CN110802620B - 一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器 - Google Patents

一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器，属于掘进机技术领域。该执行器主要包括主体框架结构、柔性螺栓装卸结构、拆装固定结构和吊挂板。柔性螺栓装卸结构中设置有3组液压缸连接装置，通过控制系统可以实现螺栓套桶在一定角度范围内与螺栓进行自动对正，同时万象球连接装置被动的实现不同角度的旋转，本发明同时考虑到掘进机刀盘的有限工作空间，提供的拆装固定结构可以在狭小的空间内进行工作，两个抓手顶端先靠拢，然后液压缸b收缩，抓手向两侧张开将抓手的尖端插入刀箱的凸环内，从而实现拆装固定。在提高工作精度和可靠性的同时保证了工作人员的安全。

Description

一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器
技术领域
本发明涉及掘进机技术领域，尤其涉及一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器。
背景技术
通常情况下掘进机在施工的过程中，其刀具直接进行破岩与开挖，由于地质原因，刀具承受较大的冲击力与磨损，刀盘的受力情况非常复杂，会造成掘进机刀具的严重磨损，需要频繁的更换刀具。这严重制约了掘进效率，此时就要开舱进行刀具的检查与更换。目前掘进机的换刀方式是人工换刀，常用的开舱换刀方式有三种：常压换刀、带压换刀和使用竖井换刀，无论哪种换刀方式都要工作人员进入开挖舱内进行换刀作业，掘进机的换刀作业不仅耗资巨大、周期长、效率低，而且作业环境恶劣，操作人员将承受极大的安全风险。
为了提高工作效率，降低工作人员的工作风险，尝试研发一款掘进机自动换刀装置尤其是末端执行器来代替人工换刀作业，从而实现安全、高效的换刀过程。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器，其结构如图1所示，包括主体框架结构(1)、柔性螺栓装卸结构(2)、拆装固定结构(3)和吊挂板(6)。
所述主体框架结构(1)如图2所示，包括：支撑板a(11)、支撑板b(12)、尾板(13)，支撑板a(11)与支撑板b(12)的一端分别与尾板(13)连接，形成一端开口的矩形，支撑板a(11)和支撑板b(12)的另一端向矩形内部延伸，形成突起部分，在支撑板a(11)和支撑板b(12)突起部分的外侧，每侧分别固定两个抓手耳环(14)，分别在靠近尾板(13)的一端固定一个液压缸耳环a(15)。
所述柔性螺栓装卸结构(2)上设置有轴向移动结构(4)如图3所示和柔性固定结构(5)如图4所示；
所述柔性固定结构(5)如图4所示，包括：支撑框架(51)、盖板(52)、3组液压缸连接装置(53)、万象球连接装置(54)；
所述轴向移动结构(4)如图3所示，包括：燕尾槽滑道板(41)、液压缸c(42)、摆线马达(43)、马达安装法兰(44)、连接器(45)、扭力倍增器(46)、扭力倍增器安装法兰(47)、螺栓套筒(48)。
所述拆装固定结构(3)如图5所示，包括：抓手(31)和液压缸b(32)。
所述吊挂板(6)的结构如图6所示，其宽度较所述主体框架结构(1)上的支撑板a(11)与支撑板b(12)一端的突起部分要窄，在吊挂板(6)的一面上接近边缘的3条边上固定焊接有3个球槽座支撑块(61)，剩余一条边上的中间位置设置4个螺孔，用于固定连接所述柔性固定结构(5)，所述球槽座支撑块(61)与吊挂板(6)的边缘的夹角为锐角，所述吊挂板(6)与主体框架结构(1)上的支撑板a(11)与支撑板b(12)一端的突起部分连接，用于将柔性螺栓装卸结构(2)与主体框架结构(1)固定连接。
