CN110103242B - 一种用于tbm单刃滚刀换取的机械臂末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于TBM单刃滚刀换取的机械臂末端执行器，包括箱体、单刃滚刀夹取模块、螺栓松紧装置及其驱动模块、压块和螺栓回收模块和连接板，单刃滚刀夹取模块配有双向液压缸，作用于连杆，驱动对称布置的V形管状手指夹取滚刀；螺栓松紧器及其驱动模块配有电机，驱动轮系带动螺栓松紧装置拆装螺栓；压块和螺栓回收模块，配有电磁铁，与螺栓松紧器配合完成回收；箱体将上述功能模块集成为一整体。连接板连接执行器与机械臂。本发明的机械臂末端执行器可与TBM换刀机械臂和TBM单刃滚刀安装座配合使用，自动换取单刃滚刀，取代人工换刀。本发明操作方便，能有效回收零件和提高换刀效率，符合绿色设计理念，减少换刀作业的施工风险。

Description

一种用于TBM单刃滚刀换取的机械臂末端执行器

技术领域

本发明涉及一种全断面岩石隧道掘进机(TBM)，特别涉及一种用于TBM单刃滚刀换取的机械臂末端执行器。

背景技术

作为一种隧道施工机械，全断面隧道掘进机(简称TBM)施工中，由于工况复杂，施工过程关键零部件的损坏严重，安装在刀盘上的滚刀是影响隧道掘进的易损关键零部件，需要及时更换。目前在隧道施工中常采用人工换刀，根据人工换刀环境的不同分为常压换刀或带压换刀，前者对地质条件的要求较高，一般工况难以满足；后者可以适用不同的地质条件，但对换刀作业人员身体素质要求较高，只有通过了体检和带压测试并经过了相关培训的人员才能带压进仓。现存适用的人工换刀技术，一方面不仅对作业人员要求严苛，而且由于工况的复杂性带来的不可控因素会对作业人员的安全构成威胁；另一方面，为提供作业人员作业环境，TBM必须提供配套设备辅助作业，既增加了TBM的复杂性，也耗费大量的时间。

由于刀具磨损带来的换刀作业问题，部分学者从源头分析，着力研究刀盘布局、刀具材料和结构等问题，旨在减少换刀次数，与此同时，针对人工换刀出现的低效、安全威胁、配套设备复杂等问题，有很多学者转向自动换刀技术，提出采用机械臂代替人工换刀。

