CN109594997A - 一种应用于全断面隧道掘进机的换刀机器人机身 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道施工技术领域，根据全断面掘进机刀盘内部结构和滚刀在刀盘上的布置方式，设计了一种应用于全断面隧道掘进机的换刀机器人机身，主要由升降机主体、套轨、机器人大臂、机器人滑移基座和机器人底座五大部分组成。目的在于解决全段面隧道掘进机“换刀难，换刀险”的问题，保障换刀工人的生命安全，提高换刀效率，降低施工成本。换刀机器人可以在高压等极端恶劣的环境中，带动末端执行器，完成对刀盘上所有磨损滚刀的更换，进而完成“机器代人”的突破。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，根据全断面掘进机刀盘内部结构和滚刀在刀盘上的布置方式，设计了一种应用于全断面隧道掘进机的换刀机器人机身。
背景技术
全断面掘进机是一种隧道掘进的专用装备，集开挖土体、支护、管片拼装以及输送土渣功能于一体。全段面隧道掘进机作为最先进的隧道施工方法之一，随着国家的建设和发展，对其的需求量量日益增大。但在某些关键作业系统的自动化程度偏低，突出体现在刀盘系统中更换刀具作业还是以人工为主，自动化智能化更是无从谈及。尤其是作业环境极端恶劣(过江、高水土压力(0.77MPa)、高石英含量(60％)高强度卵石(260MPa)、浅覆土层(9.8m)、强风化岩层)的复合式超大泥水盾构机智能化换刀技术亟待突破。如遇上述恶劣施工条件，人工更换单把滚刀耗时高达4小时，同时换刀总耗时至少占整个工期的三分之一以上，且作业人员经常需要承受高压危害，长时间作业会对人体造成不可逆的损害，甚至出现人员伤亡等重大事故，如何降低换刀带来的风险，提高施工进度，降低施工成本，最终实现“机器代人”换刀的突破，是隧道施工领域亟待解决的难题，因此，研制一种代替“人工换刀”的换刀机器人势在必行。
现在的工业机器人如果有较大的末端负载，其机身结构会非常大，但是现有的全断面隧道掘机刀盘内部空间十分狭窄，因此很难将成熟的工业机器人直接应用于换刀作业，所以需要针对盾构机的机器人舱室和刀盘内部空间结构以及滚刀在刀盘上的布置设计一种特殊的换刀机器人机身结构并选择其相应的驱动方式。
发明内容
本发明是一种应用于全断面隧道掘进机上的换刀机器人机身，目的在于解决全段面隧道掘进机“换刀难，换刀险”的问题，保障换刀工人的生命安全，提高换刀效率，降低施工成本。换刀机器人可以在高压等极端恶劣的环境中，带动末端执行器，完成对刀盘上所有磨损滚刀的更换，进而完成“机器代人”的突破。
本发明的技术方案：
一种应用于全断面隧道掘进机的换刀机器人机身，主要由升降机主体1、套轨2、机器人大臂3、机器人滑移基座4和机器人底座5组成；其中，机器人底座5和机器人滑移基座4构成机器人的第一个自由度，机器人大臂3包括一个移动副(机器人第二个自由度)和一个转动副(机器人的第三个自由度)，套轨2构成机器人的第四个自由度，升降机主体1构成机器人的第五个自由度；升降机主体1、套轨2、机器人大臂3和机器人滑移基座4构成机器人的主体部分，示意图如图1所示。
所述的升降机主体1包括升降机底板1-1、剪式机构1-2、上滚珠丝杠1-3、小齿轮1-4、大齿轮1-5、液压马达1-6、升降机上板1-7、中心环1-8、抗弯板结构1-9和小滚珠丝杆1-10；液压马达1-6安装在升降机上板1-7上表面，小齿轮1-4直接固定在液压马达1-6的输出轴上；大齿轮1-5安装在升降机上板1-7下表面并与小齿轮1-4啮合；上滚珠丝杠1-3一端固定在升降机上板1-7上，另一端连接在大齿轮1-4的轴孔上；剪式机构1-2的上端杆与上滚珠丝杆1-3的螺母套相连，剪式机构1-2的下端杆与下滚珠丝杠1-10的螺母套相连；下滚珠丝杠1-10安装在升降机底板1-1上表面；四套抗弯板结构1-9由四节抗弯板串联组成，上端连接在升降机上板1-7上，下端连接在升降机底板1-1上；末端执行器固定在升降机底板1-1的下表面；换刀机器人的升降机主体部分示意图如图2所示；