所述支撑框架(51)包括燕尾槽滑道(511)和液压缸耳环c(512)，其结构如图7所示；
所述盖板(52)的一面上固定连接万象球槽支撑块(521)和万象球连接装置支撑块(522)，所述盖板(52)通过螺栓与支撑框架(51)固定连接，其结构及连接方式如图8所示。
所述3组液压缸连接装置(53)如图9所示，包括：万象球槽a(531)、万象球a(532)、液压缸a(533)、万象球b(534)、万象球槽b(535)，所述万象球槽a(531)、万象球a(532)、液压缸a(533)、万象球b(534)、万象球槽b(535)依次相互连接。
所述万象球连接装置(54)如图10所示，包括万象球槽c(541)和万象球座c(542)。
所述万象球槽支撑块(521)包含3个用于连接液压缸连接装置(53)的平面，分别与3组液压缸连接装置(53)的万象球槽b(535)固定连接，所述万象球连接装置支撑块(522)位于上述3个平面的前端，并分开一段距离，在万象球连接装置支撑块(522)背向液压缸连接装置(53)的一侧与万象球连接装置(54)的万象球座c(542)固定连接，其连接方法如图4所示。
所述轴向移动结构(4)的液压缸c(42)的一端与支撑框架(51)的液压缸耳环c(512)活动连接，液压缸c(42)的另一端与燕尾槽滑道板(41)固定连接，所述燕尾槽滑道板(41)与支撑框架(51)内的燕尾槽滑道(511)相互连接。
所述螺栓套筒(48)、扭力倍增器(46)、连接器(45)、摆线马达(43)依次相互连接成为一个整体，并在扭力倍增器(46)上安装扭力倍增器安装法兰(47)，在摆线马达(43)上安装马达安装法兰(44)，通过扭力倍增器安装法兰(47)与马达安装法兰(44)固定在燕尾槽滑道板(41)的背面，其结构如图3所示。
所述柔性固定结构(5)通过四个固定点与吊挂板(6)固定连接，其连接结构如图4所示，所述3组液压缸连接装置(53)上的万象球槽a(531)与吊挂板(6)上的球槽座支撑块(61)固定连接，所述万象球连接装置(54)上的万象球槽c(541)与所述吊挂板(6)剩余一条边上的中间位置的设置4个螺孔固定连接。
所述抓手(31)的底部设计有抓手连接结构(311)，与手臂垂直位置设计有伸出的圆杆(312)，所述圆杆上套有套筒；所述抓手连接结构(311)与所述主体框架结构(1)上的抓手耳环(14)活动连接，所述液压缸b(32)的一端与圆杆(312)活动连接，另一端与主体框架结构(1)上的液压缸耳环a(15)活动连接。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明的技术方案是针对于泥水平衡式掘进换刀机器人而设计的一款换刀机器人末端执行器，可与换刀机器人配套使用。
2、本发明采用3组液压缸连接装置(53)，通过控制系统可以实现螺栓套桶在一定角度范围内与螺栓进行自动对正，提高工作精度和可靠性。
3、本发明的柔性螺栓装卸结构(2)通过万象球结构与吊挂板(6)连接，可以将整体重量传送到支撑板上，同时万象球结构可以被动的实现不同角度的旋转，协助支承框架(51)的转动。
4、本发明同时考虑到掘进机刀盘的有限工作空间，提供的拆装固定结构可以在狭小的空间内进行工作，两个抓手(31)顶端先靠拢，然后液压缸b(32)收缩，抓手向两侧张开将抓手的尖端插入刀箱的凸环内，从而实现拆装固定。
附图说明
图1为本发明一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器的总体结构图；
图2为本发明主体框架结构(1)的结构图；
图3为本发明轴向移动结构(4)的结构图；
图4为本发明柔性固定结构(5)的结构图；
图5为本发明拆装固定结构(3)与主体框架结构(1)的结构与连接方式图；
图6为本发明吊挂板(6)的结构图；
