CN109664320B - 一种用于全断面隧道掘进机换刀机器人的末端执行器 - Google Patents

一种用于全断面隧道掘进机换刀机器人的末端执行器 Download PDF

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Abstract

本发明属于隧道掘进装备技术领域，提供了一种用于全断面隧道掘进机换刀机器人的末端执行器，主要由底板、滚刀抓取装置、拧螺杆装置、位姿调整装置和伸缩移动装置组成。该末端执行器配合新型滚刀和机器人可以可靠的实现自动换刀任务，提高换刀的效率，缩短隧道施工的工期，降低施工成本，保障工人的生命安全。

Description

一种用于全断面隧道掘进机换刀机器人的末端执行器
技术领域
本发明提供了一种用于全断面隧道掘进机换刀机器人的末端执行器，属于隧道掘进装备技术领域。
背景技术
全断面隧道掘进机(TBM)在隧道施工中发挥着越来越重要的作用，大大提高了隧道施工的效率。在TBM掘进破岩的过程中，滚刀起着重要的作用，其直接与坚硬的岩石接触，不可避免的发生磨损，因此更换磨损的滚刀成为工程中必需的一环。然而，目前仍以人工换刀为主，这种换刀方式速度慢、效率低，还具有很大的危险性。而换刀的效率直接关系到隧道施工的效率，进而影响工程的工期和成本，换刀过程中恶劣的环境条件也严重威胁着工人的生命安全。因此，研制自动化换刀设备代替人工换刀是十分必要的。
为实现TBM自动化换刀，提高换刀的效率，缩短隧道施工的工期，降低施工成本，保障工人的生命安全，发明了一种用于全断面隧道掘进机换刀机器人的末端执行器。
发明内容
本发明提供了一种用于全断面隧道掘进机换刀机器人的末端执行器来配合新型滚刀和机器人来实现机械化换刀任务。从而实现机械化换刀，提高换刀效率和安全性、降低换刀成本。为实现以上的功能要求。
本发明的技术方案：
一种用于全断面隧道掘进机换刀机器人的末端执行器，包括底板1、滚刀抓取装置2、拧螺杆装置3、位姿调整装置4和伸缩移动装置5；
所述的底板1，用于安装和连接，其上开有螺纹孔，通过螺纹与直线导轨5-1和伸缩液压缸5-2连接，为末端执行器提供安装的载体，底板1还与机器人相连接，实现末端执行器与机器人的连接；
所述的滚刀抓取装置2包括液压缸2-1、连接接头2-2、爪子2-3、抓取座2-4和连接法兰2-5；液压缸2-1为爪子2-3的张合提供动力，液压缸2-1缸体一端通过铰接与上安装板3-4相连，液压缸2-1推杆通过螺纹连接与连接接头2-2相连；连接接头2-2进一步通过铰接与爪子2-3相连接，爪子2-3与抓取座2-4之间亦通过铰接连接在一起，抓取座2-4通过连接法兰2-5与壳体盖3-1相连接，实现抓取装置2的连接固定；
所述的拧螺杆装置3包括壳体盖3-1、安装壳体3-2、减速器3-3、上安装板3-4、液压马达3-5、小齿轮3-6、大齿轮3-7、大齿轮安装板3-8、内六角套筒3-9、十字铰3-10和传动轴3-11；液压马达3-5提供拧螺杆的动力，并通过螺纹连接与上安装板3-4一表面固定相连；减速器3-3将液压马达3-5的动力进行传递，并进行减速增扭，通过螺纹连接与上安装板3-4的另一表面相连接；大齿轮安装板3-8通过螺纹连接将减速器3-3与大齿轮3-7连接在一起，实现运动的传递；安装壳体3-2通过螺纹连接与减速器3-3相连，为小齿轮3-6、大齿轮3-7和传动轴3-11提供安装的空间；壳体盖3-1与安装壳体3-2通过螺纹连接形成一个密闭的空间，便于齿轮的防护和润滑；内六角套筒3-9的内轮廓形状与螺杆头的形状相适应，并通过十字铰3-10与传动轴3-11相连接；十字铰3-10实现内六角套筒3-9的横纵向转动，以实现位置的补偿作用；传动轴3-11安装于安装壳体3-2中，为其它零件提供安装的位置，并通过花键与小齿轮3-6相连接实现运动的传递；
所述的位姿调整装置4包括支座4-1、调整液压缸4-2和接头；支座4-1通过螺纹连接安装在安装座底座5-3上，为调整液压缸4-2提供安装基座；调整液压缸4-2为末端执行器的调整动作提供动力，调整液压缸4-2缸体与支座4-1铰接，调整液压缸4-2推杆通过螺纹连接与接头相连接；接头通过销轴与上安装板3-4相连接，带动滚刀抓取装置2和拧螺杆装置3作定轴转动，实现末端执行器的微调动作；
