CN110625626B - 全断面隧道掘进机换刀机器人试验台及模拟换刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全断面隧道掘进机换刀机器人试验台及模拟换刀方法，解决了现有技术中换刀机器人换刀过程模拟情况不佳的问题。本发明包括梁架和用于存放刀具的刀具存储箱，梁架相对的两侧侧面上分别设有升降装置和仓门机构，升降装置上设有刀具横向调节装置，刀具横向调节装置上设有刀箱，刀具存储箱与仓门机构之间设有移动导轨，移动导轨上设有六轴机械臂，六轴机械臂上设有机器人末端执行机构。本发明通过一套刀具，即可模拟刀具在刀盘上不同的位置和姿态，大大降低了全断面隧道掘进机换刀机器人自动换刀技术的研发成本，为全断面隧道换刀机器人换刀技术的成功研发奠定了基础。

Description

全断面隧道掘进机换刀机器人试验台及模拟换刀方法

技术领域

本发明涉及换刀试验装置技术领域，特别是指一种全断面隧道掘进机换刀机器人试验台及模拟换刀方法。

背景技术

全断面隧道掘进机是用于隧道断面一次成型的大型工程机械，集光、电、液、机、传感器于一体的高度机械化、自动化和集成化的大型隧道衬砌成套设备，广泛应用于穿山隧道、地铁、水利水电等领域。掘进机掘进过程中，隧道的开挖完全依赖刀盘上刀具的切削，刀具易发生磨损或遭冲击而失效，当刀具磨损到一定程度或失效后需要及时更换，否则会加剧其他刀具甚至刀盘的磨损。当前，全断面隧道掘进机基本采用人工换刀，面对高压、高湿的换刀环境，作业人员承受着极大的风险，且人工换刀效率低下。

目前，全断面隧道掘进机自动换刀技术大多处于理论研究阶段，搭建的试验台不符合真实工况和空间约束。在全断面隧道掘进机真机上，由于全断面隧道掘进机前盾部分内部空间有限，所以换刀机器人在掘进机上的安装和运动空间受限，所以发明的全断面隧道掘进机换刀机器人试验台在换刀机器人运动的空间约束上作了限制。其次，刀具在整个刀盘上是呈圆周分布的，不同刀具具有不同的极径和极角，所以换刀机器人换刀时可能会遇到不同位姿的刀具。如申请号为201810887559.9的一种模拟开敞式TBM换刀机器人换刀的试验台及申请号为201811417741.7的一种盘形滚刀换刀机器人模拟试验台及其使用方法，上述两种模拟方式都是理论设计，与真实换刀工况存在较大差别，不能很好的模拟真实换刀情况，模拟数据误差较大，需做进一步改进。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种全断面隧道掘进机换刀机器人试验台及其模拟换刀方法，解决了现有技术中换刀机器人换刀过程模拟情况不佳的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，包括梁架和用于存放刀具的刀具存储箱，梁架相对的两侧侧面上分别设有升降装置和仓门机构，升降装置上设有刀具横向调节装置，刀具横向调节装置上设有刀箱，刀具存储箱与仓门机构之间设有移动导轨，移动导轨上设有六轴机械臂，六轴机械臂上设有机器人末端执行机构。

所述刀具横向调节装置包括横移底座，横移底座的一端与升降装置铰接、另一端的底部滑动设有伸缩支撑，伸缩支撑的外端面与升降装置铰接；横移底座上设有平行设置的横移丝杠和滑杆，横移丝杠与设置在横移底座上的第一伺服电机相连接，横移丝杠上螺纹连接有滑座，滑杆穿过滑座两侧的光孔。

所述横移底座上固定设有用于支撑横移丝杠的支撑板和用于支撑第一伺服电机的支撑挡板。

所述伸缩支撑上设有至少一个光杆，横移底座的下部设有伸缩光孔，光杆位于伸缩光孔内且与伸缩光孔一一对应。

所述升降装置包括竖直设置在梁架上的升降丝杠，升降丝杠上螺纹连接有升降底座，升降底座上设有蜗轮蜗杆升降机构，蜗轮蜗杆升降机构与升降丝杠相配合，且蜗轮蜗杆升降机构与设置在升降底座上的第二伺服电机相连接。