图7为本发明支撑框架(51)的结构图；
图8为本发明支撑框架(51)与盖板(52)的结构与连接方式图；
图9为本发明3组液压缸连接装置(53)的结构图；
图10为本发明万象球连接装置(54)的结构图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器，包括：包括主体框架结构(1)、柔性螺栓装卸结构(2)、拆装固定结构(3)和吊挂板(6)。
所述主体框架结构(1)如图2所示，包括：支撑板a(11)、支撑板b(12)、尾板(13)，支撑板a(11)与支撑板b(12)的一端分别与尾板(13)连接，形成一端开口的矩形结构，支撑板a(11)和支撑板b(12)的另一端向矩形内部延伸，形成突起部分，在支撑板a(11)和支撑板b(12)突起部分的外侧，每侧分别焊接两个抓手耳环(14)，分别在靠近尾板(13)的一端焊接一个液压缸耳环a(15)。主体框架结构(1)起到支撑和承担整个末端执行器重量的作用，同时又起到与机械臂即拆装固定结构(3)活动连接的功能。
所述柔性螺栓装卸结构(2)上设置有轴向移动结构(4)和柔性固定结构(5)；所述柔性固定结构(5)如图4所示，包括：支撑框架(51)、盖板(52)、3组液压缸连接装置(53)、万象球连接装置(54)；所述轴向移动结构(4)如图3所示，包括：燕尾槽滑道板(41)、液压缸c(42)、摆线马达(43)、马达安装法兰(44)、连接器(45)、扭力倍增器(46)、扭力倍增器安装法兰(47)、螺栓套筒(48)。所述柔性螺栓装卸结构(2)可以在一定角度范围内与要装卸的螺栓进行自动对正，可以实现螺栓套筒对螺栓的精确定位，提高工作精度和可靠性。
所述拆装固定结构(3)如图5所示，包括：抓手(31)和液压缸b(32)，可以通过液压缸b(32)的缩放控制抓手(31)的动作，实现对滚刀箱的拆装固定。
所述吊挂板(6)的结构如图6所示，其宽度较所述主体框架结构(1)上的支撑板a(11)与支撑板b(12)一端的突起部分要窄，在吊挂板(6)的一面上接近边缘的3条边上固定焊接有3个球槽座支撑块(61)，剩余一条边上的中间位置设置4个螺孔，用于固定连接所述柔性固定结构(5)，所述球槽座支撑块(61)与吊挂板(6)的边缘的夹角为锐角，所述吊挂板(6)与主体框架结构(1)上的支撑板a(11)与支撑板b(12)一端的突起部分用螺栓固定连接，用于将柔性螺栓装卸结构(2)固定主体框架结构(1)上。所述吊挂板(6)主要作用是将柔性螺栓装卸结构(2)连接到主体框架结构(1)上，将柔性螺栓装卸结构(2)上受到的力转移到主体框架结构(1)上。
所述支撑框架(51)包括燕尾槽滑道(511)和液压缸耳环c(512)，其结构如图7所示；
所述盖板(52)的一面上固定连接万象球槽支撑块(521)和万象球连接装置支撑块(522)，所述盖板(52)通过螺栓与支撑框架(51)固定连接，其结构及连接方式如图8所示。
所述3组液压缸连接装置(53)如图9所示，包括：万象球槽a(531)、万象球a(532)、液压缸a(533)、万象球b(534)、万象球槽b(535)，所述万象球槽a(531)、万象球a(532)、液压缸a(533)、万象球b(534)、万象球槽b(535)依次相互连接。
所述万象球连接装置(54)如图10所示，包括万象球槽c(541)和万象球座c(542)。
所述万象球槽支撑块(521)包含3个用于连接液压缸连接装置(53)的平面，分别与3组液压缸连接装置(53)的万象球槽b(535)固定连接，所述万象球连接装置支撑块(522)位于上述3个平面的前端，并分开一段距离，在万象球连接装置支撑块(522)背向液压缸连接装置(53)的一侧与万象球连接装置(54)的万象球座c(542)固定连接，其连接方法如图4所示。
