CN108406836B - 一种tbm单滚刀更换机械手末端执行器 - Google Patents

一种tbm单滚刀更换机械手末端执行器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种岩石隧道掘进机滚刀更换机械手末端执行器，属于隧道掘进施工设备技术领域。该末端执行器配合换刀机械手可以实现TBM的自动换刀作业，从而提高TBM滚刀更换效率，保障施工人员的人身安全，提高隧道施工效率，节约经济成本。本发明主要由安装机架、螺栓拆装模块、梯形楔形块拆装模块、方形楔形块拆装模块、滚刀拆装手爪模块组成。本发明与换刀机械手配合使用，能够代替人工进行TBM滚刀自动更换作业，保障操作工人的人身安全，并提高滚刀更换效率，加快隧道施工的进度，节约经济成本。

Description

一种TBM单滚刀更换机械手末端执行器
技术领域
本发明涉及机器人构件，属于隧道掘进施工设备技术领域，尤其涉及TBM滚刀更换机械手末端执行器。
背景技术
安装在刀盘上的滚刀是TBM破碎岩石的主要刀具，是TBM的关键部件和易损部件，其特点是易磨损、结构复杂、技术含量高。刀具磨损对TBM施工的成本、速度和效率有着重要影响，刀具更换是TBM在施工中利用率低的一个主要原因。目前更换刀具为人工换刀，更换占总施工时间的比值可达4％～26％，TBM刀具更换的效率直接关系到施工工期和工程造价。除此之外，隧道内的岩爆、碎石脱落严重威胁工人人身安全。研制TBM刀具机械化、自动化更换的设备替代人工作业是十分必要的。
为保障施工人员的人身安全，提高隧道施工效率，节约经济成本，发明本TBM换刀机械手末端执行器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于TBM滚刀更换机械手的末端执行器，配合机械臂使用可以很好替代人工换刀作业，从而保障施工人员的人身安全，提高隧道施工效率，极大加快掘进工程的施工进度。
本发明的技术方案：
一种TBM单滚刀更换机械手末端执行器，包括安装机架、螺栓拆装机构、梯形楔形块拆装机构、方形楔形块拆装机构和滚刀拆装机构；
所述的安装机架包括安装机架1和执行器安装法兰29；执行器安装法兰29安装在安装机架1上，通过执行器安装法兰29将末端执行器与配套的TBM换刀机械手相连，配套的TBM换刀机械手具备伸缩、姿态变换功能，并通过执行器安装法兰29控制末端执行器的旋转；
所述的螺栓拆装机构包括螺栓拆装液压马达3、螺栓液压马达安装法兰4、螺栓液压马达变速器5、两对称旋转套筒6、螺栓拆装机构安装台8、齿条10、直线导轨11、旋转套筒安装法兰18、齿轮减速器19、齿轮驱动电机20、驱动电机安装法兰21、齿轮轴22、齿轮23；旋转套筒安装法兰18中设置旋转轴承，为旋转套筒提供支撑和定位作用；两对称旋转套筒6通过旋转套筒安装法兰18安装于螺栓液压马达变速器5上，螺栓液压马达变速器5固定在螺栓拆装机构安装台8的上表面；螺栓液压马达安装法兰4与螺栓液压马达变速器5相对安装于螺栓拆装机构安装台8的上表面，螺栓拆装液压马达3固定在螺栓液压马达安装法兰4上；齿条10和直线导轨11均安装在螺栓拆装机构安装台8下表面，驱动电机安装法兰21安装在安装机架1内部，齿轮23与齿条10啮合，通过控制齿轮驱动电机20带动螺栓拆装机构安装台8伸出退回运动，齿轮减速器19通过齿轮轴22控制齿轮23的旋转速度；
所述的梯形楔形块安装机构包括梯形楔形块电磁铁2和梯形楔形块电磁铁安装法兰7，梯形楔形块电磁铁安装法兰7安装于螺栓拆装机构安装台8的上表面，同螺栓拆装机构安装台8实现伸出退回运动，两梯形楔形块电磁铁安装法兰7对称位于螺栓液压马达变速器5两侧；梯形楔形块电磁铁2通过梯形楔形块电磁铁安装法兰7固定；
