CN109940648A - 一种滚刀更换机械手用末端执行器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚刀更换机械手用末端执行器及其使用方法，解决的技术问题是人工换刀作业存在极大的安全风险，且换刀效率低，无法满足掘进机安全快速掘进的要求。本发明包括夹持机构，夹持机构上设有卡盘拧动机构，所述的夹持机构由驱动II驱动，卡盘拧动机构由驱动I驱动。本发明通过夹持机构和卡盘拧动机构的设置，实现刀具系统的自动拆除，结构动作简单、便于机器人化的实施。

Description

一种滚刀更换机械手用末端执行器及其使用方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种隧道掘进机上用于滚刀更换的机械手用末端执行器及其使用方法。

背景技术

全断面掘进机施工过程中刀具消耗大、更换频繁，刀具检测及换刀作业时间占隧道施工周期的10%以上，现有刀具检测与换刀工作主要依赖人工作业。而全断面掘进机掘进过程中面临高压、高湿等极端运行环境，人工换刀作业存在极大的安全风险，且换刀效率低，无法满足掘进机安全快速掘进的要求。目前，国内外相关研究机构都在开展全断面掘进机换刀机器人技术研究，以替换人工换刀作业。全断面掘进机换刀机器人技术研究已成为隧道掘进领域的全球热点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是人工换刀作业存在极大的安全风险，且换刀效率低，无法满足掘进机安全快速掘进的要求，提供一种高效安全的“机器换人”作业模式实现刀具检测与换刀作业的滚刀更换机械手用末端执行器及其使用方法。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种滚刀更换机械手用末端执行器，包括夹持机构，夹持机构上设有卡盘拧动机构，所述的夹持机构由驱动II驱动，卡盘拧动机构由驱动I驱动。

所述的驱动I为液压马达，驱动II为液压油缸。

所述的夹持机构包括安装板，安装板上设有手指滑轨，安装板下部设有移动手指和固定手指，固定手指固定在安装板上，移动手指通过手指滑轨与安装板滑动连接，液压油缸的底座固定在安装板上，液压油缸的活塞杆与移动手指连接。

所述的卡盘拧动机构包括卡盘和卡板，液压马达固定在安装板上部，液压马达的输出轴穿过安装板与卡盘连接，卡板设置在卡盘的下表面上。

所述的卡板包括I号卡板和II号卡板，I号卡板和II号卡板在卡盘上对称设置。

所述与卡盘拧动机构相配合设有刀具系统，所述的刀具系统包括刀筒，刀筒内设有刀具，与刀筒相配合设有刀具锁紧机构，所述刀具与刀筒之间通过楔形面配合。

所述的刀具锁紧机构包括卡块，与卡块滑动配合设有滑块，滑块上设有卡盘，卡盘中间设有旋转轴，卡盘上设有卡板。

一种滚刀更换机械手用末端执行器的使用方法，包括采用末端执行器拆卸刀具系统的方法和安装刀具的方法，所述拆卸刀具系统的方法为先通过卡盘拧动机构使刀具锁紧机构中I号滑块与II号滑块同时缩回滑槽内，然后利用末端执行器中夹持机构向内卡紧刀具锁紧机构并将其拆出；所述安装刀具的方法为先夹持机构向外撑住刀具并通过旋转刀具使其卡紧刀筒；再利用夹持机构向内卡紧刀具锁紧机构中的卡块并将其放入刀筒内并锁紧。

所述拆卸刀具系统的方法具体包括以下步骤：①拆除刀具锁紧部分：首先通过卡盘拧动机构上的I号卡板和II号卡板分别与刀具锁紧机构中的III号卡板和IV号卡板相配合，通过液压马达旋转带动卡盘转动使刀具锁紧机构中I号滑块与II号滑块同时缩回滑槽内，然后利用末端执行器中夹持机构上的I号油缸和II号油缸使I号移动手指与I号固定手指形成配合抓手、II号移动手指与II号固定手指形成配合抓手，并同时向内卡紧刀具锁紧机构中卡块并将其拆出；

②拆除刀具部分：首先通过末端执行器夹持机构上的I号油缸和II号油缸使I号移动手指与I号固定手指、II号移动手指与II号固定手指形成配合抓手，并同时向外撑紧刀具中的刀轴座，旋转刀具利用抓手将刀具抽出。

所述安装刀具系统的方法包括以下步骤：①安装刀具：末端执行器中的夹持机构向外撑住刀具中的刀轴座并通过旋转刀具使其卡紧刀筒；

②安装刀具锁紧机构：利用夹持机构向内卡紧刀具锁紧机构中的卡块并将其放入刀筒内，最后利用卡盘拧动机构中I号卡板和II号卡板与刀具锁紧机构中的III号卡板和IV号卡板相配合，通过液压马达带动卡盘拧动机构旋转从而使刀具锁紧机构中的I号滑块和II号滑块同时伸出插入到刀筒内，以此达到刀具系统的锁紧状态。