所述梁架上还设有竖直设置的升降滑杆，升降滑杆上设有制动块，制动块的内侧面与升降底座固定连接。

所述梁架为主要由工字梁组成的矩形框架，工字梁上设有用于支撑升降滑杆的滑杆支座和用于支撑升降丝杠的滑杆固定座，升降丝杠的底部通过法兰支座与矩形框架相连接。

所述仓门机构包括仓门架，仓门架与梁架固定连接，仓门架的主视面上开设有换刀通道，仓门架的两侧面设有滑槽，滑槽内设有滑动设有仓门，仓门与换刀通道相配合；梁架上铰接有液压伸缩缸，液压伸缩缸的伸缩端与仓门铰接。

所述移动导轨为直线导轨，直线导轨位于仓门与刀具存储箱之间。

所述刀具存储箱可并列设置两个，两个刀具存储箱的宽度小于梁架的宽度。

一种全断面隧道掘进机换刀机器人试验台的模拟换刀方法，包括如下步骤：S1：待换刀具位姿的调整：通过调节横向移动装置实现刀箱内刀具的横向位移，通过调节升降装置实现刀箱内刀具的垂直方向位移，由于横向移动装置和升降装置通过铰接连接件相连，且伸缩支撑能沿横移丝杠轴向运动，所以当两侧的升降装置只有一侧动作时，改变刀具极角，模拟刀具在刀盘上位姿的调整；

S2：取下待换刀具：换刀机器人接收到换刀指令后，六轴机械臂沿机器人移动导轨运动，六轴机械臂各轴联动，调整机械臂姿态，当接近仓门机构时，仓门在液压伸缩缸的牵引下打开，六轴机械臂穿过换刀通道，通过换刀机器人控制系统设定好的程序将换刀机器人末端执行机构停于待换刀具的刀箱附近，并通过安装于换刀机器人末端执行机构上的视觉导航定位系统对抓刀位置进行精确定位，顺利完成取刀动作；

S3：安装新刀具：在刀具被换刀机器人拆卸下来后，沿步骤S2中的路线原路径返回，并将拆卸的刀具放置于刀具存储箱中，然后从另一个刀具存储箱中取出新刀具，按照换刀机器人控制系统设定程序完成新刀的安装；

S4：完成磨损刀具的更换后，六轴机械臂返回原始位置，仓门关闭，至此，完成整个换刀流程。

本发明依托全断面隧道掘进机原型，结合全断面隧道掘进机空间约束以及刀具在刀盘上的分布规律，设计了一种全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，通过该试验台和模拟换刀方法，可以模拟换刀机器人搭载在全断面隧道掘进机真机上时的空间约束，同时可以模拟刀具在刀盘上的不同位姿，通过横向移动装置和升降装置的配合动作，实现刀具的横向移动、垂直移动、沿刀盘圆周方向的旋转，更符合真实工况，试验数据更加准确。此外，本发明通过一套刀具，即可模拟刀具在刀盘上不同的位置和姿态，大大降低了全断面隧道掘进机换刀机器人自动换刀技术的研发成本，为全断面隧道换刀机器人换刀技术的成功研发奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图图。

