CN109940632B - 一种用于全断面掘进机单滚刀更换的液压机械臂 - Google Patents

一种用于全断面掘进机单滚刀更换的液压机械臂 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于全断面掘进机单滚刀更换的液压机械臂。包括滑轨机构、滑动板、第一折叠臂、基本臂、伸缩臂、第二折叠臂和第三折叠臂,滑动板底部通过四个滑块安装于直线滑轨上,丝杠与电机配合带动滑动板移动,第一折叠臂上下两端分别与基本臂和支承座铰接相连,伸缩臂沿基本臂内部空腔来回伸缩;第二折叠臂与第三折叠臂铰接相连;第一液压缸和第二液压缸与液压缸安装座铰接相连,第一液压缸活塞杆铰接安装至第一折叠臂侧面中部,第二液压缸的活塞杆铰接安装至基本臂下表面中部,第四液压缸分别与伸缩臂和第二折叠臂铰接相连,第三液压缸分别与第二折叠臂和第三折叠臂铰接相连。本发明实现在狭窄安装空间下换刀机器人大范围灵巧作业的要求。

Description

一种用于全断面掘进机单滚刀更换的液压机械臂
技术领域
本发明涉及机器人机械臂领域,尤其涉及一种用于全断面掘进机单滚刀更换的液压机械臂。
背景技术
全断面掘进机施工过程中刀具消耗大、更换频繁,换刀作业时间占隧道施工周期的10%以上,现有换刀工作主要依赖人工作业,大埋深、高水压等施工环境下作业安全隐患大,易出现人员伤亡等重大安全事故。据统计,国内近70%的隧道施工安全事故都与人工换刀作业直接相关。随着我国地铁、公路、铁路等隧道建设工程量的增长,全断面掘进机的市场将不断扩大,以高效安全的“机器换人”作业模式实现换刀作业势在必行。现有人工换刀方式有带压换刀和常压换刀两种,上述两种方式仍存在风险大、效率低、成本高的问题。目前已有的换刀机器人样机,其主臂机构采用工业机器人定型产品,难以满足全断面掘进机密封舱内部复杂空间作业需求,无法实现全刀盘作业。
据检索,目前已有用于全断面掘进机换刀作业的机械臂,如公布号CN105965503A的中国专利申请公开了一种适用于盾构机换刀作业的液压机械臂,又如公布号为CN107378925A的中国专利申请公开了一种用于盾构机换刀的机械手臂;上述两种全断面掘进机换刀作业的机械臂技术方案均存在不足之处,换刀机器人工作时需要从安装空间靠近全断面掘进机刀盘处的出口伸出,上述两种方案所需安装空间较大,且要求比较大直径的出口,无法实现狭窄安装空间下换刀机器人大范围灵巧作业的要求。
发明内容
为了解决背景技术中的问题,本发明提供了一种用于全断面掘进机单滚刀更换的液压机械臂本体结构,实现在狭窄安装空间下换刀机器人大范围灵巧作业的要求。
本发明采用的技术方案如下:
本发明包括滑轨机构、滑动板、第一折叠臂、基本臂、伸缩臂、第二折叠臂和第三折叠臂,所述滑轨机构包括底板、直线滑轨、第二螺栓组、滑块、丝杠和电机,底板沿宽度方向的两侧分别通过第二螺栓组安装有两条直线滑轨,两条直线滑轨上均滑动安装有两个滑块,丝杠两端通过固定于底板两端的丝杠座安装于底板上,丝杠位于两条直线滑轨中间且与直线滑轨相平行,丝杠其中一端与电机输出轴相连;
滑动板底部通过四个滑块滑动安装于两条直线滑轨上,滑动板沿长度方向的两侧分别布置有两个滑块且位于同一侧的两个滑块对称布置,滑动板底部中间通过丝杠螺母安装于丝杠上,第一折叠臂下端与位于滑动板上端面中部的支承座铰接相连,第一折叠臂上端与基本臂一端通过铰接相连;伸缩臂一端伸入基本臂内部空腔,伸缩臂另一端从基本臂另一端端口伸出后与第二折叠臂一端中部相连,伸缩臂沿基本臂内部空腔来回伸缩;第二折叠臂另一端与第三折叠臂一端铰接相连;
滑动板上端面两侧分别固定有液压缸安装座,第一液压缸一端与靠近电机的液压缸安装座铰接相连,第一液压缸另一端的活塞杆铰接安装至第一折叠臂靠近电机一侧的侧面中部,第二液压缸一端与远离电机的液压缸安装座铰接相连,第二液压缸另一端的活塞杆铰接安装至基本臂下表面中部;第四液压缸一端铰接安装至位于基本臂外的伸缩臂下表面,第四液压缸另一端的活塞杆与第二折叠臂一端下部铰接相连;第三液压缸一端与第二折叠臂一端上部铰接相连,第三液压缸另一端的活塞杆与第三折叠臂另一端上部铰接相连。