发明内容

针对上述现有技术，本发明基于现有技术，本发明旨在提供一种用于TBM单刃滚刀换取的机械臂末端执行器，可以实现对滚刀安装轴的夹持、对螺栓的拆装、对压块和螺栓的回收。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于TBM单刃滚刀换取的机械臂末端执行器，包括箱体、单刃滚刀夹取模块、螺栓松紧装置及其驱动模块和压块和螺栓回收模块；所述单刃滚刀夹取模块包括双向液压油缸和两套手指部件；所述双向液压油缸通过一个液压缸安装板安装在所述箱体的后端，所述双向液压油缸包括两个耳环；两套手指部件的结构相同、并对称得布置在所述箱体的上下两侧；手指部件包括一个连杆、一个花键轴、两个手指固定座和两个管状V形手指；所述连杆的一端设有滑槽，所述滑槽内装配有滑杆，所述滑杆与所述双向液压油缸上的一个耳环配合，所述滑杆的轴向运动由第一销轴和挡块限制，所述连杆的另一端设有花键孔与所述花键轴配合，所述花键轴通过花键轴安装座经由螺栓安装在所述箱体上；两个手指固定座均设有花键孔并装配在所述花键轴的两端；每个手指固定座设有盲孔，两个管状V形手指的一端分别各自插在一个盲孔内，并通过销轴与所在的手指固定座固定，每个管状V形手指的另一端为自由端，所述管状V形手指的固定端一侧为直线段，所述管状V形手指的自由端一侧为V形段；所述螺栓松紧装置及其驱动模块包括电机、安装板和中心轴，所述安装板包括连接为一体的安装立板与安装平板，所述安装平板上设有轴承支座，所述电机安装在所述安装平板上，所述安装平板的两侧设有滑块，所述箱体内的两侧壁上设有与所述滑块配合的滑槽，所述安装立板位于安装平板的前部，所述安装立板上设有高度平齐、且轴线平行的三个轴孔，三个轴孔记为中心轴孔，第一轴孔和第二轴孔；所述中心轴由所述轴承支座和中心轴支撑，所述电机的输出轴通过联轴器与所述中心轴的一端相连，所述中心轴上设有中心齿轮，所述中心轴的另一端穿过所述中心轴孔及箱体的前面板并通过法兰部件连接有中心螺纹杆，所述中心螺纹杆上装配有螺纹块，所述螺纹块与所述箱体固定；所述第一轴孔和第二轴孔内分别设有第一齿轮轴和第二齿轮轴，所述第一齿轮轴和所述第二齿轮轴的一端分别设有均与所述中心齿轮啮合的第一行星轮和第二行星轮；所述第一齿轮轴和第二齿轮轴的另一端均穿过箱体的前面板并分别通过法兰各自连接有一个螺栓松紧器；所述螺栓松紧器包括与所述法兰连接的法兰套，所述法兰套内自后端至前端依次设有第一弹簧、凸块和凹块，所述法兰套的侧壁上、自法兰套的后端沿轴向设有开槽，所述凸块上设有径向销轴，所述径向销轴嵌在所述开槽内；所述凹块与所述凸块相对的端面是经四分度后设置的斜面相配合，所述凹块的另一端为方扁结构的螺栓拆装杆，并从所述法兰套的前端穿出；所述压块和螺栓回收模块包括电磁铁安装板，所述箱体的前面板上固定有与所述中心轴平行的两个立柱，两个立柱的端部设有径向销孔，所述电磁铁安装板上设有分别与所述中心轴、两个螺栓松紧器和两个立柱对正的通孔，在每个立柱上套装有一个第二弹簧，再将所述电磁铁安装板装在两个立柱上，然后用与径向销孔配合的销钉固定；所述电磁铁安装板上安装有四块上下左右对称布置的电磁铁。

本发明的用于TBM单刃滚刀换取的机械臂末端执行器，其中，所述电磁铁的前面比所述螺栓拆装杆的前面靠前。

所述箱体的后端固定有连接板，所述连接板用于机械臂末端执行器与机械臂末端关节的连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的机械臂末端执行器可与TBM换刀机械臂和TBM单刃滚刀安装座配合使用，自动换取单刃滚刀，取代人工换刀。本发明的机械臂末端执行器主要包括箱体、单刃滚刀夹取模块、螺栓松紧装置及其驱动模块和压块和螺栓回收模块，并通过连接板与机械臂末端关节相连；其中的单刃滚刀夹取模块配有双向液压油缸，作用于连杆，并驱动对称布置的V形管状手指夹取滚刀；所述的螺栓松紧器及其驱动模块配有电机，驱动轮系带动螺栓松紧器拆装螺栓；所述压块和螺栓回收模块，配有电磁铁，与螺栓松紧器配合完成回收；上述的三个功能模块集成于箱体形成一个整体。本发明机械臂末端执行器操作方便，能有效回收零件和提高换刀效率，符合绿色设计理念，减少换刀作业的施工风险。

