CN110509287A - 一种适用于tbm换刀机器人的末端执行器 - Google Patents

一种适用于tbm换刀机器人的末端执行器 Download PDF

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Abstract

本发明属于TBM地下施工设备技术领域，提供了一种适用于TBM换刀机器人的末端执行器，包括位姿调整机构、伸缩移动机构、安装板、滚刀抓取机构和螺栓松紧机构。本发明的目的在于为TBM自动化换刀机器人提供一种新型的末端执行器，便于换刀机器人对损坏的滚刀进行自动化更换，从而减少TBM地下设备维修人员的事故发生率，保障了维修人员的生命安全，同时该设备能够提高TBM的施工自动化程度，提高换刀效率，缩短隧道施工的项目周期，减少整个项目的成本，为企业创造更多的效益。

Description

一种适用于TBM换刀机器人的末端执行器
技术领域
本发明涉及了一种适用于TBM换刀机器人的末端执行器，属于隧道掘进施 工设备技术领域。
背景技术
TBM在隧道施工的过程中，刀盘上分布的滚刀与岩石直接接触并发生相对运 动进而破碎岩石。但是由于施工地质条件极其恶劣，TBM刀盘上的滚刀将长期受 到交变载荷以及剧烈冲击的影响，很容易就出现疲劳损伤、疲劳断裂以及磨损 失效等现象。滚刀的磨损或者失效将会影响TBM的掘进速度，所以当滚刀一旦 失效必须更换。然而，目前TBM的滚刀更换工作主要还是以人工更换为主，但 是人工换刀这种作业方式有诸多的弊端，例如：工人人身安全很难保障、换刀 效率低下、换刀费用高等。因此研制自动化的换刀设备势在必行。
为实现TBM自动化换刀，保障隧道施工人员的人身安全，提高隧道的施工 效率，节约施工成本，发明了一种用于TBM换刀机器人的末端执行器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于TBM换刀机器人的末端执行器来配合机 器人本体来实现自动换刀作业。这样不仅能够避免了施工工人的人身安全因进 行换刀作业而受到威胁，还能够提高换刀的效率，缩短项目施工的周期，提升 企业的效益。
本发明的技术方案：
一种适用于TBM换刀机器人的末端执行器，包括位姿调整机构1、伸缩移动 机构2、安装板3、滚刀抓取机构4和螺栓松紧机构5；
所述的位姿调整机构1包括轴承座1-1、伺服电机1-2、电机支架1-3、联 轴器1-4、蜗杆1-5、蜗杆支撑架1-6、主轴1-7、限位套1-8、蜗轮1-9、右轴 承1-10、定位套1-11、左轴承1-12、轴承端盖1-13和支撑板1-14；伺服电机 1-2通过螺栓联结在电机支架1-3外侧表面，电机支架1-3与轴承座1-1的安装 板下表面通过螺栓垂直联结，伺服电机1-2通过联轴器1-4与蜗杆1-5联结， 蜗杆1-5通过轴承安装在蜗杆支撑架1-6内侧表面，蜗杆支撑架1-6通过螺栓 与轴承座1-1的安装板下表面垂直联结；蜗轮1-9通过键联结被安装在主轴1-7 一端上，并通过限位套1-8进行定位；主轴1-7通过右轴承1-10、定位套1-11、 左轴承1-12、轴承端盖1-13配合安装在轴承座1-1中；支撑板1-14通过螺钉 与主轴1-7另一端进行联结；伺服电机1-2输出的旋转运动通过联轴器1-4传 递给蜗杆1-5，蜗杆1-5通过蜗轮蜗杆传动将运动传递给蜗轮1-9，蜗轮1-9通 过键将运动传递给主轴1-7，进而传递给支撑板1-14，支撑板1-14可绕主轴1-7 以任意角度旋转，实现末端执行器位姿调整的动作；