图2为本发明刀具横向移动装置结构示意图。

图3为本发明升降装置结构示意图。

图4为本发明梁架结构示意图。

图5为本发明仓门机构结构示意图。

图6为本发明刀箱垂直升降状态示意图。

图7为本发明刀箱极角调整状态示意图。

图8为本发明换刀机器人换刀示意图。

图9为本发明换刀机器人放刀示意图。

图10为本发明横移底座结构示意图。

图11为本发明伸缩支撑结构示意图。

图12为本发明制动块结构示意图。

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。

实施例1，如图1所示，一种全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，包括梁架4和用于存放刀具6的刀具存储箱7，梁架4相对的两侧侧面上分别设有升降装置2和仓门机构10，升降装置2上设有刀具横向调节装置1，刀具横向调节装置1上设有刀箱3，通过刀具横向调节装置和升降装置，用于刀箱3不同姿态的调整，模拟最真实的刀箱状态，即刀具在刀盘上呈圆周方向分布，不同刀具有不同的极径和极角，通过刀具横向调节装置和升降装置模拟不同状态下的刀箱刀具的更换。刀具存储箱7与仓门机构10之间设有移动导轨9，移动导轨9上设有六轴机械臂8，六轴机械臂为现有机器人结构，可沿移动导轨移动，六轴机械臂8上设有机器人末端执行机构5，六轴机械臂8通过机器人末端执行机构实现对刀具的抓取与安装。试验时，将刀箱3调至合适状态，然后六轴机械臂8通过机器人末端执行机构5抓取刀具存储箱7内的刀具，然后沿移动导轨向梁架移动，然后到合适位置处穿过仓门机构，将刀具安装到刀箱3上，完成该刀箱3状态下，换刀的模拟试验。

进一步，如图2所示，所述刀具横向调节装置1包括横移底座1-9，横移底座1-9的一端通过铰接件1-3与升降装置2铰接、另一端的底部滑动设有伸缩支撑1-8，伸缩支撑1-8的外端面通过铰接件1-3与升降装置2铰接；铰接件1-3可采用轴-孔铰接。横移底座1-9上设有平行设置的一个横移丝杠1-5和两个滑杆1-6，两个滑杆1-6对称设置在横移丝杠的两侧。横移丝杠1-5与设置在横移底座1-9上的第一伺服电机1-4通过联轴器相连接，横移丝杠1-5上螺纹连接有滑座1-7，滑杆1-6穿过滑座1-7两侧的光孔对滑座起到支撑作用，滑座与滑杆滑动连接。在第一伺服电机的作用下，横移丝杠转动，带动滑座沿横移丝杠和滑杆横向移动。

更进一步，如图10和11所示，所述横移底座1-9上固定设有用于支撑横移丝杠1-5的支撑板1-1和用于支撑第一伺服电机1-4的支撑挡板1-2。支撑挡板1-2和支撑板1-1平行设置且通过螺栓与横移底座固定连接。所述伸缩支撑1-8上设有至少一个光杆1-10，横移底座1-9的下部设有伸缩光孔1-11，光杆1-10位于伸缩光孔1-11内且与伸缩光孔1-11一一对应，光杆可在伸缩光孔中自由滑动，通过光杆相对横移底座的滑动，实现横移底座整体长度的调节，以适应刀箱3处于不同的倾斜状态。

实施例2，如图3和12所示，一种全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，所述升降装置2有两套且对称设置在刀具横向调节装置1的两侧，每套升降装置均包括竖直设置在梁架4上的升降丝杠2-3，升降丝杠2-3上螺纹连接有升降底座2-7，升降底座2-7通过铰接连接件2-1与横移底座上的铰接件1-3铰接，升降底座2-7上设有蜗轮蜗杆升降机构2-2，蜗轮蜗杆升降机构2-2与升降丝杠2-3相配合，且蜗轮蜗杆升降机构2-2与设置在升降底座2-7上的第二伺服电机2-5相连接。即在第二伺服电机的作用下，带动蜗轮蜗杆升降机构沿升降丝杠2-3上下移动，实现刀具横向调节装置上下位置的调节。所述梁架4上还设有竖直设置的升降滑杆2-4，升降滑杆2-4位于升降丝杠的一侧，升降滑杆2-4上设有制动块2-6，制动块2-6的内侧面与升降底座2-7固定连接。制动块2-6通过螺栓固定于升降底座2-7上，得电松开，断电锁紧，对涡轮升降机2-2起到制动作用，避免丝杠2-3垂直方向上受力过大。

进一步，如图4所示，所述梁架4为主要由工字梁4-2组成的矩形框架，矩形框架通过螺栓固定在地面上，工字梁4-2上设有滑杆支座4-1，工字梁4-2的上部设有滑杆固定座4-3，升降滑杆2-4通过滑杆固定座4-3与矩形框架相连接，升降丝杠2-3通过法兰支座4-5、滑杆固定座4-3与矩形框架相连接，且矩形框架的前侧面上通过铰接连接件4-4与仓门机构10的液压伸缩缸10-1的铰接，铰接连接件4-4焊接在工字梁上。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，如图5所示，一种全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，所述仓门机构10包括仓门架10-5，仓门架10-5与梁架4固定连接，仓门架10-5的主视面上开设有换刀通道10-4，仓门架10-5的两侧面设有滑槽10-6，滑槽10-6内设有滑动设有仓门10-3，仓门10-3与换刀通道10-4相配合；梁架4上铰接有液压伸缩缸10-1，液压伸缩缸10-1的伸缩端与仓门10-3铰接。在液压伸缩缸的作用下，仓门沿滑槽上下移动，实现对换刀通道的开合。换刀通道10-4开孔尺寸模拟真实全断面隧道掘进机空间约束，作为刀具6运输通道；仓门架10-5通过螺栓固定于地面。