附图说明

图1为本发明用于TBM单刃滚刀换取的机械臂末端执行器的外观示意图；

图2为在图1基础上拆去箱体后的结构示意图；

图3为从图1后端观看本发明的机械臂末端执行器的示意图；

图4-1为图1中所示单刃滚刀夹取模块的主视图；

图4-2为图4-1所示单刃滚刀夹取模块的侧视图；

图4-3为图4-2中A-A局部剖面图；

图4-4为图4-2中B-B局部剖面图；

图5-1为图3中所示连接板的俯视图；

图5-2为图3中所示连接板的后视图；

图6为图2中所示螺栓松紧装置及其驱动模块的结构示意图；

图7-1为图6中所示螺栓松紧器的内部结构示意图；

图7-2是图6中所示螺栓松紧器的外观示意图；

图8为本发明中螺栓松紧装置及其驱动模块与箱体的装配关系示意图；

图9-1为本发明中压块和螺栓回收模块的俯视图；

图9-2为本发明中压块和螺栓回收模块的侧视图；

图9-3为本发明中压块和螺栓回收模块的端向视图；

图10为本发明中箱体的示意图。

图中：

1-单刃滚刀夹取模块，2-螺栓松紧装置及其驱动模块的驱动部分，3-螺栓松紧装置及其驱动模块的松紧装置，4-压块和螺栓回收模块，5-箱体，6-连接板，7-后箱壁，8-下面板，9-滑杆，10-双向液压油缸，11-挡块，12-第一销轴，13-连杆，14-花键轴，15-花键轴安装座，16-手指固定座，17-销轴，18A-直线段，18B-V形段，19-电机，20-联轴器，21-轴承支座，22A-第一行星轮，22B-中心齿轮，22C-第二行星轮，23A-第一齿轮轴，23B-中心轴，23C-第二齿轮轴，24A-安装立板，24B-安装平板，25A-法兰，25B-法兰部件，26-法兰套，27-螺纹块，28-中心螺纹杆，29-滑块，30-第一弹簧，31-径向销轴，32-凸块，33-凹块，34-前面板，35-滑槽，36-右面板，37-上面板，38-左面板，39-电磁铁，40-立柱，41-销轴4，42-第二弹簧，43-电磁铁安装板，44-紧定螺钉。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1和图2所示，本发明提出的一种用于TBM单刃滚刀换取的机械臂末端执行器，包括箱体5、单刃滚刀夹取模块1、螺栓松紧装置及其驱动模块和压块和螺栓回收模块4。所述螺栓松紧装置及其驱动模块包括螺栓松紧装置及其驱动模块的驱动部分2和螺栓松紧装置及其驱动模块的松紧装置3。

如图8和图10所示，所述箱体5包括上面板37、下面板8、前面板34、左面板38和右面板36，在前面板34上设有多个用于相关零部件穿过的通孔，所述箱体5的后端固定有用于将本发明机械臂末端执行器与机械臂末端关节连接的连接板6，所述连接板的结构如图5-1和图5-2所示。

如图1、图2和图3所示，本发明中的所述单刃滚刀夹取模块1包括双向液压油缸10和两套手指部件；所述双向液压油缸10通过一个液压缸安装板安装在所述箱体5的后端，所述双向液压油缸10包括两个耳环。

两套手指部件的结构相同、并对称布置在所述箱体5的上下两侧；如图4-1和图4-2所示，手指部件包括一个连杆13、一个花键轴14、两个手指固定座16和两个管状V形手指；所述连杆13的一端设有滑槽，所述滑槽内装配有滑杆9，所述滑杆9与所述双向液压油缸10上的一个耳环配合，所述滑杆9的轴向运动由挡块11和第一销轴12和挡块11限制，如图4-3和图4-4所示，所述连杆13的另一端设有花键孔与所述花键轴14配合；所述花键轴14通过花键轴安装座15经由螺栓安装在所述箱体5上；两个手指固定座16均设有花键孔并装配在所述花键轴14的两端；每个手指固定座16设有盲孔，两个管状V形手指的一端分别各自插在一个盲孔内，并通过销轴17与所在的手指固定座16固定，每个手指固定座16设有花键孔与所述花键轴14配合，所述手指固定座16设有盲孔，所述管状V形手指的一端插在所述盲孔内，并通过销轴17与所述手指固定座16固定，所述管状V形手指的另一端为自由端，所述管状V形手指的固定端一侧为直线段18A，以适应所述箱体5的尺寸，所述管状V形手指的自由端一侧为V形段18B，用于夹取与滚刀配合的安装轴，如图1、图2、图3、图4-1和图4-2所示，所述双向液压油缸10驱动所述管状V形手指的开合实现滚刀的夹取。