所述的伸缩移动机构2包括轴承座1-1、丝杠电机2-1、丝杠电机支架2-2、 直线导轨2-3、安装板3、丝杠螺母支架2-4、丝杠螺母2-5、导轨滑块2-6、滑 块支撑架2-7和丝杠支撑架2-8；丝杠电机2-1与丝杠电机支架2-2通过螺栓联 结，丝杠电机支架2-2通过螺栓联结于安装板3的下表面，丝杠螺母支架2-4 与轴承座1-1的安装板上表面通过螺钉联结，丝杠螺母2-5与丝杠螺母支架2-4 通过螺栓联结，丝杠电机2-1的丝杠端与丝杠螺母2-5配合形成丝杠螺母副并 通过轴承被安装在丝杠支撑架2-8上，丝杠支撑架2-8通过螺栓与安装板3下 表面联结；直线导轨2-3通过螺钉与安装板3下表面联结，导轨滑块2-6通过 型面与直线导轨2-3配合，导轨滑块2-6通过螺栓与滑块支撑架2-7联结，滑 块支撑架2-7通过螺钉与轴承座1-1的安装板上表面联结；丝杠电机2-1将输 出的旋转运动通过丝杠螺母副转换成丝杠螺母2-5的直线运动，进而通过丝杠 螺母支架2-4将运动传递给轴承座1-1，从而实现了末端执行器的伸缩动作；
所述的安装板3，主要用于提供安装和联结支撑，其上开有螺纹孔与丝杠电 机支架2-2、直线导轨2-3、丝杠支撑架2-8进行联结，从而为末端执行器提供 安装的载体；同时安装板3还作为与机器人连接的接口，实现末端执行器与TBM 换刀机器人的连接；
所述滚刀抓取机构4包括上连接销轴4-1、电动缸支撑架4-2、电动缸4-3、 下连接销轴4-4、托举架4-5、支撑板1-14、机械爪连接块4-7、机械爪连接销 轴4-8和机械爪4-9；电动缸支撑架4-2通过螺钉与支撑板1-14联结，电动缸 4-3固定端通过上连接销轴4-1与电动缸支撑架4-2相联结，电动缸4-3活动端 通过下连接销轴4-4与机械爪4-9联结，机械爪4-9通过机械爪连接销轴4-8 与机械爪连接块4-7连接，机械爪连接块4-7通过螺钉与支撑板1-14进行联结， 从而使机械爪4-9绕机械爪连接销轴4-8转动；电动缸4-3的伸缩运动通过下连接销轴4-4传递给机械爪4-9，驱动机械爪4-9绕机械爪连接销轴4-8转动， 从而实现对滚刀的抓取；托举架4-5通过螺钉与支撑板1-14联结，托举架4-5 主要是对抓出的滚刀进行托举，减少机械爪4-9的受力；
所述的螺栓松紧机构5包括减速电机5-1、齿轮轴支撑架5-2、中心齿轮5-3、 中心齿轮轴5-4、松紧螺母套5-5、电机联结齿轮5-6和支撑板1-14；减速电机 5-1通过螺栓与支撑板1-14进行联结，电机联结齿轮5-6通过顶针与减速电机 5-1的输出轴联结，中心齿轮轴5-4通过轴承安装在齿轮轴支撑架5-2上，中心 齿轮5-3、松紧螺母套5-5通过顶针与中心齿轮轴5-4进行联结；减速电机5-1 将输出的扭矩通过顶针传递给电机联结齿轮5-6，电机联结齿轮5-6通过齿轮副 将扭矩传递给中心齿轮5-3，中心齿轮5-3通过顶针将扭矩传递给中心齿轮轴 5-4，中心齿轮轴5-4通过顶针将扭矩传递给松紧螺母套5-5，进而实现末端执 行器的松紧螺栓动作。
本发明的有益效果：本发明可与TBM换刀机器人相互配合使用，能够替换 现有TBM更换滚刀的工人，有效的保障了隧道施工工人的生命安全，同时能够 大幅提高全断面隧道掘进机更换滚刀的效率，提高TBM的掘进速度，降低隧道 施工成本，提升企业效益。
附图说明
图1是末端执行器整体结构图。
图2是末端执行器位姿调整机构示意图。
图3是末端执行器伸缩移动机构示意图。
图4是末端执行器滚刀抓取机构示意图。
图5是末端执行器螺栓松紧机构示意图。
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；