进一步，所述移动导轨9为直线导轨，直线导轨位于仓门10-3与刀具存储箱7之间。所述刀具存储箱7可并列设置两个，两个刀具存储箱7的宽度小于梁架4的宽度，模拟最真实工况下的换刀过程。

其他结构与实施例2相同。

刀具在刀盘上位姿的调整：刀箱3是固定于刀盘（等同于本申请中的滑座1-7）上的，刀具6安装固定于刀箱3中（如图6），本发明的试验台也模拟了这种安装方式。刀具在刀盘上呈圆周方向分布，不同刀具有不同的极径和极角，本申请的试验台通过横向移动装置1实现刀具的横向位移，通过升降装置2实现刀具的垂直方向位移，由于横向移动装置1和升降装置2通过铰接连接件相连，且伸缩支撑1-8可以沿丝杠1-5轴向运动，所以当两侧的升降装置只有一侧动作时，可以实现刀具在刀盘上圆周方向角度的变化，即实现刀具极角的变化，（如附图7所示）。通过横向移动装置1和升降装置2的配合动作，就实现了刀具在刀盘上位姿的调整。

全断面隧道掘进机换刀机器人换刀过程：当刀具智能检测系统检测到某把刀具磨损超限后，刀盘利用刀盘上的旋转编码器，将磨损刀具旋转到换刀通道10-4附近，即本发明的试验台刀箱所处空间，然后换刀机器人接收到换刀指令后，换刀机器人沿机器人移动导轨9运动，六轴机械臂各轴联动，调整机械臂姿态，当接近仓门机构10时，仓门10-3在液压伸缩缸10-1的牵引下打开，换刀机器人机械臂穿过换刀通道10-4，通过换刀机器人控制系统设定好的程序将换刀机器人末端执行机构5停于已磨损刀具刀箱3附近，并通过安装于换刀机器人末端执行机构5上的视觉导航定位系统对抓刀位置进行精确定位，顺利完成换刀动作，换刀机器人换刀示意图（如附图8和9所示）。当已磨损的刀具6被换刀机器人拆卸下来后，沿原路径返回，并将拆卸的刀具放置于刀具存储箱7中，然后从另一个刀具存储箱7中取出新刀，按照换刀机器人控制系统设定程序完成新刀的安装。完成磨损刀具的更换后，换刀机器人返回机器人仓中，仓门10-3关闭，至此，完成整个换刀流程。整个换刀过程中，换刀机器人在运动时，运动空间局限于仓门机构10的高度和宽度所在空间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，其特征在于：包括梁架（4）和用于存放刀具（6）的刀具存储箱（7），梁架（4）相对的两侧侧面上分别设有升降装置（2）和仓门机构（10），升降装置（2）上设有刀具横向调节装置（1），刀具横向调节装置（1）上设有刀箱（3），刀具存储箱（7）与仓门机构（10）之间设有移动导轨（9），移动导轨（9）上设有六轴机械臂（8），六轴机械臂（8）上设有机器人末端执行机构（5）；

所述刀具横向调节装置（1）包括横移底座（1-9），横移底座（1-9）的一端与升降装置（2）铰接、另一端的底部滑动设有伸缩支撑（1-8），伸缩支撑（1-8）的外端面与升降装置（2）铰接；横移底座（1-9）上设有平行设置的横移丝杠（1-5）和滑杆（1-6），横移丝杠（1-5）与设置在横移底座（1-9）上的第一伺服电机（1-4）相连接，横移丝杠（1-5）上螺纹连接有滑座（1-7），滑杆（1-6）穿过滑座（1-7）两侧的光孔。