所述的伸缩移动装置5包括直线导轨5-1、伸缩液压缸5-2、安装座底座5-3、移动接头5-4、安装基座5-5和滑块5-6；直线导轨5-1通过螺纹连接固定在底板1上，滑块5-6与直线导轨5-1相配合，实现承载和导向作用；伸缩液压缸5-2为末端执行器的伸缩运动提供动力，伸缩液压缸5-2缸体通过螺纹连接固定在底板1上，伸缩液压缸5-2推杆通过螺纹连接与移动接头5-4相连接；安装座底座5-3底部通过安装基座5-5与滑块5-6相连，安装座底座5-3上部与安装壳体3-2固定；移动接头5-4通过螺纹连接固定在安装座底座5-3上，带动安装座底座5-3作直线运动，进一步带动滚刀抓取装置2、拧螺杆装置3、位姿调整装置4作直线运动。
本发明的有益效果：本发明与新型刀座和机器人相配合，可实现机械化自动换刀。缩短了换刀的时间、提高了隧道掘进的效率、降低了工程成本，而且保障了工人的生命安全，提高了换刀的安全性。
附图说明
图1是末端执行器的整体结构示意图；
图2是滚刀抓取装置和拧螺杆装置的结构示意图；
图3是安装壳体内部齿轮传动结构示意图；
图4是内六角套筒安装示意图；
图5是伸缩移动装置结构示意图；
图6是位姿调整后的末端执行器位姿示意图；
图7是移动后抓取滚刀前末端执行器位姿示意图；
图8是抓取滚刀完毕后末端执行器的位姿示意图；
图9是末端执行器抓取滚刀退出刀箱后的位姿示意图；
图10是大齿轮安装板结构示意图；
图中：1底板；2滚刀抓取装置；2-1液压缸；2-2连接接头；2-3爪子；2-4抓取座；2-5连接法兰；3拧螺杆装置；3-1壳体盖；3-2安装壳体；3-3减速器；3-4上安装板；3-5液压马达；3-6小齿轮；3-7大齿轮；3-8大齿轮安装板；3-9内六角套筒；3-10十字铰；3-11传动轴；4位姿调整装置；4-1支座；4-2调整液压缸；5伸缩移动装置；5-1直线导轨；5-2伸缩液压缸；5-3安装座底座；5-4移动接头；5-5安装基座；5-6滑块。
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。
末端执行器拆卸磨损滚刀的过程如下：
步骤一：机械手带动末端执行器移动到要更换滚刀的指定位置，末端执行器的位姿如图1所示；
步骤二：识别新型滚刀上两螺杆的位置，使末端执行器上两内六角套筒3-9与两螺杆头同轴心，位姿调整装置4作用；调整液压缸4-2动作，活塞杆带动接头通过销轴推拉上安装板3-4，使滚刀抓取装置2和拧螺杆装置3作微小的顺时针或逆时针转动，从而使内六角套筒3-9与螺杆头同心；调整后的末端执行器位姿如图6所示；
步骤三：伸缩液压缸5-2动作，活塞杆回缩，通过移动接头5-4带动安装座底座5-3在直线导轨5-1上移动，进一步带动滚刀抓取装置2、拧螺杆装置3和位姿调整装置4移动，移动后的末端执行器位姿如图7所示；
步骤四：拧螺杆装置3工作，调整新型滚刀，使其处于可被抓取的状态；液压马达3-5动作，经减速器3-3减速增扭后，通过大齿轮安装板3-8带动大齿轮3-7转动，大齿轮3-7与两个小齿轮3-6啮合，从而将运动分流为两个作用效果相同的旋转运动，小齿轮3-6与传动轴3-11通过花键连接，传动轴3-11带动内六角套筒3-9作旋转运动，从而拧动螺杆使新型滚刀的抓杆与抓取座2-4的弧面相接触，新型滚刀处于可被抓取状态；
步骤五：滚刀抓取装置2作用，爪子2-3收合抓取滚刀；液压缸2-1动作，活塞杆伸出，通过连接接头2-2推动爪子2-3绕其与抓取座2-4相连接的销轴作定轴转动，爪子2-3收合，内弧面与抓杆贴合，完成滚刀的抓取，此时末端执行器的位姿如图8所示；
步骤六：伸缩液压缸5-2动作，活塞杆伸出，滚刀抓取装置2带着抓取的滚刀回退，将滚刀从刀箱中取出，同时位姿调整装置工作，末端执行器回复到初始的偏转状态，如图9所示；
步骤七：机器人带动末端执行器回退，将滚刀送至指定的位置，至此，完成了磨损滚刀的拆卸工作。
末端执行器执行新滚刀的安装工作过程为上述拆卸过程的逆过程。

