CN109036079A - 一种模拟开敞式tbm换刀机器人换刀的试验台 - Google Patents

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Abstract

本发明属于全断面岩石掘进机设计技术领域，一种模拟开敞式TBM换刀机器人换刀的试验台，以开敞式TBM主机系统结构形式为研究，鉴于换刀机器人换刀试验台需满足不同布置形式下滚刀的位姿调整，试验台主要包括刀盘机架、滚刀调整装置、试验台主梁模拟部。刀盘机架采用常用的工字钢，用来承受刀盘结构的质量；滚刀调整装置的驱动电源为电驱动，通过调整不同驱动源的参数实现滚刀极径、极角的变化，进而以一把滚刀实现刀盘多处滚刀位置与姿态的模拟。该试验台可从试验环节模拟滚刀不同位姿的调整，降低TBM换刀机器人的研发成本，为TBM换刀机器人的工业应用提供指导。

Description

一种模拟开敞式TBM换刀机器人换刀的试验台
技术领域
本发明涉及一种模拟开敞式TBM换刀机器人换刀的试验台，属于全断面岩石掘进机设计技术领域。
背景技术
全断面岩石掘进机(TBM)是隧道施工领域的大型高端装备，集掘进、出渣、支护于一体，广泛应用于水利水电、市政、高铁隧道等领域。刀盘作为隧道掘进机的核心部件，直接参与岩石过程，承受着空间多点随机分布载荷的耦合作用，结构振动剧烈，常出现滚刀磨损、刀盘面板开裂、主轴承密封失效等严重的工程问题。当刀盘工作过程中滚刀磨损严重时，滚刀的更换将势在必行。目前，滚刀更换时间占据了工程时间极大的比例，且更换方式多为人手动换刀，而工人的熟练度将直接决定了更换时间的长短。此外，恶劣的现场施工环境也将对工人安全构成威胁。当前，国外已有部分企业和学者已经开始进行滚刀自动化换刀的研究，但仍处于高度保密的状态，为填补我国在该领域的技术空白，迫切需要研制一套全断面硬岩掘进机换刀机器人及其配套设施。
为模拟开敞式TBM换刀机器人的换刀过程，本发明以TBM原型机为依托，设计了一种模拟TBM刀盘滚刀位姿调整的试验台。此试验台可通过一把滚刀模型模拟多把不同滚刀的位姿，可从试验层面减少TBM换刀机器人的研发成本，为TBM换刀机器人成功研制提供一定的借鉴。
发明内容
本发明立足于解决传统滚刀人工更换困难、更换效率低、更换环境危险的问题，以TBM刀盘和主梁的结构特点为基础，发明了一种试验装置模拟TBM刀盘上不同类型的滚刀，主要包括中心滚刀和正滚刀。该试验台并不需提供所有的中心滚刀和正滚刀，可通过单把滚刀的调整来模拟不同滚刀的布置形式，极大减轻了试验台的重量，为TBM换刀机器人试验层面的验证提供了可能。
本发明的技术方案：
一种模拟开敞式TBM换刀机器人换刀的试验台，包括刀盘机架1、滚刀调整装置2和试验台主梁模拟部3，试验台中所有驱动均采用电机驱动；刀盘机架1与滚刀调整装置2通过滚轮机架1-4、轴装置1-5、试验台滑块1-9相连；试验台主梁模拟部3与主梁基座3-7通过螺栓来固定和定位；
所述的试验台刀盘机架1包括刀盘机架底板1-1、刀盘机架筋板1-2、刀盘机架立柱1-3、滚轮机架1-4、轴装置1-5、电机定位板1-6、弧板1-7、滑块导轨槽1-8、试验台滑块1-9和横梁1-10；刀盘机架底板1-1上开有螺栓孔，与地板固接；刀盘机架底板1-1、刀盘机架筋板1-2、刀盘机架立柱1-3通过焊接的形式连接，刀盘机架筋板1-2对刀盘机架立柱1-3起支撑固定的作用，防止刀盘机架立柱1-3发生倾覆；刀盘机架立柱1-3用于支撑刀盘壳体，刀盘壳体由弧板1-7和其上的