2.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，其特征在于：所述横移底座（1-9）上固定设有用于支撑横移丝杠（1-5）的支撑板（1-1）和用于支撑第一伺服电机（1-4）的支撑挡板（1-2）。

3.根据权利要求2所述的全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，其特征在于：所述伸缩支撑（1-8）上设有至少一个光杆（1-10），横移底座（1-9）的下部设有伸缩光孔（1-11），光杆（1-10）位于伸缩光孔（1-11）内且与伸缩光孔（1-11）一一对应。

4.根据权利要求1或2或3所述的全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，其特征在于：所述升降装置（2）包括竖直设置在梁架（4）上的升降丝杠（2-3），升降丝杠（2-3）上螺纹连接有升降底座（2-7），升降底座（2-7）上设有蜗轮蜗杆升降机构（2-2），蜗轮蜗杆升降机构（2-2）与升降丝杠（2-3）相配合，且蜗轮蜗杆升降机构（2-2）与设置在升降底座（2-7）上的第二伺服电机（2-5）相连接。

5.根据权利要求4所述的全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，其特征在于：所述梁架（4）上还设有竖直设置的升降滑杆（2-4），升降滑杆（2-4）上设有制动块（2-6），制动块（2-6）的内侧面与升降底座（2-7）固定连接。

6.根据权利要求5所述的全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，其特征在于：所述梁架（4）为主要由工字梁（4-2）组成的矩形框架，工字梁（4-2）上设有用于支撑升降滑杆（2-4）的滑杆支座（4-1）和用于支撑升降丝杠（2-3）的滑杆固定座（4-3），升降丝杠（2-3）的底部通过法兰支座（4-5）与矩形框架相连接。

7.根据权利要求1或6所述的全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，其特征在于：所述仓门机构（10）包括仓门架（10-5），仓门架（10-5）与梁架（4）固定连接，仓门架（10-5）的主视面上开设有换刀通道（10-4），仓门架（10-5）的两侧面设有滑槽（10-6），滑槽（10-6）内设有滑动设有仓门（10-3），仓门（10-3）与换刀通道（10-4）相配合；梁架（4）上铰接有液压伸缩缸（10-1），液压伸缩缸（10-1）的伸缩端与仓门（10-3）铰接。

8.根据权利要求7所述的全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，其特征在于：所述移动导轨（9）为直线导轨，直线导轨位于仓门（10-3）与刀具存储箱（7）之间。

9.根据权利要求1或8所述的全断面隧道掘进机换刀机器人试验台，其特征在于：所述刀具存储箱（7）可并列设置两个，两个刀具存储箱（7）的宽度小于梁架（4）的宽度。

10.一种全断面隧道掘进机换刀机器人试验台的模拟换刀方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：待换刀具位姿的调整：通过调节横向移动装置（1）实现刀箱（3）内刀具的横向位移，通过调节升降装置（2）实现刀箱（3）内刀具的垂直方向位移，由于横向移动装置（1）和升降装置（2）通过铰接连接件相连，且伸缩支撑（1-8）能沿横移丝杠（1-5）轴向运动，所以当两侧的升降装置只有一侧动作时，改变刀具极角，模拟刀具在刀盘上位姿的调整；

S2：取下待换刀具：换刀机器人接收到换刀指令后，六轴机械臂（8）沿机器人移动导轨（9）运动，六轴机械臂（8）各轴联动，调整机械臂姿态，当接近仓门机构（10）时，仓门（10-3）在液压伸缩缸（10-1）的牵引下打开，六轴机械臂（8）穿过换刀通道（10-4），通过换刀机器人控制系统设定好的程序将换刀机器人末端执行机构（5）停于待换刀具的刀箱（3）附近，并通过安装于换刀机器人末端执行机构（5）上的视觉导航定位系统对抓刀位置进行精确定位，顺利完成取刀动作；

S3：安装新刀具：在刀具被换刀机器人拆卸下来后，沿步骤S2中的路线原路径返回，并将拆卸的刀具放置于刀具存储箱（7）中，然后从另一个刀具存储箱（7）中取出新刀具，按照换刀机器人控制系统设定程序完成新刀的安装；

S4：完成磨损刀具的更换后，六轴机械臂（8）返回原始位置，仓门（10-3）关闭，至此，完成整个换刀流程。

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