CN109236314B - 串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机 - Google Patents

串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，解决的技术问题是为了适应目前多元化隧道断面的开挖需求，弥补现有隧道掘进机开掘断面的单一的不足，本发明包括刀盘刀具系统、串联机器人系统、主梁、和皮带机，所述的主梁后部通过推进油缸与撑靴前部连接，撑靴后部与后支撑连接；所述的刀盘后部通过串联机器人与主梁连接。本发明通过基于串联机器人的新型柔性刀盘支撑结构的设置实现任意形状断面的开挖；通过始终位于洞底的新型出渣系统包含任何形式的刮渣和吸渣系统，将开挖产生的渣土运输出去，快捷方便。

Description

串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机
技术领域
本发明涉及隧道施工中的岩石隧道掘进机（TBM）领域，具体涉及一种可以实现任意断面形状隧道开挖的串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机。
背景技术
岩石隧道掘进机（TBM）是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。目前该种掘进机主要利用刀盘的旋转进行破岩开挖，其开挖断面多为圆形，刀盘只能做轻微俯仰和摆动以调整掘进方向，但开挖面形状受限，难以适应于目前马蹄形、类矩形等多样性断面要求的隧道工程。虽然有少部分配合其他装置联合开挖可以完成矩形、马蹄形等异形断面的工程案例，但是这些异形断面全部应用于软土隧道开挖，在岩石隧道工程中的施工案例却鲜见报道。另外，隧道掘进机开挖断面一旦确定，将难以再次改变，其断面开挖形状单一，应用范围受限，难以满足不同工程不同断面以及甚至同一工程不同断面的要求，工程结束后隧道掘进机进行闲置的状态时有发生。目前在岩石隧道中，成形断面采用双圆形、类矩形、马蹄形等异形断面的公路、铁路等交通隧道工程越来越多，如果采用传统的圆形掘进机开挖，势必增大了工程开挖量，同时超挖的部分还需进行二次回填，不仅提高了工程成本、浪费了人力物力，而且延长了工期。因此，设计一种可满足不同开挖断面工程需求的新型硬岩掘进机迫在眉睫。
串联机器人研究得较为成熟，具有结构简单，成本低，控制简单，运动空间大等优点，已成功应用于很多领域，但在隧道掘进机的支撑方式上尚未见报道。
发明内容
本发明为了适应目前多元化隧道断面的开挖需求，弥补现有隧道掘进机开掘断面的单一的不足，提供一种通过控制串联机器人支撑刀盘的位置和姿态，实现结构灵活，断面转换范围大，可以真正实现岩石隧道任意断面开挖的基于串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统、串联机器人系统、主梁、和皮带机，所述的主梁后部通过推进油缸与撑靴前部连接，撑靴后部与后支撑连接；所述的刀盘后部通过串联机器人与主梁柔性连接。
所述的串联机器人包括刀盘姿态调整机构和串联机器人臂，刀盘姿态调整机构设置在刀盘后部，主梁前部通过串联机器人臂与刀盘刀具系统调整机构连接。
所述的刀盘姿态调整机构包括连接座，连接座前端通过关节轴承与刀盘活动连接，连接座外侧分别通过俯仰油缸和摆动油缸与刀盘连接。
所述的串联机器人臂包括机器大臂、机器小臂和回转底座，回转底座设置在主梁上，机器小臂前端与连接座固定连接，机器大臂后端通过运动关节与回转底座铰接连接，机器大臂和机器小臂铰接连接；所述的回转底座与机器大臂之间、机器大臂与机器小臂之间均设有运动驱动装置。
所述的运动驱动装置为伸缩油缸。
所述的运动关节为球铰座或万向接头。
所述的刀盘刀具系统下方设有出渣系统，出渣系统前端伸至刀盘刀具系统下方、后端与皮带机连接。
所述的出渣系统为皮带机出渣系统或螺旋输送机出渣系统。
所述的刀盘前端设有刀具，后端设有主驱动。
本发明的柔臂掘进机（Robot-TBM）是指掘进机刀盘与支撑大梁之间采用若干组液压油缸弹性连接，刀盘与大梁之间的距离随着开挖位置的变化而变化。本发明通过基于串联机器人的新型柔性刀盘支撑结构的设置实现任意形状断面的开挖；通过始终位于洞底的新型出渣系统包含任何形式的刮渣和吸渣系统，将开挖产生的渣土运输出去，快捷方便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明前端放大结构示意图；
图3是本发明刀盘运动轨迹示意图之一；
图4是本发明刀盘运动轨迹示意图之二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，如图1和图2所示本发明的结构示意图和本发明前端放大结构示意图，包括主梁5、刀盘刀具系统1和皮带机9，所述的主梁5后部通过推进油缸6与撑靴7前部连接，撑靴7后部与后支撑8连接；所述的刀盘刀具系统1后部通过串联机器人与主梁5柔性连接。
所述的串联机器人包括刀盘姿态调整机构2和串联机器人臂3，刀盘姿态调整机构2设置在刀盘后部，主梁5前部通过串联机器人臂3与刀盘姿态调整机构2连接。
所述的刀盘姿态调整机构2包括连接座204，连接座204前端通过关节轴承201与刀盘刀具系统1活动连接，连接座204外侧分别通过俯仰油缸202和摆动油缸203与刀盘刀具系统1连接。本发明的刀盘姿态调整机构2用于调整刀盘刀具系统1的姿态，俯仰油缸202实现其俯仰动作，摆动油缸203实现其左右摆动。俯仰油缸202和摆动油缸203垂直设置。每个刀盘后部均设有刀盘主驱动结构，刀盘姿态调整机构2的俯仰油缸和摆动油缸相互垂直正交，进行调节刀盘的姿态。
实施例2
本发明所述的串联机器人臂3包括机器大臂301、机器小臂305和回转底座303，回转底座303设置在主梁5上，机器小臂305前端与连接座204固定连接，机器大臂301后端通过运动关节304与回转底座303铰接连接，机器大臂301和机器小臂305铰接连接；所述的回转底座与机器大臂之间、机器大臂与机器小臂305之间均设有运动驱动装置，所述的运动驱动装置为伸缩油缸302。串联机器人包括刀盘姿态调整机构2和串联机器人臂3，其中刀盘姿态调整机构2为机器人灵巧手，用于调节刀盘姿态，串联机器人臂3为串联机器人的机械臂本体，其中机器大臂301为主要受力机构，伸缩油缸302用来实现机器人手臂的运动，运动关节304为机器人的旋转关节，回转底座303固定在主梁上实现机器人回转运动，可采取预编程或人机交互等控制方式实现刀盘的多自由度运动。
所述的回转底座与机器大臂之间、机器大臂与机器小臂305之间均设有运动驱动装置302。其它结构同实施例1。
实施例3
本发明所述的运动驱动装置302为伸缩油缸。所述的运动关节304为球铰座或万向接头。其它结构同实施例2。
实施例4
所述的刀盘刀具系统1下方设有出渣系统4，出渣系统4前端伸至刀盘刀具系统1下方、后端与皮带机9连接。其它结构同实施例1。
实施例5
所述的出渣系统4为皮带机出渣系统或螺旋输送机出渣系统。出渣系统4与设置在出渣系统尾部皮带机9相接，出渣系统4将刀盘刀具系统1下方的渣土输送至皮带机9上，再由皮带机9输送至掘进机外侧。其它结构同实施例4。
所述的刀盘刀具系统1前端设有刀具101，后端设有主驱动102。主驱动为刀盘的驱动系统。
本发明根据施工断面形状要求，预先对串联智能机器人进行运动轨迹编程；使掘进机到达到串联智能机器人工作范围，串联智能机器人按照设定轨迹使刀盘到达指定位置并固定；刀盘到达指定位置后，撑靴撑紧洞壁，推进油缸及主驱动工作，进行掌子面开挖；底部出渣系统工作，将坠落在洞底的渣石经皮带机运出；按照预定轨迹重复2-4步，实现任意形状断面开挖，本发明的开挖断面的轨迹如图3和图4所示。

