在Z轴组件上，并可沿Z向移动，所述的驱动组件安装在ZD转化单元上，所述的主轴(66)的一端连接驱动组件的输出端，另一端上固定有所述刀具(67)。

2.根据权利要求1所述的一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其特征在于，所述的驱动组件包括安装在Z轴组件上并随其移动的箱体固定板(52)，设置在箱体固定板(52)上的步进电机(64)、D-传动轴(62)、驱动齿轮(59)和从动齿轮(60)，其中，所述的步进电机(64)通过D-联轴器(63)连接所述D-传动轴(62)，所述的驱动齿轮(59)和从动齿轮(60)啮合，并分别通过键连接所述D-传动轴(62)和主轴(66)。

3.根据权利要求2所述的一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其特征在于，所述的箱体固定板(52)还垂直间隔设置至少一块箱体立板(53)，所述的D-传动轴(62)和主轴(66)分别通过轴承穿设于所述箱体立板(53)上，并分别通过轴承盖(58)与固定在箱体立板(53)上的安装座(57)螺栓连接；

所述的箱体固定板(52)上还设有电机基板，在电机基板上安装有电机支架(65)，该电机支架(65)的一侧固定设置所述步进电机(64)，另一侧上设置有连接所述步进电机(64)和D-传动轴(62)的所述D-联轴器(63)。

4.根据权利要求1所述的一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其特征在于，所述的ZD转化单元由ZD-底板(49)与ZD-滑块(50)组成，其中，ZD-滑块(50)设置在Z轴组件上并沿Z向移动，所述的ZD-底板(49)固定在ZD-滑块(50)上。

5.根据权利要求1所述的一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其特征在于，所述的Z轴组件包括设置在Y轴组件上并沿Y向移动的YZ转化单元、固定于YZ转化单元上的Z-基座，以及安装在Z-基座上的Z-导轨座(38)、Z-导轨(39)、Z-滚珠丝杠、Z-联轴器(48)、Z-减速器(46)和Z-伺服电机(47)，其中，在Z-导轨(39)上骑跨设置所述ZD转化单元，所述的Z-伺服电机(47)的输出端依次连接Z-减速器(46)、Z-联轴器(48)和Z-滚珠丝杠，该Z-滚珠丝杠还连接并驱动ZD转化单元在Z-导轨(39)上移动。

6.根据权利要求5所述的一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其特征在于，所述的Z-滚珠丝杠由Z-螺杆(40)与Z-螺母组成，其中，Z-螺杆(40)的一端转动设置在固定于Z-基座上的Z-支撑块(43)，另一端穿过安装在Z-基座上的Z-固定块(44)并连接所述Z-联轴器(48)，所述的Z-螺母通过Z-螺母连接座安装在ZD转化单元上；工作时，Z-螺杆(40)由Z-伺服电机(47)驱动转动，并带动Z-螺母及ZD转化单元沿Z向移动；

所述的YZ转化单元由YZ-滑块(32)和安装在YZ-滑块(32)上的YZ-底板(31)组成，其中，YZ-滑块(32)设置在Y轴组件上并沿Y向移动，YZ-底板(31)上设置所述Z-基座。

7.根据权利要求5所述的一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其特征在于，所述的Y轴组件包括设置在X轴组件上并沿X向移动的Y-滑块(17)、固定在Y-滑块(17)上的Y-底板(16)，以及安装在Y-底板(16)上的Y-导轨座(18)、Y-导轨(19)、Y-滚珠丝杠、Y-联轴器(28)、Y-减速器(26)和Y-伺服电机(27)，其中，在Y-导轨(19)上骑跨设置所述YZ转化单元，所述的Y-伺服电机(27)的输出端依次连接Y-减速器(26)、Y-联轴器(28)和Y-滚珠丝杠，该Y-滚珠丝杠还连接并驱动YZ转化单元在Y-导轨(19)上移动。

8.根据权利要求7所述的一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其特征在于，所述的Y-滑块(17)两侧设有螺栓连接于Y-底板(16)上的Y-滑块撑紧条(29)和Y-滑块挡条(30)，所述的Y-滑块撑紧条(29)和Y-滑块挡条(30)配合夹紧固定所述Y-滑块(17)。

9.根据权利要求7所述的一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其特征在于，所述的X轴组件包括设置在支承机座(1)上的X-底板(4)，以及安装在X-底板(4)上的X-导轨座(5)、X-导轨(6)、X-滚珠丝杠、X-联轴器(15)、X-减速器(13)和X-伺服电机(14)，其中，在X-导轨(6)上骑跨设置所述Y-滑块(17)，所述的X-伺服电机(14)的输出端依次连接X-减速器(13)、X-联轴器(15)和X-滚珠丝杠，该X-滚珠丝杠还连接并驱动Y-滑块(17)在X-导轨(6)上移动。

10.根据权利要求9所述的一种掘削断面形状可控的试验用数控隧道掘进机，其特征在于，还包括数控系统和传感器信号采集系统，其中，

所述的数控系统包括工控机(71)、四轴控制卡、接线板(76)、X-伺服驱动器(73)、Y-伺服驱动器(74)、Z-伺服驱动器(75)、步进驱动器(72)、电器配电箱，所述的四轴控制卡与接线板(76)相连，并插入工控机(71)内，所述的X-伺服驱动器(73)、Y-伺服驱动器(74)、Z-伺服驱动器(75)及步进驱动器(72)分别与X-伺服电机(14)、Y-伺服电机(27)、Z-伺服电机(47)及步进电机(64)相连，并一同连接到与四轴控制卡配套的接线板(76)上，

所述的传感器信号采集系统包括手动控制面板(69)和六个限位器，所述六个限位器包括分别设置在X-导轨(6)、Y-导轨(19)和Z-导轨(39)旁并两两配合限制Y-滑块(17)、YZ转化单元和ZD转化单元移动的X-固定限位器(79)和X-活动限位器(78)、Y-固定限位器(81)和Y-活动限位器(80)、Z-固定限位器(83)和Z-活动限位器(82)，其中，所述的X-固定限位器(79)、Y-固定限位器(81)和Z-固定限位器(83)分别固定在X-导轨(6)、Y-导轨(19)和Z-导轨(39)旁，在X-导轨(6)、Y-导轨(19)和Z-导轨(39)旁还分别安装有供X-活动限位器(78)、Y-活动限位器(80)和Z-活动限位器(82)移动的活动限位导轨(85)。