一体结构的横梁1-10组成；弧板1-7上设有滑块导轨槽1-8，试验台滑块1-9在滑块导轨槽1-8内沿圆弧方向滑动；横梁1-10上设有横向通槽，横向通槽两端各设有一个滚轮机架1-4和一个电机定位板1-6，滚轮机架1-4用于固定滚轮2-7；轴装置1-5位于横向通槽内，并固定在横梁1-10上，与刀盘机架1构成转动副，可绕轴向转动；电机定位板1-6与横梁1-10之间采用焊接形式，用于固定驱动电机2-1；刀盘壳体对滚刀刀座、滚刀调整装置2起到支撑的作用；
所述的滚刀调整装置2包括驱动电机2-1、滚珠丝杠电机2-2、中心滚刀刀座2-3、钢丝绳2-4、滚珠丝杠导轨2-5、驱动电机滚轮2-6、刀盘机架滚轮2-7、滚珠丝杠2-8、滚刀刀座2-9、滚珠丝杠固定法兰2-10、丝杠螺母2-11和滚刀刀座承接法兰2-12；驱动电机2-1通过螺栓连接形式固定在电机定位板1-6上，驱动电机2-1与驱动电机滚轮2-6采用联轴器的连接形式连接，即实现通过驱动电机2-1的旋转带动驱动电机滚轮2-6转动；滚珠丝杠电机2-2通过螺栓连接的形式固定在轴装置1-5上，滚珠丝杠2-8与轴装置1-5之间采用滚珠丝杠固定法兰连接，滚珠丝杠电机2-2的转动可带动滚珠丝杠2-8的转动；中心滚刀刀座2-3固定于横梁1-10上，用于模拟中心滚刀的换刀位置；钢丝绳2-4绕在刀盘机架滚轮2-7上，其两端分别固定在驱动电机滚轮2-6、试验台滑块1-9上；滚珠丝杠固定法兰2-10通过螺栓连接形式将滚珠丝杠2-8固定在试验台滑块1-9上；在驱动电机2-1的转动下，通过驱动电机滚轮2-6进而带动钢丝绳2-4的收缩，实现试验台滑块1-9带动滚珠丝杠2-8沿滑块导轨槽1-8内滑动，进而实现滚刀调整装置2滚刀极角的改变；滚刀刀座2-9安装于滚刀刀座承接法兰2-12上，滚刀刀座承接法兰2-12通过上下两个丝杠螺母2-11与滚珠丝杠2-8连接，滚珠丝杠2-8在滚珠丝杠电机2-2的转动下旋转，带动滚刀刀座承接法兰2-12沿滚珠丝杠导轨2-5上下移动，实现滚刀极径大小的改变；
试验台主梁模拟部3包括主梁支撑立柱3-1、主梁支撑筋板3-2、主梁支座底板3-3、机器人安装孔3-4、主梁侧板3-5、主梁弧板3-6、主梁基座3-7、主梁底板3-8和运刀孔3-9；主梁支撑立柱3-1与主梁侧板3-5通过螺栓形式连接，用以承受主梁部件的重量；主梁支撑筋板3-2对主梁支撑立柱3-1起加固作用；主梁支撑筋板3-2、主梁支座底板3-3与主梁支撑立柱3-1通过焊接的形式连接；主梁支座底板3-3与主梁基座3-7通过螺栓形式连接；机器人安装孔3-4位于主梁侧板3-5上部，用于换刀机器人的安装定位；主梁侧板3-5与主梁底板3-8围成桶式结构；主梁侧板3-5与主梁弧板3-6通过螺栓相连，起到模拟TBM主梁内部空间的功能；主梁底板3-8上开有运刀孔3-9，便于滚刀的运送。
本发明的有益效果：本发明以TBM原型机为依托，结合滚刀的布置规律和运动规律，设计了一种模拟TBM刀盘滚刀位姿调整的试验台，该试验台可通过一把滚刀模型模拟多把不同滚刀的位姿，通过滚珠丝杠的旋转实现滚刀极径的调整，通过钢丝绳的收缩实现极角的调整，本试验台可从试验层面减少TBM换刀机器人的研发成本，为TBM换刀机器人成功研制提供一定的借鉴。
附图说明
图1是TBM换刀试验台三维视图。
图2是刀盘机架三维视图。
图3是滚刀调整装置三维视图。
图4是驱动电机、驱动电机滚轮、刀盘机架滚轮安装示意图。
图5是滚珠丝杠调整装置三维视图。
图6是试验台主梁模拟部三维视图。
图7是试验台主梁模拟部俯视图。