如图6和图8所示，所述螺栓松紧装置及其驱动模块包括电机19、安装板和中心轴23B，所述安装板包括连接为一体的安装立板24A与安装平板24B，所述安装平板24B上设有轴承支座21，所述电机19安装在所述安装平板24B上，所述安装平板24B的两侧设有滑块29，所述箱体5内的两侧壁上设有与所述滑块29配合的滑槽35，所述滑槽35通过螺栓安装在所述箱体上，并与安装在所述安装平板24B侧面的滑块29滑动连接。所述安装立板24A位于安装平板24B的前部，所述安装立板24A上设有高度平齐、且轴线平行的三个轴孔，三个轴孔记为中心轴孔，第一轴孔和第二轴孔；所述中心轴23B由所述轴承支座21和中心轴孔支撑，所述电机19的输出轴通过联轴器20与所述中心轴23B的一端相连，所述中心轴23B上设有中心齿轮22B，所述中心轴23B的另一端穿过所述中心轴孔及箱体的前面板34并通过法兰部件25B连接有中心螺纹杆28，所述中心螺纹杆28上装配有螺纹块27，所述螺纹块27与所述箱体5固定；所述第一轴孔和第二轴孔内分别设有第一齿轮轴23A和第二齿轮轴23C，所述第一齿轮轴23A和所述第二齿轮轴23C的一端分别设有均与所述中心齿轮22B啮合的第一行星轮22A和第二行星轮22C；所述第一齿轮轴23A和第二齿轮轴23C的另一端均穿过箱体的前面板34并分别通过法兰25A各自连接有一个螺栓松紧器；如图7-1和图7-2所示，所述螺栓松紧器包括与所述法兰25A连接的法兰套26，所述法兰套26内自后端至前端依次设有第一弹簧30、凸块32和凹块33，所述法兰套26的侧壁上、自法兰套26的后端沿轴向设有开槽，所述凸块32上设有径向销轴31，所述径向销轴31嵌在所述开槽内；所述凹块33与所述凸块32相对的端面是经四分度后设置的斜面相配合，所述凹块33的另一端为方扁结构的螺栓拆装杆，并从所述法兰套26的前端穿出。进一步详细的说明是：所述凸块32的一端设有通孔，所述凸块32的另一端面圆周经四分度后设置斜面，从所述端面向所述凸块32内部看，斜面在顺时针方向上由低变高，所述凹块33的一端设有斜面与所述凸块32配合，所述凹块33的另一端设有螺栓拆装杆，所述法兰套26的一端通过螺栓与所述法兰25A固接，所述法兰套26的另一端设有与所述螺栓拆装杆配合的通孔，所述法兰套26的内部套装相配合的所述凹块33、凸块32和预紧用的第一弹簧30，所述法兰套26的侧壁开有滑槽与安装在所述凸块32上的径向销轴31配合。所述电机19驱动由中心齿轮22B、第一行星轮22A和第二行星轮22C构成的轮系的正反转，从而带动所述螺栓松紧器的正反转，所述中心齿轮22B的转动驱动所述螺纹杆28相对转动，带动所述安装平板24B上的所述滑块29相对滑槽35移动，从而带动所述螺栓松紧器轴向移动，其中，所述凸块32的斜面方位布置与所述第一弹簧30配合使用，可使当在拧紧螺栓时扭矩过大脱扣而起到保护作用，当拆卸螺栓时可以保证提供足够的扭矩。

如图9-1、图9-2和图9-3所示，所述压块和螺栓回收模块3包括电磁铁安装板43，所述箱体5的前面板34上固定有与所述中心轴23B平行的两个立柱40，两个立柱40的端部设有径向销孔，所述电磁铁安装板43上设有分别与所述中心轴23B、两个螺栓松紧器和两个立柱对正的通孔，在每个立柱40上套装有一个第二弹簧42，再将所述电磁铁安装板43装在两个立柱40上、并紧邻所述预紧后的第二弹簧42，所述电磁铁安装板43经支柱40穿过支柱孔后由销轴41进行轴向固定；所述电磁铁安装板43上经紧定螺钉44安装有四块上下左右对称布置的电磁铁39，所述电磁铁39的前面比所述螺栓拆装杆的前面靠前。所述电磁铁与所述第二弹簧30配合使用，可使在拆装螺栓过程中电磁铁39与压块紧密接触，保证电磁铁39对压块吸附的同时，也保证螺栓与螺栓拆装杆的接触。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种用于TBM单刃滚刀换取的机械臂末端执行器，包括箱体(5)，其特征在于，还包括有单刃滚刀夹取模块(1)、螺栓松紧装置及其驱动模块和压块和螺栓回收模块(4)；