本发明通过夹持机构和卡盘拧动机构的设置，实现刀具系统的自动拆除，结构动作简单、便于机器人化的实施，通过本发明的设计，不需要人工更换刀具，保障施工人员的人身安全，提高隧道施工效率，节约经济成本，为实现机器换刀代替人工换刀提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明夹持机构结构示意图；

图3是本发明卡盘拧动机构结构示意图；

图4是本发明刀具系统结构示意图；

图5是本发明刀具结构示意图；

图6是本发明刀具锁紧机构结构示意图；

图7是本发明刀具与刀筒相配合的局部剖视结构示意图；

图8是本发明刀轴座结构示意图；

图9是本发明刀筒内部结构示意图；

图10是本发明刀筒、刀具、刀具锁紧机构相配合的局部剖视结构示意图；

图11是本发明卡紧刀具锁紧机构状态的结构示意图；

图12是本发明卡紧刀具系统状态的结构示意图。

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。

如图1至图3所示，一种滚刀更换机械手用末端执行器，包括夹持机构3，夹持机构3上设有卡盘拧动机构2，所述的夹持机构3由驱动II314驱动，卡盘拧动机构2由驱动I201驱动。

所述的驱动I201为液压马达，驱动II314为液压油缸。本发明所涉及的液压油缸也可以采用电动杆或者气动杆替代，以不影响本发明的实施为依据。

所述的夹持机构3包括安装板301，安装板301上设有手指滑轨306，安装板301下部设有移动手指和固定手指，固定手指固定在安装板301上，移动手指通过手指滑轨306与安装板301滑动连接，液压油缸的底座固定在安装板上，液压油缸的活塞杆与移动手指连接。本发明液压油缸、移动手指和固定手指有两组，分别为I号油缸302、I号移动手指303和I号固定手指3021，II号油缸304、II号移动手指305和II号固定手指3022。

所述的卡盘拧动机构2包括卡盘202和卡板，液压马达固定在安装板301上部，液压马达的输出轴穿过安装板301与卡盘202连接，卡板设置在卡盘202的下表面上。

所述的卡板包括I号卡板2021和II号卡板2022，I号卡板2021和II号卡板2022在卡盘202上对称设置。I号卡板2021和II号卡板2022与刀座上的卡块相配合。

所述与卡盘拧动机构2相配合设有刀具系统，所述的刀具系统包括刀筒7，刀筒7内设有刀具6，与刀筒7相配合设有刀具锁紧机构8，所述刀具6与刀筒7之间通过楔形面配合。

所述的刀具锁紧机构8包括卡块801，与卡块801滑动配合设有滑块，滑块上设有卡盘804，卡盘804中间设有旋转轴803，卡盘804上设有卡板806。滑块在滑槽内滑动，卡盘804绕旋转轴803旋转；旋转轴803固连于卡块801上。刀具锁紧机构8中的卡板806包括III号卡板8011、IV号卡板8012，分别与末端执行器上的I号卡板2021和II号卡板2022相配合。所述的刀具锁紧机构8通过滑块实现在刀具6在刀筒7内的锁紧功能。

本发明所述的刀筒7为圆柱筒，刀筒7的内壁上设有凸环709和限位块708，凸环709和限位块708之间形成限位滑槽707。

所述限位块708一侧与刀筒7连接，另一侧设有减重槽705；所述刀筒7的内壁上还设有卡接槽706，卡接槽706的上侧面为VI号楔形面703。刀具锁紧机构的滑块伸进卡接槽706内；所述限位滑槽707的底面为V号楔形面702，限位滑槽707的上侧面为IV号楔形面701。刀具装入刀筒后以凸环709为支撑在限位滑槽707内滑动。使用时，限位块708将刀具锁紧机构卡在刀筒内，防止刀具锁紧机构移动旋转。

所述刀具6包括盘形滚刀601和刀轴座602，所述的刀轴座602上设有刀轴槽605，盘形滚刀601的刀轴604伸进刀轴槽605内。

所述刀轴槽605的槽口设有刀轴座挡板603。刀轴604通过刀轴座挡板603固连于刀轴座602上。

所述刀轴座602的相对两侧设有突出块6024，突出块6024的侧面为I号楔形面6021，突出块的上部为II号楔形面6022，刀轴座602的另外两侧上设有III号楔形面6023。突出块6024的侧面为I号楔形面6021与刀筒限位滑槽707的V号楔形面702相配合， II号楔形面6022与限位滑槽707的上侧面为IV号楔形面701相配合。