图8、9是试验台目标滚刀极角调整示意图。
图10、11是试验台目标滚刀极径调整示意图。
图中：1试验台刀盘机架；2滚刀调整装置；3试验台主梁模拟部；1-1刀盘机架底板；1-2刀盘机架筋板；1-3刀盘机架立柱；1-4滚轮机架；1-5轴装置；1-6电机定位板；1-7弧板；1-8滑块导轨槽；1-9试验台滑块；1-10横梁；2-1驱动电机；2-2滚珠丝杠电机；2-3中心滚刀刀座；2-4钢丝绳；2-5滚珠丝杠导轨；2-6驱动电机滚轮；2-7刀盘机架滚轮；2-8滚珠丝杠；2-9滚刀刀座；2-10滚珠丝杠固定法兰；2-11丝杠螺母；2-12滚刀刀座承接法兰；3-1主梁支撑立柱；3-2主梁支撑筋板；3-3主梁支座底板；3-4机器人安装孔；3-5主梁侧板；3-6主梁弧板；3-7主梁基座；3-8主梁底板；3-9运刀孔。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式，本发明的主要目的是模拟开敞式TBM换刀机器人换刀环境，实际中TBM滚刀更换只能在刀盘下半部实现，主要是通过主梁下半部运刀孔将滚刀运送进来，因此，本实验台仅需模拟刀盘下半部、主梁下半部即可满足需要。本发明中只需要通过一把滚刀模型的调整即可实现多把正滚刀、中心滚刀的位姿转变，减轻了试验台滚刀的数量，降低了研发成本。
换刀机器人只能安装在主梁的机器人安装孔3-4，且机器人的顶部不能超出主梁顶面。当机器人安装好之后，可通滚刀调整装置来模拟目标滚刀极径、极角的改变。
滚刀极角的变化，在驱动电机2-1的转动下带动驱动电机滚轮2-6转动，此时在滚轮转动下会带动钢丝绳2-4的收缩，钢丝绳将牵引试验台滑块1-9沿滑块导轨槽1-9滑动，由于试验台滑块1-9与滚珠丝杠装置通过滚珠丝杠固定法兰2-10螺栓固接，所以可以实现滚珠丝杠装置沿刀盘圆周方向转动，从而实现了滚刀极角的变化。滚刀极角变化过程从图8到图9。
滚刀极径的变化，在滚珠丝杠电机2-2转动下带动滚珠丝杠2-8发生转动，从而带动滚珠丝杆螺母2-11沿滚珠丝杠2-8上下移动，由于滚珠丝杆螺母2-11滚刀刀座承接法兰2-12连接在一起，而滚刀刀座2-9内嵌于滚刀刀座承接法兰2-12上，所以滚刀刀座2-9将沿滚珠丝杠2-8上下移动，进而实现滚刀极径的改变。滚刀极径的变化过程从图10到图11。
通过滚刀调整装置改变极径、极角的位置，可实现不同中心滚刀、正滚刀位置和姿态的变化，换刀机器人通过控制手段对需要更换的滚刀进行更换，更换完毕后，可通过运刀孔3-9将替换掉的滚刀运出。

Claims (1)

1.一种模拟开敞式TBM换刀机器人换刀的试验台，其特征在于，所述的模拟开敞式TBM换刀机器人换刀的试验台包括刀盘机架(1)、滚刀调整装置(2)和试验台主梁模拟部(3)，试验台中所有驱动均采用电机驱动；刀盘机架(1)与滚刀调整装置(2)通过滚轮机架(1-4)、轴装置(1-5)、试验台滑块(1-9)相连；试验台主梁模拟部(3)与主梁基座(3-7)通过螺栓来固定和定位；