每个所述的滑块分别通过第一螺栓组安装于滑动板底部。
所述液压机械臂整体置于狭窄的机械臂安装空间内进行作业,液压机械臂的第三折叠臂另一端端面用于安装末端执行机构,末端执行机构在液压机械臂的带动下伸出机械臂安装空间实现卸刀和装刀。
所述机械臂安装空间尺寸为1m×1m×3m,出口的闸阀通径为650mm。
所述液压机械臂本体结构由多自由度伸缩/折叠复合臂组成。
所述液压机械臂的卸刀工作过程如下:
S1:打开机械臂安装空间靠近刀盘处的闸阀出口;
S2:第一液压缸活塞杆伸出后带动第一折叠臂向上抬起,同时调整第二液压缸的活塞杆伸出量使得基本臂与伸缩臂保持水平,直至伸缩臂的中心轴线与机械臂安装空间靠近刀盘处的闸阀出口中心轴线接近;然后通过调整第四液压缸和第三液压缸活塞杆的伸出量,使得第二折叠臂与第三折叠臂保持水平,第三折叠臂远离第二折叠臂一端的端面正对闸阀出口;控制电机转动,丝杠在电机的带动下转动,滑动板在丝杆带动以及滑块的导向作用下沿直线滑轨朝闸阀出口平移;
S3:伸缩臂朝闸阀出口方向伸出使得末端执行机构接近刀盘,通过调整第四液压缸和第三液压缸活塞杆的伸出量使得安装于第三折叠臂15上的末端执行机构靠近换刀位置处,通过末端执行机构卸下旧滚刀;
S4:液压机械臂带着旧滚刀沿S2和S3的路径返回,旧滚刀在外部刀具运输机构的作用下运出,完成拆卸旧滚刀的作业过程。
所述液压机械臂的装刀工作过程如下:首先液压机械臂的末端执行机构接收外部刀具运输机构运送的新刀具,液压机械臂按S1和S2的方式运动,直至末端执行机构靠近装刀位置处,通过末端执行机构安装新滚刀,新滚刀安装完毕后液压机械臂沿S1和S2的路径返回,关闭机械臂安装空间靠近刀盘处的闸阀出口,完成安装新滚刀的作业过程。
本发明的有益效果:
本发明实现了在狭窄空间下重载换刀机器人大范围灵巧作业的要求,并且能顺利通过安装空间靠近刀盘一侧的小直径出口。
附图说明
图1是本发明整体装配示意图。
图2是本发明滑轨机构装配示意图。
图3是本发明整体结构的剖视图。
图4是本发明工作示意图。
图中:1-滑动板;2-第一销轴;3-第一液压缸;4-第二销轴;5-第一折叠臂;6-第三销轴;7-基本臂;8-第二液压缸;9-第四销轴;10-伸缩臂;11-第五销轴;12-第二折叠臂;13-第三液压缸;14-第六销轴;15-第三折叠臂;16-第七销轴;17-第八销轴;18-第九销轴;19-第四液压缸;20-第十销轴;21-第一螺栓组;22-第十一销轴;23-第十二销轴;24-底板;25-电机;26-直线滑轨;27-滑块;28-第二螺栓组;29-丝杠;30-安装空间;31-闸阀;32-隔板;33-全断面掘进机刀盘;34-旧滚刀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施过程对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示:本发明包括滑轨机构、滑动板1、第一折叠臂5、基本臂7、伸缩臂10、第二折叠臂12和第三折叠臂15,滑动板1底部通过四个滑块27滑动安装于两条直线滑轨26上,滑动板1沿长度方向的两侧分别布置有两个滑块27且位于同一侧的两个滑块27对称布置,滑动板1底部中间通过丝杠螺母安装于丝杠29上,第一折叠臂5下端通过第十一销轴22与位于滑动板1上端面中部的支承座铰接相连,第一折叠臂5上端通过第二销轴4与基本臂7一端通过铰接相连;伸缩臂10一端伸入基本臂7内部空腔,伸缩臂10另一端从基本臂7另一端端口伸出后与第二折叠臂12一端中部通过第九销轴18相连,伸缩臂10沿基本臂7内部空腔来回伸缩;第二折叠臂12另一端通过第七销轴16与第三折叠臂15一端铰接相连;每个所述的滑块27分别通过第一螺栓组21安装于滑动板1底部。