所述的刀具锁紧机构8包括卡块801，与卡块801滑动配合设有滑块，滑块上设有卡盘804，卡盘804中间设有旋转轴803，卡盘804上设有卡板806。滑块在滑槽内滑动，卡盘804绕旋转轴803旋转；旋转轴803固连于卡块801上。刀具锁紧机构8中的卡板806包括III号卡板8011、IV号卡板8012，分别与末端执行器上的I号卡板和II号卡板相配合。

所述的卡块801上设有I号滑槽807和II号滑槽808，I号滑槽807和II号滑槽808对称设置，所述的滑块包括I号滑块802和II号滑块805，I号滑块802与I号滑槽807相配合，II号滑块805与II号滑槽808相配合；卡盘804与I号滑块802、II号滑块805通过螺纹配合。

所述的卡块801下部设有卡腿809，卡腿809上设有VII号楔形面8011。VII号楔形面8011与刀轴座602上的III号楔形面6023相配合。

所述的滑块外侧设有卡结块8010，卡结块8010外侧设有VIII号楔形面8051。卡结块8010伸进卡接槽内，VIII号楔形面8051与卡接槽内的VI号楔形面703相配合。

刀具系统安装时首先将刀具6装入刀筒7内，到达限定位置时旋转刀具6，使刀轴座602上的I号楔形面6021与刀筒7上V号楔形面702为楔形面配合，刀轴座602上II号楔形面6022与刀筒7上IV号楔形面701为楔形面配合，直至刀具6在刀筒7中处于卡紧状态；然后将刀具锁紧机构8装入刀筒7内，使刀轴座602上的III号楔形面6023与卡块601上的VII号楔形面6011形成配合面，使刀具锁紧机构8锁紧刀具6，防止刀具6松动；最后通过旋转卡盘804，使I号滑块802与II号滑块805沿卡块801的滑槽内移动，实现I号滑块802与II号滑块805同时伸出并卡入刀筒7内的卡接槽内，随着旋转轴803转动，VIII号楔形面8051与卡接槽内的VI号楔形面703相配合，直至刀具锁紧机构8被锁紧，以此达到刀具系统、刀具锁紧机构8与刀筒始终处于紧配合状态。

本发明刀具系统拆卸时与安装过程相反：刀具系统拆卸时首先通过拧动刀具锁紧机构8中的卡盘804使I号滑块802与II号滑块805同时收回，并将刀具锁紧机构取出；然后旋转刀具使其与刀筒的配合松动并取出刀具。

一种滚刀更换机械手用末端执行器的使用方法，包括采用末端执行器拆卸刀具系统的方法和安装刀具的方法，所述拆卸刀具系统的方法为先通过卡盘拧动机构2使刀具锁紧机构8中I号滑块802与II号滑块805同时缩回滑槽内，然后利用末端执行器中夹持机构3向内卡紧刀具锁紧机构8并将其拆出；所述安装刀具的方法为先夹持机构3向外撑住刀具6并通过旋转刀具6使其卡紧刀筒7；再利用夹持机构3向内卡紧刀具锁紧机构8中的卡块并将其放入刀筒7内并锁紧。

所述拆卸刀具系统的方法具体包括以下步骤：①拆除刀具锁紧部分：首先通过卡盘拧动机构2上的I号卡板2021和II号卡板2022分别与刀具锁紧机构8中的III号卡板8011和IV号卡板8012相配合，通过液压马达旋转带动卡盘202转动使刀具锁紧机构8中I号滑块802与II号滑块805同时缩回滑槽内，然后利用末端执行器中夹持机构3上的I号油缸302和II号油缸304使I号移动手指303与I号固定手指3011形成配合抓手、II号移动手指305与II号固定手指1012形成配合抓手，并同时向内卡紧刀具锁紧机构8中卡块801并将其拆出；

②拆除刀具部分：首先通过末端执行器夹持机构3上的I号油缸302和II号油缸304使I号移动手指303与I号固定手指3011、II号移动手指305与II号固定手指3012形成配合抓手，并同时向外撑紧刀具6中的刀轴座602，旋转刀具6利用抓手将刀具6抽出。

所述安装刀具系统的方法包括以下步骤：①安装刀具：末端执行器中的夹持机构3向外撑住刀具6中的刀轴座602并通过旋转刀具6使其卡紧刀筒7；

②安装刀具锁紧机构：利用夹持机构3向内卡紧刀具锁紧机构8中的卡块并将其放入刀筒7内，最后利用卡盘拧动机构中I号卡板和II号卡板与刀具锁紧机构8中的III号卡板和IV号卡板相配合，通过液压马达带动卡盘拧动机构2旋转从而使刀具锁紧机构8中的I号滑块和II号滑块同时伸出插入到刀筒内，以此达到刀具系统的锁紧状态。

Claims (10)