所述的套轨2包括套轨箱体2-1和套轨滑座2-2；套轨滑座2-2安装在套轨箱体2-1的槽内，套轨滑座2-2上设有中心孔；换刀机器人套轨部分示意图如图3所示；
所述的机器人大臂3包括摆动液压马达3-1、机器人伸出臂3-2、机器人基础臂3-3和单活塞双作用液压缸3-4；摆动液压马达3-1安放在机器人伸出臂3-2上，其输出轴与轴套滑座2-2的中心孔配合；两个单活塞双作用液压缸3-4对称安装在机器人基础臂3-3的左右两侧；机器人基础臂3-3连接在机器人大臂基台4-1的鞍形结构钢上；
所述的机器人滑移基座4包括机器人大臂基台4-1和机器人大臂基台滑座4-2；机器人大臂基台4-1由两个马鞍形结构通过两个空心方杆连接而成；机器人大臂基台滑座4-2通过螺栓固定在机器人大臂基台4-1上，其与机器人底座5配合，实现滑动；换刀机器人大臂和滑移基座示意图如图4所示；
所述的机器人底座5包括机器人底座基座5-1和机器人底座滑轨5-2；换刀机器人底座结构示意图如图5所示。
工作原理：
对于升降机主体1，液压马达1-6旋转带动小齿轮1-4转动，小齿轮1-4带动啮合的大齿轮转动，大齿轮1-带动上滚珠丝杠1-3的丝杠旋转，进而带动上滚珠丝杠1-3的螺母套左右移动，进一步带动剪式机构1-2的伸长和缩短(剪式机构1-2可以实现很大的伸缩比)，从而带动升降机底板1-1上的末端执行器运动到刀盘上的指定位置。
对于套轨2，套轨箱体2-1沿套轨滑座2-2滑动，可以带动升降机主体1前后滑动，从而避免与机器人舱门的干涉。
对于机器人大臂3、机器人滑移基座4以及机器人底座5，机器人大臂3和机器人基座4可以沿机器人底座5上的机器人底座滑轨5-2移动，从而移动到机器人舱门处。机器人伸出臂3-2在单活塞杆双作用液压缸3-4的作用下伸出到舱门外，摆动液压马达3-1可以带动整个升降机主体1和套轨2完成180度的旋转，这样就可以完成机器人舱门左右两侧的滚刀的更换。
本发明的有益效果：本发明是一种应用于全断面隧道掘进机的换刀机器人机身结构，降低换刀工人的换刀风险，提高换刀效率，很好地解决行业“换刀难，换刀险”的难题。
附图说明
图1是全断面隧道掘进机换刀机器人结构示意图
图2是换刀机器人升降机主体部分结构示意图
图3是换刀机器人套轨部分结构示意图
图4是换刀机器人大臂和滑移基座结构示意图
图5是换刀机器人底座结构示意图
图6是换刀机器人未换刀时的位姿示意图
图7是换刀机器人在机器人底座上滑移至舱门时的位姿示意图
图8是换刀机器人大臂伸出舱门时的位姿示意图
图9是换刀机器人伸出舱外更换水平线左侧滚刀时的位姿示意图
图10是换刀机器人旋转升降机主体调整角度时的位姿示意图
图11是换刀机器人伸出舱外更换水平线右侧滚刀时的位姿示意图
图中：1升降机主体；2.套轨；3机器人大臂；4机器人滑移基座；5机器人底座；1-1升降机底板；1-2剪式机构；1-3上滚珠丝杠；1-4小齿轮；1-5大齿轮；1-6液压马达；1-7升降机上板；1-8中心环；1-9抗弯板结构；1-10下滚珠丝杠；2-1套轨箱体；2-2套轨滑座；3-1摆动液压马达；3-2机器人伸出臂；3-3机器人基础臂；3-4单活塞杆双作用液压缸；4-1机器人大臂基台；4-2机器人大臂基台滑座；5-1机器人底座基座；5-2机器人底座滑轨；
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。
步骤一：隧道掘进机掘进时，机器人以未换刀时的位姿示意图6所示处在刀盘后面的机器人舱室内，此时机器人舱室的舱门处于关闭状态，刀盘内的泥土、岩渣不会接触到机器人机身。升降机主体1部分处于收缩状态。
步骤二：当隧道掘进机停机维护时，开始滚刀的更换，此时，机器人舱室门处于打开状态，机器人的主体部分沿机器人底座滑轨5-2移动到机器人舱室门，此处的行程较长，可以选择液压马达驱动滚珠丝杠的方式推动轨道座在轨道上滑移。换刀机器人在机器人底座上滑移至舱门时的位姿示意图如图7所示。