所述轴向移动结构(4)的液压缸c(42)的一端与支撑框架(51)的液压缸耳环c(512)活动连接，液压缸c(42)的另一端与燕尾槽滑道板(41)固定连接，所述燕尾槽滑道板(41)与支撑框架(51)内的燕尾槽滑道(511)相互连接。
所述螺栓套筒(48)、扭力倍增器(46)、连接器(45)、摆线马达(43)依次相互连接成为一个整体，并在扭力倍增器(46)上安装扭力倍增器安装法兰(47)，在摆线马达(43)上安装马达安装法兰(44)，通过扭力倍增器安装法兰(47)与马达安装法兰(44)固定在燕尾槽滑道板(41)的背面，其结构如图3所示。
所述柔性固定结构(5)通过四个固定点与吊挂板(6)固定连接，其连接结构如图4所示，所述3组液压缸连接装置(53)上的万象球槽a(531)与吊挂板(6)上的球槽座支撑块(61)固定连接，所述万象球连接装置(54)上的万象球槽c(541)与所述吊挂板(6)剩余一条边上的中间位置的设置4个螺孔固定连接。
所述抓手(31)的底部设计有抓手连接结构(311)，与手臂垂直位置设计有伸出的圆杆(312)，所述圆杆上套有套筒；所述抓手连接结构(311)与所述主体框架结构(1)上的抓手耳环(14)通过销轴活动连接，所述液压缸b(32)的一端与圆杆(312)活动连接，另一端与主体框架结构(1)上的液压缸耳环a(15)通过销轴活动连接。当液压缸b(32)收缩时液压缸b(32)的一端拉动圆杆(312)，从而带动抓手(31)的尖端部分以抓手耳环(14)与抓手连接结构(311)的销轴连接部分为轴，向两侧摆动，从而固定滚刀箱与末端执行器。
一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器，其工作包括滚刀箱的拆卸和安装两个流程，其中滚刀箱的拆卸流程包括如下步骤：
步骤1：末端执行器接收到换刀命令时，末端执行器在换刀机器人的上一个机械臂的带动下向前推进，拆装固定结构(3)中的液压缸b(32)此时处于伸长状态；
步骤2：当抓手(31)到达预先指定的位置后，液压缸b(32)开始收缩，带动抓手(31)向外扩张，使抓手(31)的尖端插入滚刀箱的凸环内，使末端执行器的主体框架结构(1)相对于滚刀箱固定，同时防止滚刀箱掉落；
步骤3：柔性螺栓装卸结构(2)中的柔性固定结构(5)通过调整3组液压缸连接装置(53)的不同伸缩量，带动盖板(52)与支撑框架(51)发生不同角度的变化；此外万象球连接装置(54)作为固定点被动的实现不同角度的旋转，协助盖板(52)与支承框架(51)的转动；
步骤4：盖板(52)与支撑框架(51)带动轴向移动结构(4)发生不同角度的变化，从而带动螺栓套筒(48)发生不同角度的变化，实现螺栓套筒(48)与待拆卸的滚刀箱上的螺栓对准功能；
步骤5：轴向移动结构(4)中的液压缸c(42)伸开，带动燕尾槽滑道板(41)从支撑框架(51)内的燕尾槽滑道(511)滑出，从而带动固定在燕尾槽滑道板(41)上的螺栓套筒(48)、扭力倍增器(46)、连接器(45)、摆线马达(43)的连接结构一起滑出，使得螺栓套筒(48)套在待拆卸滚刀箱的螺栓上；
步骤6：摆线马达(43)启动，带动螺栓套筒(48)工作，同时通过扭力倍增器增加拆卸螺栓时的扭力，实现螺栓的拆卸；
步骤7：待所有螺栓拆卸完毕，拆装固定结构(3)中的液压缸b(32)仍然处于收缩状态，末端执行器在换刀机器人的上一个机械臂的带动下向后退离，此时抓手(31)带着滚刀箱同时向后退离，从而完成滚刀箱的拆卸工作；
一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器，执行滚刀箱的安装流程包括如下步骤：
a：末端执行器的抓手(31)带着新的滚刀箱在换刀机器人的上一个机械臂的带动下向前推进，直至定位到滚刀箱的应有位置，拆装固定结构(3)中的液压缸b(32)保持伸长状态；