1.一种滚刀更换机械手用末端执行器，其特征在于：包括夹持机构（3），夹持机构（3）上设有卡盘拧动机构（2），所述的夹持机构（3）由驱动II（314）驱动，卡盘拧动机构（2）由驱动I（201）驱动。

2.根据权利要求1所述的滚刀更换机械手用末端执行器，其特征在于：所述的驱动I（201）为液压马达，驱动II（314）为液压油缸。

3.根据权利要求2所述的滚刀更换机械手用末端执行器，其特征在于：所述的夹持机构（3）包括安装板（301），安装板（301）上设有手指滑轨（306），安装板（301）下部设有移动手指和固定手指，固定手指固定在安装板（301）上，移动手指通过手指滑轨（306）与安装板（301）滑动连接，液压油缸的底座固定在安装板上，液压油缸的活塞杆与移动手指连接。

4.根据权利要求2所述的滚刀更换机械手用末端执行器，其特征在于：所述的卡盘拧动机构（2）包括卡盘（202）和卡板，液压马达固定在安装板（301）上部，液压马达的输出轴穿过安装板（301）与卡盘（202）连接，卡板设置在卡盘（202）的下表面上。

5.根据权利要求3所述的滚刀更换机械手用末端执行器，其特征在于：所述的卡板包括I号卡板（2021）和II号卡板（2022），I号卡板（2021）和II号卡板（2022）在卡盘（202）上对称设置。

6.根据权利要求4所述的滚刀更换机械手用末端执行器，其特征在于：所述与卡盘拧动机构（2）相配合设有刀具系统，所述的刀具系统包括刀筒（7），刀筒（7）内设有刀具（6），与刀筒（7）相配合设有刀具锁紧机构（8），所述刀具（6）与刀筒（7）之间通过楔形面配合。

7.根据权利要求5所述的滚刀更换机械手用末端执行器，其特征在于：所述的刀具锁紧机构（8）包括卡块（801），与卡块（801）滑动配合设有滑块，滑块上设有卡盘（804），卡盘（804）中间设有旋转轴（803），卡盘（804）上设有卡板（806）。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的滚刀更换机械手用末端执行器的使用方法，其特征在于：包括采用末端执行器拆卸刀具系统的方法和安装刀具的方法，所述拆卸刀具系统的方法为先通过卡盘拧动机构（2）使刀具锁紧机构（8）中I号滑块（802）与II号滑块（805）同时缩回滑槽内，然后利用末端执行器中夹持机构（3）向内卡紧刀具锁紧机构（8）并将其拆出；所述安装刀具的方法为先夹持机构（3）向外撑住刀具（6）并通过旋转刀具（6）使其卡紧刀筒（7）；再利用夹持机构（3）向内卡紧刀具锁紧机构（8）中的卡块并将其放入刀筒（7）内并锁紧。

9.根据权利要求8所述的滚刀更换机械手用末端执行器的使用方法，其特征在于：所述拆卸刀具系统的方法具体包括以下步骤：①拆除刀具锁紧部分：首先通过卡盘拧动机构（2）上的I号卡板（2021）和II号卡板（2022）分别与刀具锁紧机构（8）中的III号卡板（8011）和IV号卡板（8012）相配合，通过液压马达旋转带动卡盘（202）转动使刀具锁紧机构（8）中I号滑块（802）与II号滑块（805）同时缩回滑槽内，然后利用末端执行器中夹持机构（3）上的I号油缸（302）和II号油缸（304）使I号移动手指（303）与I号固定手指（3011）形成配合抓手、II号移动手指（305）与II号固定手指（1012）形成配合抓手，并同时向内卡紧刀具锁紧机构（8）中卡块（801）并将其拆出；

②拆除刀具部分：首先通过末端执行器夹持机构（3）上的I号油缸（302）和II号油缸（304）使I号移动手指（303）与I号固定手指（3011）、II号移动手指（305）与II号固定手指（3012）形成配合抓手，并同时向外撑紧刀具（6）中的刀轴座（602），旋转刀具（6）利用抓手将刀具（6）抽出。

10.根据权利要求8所述的滚刀更换机械手用末端执行器的使用方法，其特征在于：所述安装刀具系统的方法包括以下步骤：①安装刀具：末端执行器中的夹持机构（3）向外撑住刀具（6）中的刀轴座（602）并通过旋转刀具（6）使其卡紧刀筒（7）；

②安装刀具锁紧机构：利用夹持机构（3）向内卡紧刀具锁紧机构（8）中的卡块并将其放入刀筒（7）内，最后利用卡盘拧动机构中I号卡板和II号卡板与刀具锁紧机构（8）中的III号卡板和IV号卡板相配合，通过液压马达带动卡盘拧动机构（2）旋转从而使刀具锁紧机构（8）中的I号滑块和II号滑块同时伸出插入到刀筒内，以此达到刀具系统的锁紧状态。