所述的方形楔形块拆装机构包括方形楔形块伸缩液压缸25、方形楔形块拆装电磁铁安装法兰26和方形楔形块电磁铁27；所述的方形楔形块电磁铁27通过方形楔形块拆装电磁铁安装法兰26安装固定于方形楔形块伸缩液压缸25上，方形楔形块伸缩液压缸25固定在安装机架1的内部表面；
所述的滚刀拆装机构包括滚刀拆装手爪9、第一铰接支座12、滚刀手爪驱动液压缸13、滚刀手爪驱动液压铰接14、滚刀手爪驱动液压缸支座15、滚刀手爪驱动液压缸销轴16、滚刀手爪销轴17和滚刀手爪安装座24；滚刀拆装手爪9通过滚刀手爪销轴17安装在滚刀手爪安装座24上；第一铰接支座12通过滚刀手爪驱动液压缸销轴16安装在滚刀拆装手爪9上；滚刀手爪驱动液压缸13通过滚刀手爪驱动液压缸支座15安装在安装机架1表面，二者为滚刀手爪驱动液压铰接14，通过滚刀手爪驱动液压缸13的伸缩控制滚刀拆装手爪9的张合，从而实现抓取滚刀的动作；
所述的滚刀拆装手爪9在与滚刀贴合的面加工成滚刀的包络面，此外滚刀拆装手爪9需要保证一定的尺寸要求，如图7所示，虚实线表示手爪张开的状态，拆装螺栓和楔形块时，张开状态的手爪能伸入刀座中，即要求满足：
D1＜D刀座 (1)
D＝D刀刃 (2)
其中：D1为手爪张开时两手爪的最大距离，D刀座为刀座的宽度，D为手爪手指的距离，D刀刃为滚刀刀刃的宽度。
本发明的有益效果：本发明与换刀机械手配合使用，能够代替人工进行TBM滚刀自动更换作业，保障操作工人的人身安全，并提高滚刀更换效率，加快隧道施工的进度，节约经济成本。
附图说明
图1是执行器结构示意图。
图2是执行器螺栓拆装机构示意图。
图3是执行器滚刀拆装机构示意图。
图4是执行器方形楔形块拆装机构示意图。
图5是执行器滚刀拆装机构中的手爪支座示意图。
图6是方形楔形块拆装机构和螺栓拆装机构齿轮齿条在机架中安装示意图。
图7(a)是滚刀拆装手爪尺寸要求的主视图。
图7(b)是滚刀拆装手爪尺寸要求的侧视图。
图8(a)是滚刀拆装手爪工作的主视图。
图8(b)是滚刀拆装手爪工作的侧视图。
图中：1安装机架；2梯形楔形块电磁铁；3螺栓拆装液压马达；
4螺栓液压马达安装法兰；5螺栓液压马达变速器；6螺栓旋转套筒；
7梯形楔形块电磁铁安装法兰；8螺栓拆装机构安装台；9滚刀拆装手爪；
10齿条；11直线导轨；12第一铰接支座；13滚刀手爪驱动液压缸；
14滚刀手爪驱动液压铰接；15滚刀手爪驱动液压缸支座；
16滚刀手爪驱动液压缸销轴；17滚刀手爪销轴；18旋转套筒安装法兰；
19齿轮减速器；20齿轮驱动电机；21齿轮驱动电机安装法兰；22齿轮轴；
23齿轮；24滚刀手爪安装座；25方形楔形块伸缩液压缸；
26方形楔形块拆装电磁铁安装法兰；27方形楔形块电磁铁；28直线导轨槽；
29执行器安装法兰；30滚刀。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明所提供的换刀机械手末端执行器，包括安装机架、螺栓拆装机构、梯形楔形块拆装机构、方形楔形块拆装机构、滚刀拆装机构。
所述的安装机架包括安装机架1、执行器安装法兰29。执行器安装法兰29安装在安装机架1上，通过执行器安装法兰29将末端执行器与配套的TBM换刀机械手相连，配套的TBM换刀机械手具备伸缩、姿态变换功能，并通过执行器安装法兰29控制末端执行器的旋转；
所述的螺栓拆装机构包括两对称旋转套筒6、旋转套筒安装法兰18、螺栓液压马达变速器5、螺栓液压马达安装法兰4、螺栓拆装液压马达3、螺栓拆装机构安装台8、齿条10、直线导轨11、齿轮减速器19、齿轮驱动电机20、驱动电机安装法兰21、齿轮轴22、齿轮23；旋转套筒安装法兰18中设置旋转轴承，为旋转套筒提供支撑和定位作用；两对称旋转套筒6通过旋转套筒安装法兰18安装于螺栓液压马达变速器5上，螺栓液压马达变速器5固定在螺栓拆装机构安装台8的上表面；螺栓液压马达安装法兰4与螺栓液压马达变速器5相对安装于螺栓拆装机构安装台8的上表面，螺栓拆装液压马达3固定在螺栓液压马达安装法兰4上；齿条10、直线导轨11均安装在螺栓拆装机构安装台8下表面，驱动电机安装法兰21安装在安装机架1内部，齿轮23与齿条10啮合，通过控制齿轮驱动电机20带动螺栓拆装机构安装台8伸出退回运动。