如图2所示,滑轨机构包括底板24、直线滑轨26、第二螺栓组28、滑块27、丝杠29和电机25,底板24沿宽度方向的两侧分别通过第二螺栓组28安装有两条直线滑轨26,两条直线滑轨26上均滑动安装有两个滑块27,丝杠29两端通过固定于底板24两端的丝杠座安装于底板24上,丝杠29位于两条直线滑轨26中间且与直线滑轨26相平行,丝杠29其中一端与电机25输出轴相连。
如图3所示,滑动板1上端面两侧分别固定有液压缸安装座,第一液压缸3一端通过第一销轴2与靠近电机25的液压缸安装座铰接相连,第一液压缸3另一端的活塞杆通过第十二销轴23铰接安装至第一折叠臂5靠近电机25一侧的侧面中部,第二液压缸8一端通过第十销轴20与远离电机25的液压缸安装座铰接相连,第二液压缸8另一端的活塞杆通过第三销轴6铰接安装至基本臂7下表面中部;第四液压缸19一端通过第四销轴9铰接安装至位于基本臂7外的伸缩臂10下表面,第四液压缸19另一端的活塞杆通过第八销轴17与第二折叠臂12一端下部铰接相连;第三液压缸13一端通过第五销轴11与第二折叠臂12一端上部铰接相连,第三液压缸13另一端的活塞杆通过第六销轴14与第三折叠臂15另一端上部铰接相连。
具体实施过程:
液压机械臂的卸刀工作过程如下:用于全断面掘进机单滚刀更换的液压机械臂进行卸刀作业时,机械臂安装空间30靠近刀盘处的闸阀31出口先打开,第一液压缸3活塞杆伸出,带动第一折叠臂5绕第十一销轴22旋转一定角度,同时调整第二液压缸8的活塞杆伸出量,使得基本臂7与伸缩臂10保持水平,直至伸缩臂10的中心轴线与安装空间30靠近刀盘处的闸阀31出口轴线接近。通过调整第四液压缸19和第三液压缸13活塞杆的伸出量,使得第七销轴16和第九销轴18轴线所在的面水平,第三折叠臂15前端面正对闸阀31出口。然后电机25转动,通过丝杠29带动机械臂底板24,在滑块27的导向下,沿直线滑轨26向前平移直至适当位置。接着伸缩臂10前伸,使机械臂前端接近刀盘,通过第四液压缸19及第三液压缸13的动作,调整第二折叠臂12的姿态并使得第三折叠臂15前端面正对到盘面,直至安装于第三折叠臂15上的末端执行机构靠近所需更换的旧滚刀位置。最后通过末端执行机构卸下刀具,机械臂带着旧刀沿原路径返回,旧滚刀在外部刀具运输机构的作用下运出,完成拆卸旧滚刀作业过程。
液压机械臂进行装刀工作过程如下:先接收外部刀具运输机构运送的新道具,然后机械臂按前述动作方式运动,直至安装于第三折叠臂15上的末端执行机构靠近所需装刀的位置,并调整好姿态。新滚刀安装完毕后机械臂沿原路径返回,机械臂安装空间30靠近刀盘处的闸阀31出口关闭,完成安装新滚刀的作业过程。
如图4所示,机械臂安装空间30尺寸仅为1m×1m×3m,出口的闸阀31通径为650mm,本发明在图示狭窄空间下能够进行灵巧作业,且能顺利通过隔板32位置处的小直径出口;本发明伸出闸阀31后能够对8米直径的全断面掘进机刀盘33上的上下所有滚刀进行换刀操作,实现了机械臂大范围灵巧作业的要求。

Claims (4)

1.一种用于全断面掘进机单滚刀更换的液压机械臂,其特征在于:包括滑轨机构、滑动板(1)、第一折叠臂(5)、基本臂(7)、伸缩臂(10)、第二折叠臂(12)和第三折叠臂(15),所述滑轨机构包括底板(24)、直线滑轨(26)、第二螺栓组(28)、滑块(27)、丝杠(29)和电机(25),底板(24)沿宽度方向的两侧分别通过第二螺栓组(28)安装有两条直线滑轨(26),两条直线滑轨(26)上均滑动安装有两个滑块(27),丝杠(29)两端通过固定于底板(24)两端的丝杠座安装于底板(24)上,丝杠(29)位于两条直线滑轨(26)中间且与直线滑轨(26)相平行,丝杠(29)其中一端与电机(25)输出轴相连;