图中：1位姿调整机构；1-1轴承座；1-2伺服电机；1-3电机支架；1-4联轴器； 1-5蜗杆；1-6蜗杆支撑架；1-7主轴；1-8限位套；1-9蜗轮；1-10右轴承；1-11 定位套；1-12左轴承；1-13轴承端盖；1-14支撑板；2伸缩移动机构；2-1丝杠 电机；2-2丝杠电机支架；2-3直线导轨；2-4丝杠螺母支架；2-5丝杠螺母；2-6 导轨滑块；2-7滑块支撑架；2-8丝杠支撑架；3安装板；4滚刀抓取机构；4-1 上连接销轴；4-2电动缸支撑架；4-3电动缸；4-4下连接销轴；4-5托举架；4-7 机械爪连接块；4-8机械爪连接销轴；4-9机械爪；5螺栓松紧机构；5-1减速电 机；5-2齿轮轴支撑架；5-3中心齿轮；5-4中心齿轮轴；5-5松紧螺母套；5-6 电机联结齿轮。
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：TBM换刀机器人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，使末端执行器上两松紧螺母套5-5 与两螺杆头同轴心，位姿调整机构1动作；电动缸4-3收缩，驱动机械爪4-9张 开，为下一步动作做准备。调整后的末端执行器位姿如图6所示；
步骤三：丝杠电机2-1动作，通过丝杠螺母副驱动轴承座1-1向前移动，进 而带动滚刀抓取机构4、螺栓松紧机构5向前移动直至到达下一个工位，移动后 的末端执行器位姿如图7所示；
步骤四：减速电机5-1动作，通过齿轮副将减速电机5-1的输出扭矩传递给 松紧螺母套5-5，松紧螺母套5-5旋转，从而拧动螺杆使滚刀解锁至可抽取状态。 然后电动缸4-3动作，驱动机械爪4-9动作，机械爪4-9抓住滚刀。抓到滚刀后 的末端执行器位姿如图8所示；
步骤五：丝杠电机2-1动作，通过丝杠螺母副驱动轴承座1-1向后移动，进 而带动滚刀抓取机构4、螺栓松紧机构5向后移动，即将滚刀从刀箱中抽出。滚 刀抽出后的末端执行器位姿如图9所示；
步骤六：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)

1.一种适用于TBM换刀机器人的末端执行器，其特征在于，所述的适用于TBM换刀机器人的末端执行器包括位姿调整机构(1)、伸缩移动机构(2)、安装板(3)、滚刀抓取机构(4)和螺栓松紧机构(5)；
所述的位姿调整机构(1)包括轴承座(1-1)、伺服电机(1-2)、电机支架(1-3)、联轴器(1-4)、蜗杆(1-5)、蜗杆支撑架(1-6)、主轴(1-7)、限位套(1-8)、蜗轮(1-9)、右轴承(1-10)、定位套(1-11)、左轴承(1-12)、轴承端盖(1-13)和支撑板(1-14)；伺服电机(1-2)通过螺栓联结在电机支架(1-3)外侧表面，电机支架(1-3)与轴承座(1-1)的安装板下表面通过螺栓垂直联结，伺服电机(1-2)通过联轴器(1-4)与蜗杆(1-5)联结，蜗杆(1-5)通过轴承安装在蜗杆支撑架(1-6)内侧表面，蜗杆支撑架(1-6)通过螺栓与轴承座(1-1)的安装板下表面垂直联结；蜗轮(1-9)通过键联结被安装在主轴(1-7)一端上，并通过限位套(1-8)进行定位；主轴(1-7)通过右轴承(1-10)、定位套(1-11)、左轴承(1-12)、轴承端盖(1-13)配合安装在轴承座(1-1)中；支撑板(1-14)通过螺钉与主轴(1-7)另一端进行联结；伺服电机(1-2)输出的旋转运动通过联轴器(1-4)传递给蜗杆(1-5)，蜗杆(1-5)通过蜗轮蜗杆传动将运动传递给蜗轮(1-9)，蜗轮(1-9)通过键将运动传递给主轴(1-7)，进而传递给支撑板(1-14)，支撑板(1-14)可绕主轴(1-7)以任意角度旋转，实现末端执行器位姿调整的动作；