Claims (1)

1.一种用于全断面隧道掘进机换刀机器人的末端执行器，其特征在于，所述的用于全断面隧道掘进机换刀机器人的末端执行器包括底板（1）、滚刀抓取装置（2）、拧螺杆装置（3）、位姿调整装置（4）和伸缩移动装置（5）；
所述的底板（1），用于安装和连接，其上开有螺纹孔，通过螺纹与直线导轨（5-1）和伸缩液压缸（5-2）连接，为末端执行器提供安装的载体，底板（1）还与机器人相连接，实现末端执行器与机器人的连接；
所述的滚刀抓取装置（2）包括液压缸（2-1）、连接接头（2-2）、爪子（2-3）、抓取座（2-4）和连接法兰（2-5）；液压缸（2-1）为爪子（2-3）的张合提供动力，液压缸（2-1）缸体一端通过铰接与上安装板（3-4）相连，液压缸（2-1）推杆通过螺纹连接与连接接头（2-2）相连；连接接头（2-2）进一步通过铰接与爪子（2-3）相连接，爪子（2-3）与抓取座（2-4）之间亦通过铰接连接在一起，抓取座（2-4）通过连接法兰（2-5）与壳体盖（3-1）相连接，实现滚刀抓取装置（2）的连接固定；
所述的拧螺杆装置（3）包括壳体盖（3-1）、安装壳体（3-2）、减速器（3-3）、上安装板（3-4）、液压马达（3-5）、小齿轮（3-6）、大齿轮（3-7）、大齿轮安装板（3-8）、内六角套筒（3-9）、十字铰（3-10）和传动轴（3-11）；液压马达（3-5）提供拧螺杆的动力，并通过螺纹连接与上安装板（3-4）一表面固定相连；减速器（3-3）将液压马达（3-5）的动力进行传递，并进行减速增扭，通过螺纹连接与上安装板（3-4）的另一表面相连接；大齿轮安装板（3-8）通过螺纹连接将减速器（3-3）与大齿轮（3-7）连接在一起，实现运动的传递；安装壳体（3-2）通过螺纹连接与减速器（3-3）相连，为小齿轮（3-6）、大齿轮（3-7）和传动轴（3-11）提供安装的空间；壳体盖（3-1）与安装壳体（3-2）通过螺纹连接形成一个密闭的空间，便于齿轮的防护和润滑；内六角套筒（3-9）的内轮廓形状与螺杆头的形状相适应，并通过十字铰（3-10）与传动轴（3-11）相连接；十字铰（3-10）实现内六角套筒（3-9）的横纵向转动，以实现位置的补偿作用；传动轴（3-11）安装于安装壳体（3-2）中，为其它零件提供安装的位置，并通过花键与小齿轮（3-6）相连接实现运动的传递；
所述的位姿调整装置（4）包括支座（4-1）、调整液压缸（4-2）和接头；支座（4-1）通过螺纹连接安装在安装座底座（5-3）上，为调整液压缸（4-2）提供安装基座；调整液压缸（4-2）为末端执行器的调整动作提供动力，调整液压缸（4-2）缸体与支座（4-1）铰接，调整液压缸（4-2）推杆通过螺纹连接与接头相连接；接头通过销轴与上安装板（3-4）相连接，带动滚刀抓取装置（2）和拧螺杆装置（3）作定轴转动，实现末端执行器的微调动作；
所述的伸缩移动装置（5）包括直线导轨（5-1）、伸缩液压缸（5-2）、安装座底座（5-3）、移动接头（5-4）、安装基座（5-5）和滑块（5-6）；直线导轨（5-1）通过螺纹连接固定在底板（1）上，滑块（5-6）与直线导轨（5-1）相配合，实现承载和导向作用；伸缩液压缸（5-2）为末端执行器的伸缩运动提供动力，伸缩液压缸（5-2）缸体通过螺纹连接固定在底板（1）上，伸缩液压缸（5-2）推杆通过螺纹连接与移动接头（5-4）相连接；安装座底座（5-3）底部通过安装基座（5-5）与滑块（5-6）相连，安装座底座（5-3）上部与安装壳体（3-2）固定；移动接头（5-4）通过螺纹连接固定在安装座底座（5-3）上，带动安装座底座（5-3）作直线运动，进一步带动滚刀抓取装置（2）、拧螺杆装置（3）、位姿调整装置（4）作直线运动。
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