所述单刃滚刀夹取模块(1)包括双向液压油缸(10)和两套手指部件；所述双向液压油缸(10)通过一个液压缸安装板安装在所述箱体(5)的后端，所述双向液压油缸(10)包括两个耳环；两套手指部件的结构相同、并对称得布置在所述箱体(5)的上下两侧；手指部件包括一个连杆(13)、一个花键轴(14)、两个手指固定座(16)和两个管状V形手指；所述连杆(13)的一端设有滑槽(35)，所述滑槽(35)内装配有滑杆(9)，所述滑杆(9)与所述双向液压油缸(10)上的一个耳环配合，所述滑杆(9)的轴向运动由第一销轴(12)和挡块(11)限制，所述连杆(13)的另一端设有花键孔与所述花键轴(14)配合，所述花键轴(14)通过花键轴安装座(15)经由螺栓安装在所述箱体(5)上；两个手指固定座(16)均设有花键孔并装配在所述花键轴(14)的两端；每个手指固定座(16)设有盲孔，两个管状V形手指的一端分别各自插在一个盲孔内，并通过销轴(17)与所在的手指固定座(16)固定，每个管状V形手指的另一端为自由端，所述管状V形手指的固定端一侧为直线段(18A)，所述管状V形手指的自由端一侧为V形段(18B)；

所述螺栓松紧装置及其驱动模块包括电机(19)、安装板和中心轴(23B)，所述安装板包括连接为一体的安装立板(24A)与安装平板(24B)，所述安装平板(24B)上设有轴承支座(21)，所述电机(19)安装在所述安装平板(24B)上，所述安装平板(24B)的两侧设有滑块(29)，所述箱体(5)内的两侧壁上设有与所述滑块(29)配合的滑槽(35)，所述安装立板(24A)位于安装平板(24B)的前部，所述安装立板(24A)上设有高度平齐、且轴线平行的三个轴孔，三个轴孔记为中心轴孔，第一轴孔和第二轴孔；所述中心轴(23B)由所述轴承支座(21)和中心轴支撑，所述电机(19)的输出轴通过联轴器(20)与所述中心轴(23B)的一端相连，所述中心轴(23B)上设有中心齿轮(22B)，所述中心轴(23B)的另一端穿过所述中心轴孔及箱体的前面板(34)并通过法兰部件(25B)连接有中心螺纹杆(28)，所述中心螺纹杆(28)上装配有螺纹块(27)，所述螺纹块(27)与所述箱体(5)固定；所述第一轴孔和第二轴孔内分别设有第一齿轮轴(23A)和第二齿轮轴(23C)，所述第一齿轮轴(23A)和所述第二齿轮轴(23C)的一端分别设有均与所述中心齿轮(22B)啮合的第一行星轮(22A)和第二行星轮(22C)；所述第一齿轮轴(23A)和第二齿轮轴(23C)的另一端均穿过箱体的前面板(34)并分别通过法兰(25A)各自连接有一个螺栓松紧器；所述螺栓松紧器包括与所述法兰(25A)连接的法兰套(26)，所述法兰套(26)内自后端至前端依次设有第一弹簧(30)、凸块(32)和凹块(33)，所述法兰套(26)的侧壁上、自法兰套(26)的后端沿轴向设有开槽，所述凸块(32)上设有径向销轴(31)，所述径向销轴(31)嵌在所述开槽内；所述凹块(33)与所述凸块(32)相对的端面是经四分度后设置的斜面相配合，所述凹块(33)的另一端为方扁结构的螺栓拆装杆，并从所述法兰套(26)的前端穿出；

所述压块和螺栓回收模块(4)包括电磁铁安装板(43)，所述箱体(5)的前面板(34)上固定有与所述中心轴(23B)平行的两个立柱(40)，两个立柱(40)的端部设有径向销孔，所述电磁铁安装板(43)上设有分别与所述中心轴(23B)、两个螺栓松紧器和两个立柱对正的通孔，在每个立柱(40)上套装有一个第二弹簧(42)，再将所述电磁铁安装板(43)装在两个立柱(40)上，然后用与径向销孔配合的销钉固定；所述电磁铁安装板(43)安装有四块上下左右对称布置的电磁铁(39)；所述电磁铁(39)的前面比所述螺栓拆装杆的前面靠前；

所述箱体的后端固定有连接板(6)，所述连接板(6)用于机械臂末端执行器与机械臂末端关节的连接。