所述的梯形楔形块安装机构包括梯形楔形块电磁铁2和梯形楔形块电磁铁安装法兰7，梯形楔形块电磁铁安装法兰7安装于螺栓拆装机构安装台8的上表面，同平台实现伸出退回运动，两梯形楔形块电磁铁安装法兰7对称位于螺栓液压马达变速器5两侧；梯形楔形块电磁铁2通过梯形楔形块电磁铁安装法兰7固定；
所述的方形楔形块拆装机构包括方形楔形块处拆装模块包括方形楔形块电磁铁27、方形楔形块拆装电磁铁安装法兰26和方形楔形块伸缩液压缸25；所述的方形楔形块电磁铁27通过方形楔形块拆装电磁铁安装法兰26安装固定于方形楔形块伸缩液压缸25上，方形楔形块伸缩液压缸25固定在安装机架1的内部表面；
所述的滚刀拆装机构包括：滚刀拆装手爪9、滚刀手爪销轴17、滚刀手爪安装座24、第一铰接支座12、滚刀手爪驱动液压缸13、滚刀手爪驱动液压铰接14、滚刀手爪驱动液压缸支座15、滚刀手爪驱动液压缸销轴16；滚刀拆装手爪9通过滚刀手爪销轴17安装在滚刀手爪安装座24上；第一铰接支座12安装在滚刀拆装手爪9上，滚刀手爪驱动液压缸13通过滚刀手爪驱动液压缸支座15安装在安装机架1表面，通过滚刀手爪驱动液压缸13的伸缩控制滚刀拆装手爪9的张合，从而实现抓取滚刀的动作。
所述的滚刀拆装手爪9在与滚刀贴合的面加工成如图滚刀的包络面，此外滚刀拆装手爪9需要保证一定的尺寸要求，如图7所示，虚实线表示手爪张开的状态，本发明要求拆装螺栓和楔形块时，张开状态的手爪能伸入刀座中，即要求满足：
D1＜D刀座 (1)
D＝D刀刃 (2)
其中：D1为手爪张开时两手爪的最大距离，D刀座为刀座的宽度，D为手爪手指的距离，D刀刃为滚刀刀刃的宽度。
结合附图说明本发明的一次拆卸损坏滚刀的过程，步骤如下：
步骤一：本末端执行器通过后端的执行器安装法兰29与配套的机械手安装连接，通过机械手将末端执行器运动至需更换的滚刀刀箱前方；
步骤二：启动滚刀手爪驱动液压缸13，使滚刀手爪驱动液压缸收缩，手爪张开一定角度后，关闭滚刀手爪驱动液压缸13，机械手控制末端执行器，将两对称旋转套筒6与两螺栓对齐；
步骤三：旋转套筒6与两螺栓对齐后，螺栓拆装液压马达3启动，螺栓拆装液压马达3通过螺栓液压马达变速器5使套筒转动，旋转套筒6旋转同时齿轮驱动电机20启动，通过驱动齿轮23，齿条10带动整个螺栓拆装机构安装台8向后同步移动，直到一侧螺栓旋下，螺栓拆装液压马达3关闭，齿轮驱动电机20关闭，机械手回退末端执行器，通过机械手将螺栓运送到指定位置后，齿轮驱动电机20启动，控制整个螺栓拆装机构安装台8回到起始位置后齿轮驱动电机20关闭；
步骤四：通过机械手将两对称梯形楔形块电磁铁2与梯形楔形块相接触，控制梯形楔形块电磁铁2通电上磁，将梯形楔形块吸附抓取到指定位置，控制电磁铁2断电；
步骤五：启动方形楔形块伸缩液压缸25，令方形楔形块伸缩液压缸伸长，使方形楔形块电磁铁27伸出滚刀手爪安装座，停止方形楔形块伸缩液压缸25伸长；
步骤六：通过调整机械手位置姿态，使方形楔形块电磁铁27与方形楔形块接触；控制方形楔形块电磁铁27通电上磁，启动方形楔形块伸缩液压缸25，使方形楔形块伸缩液压缸25收缩，同时机械手控制末端执行器回退，通过机械手将方形楔形块运送到指定位置，电磁铁10断电；
步骤七：重复步骤六，将四块方形楔形块全部拆卸；
步骤八：方形楔形块全部拆卸后，启动方形楔形块伸缩液压缸25，使方形楔形块伸缩液压缸25收缩；
步骤九：通过调整机械手位置姿态，使滚刀手爪9伸入滚刀刀座中，开启滚刀手爪驱动液压缸，使其伸长，将滚刀手爪抓紧；