滑动板(1)底部通过四个滑块(27)滑动安装于两条直线滑轨(26)上,滑动板(1)沿长度方向的两侧分别布置有两个滑块(27)且位于同一侧的两个滑块(27)对称布置,滑动板(1)底部中间通过丝杠螺母安装于丝杠(29)上,第一折叠臂(5)下端与位于滑动板(1)上端面中部的支承座铰接相连,第一折叠臂(5)上端与基本臂(7)一端通过铰接相连;伸缩臂(10)一端伸入基本臂(7)内部空腔,伸缩臂(10)另一端从基本臂(7)另一端端口伸出后与第二折叠臂(12)一端中部相连,伸缩臂(10)沿基本臂(7)内部空腔来回伸缩;第二折叠臂(12)另一端与第三折叠臂(15)一端铰接相连;
滑动板(1)上端面两侧分别固定有液压缸安装座,第一液压缸(3)一端与靠近电机(25)的液压缸安装座铰接相连,第一液压缸(3)另一端的活塞杆铰接安装至第一折叠臂(5)靠近电机(25)一侧的侧面中部,第二液压缸(8)一端与远离电机(25)的液压缸安装座铰接相连,第二液压缸(8)另一端的活塞杆铰接安装至基本臂(7)下表面中部;第四液压缸(19)一端铰接安装至位于基本臂(7)外的伸缩臂(10)下表面,第四液压缸(19)另一端的活塞杆与第二折叠臂(12)一端下部铰接相连;第三液压缸(13)一端与第二折叠臂(12)一端上部铰接相连,第三液压缸(13)另一端的活塞杆与第三折叠臂(15)另一端上部铰接相连;
所述液压机械臂整体置于机械臂安装空间(30)内进行作业,液压机械臂的第三折叠臂(15)另一端端面用于安装末端执行机构,末端执行机构在液压机械臂的带动下伸出机械臂安装空间实现卸刀和装刀;
所述机械臂安装空间尺寸为1m×1m×3m,出口的闸阀通径为650mm。
2.根据权利要求1所述的一种用于全断面掘进机单滚刀更换的液压机械臂,其特征在于:每个所述的滑块(27)分别通过第一螺栓组(21)安装于滑动板(1)底部。
3.根据权利要求1所述的一种用于全断面掘进机单滚刀更换的液压机械臂,其特征在于:所述液压机械臂的卸刀工作过程如下:
S1:打开机械臂安装空间靠近刀盘处的闸阀(31)出口;
S2:第一液压缸(3)活塞杆伸出后带动第一折叠臂(5)向上抬起,同时调整第二液压缸(8)的活塞杆伸出量使得基本臂(7)与伸缩臂(10)保持水平,直至伸缩臂(10)的中心轴线与机械臂安装空间靠近刀盘处的闸阀(31)出口中心轴线接近;然后通过调整第四液压缸(19)和第三液压缸(13)活塞杆的伸出量,使得第二折叠臂(12)与第三折叠臂(15)保持水平,第三折叠臂(15)远离第二折叠臂(12)一端的端面正对闸阀(31)出口;控制电机(25)转动,丝杠(29)在电机(25)的带动下转动,滑动板(1)在丝杠(29)带动以及滑块(27)的导向作用下沿直线滑轨(26)朝闸阀(31)出口平移;
S3:伸缩臂(10)朝闸阀(31)出口方向伸出使得末端执行机构接近全断面掘进机刀盘(33),通过调整第四液压缸(19)和第三液压缸(13)活塞杆的伸出量使得安装于第三折叠臂(15)上的末端执行机构靠近换刀位置处,通过末端执行机构卸下旧滚刀(34);
S4:液压机械臂带着旧滚刀(34)沿S2和S3的路径返回,旧滚刀(34)在外部刀具运输机构的作用下运出,完成拆卸旧滚刀(34)的作业过程。
4.根据权利要求3所述的一种用于全断面掘进机单滚刀更换的液压机械臂,其特征在于:所述液压机械臂的装刀工作过程如下:首先液压机械臂的末端执行机构接收外部刀具运输机构运送的新刀具,液压机械臂按权利要求3所述的S1和S2的方式运动,直至末端执行机构靠近装刀位置处,通过末端执行机构安装新滚刀,新滚刀安装完毕后液压机械臂沿权利要求3所述的S1和S2的路径返回,关闭机械臂安装空间靠近刀盘处的闸阀(31)出口,完成安装新滚刀的作业过程。
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