Claims (6)

1.一种串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括主梁（5）、刀盘刀具系统（1）和皮带机（9），所述的主梁（5）后部通过推进油缸（6）与撑靴（7）前部连接，撑靴（7）后部与后支撑（8）连接；其特征在于 ：所述的刀盘刀具系统（1）后部通过串联机器人与主梁（5）柔性连接；
所述的串联机器人包括刀盘姿态调整机构（2）和串联机器人臂（3），刀盘姿态调整机构（2）设置在刀盘后部，主梁（5）前部通过串联机器人臂（3）与刀盘姿态调整机构（2）连接；
所述的刀盘姿态调整机构（2）包括连接座（204），连接座（204）前端通过关节轴承（201）与刀盘刀具系统（1）活动连接，连接座（204）外侧分别通过俯仰油缸（202）和摆动油缸（203）与刀盘刀具系统（1）连接；
所述的串联机器人臂（3）包括机器大臂（301）、机器小臂（305）和回转底座（303），回转底座（303）设置在主梁（5）上，机器小臂（305）前端与连接座（204）固定连接，机器大臂（301）后端通过运动关节（304）与回转底座（303）铰接连接，机器大臂（301）和机器小臂（305）铰接连接；所述的回转底座（303）与机器大臂（301）之间、机器大臂（301）与机器小臂（305）之间均设有运动驱动装置。
2.根据权利要求1所述的串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的运动驱动装置为伸缩油缸（302）。
3.根据权利要求1所述的串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的运动关节（304）为球铰座或万向接头。
4.根据权利要求1所述的串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的刀盘刀具系统（1）下方设有出渣系统（4），出渣系统（4）前端伸至刀盘刀具系统（1）下方、后端与皮带机（9）连接。
5.根据权利要求4所述的串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的出渣系统（4）为皮带机出渣系统或螺旋输送机出渣系统。
6.根据权利要求1所述的串联机器人支撑、可开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的刀盘刀具系统（1）前端设有刀具（101），后端设有主驱动（102）。
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