步骤十：机械手控制末端执行器回退，将滚刀运送到指定位置；
至此，完成损坏滚刀的拆卸工作。新滚刀的安装过程为以上过程的逆过程。

Claims (1)

1.一种TBM单滚刀更换机械手末端执行器，其特征在于，所述的TBM单滚刀更换机械手末端执行器包括安装机架、螺栓拆装机构、梯形楔形块拆装机构、方形楔形块拆装机构和滚刀拆装机构；
所述的安装机架包括安装机架(1)和执行器安装法兰(29)；执行器安装法兰(29)安装在安装机架(1)上，通过执行器安装法兰(29)将末端执行器与配套的TBM换刀机械手相连，配套的TBM换刀机械手具备伸缩、姿态变换功能，并通过执行器安装法兰(29)控制末端执行器的旋转；
所述的螺栓拆装机构包括螺栓拆装液压马达(3)、螺栓液压马达安装法兰(4)、螺栓液压马达变速器(5)、两对称旋转套筒(6)、螺栓拆装机构安装台(8)、齿条(10)、直线导轨(11)、旋转套筒安装法兰(18)、齿轮减速器(19)、齿轮驱动电机(20)、驱动电机安装法兰(21)、齿轮轴(22)、齿轮(23)；旋转套筒安装法兰(18)中设置旋转轴承，为旋转套筒提供支撑和定位作用；两对称旋转套筒(6)通过旋转套筒安装法兰(18)安装于螺栓液压马达变速器(5)上，螺栓液压马达变速器(5)固定在螺栓拆装机构安装台(8)的上表面；螺栓液压马达安装法兰(4)与螺栓液压马达变速器(5)相对安装于螺栓拆装机构安装台(8)的上表面，螺栓拆装液压马达(3)固定在螺栓液压马达安装法兰(4)上；齿条(10)和直线导轨(11)均安装在螺栓拆装机构安装台(8)下表面，驱动电机安装法兰(21)安装在安装机架(1)内部，齿轮(23)与齿条(10)啮合，通过控制齿轮驱动电机(20)带动螺栓拆装机构安装台(8)伸出退回运动，齿轮减速器(19)通过齿轮轴(22)控制齿轮(23)的旋转速度；
所述的梯形楔形块安装机构包括梯形楔形块电磁铁(2)和梯形楔形块电磁铁安装法兰(7)，梯形楔形块电磁铁安装法兰(7)安装于螺栓拆装机构安装台(8)的上表面，同螺栓拆装机构安装台(8)实现伸出退回运动，两梯形楔形块电磁铁安装法兰(7)对称位于螺栓液压马达变速器(5)两侧；梯形楔形块电磁铁(2)通过梯形楔形块电磁铁安装法兰(7)固定；
所述的方形楔形块拆装机构包括方形楔形块伸缩液压缸(25)、方形楔形块拆装电磁铁安装法兰(26)和方形楔形块电磁铁(27)；所述的方形楔形块电磁铁(27)通过方形楔形块拆装电磁铁安装法兰(26)安装固定于方形楔形块伸缩液压缸(25)上，方形楔形块伸缩液压缸(25)固定在安装机架(1)的内部表面；
所述的滚刀拆装机构包括滚刀拆装手爪(9)、第一铰接支座(12)、滚刀手爪驱动液压缸(13)、滚刀手爪驱动液压铰接(14)、滚刀手爪驱动液压缸支座(15)、滚刀手爪驱动液压缸销轴(16)、滚刀手爪销轴(17)和滚刀手爪安装座(24)；滚刀拆装手爪(9)通过滚刀手爪销轴(17)安装在滚刀手爪安装座(24)上；第一铰接支座(12)通过滚刀手爪驱动液压缸销轴(16)安装在滚刀拆装手爪(9)上；滚刀手爪驱动液压缸(13)通过滚刀手爪驱动液压缸支座(15)安装在安装机架(1)表面，二者为滚刀手爪驱动液压铰接(14)，通过滚刀手爪驱动液压缸(13)的伸缩控制滚刀拆装手爪(9)的张合，从而实现抓取滚刀的动作；
所述的滚刀拆装手爪(9)在与滚刀贴合的面加工成滚刀的包络面，此外滚刀拆装手爪(9)需要保证一定的尺寸要求，拆装螺栓和楔形块时，张开状态的手爪能伸入刀座中，即要求满足：
D1＜D刀座 (1)
D＝D刀刃 (2)
其中：D1为手爪张开时两手爪的最大距离，D刀座为刀座的宽度，D为手爪手指的距离，D刀刃为滚刀刀刃的宽度。
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