步骤三：机器人伸出臂3-2在两侧液压缸3-4的作用下伸出机器人舱门外，此时升降机主体1部分处在刀盘前后面板之间。换刀机器人大臂伸出舱门时的位姿示意图如图8所示。
步骤四：升降机主体1上的两个液压马达旋转带动剪式机构1-2伸长，同时四套抗弯板1-9也跟随剪式机构1-2同步伸缩(抗弯板可以很大程度增强剪式机构的抗弯能力)，将末端执行器送到指定的滚刀位置，此时可以更换机器人舱门外左侧的滚刀，换刀机器人伸出舱外更换水平线左侧滚刀时的位姿示意图如图9所示。
步骤五：当隧道掘进机的刀盘不能准确将需要更换的滚刀停在水平位置，此时摆动液压缸3-1转动带动升降机主体1及末端执行器进行角度调整，以便于更好的抓起滚刀。换刀机器人旋转升降机主体调整角度时的位姿示意图如图10所示。
步骤六：更换完舱门外左侧的滚刀后，摆动液压缸3-1转动带动升降机主体1及末端执行器到舱门右侧的滚刀处，此时调整升降机的伸长和缩短就可以更换右侧水平线上的所有的滚刀。换刀机器人伸出舱外更换水平线右侧滚刀时的位姿示意图如图11所示。
步骤七：更换完刀盘半径长度上一排滚刀后，转动刀盘更换另一排滚刀，直到更换了刀盘上所有的滚刀。此时，机器人收缩回到机器人舱室内，关闭机器人舱室的舱门。
Claims (1)
1.一种应用于全断面隧道掘进机的换刀机器人机身，其特征在于，所述的应用于全断面隧道掘进机的换刀机器人机身主要由升降机主体(1)、套轨(2)、机器人大臂(3)、机器人滑移基座(4)和机器人底座(5)组成；其中，机器人底座(5)和机器人滑移基座(4)构成机器人的第一个自由度，机器人大臂(3)包括一个移动副即机器人第二个自由度和一个转动副即机器人的第三个自由度，套轨(2)构成机器人的第四个自由度，升降机主体(1)构成机器人的第五个自由度；升降机主体(1)、套轨(2)、机器人大臂(3)和机器人滑移基座(4)构成机器人的主体部分；
所述的升降机主体(1)包括升降机底板(1-1)、剪式机构(1-2)、上滚珠丝杠(1-3)、小齿轮(1-4)、大齿轮(1-5)、液压马达(1-6)、升降机上板(1-7)、中心环(1-8)、抗弯板结构(1-9)和小滚珠丝杆(1-10)；液压马达(1-6)安装在升降机上板(1-7)上表面，小齿轮(1-4)直接固定在液压马达(1-6)的输出轴上；大齿轮(1-5)安装在升降机上板(1-7)下表面并与小齿轮(1-4)啮合；上滚珠丝杠(1-3)一端固定在升降机上板(1-7)上，另一端连接在大齿轮1-4的轴孔上；剪式机构(1-2)的上端杆与上滚珠丝杆1-3的螺母套相连，剪式机构(1-2)的下端杆与下滚珠丝杠1-10的螺母套相连；下滚珠丝杠1-10安装在升降机底板(1-1)上表面；四套抗弯板结构(1-9)由四节抗弯板串联组成，上端连接在升降机上板(1-7)上，下端连接在升降机底板(1-1)上；末端执行器固定在升降机底板(1-1)的下表面；
所述的套轨(2)包括套轨箱体(2-1)和套轨滑座(2-2)；套轨滑座(2-2)安装在套轨箱体(2-1)的槽内，套轨滑座(2-2)上设有中心孔；
所述的机器人大臂(3)包括摆动液压马达(3-1)、机器人伸出臂(3-2)、机器人基础臂(3-3)和单活塞双作用液压缸(3-4)；摆动液压马达(3-1)安放在机器人伸出臂(3-2)上，其输出轴与轴套滑座2-2的中心孔配合；两个单活塞双作用液压缸(3-4)对称安装在机器人基础臂(3-3)的左右两侧；机器人基础臂(3-3)连接在机器人大臂基台(4-1)的鞍形结构钢上；
所述的机器人滑移基座(4)包括机器人大臂基台(4-1)和机器人大臂基台滑座(4-2)；机器人大臂基台(4-1)由两个马鞍形结构通过两个空心方杆连接而成；机器人大臂基台滑座(4-2)通过螺栓固定在机器人大臂基台(4-1)上，其与机器人底座(5)配合，实现滑动；
所述的机器人底座(5)包括机器人底座基座(5-1)和机器人底座滑轨(5-2)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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