所述的试验台刀盘机架(1)包括刀盘机架底板(1-1)、刀盘机架筋板(1-2)、刀盘机架立柱(1-3)、滚轮机架(1-4)、轴装置(1-5)、电机定位板(1-6)、弧板(1-7)、滑块导轨槽(1-8)、试验台滑块(1-9)和横梁(1-10)；刀盘机架底板(1-1)上开有螺栓孔，与地板固接；刀盘机架底板(1-1)、刀盘机架筋板(1-2)、刀盘机架立柱(1-3)通过焊接的形式连接，刀盘机架筋板(1-2)对刀盘机架立柱(1-3)起支撑固定的作用，防止刀盘机架立柱(1-3)发生倾覆；刀盘机架立柱(1-3)用于支撑刀盘壳体，刀盘壳体由弧板(1-7)和其上的一体结构的横梁(1-10)组成；弧板(1-7)上设有滑块导轨槽(1-8)，试验台滑块(1-9)在滑块导轨槽(1-8)内沿圆弧方向滑动；横梁(1-10)上设有横向通槽，横向通槽两端各设有一个滚轮机架(1-4)和一个电机定位板(1-6)，滚轮机架(1-4)用于固定滚轮2-7；轴装置(1-5)位于横向通槽内，并固定在横梁(1-10)上，与刀盘机架(1)构成转动副，可绕轴向转动；电机定位板(1-6)与横梁(1-10)之间采用焊接形式，用于固定驱动电机(2-1)；刀盘壳体对滚刀刀座、滚刀调整装置(2)起到支撑的作用；
所述的滚刀调整装置(2)包括驱动电机(2-1)、滚珠丝杠电机(2-2)、中心滚刀刀座(2-3)、钢丝绳(2-4)、滚珠丝杠导轨(2-5)、驱动电机滚轮(2-6)、刀盘机架滚轮(2-7)、滚珠丝杠(2-8)、滚刀刀座(2-9)、滚珠丝杠固定法兰(2-10)、丝杠螺母(2-11)和滚刀刀座承接法兰(2-12)；驱动电机(2-1)通过螺栓连接形式固定在电机定位板(1-6)上，驱动电机(2-1)与驱动电机滚轮(2-6)采用联轴器的连接形式连接，即实现通过驱动电机(2-1)的旋转带动驱动电机滚轮(2-6)转动；滚珠丝杠电机(2-2)通过螺栓连接的形式固定在轴装置(1-5)上，滚珠丝杠(2-8)与轴装置(1-5)之间采用滚珠丝杠固定法兰连接，滚珠丝杠电机(2-2)的转动可带动滚珠丝杠(2-8)的转动；中心滚刀刀座(2-3)固定于横梁(1-10)上，用于模拟中心滚刀的换刀位置；钢丝绳(2-4)绕在刀盘机架滚轮(2-7)上，其两端分别固定在驱动电机滚轮(2-6)、试验台滑块(1-9)上；滚珠丝杠固定法兰(2-10)通过螺栓连接形式将滚珠丝杠(2-8)固定在试验台滑块(1-9)上；在驱动电机(2-1)的转动下，通过驱动电机滚轮(2-6)进而带动钢丝绳(2-4)的收缩，实现试验台滑块(1-9)带动滚珠丝杠(2-8)沿滑块导轨槽(1-8)内滑动，进而实现滚刀调整装置(2)滚刀极角的改变；滚刀刀座(2-9)安装于滚刀刀座承接法兰(2-12)上，滚刀刀座承接法兰(2-12)通过上下两个丝杠螺母(2-11)与滚珠丝杠(2-8)连接，滚珠丝杠(2-8)在滚珠丝杠电机(2-2)的转动下旋转，带动滚刀刀座承接法兰(2-12)沿滚珠丝杠导轨(2-5)上下移动，实现滚刀极径大小的改变；
试验台主梁模拟部(3)包括主梁支撑立柱(3-1)、主梁支撑筋板(3-2)、主梁支座底板(3-3)、机器人安装孔(3-4)、主梁侧板(3-5)、主梁弧板(3-6)、主梁基座(3-7)、主梁底板(3-8)和运刀孔(3-9)；主梁支撑立柱(3-1)与主梁侧板(3-5)通过螺栓形式连接，用以承受主梁部件的重量；主梁支撑筋板(3-2)对主梁支撑立柱(3-1)起加固作用；主梁支撑筋板(3-2)、主梁支座底板(3-3)与主梁支撑立柱(3-1)通过焊接的形式连接；主梁支座底板(3-3)与主梁基座(3-7)通过螺栓形式连接；机器人安装孔(3-4)位于主梁侧板(3-5)上部，用于换刀机器人的安装定位；主梁侧板(3-5)与主梁底板(3-8)围成桶式结构；主梁侧板(3-5)与主梁弧板(3-6)通过螺栓相连，起到模拟TBM主梁内部空间的功能；主梁底板(3-8)上开有运刀孔(3-9)，便于滚刀的运送。
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