所述的伸缩移动机构(2)包括轴承座(1-1)、丝杠电机(2-1)、丝杠电机支架(2-2)、直线导轨(2-3)、安装板(3)、丝杠螺母支架(2-4)、丝杠螺母(2-5)、导轨滑块(2-6)、滑块支撑架(2-7)和丝杠支撑架(2-8)；丝杠电机(2-1)与丝杠电机支架(2-2)通过螺栓联结，丝杠电机支架(2-2)通过螺栓联结于安装板(3)的下表面，丝杠螺母支架(2-4)与轴承座(1-1)的安装板上表面通过螺钉联结，丝杠螺母(2-5)与丝杠螺母支架(2-4)通过螺栓联结，丝杠电机(2-1)的丝杠端与丝杠螺母(2-5)配合形成丝杠螺母副并通过轴承被安装在丝杠支撑架(2-8)上，丝杠支撑架(2-8)通过螺栓与安装板(3)下表面联结；直线导轨(2-3)通过螺钉与安装板(3)下表面联结，导轨滑块(2-6)通过型面与直线导轨(2-3)配合，导轨滑块(2-6)通过螺栓与滑块支撑架(2-7)联结，滑块支撑架(2-7)通过螺钉与轴承座(1-1)的安装板上表面联结；丝杠电机(2-1)将输出的旋转运动通过丝杠螺母副转换成丝杠螺母(2-5)的直线运动，进而通过丝杠螺母支架(2-4)将运动传递给轴承座(1-1)，从而实现了末端执行器的伸缩动作；
所述的安装板(3)，主要用于提供安装和联结支撑，其上开有螺纹孔与丝杠电机支架(2-2)、直线导轨(2-3)、丝杠支撑架(2-8)进行联结，从而为末端执行器提供安装的载体；同时安装板(3)还作为与机器人连接的接口，实现末端执行器与TBM换刀机器人的连接；
所述滚刀抓取机构(4)包括上连接销轴(4-1)、电动缸支撑架(4-2)、电动缸(4-3)、下连接销轴(4-4)、托举架(4-5)、支撑板(1-14)、机械爪连接块(4-7)、机械爪连接销轴(4-8)和机械爪(4-9)；电动缸支撑架(4-2)通过螺钉与支撑板(1-14)联结，电动缸(4-3)固定端通过上连接销轴(4-1)与电动缸支撑架(4-2)相联结，电动缸(4-3)活动端通过下连接销轴(4-4)与机械爪(4-9)联结，机械爪(4-9)通过机械爪连接销轴(4-8)与机械爪连接块(4-7)连接，机械爪连接块(4-7)通过螺钉与支撑板(1-14)进行联结，从而使机械爪(4-9)绕机械爪连接销轴(4-8)转动；电动缸(4-3)的伸缩运动通过下连接销轴(4-4)传递给机械爪(4-9)，驱动机械爪(4-9)绕机械爪连接销轴(4-8)转动，从而实现对滚刀的抓取；托举架(4-5)通过螺钉与支撑板(1-14)联结，托举架(4-5)主要是对抓出的滚刀进行托举，减少机械爪(4-9)的受力；
所述的螺栓松紧机构(5)包括减速电机(5-1)、齿轮轴支撑架(5-2)、中心齿轮(5-3)、中心齿轮轴(5-4)、松紧螺母套(5-5)、电机联结齿轮(5-6)和支撑板(1-14)；减速电机(5-1)通过螺栓与支撑板(1-14)进行联结，电机联结齿轮(5-6)通过顶针与减速电机(5-1)的输出轴联结，中心齿轮轴(5-4)通过轴承安装在齿轮轴支撑架(5-2)上，中心齿轮(5-3)、松紧螺母套(5-5)通过顶针与中心齿轮轴(5-4)进行联结；减速电机(5-1)将输出的扭矩通过顶针传递给电机联结齿轮(5-6)，电机联结齿轮(5-6)通过齿轮副将扭矩传递给中心齿轮(5-3)，中心齿轮(5-3)通过顶针将扭矩传递给中心齿轮轴(5-4)，中心齿轮轴(5-4)通过顶针将扭矩传递给松紧螺母套(5-5)，进而实现末端执行器的松紧螺栓动作。
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