b：柔性螺栓装卸结构(2)中的柔性固定结构(5)通过调整3组液压缸连接装置(53)的不同伸缩量，带动盖板(52)与支撑框架(51)发生不同角度的变化；此外万象球连接装置(54)作为固定点被动的实现不同角度的旋转，协助盖板(52)与支承框架(51)的转动；
c：盖板(52)与支撑框架(51)带动轴向移动结构(4)发生不同角度的变化，从而带动螺栓套筒(48)发生不同角度的变化，实现螺栓套筒(48)与待安装的滚刀箱上的螺栓对准功能；
d：轴向移动结构(4)中的液压缸c(42)伸开，带动燕尾槽滑道板(41)从支撑框架(51)内的燕尾槽滑道(511)滑出，从而带动固定在燕尾槽滑道板(41)上的螺栓套筒(48)、扭力倍增器(46)、连接器(45)、摆线马达(43)的连接结构一起滑出，使得螺栓套筒(48)套在待安装滚刀箱的螺栓上；
e：摆线马达(43)启动，带动螺栓套筒(48)工作，同时通过扭力倍增器增加安装螺栓时的扭力，实现螺栓的拧紧；
f：待所有螺栓拧紧后，伸长拆装固定结构(3)中的液压缸b(32)，此时抓手(31)与安装好的滚刀箱凸环脱离，末端执行器在换刀机器人的上一个机械臂的带动下向后退离，从而完成滚刀箱的安装工作。

Claims (5)

1.一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器，包括主体框架结构(1)、柔性螺栓装卸结构(2)、拆装固定结构(3)和吊挂板(6)，其特征在于：所述柔性螺栓装卸结构(2)上设置有轴向移动结构(4)和柔性固定结构(5)，所述柔性固定结构(5)通过四个固定点与吊挂板(6)固定连接，所述轴向移动结构(4)的一端固定在柔性固定结构(5)的支撑框架(51)内，通过燕尾槽滑道板(41)与支撑框架(51)内的燕尾槽滑道(511)相互连接，所述吊挂板(6)与主体框架结构(1)上的支撑板a(11)与支撑板b(12)一端的突起部分连接，用于将柔性螺栓装卸结构(2)与主体框架结构(1)固定连接，所述拆装固定结构(3)与主体框架结构(1)之间活动连接；
所述柔性固定结构(5)包括：支撑框架(51)、盖板(52)、3组液压缸连接装置(53)、万象球连接装置(54)；
所述柔性固定结构(5)通过四个固定点与吊挂板(6)固定连接的结构如下：
所述柔性固定结构(5)上的3组液压缸连接装置(53)分别与所述吊挂板(6)的一面上接近边缘的3条边上固定焊接有3个球槽座支撑块(61)固定连接，所述柔性固定结构(5)上的万象球连接装置(54)与所述吊挂板(6)剩余一条边上的中间位置的设置4个螺孔连接；
所述盖板(52)的一面上固定连接万象球槽支撑块(521)和万象球连接装置支撑块(522)，所述万象球槽支撑块(521)包含3个用于连接液压缸连接装置(53)的平面，分别连接3组液压缸连接装置(53)，所述万象球连接装置支撑块(522)位于上述3个平面的前端，并分开一段距离，在万象球连接装置支撑块(522)背向液压缸连接装置(53)的一侧固定安装万象球连接装置(54)，所述盖板(52)通过螺栓与支撑框架(51)固定连接；
所述3组液压缸连接装置(53)包括：万象球槽a(531)、万象球a(532)、液压缸a(533)、万象球b(534)、万象球槽b(535)，所述万象球槽a(531)、万象球a(532)、液压缸a(533)、万象球b(534)、万象球槽b(535)依次相互连接，所述万象球槽a(531)与吊挂板(6)上的球槽座支撑块(61)固定连接，所述万象球槽b(535)与所述柔性固定结构(5)上的万象球槽支撑块(521)固定连接；
所述万象球连接装置(54)包括万象球槽c(541)和万象球座c(542)，所述万象球槽c(541)与所述吊挂板(6)剩余一条边上的中间位置的设置4个螺孔通过螺栓固定连接，所述万象球座c(542)与所述万象球连接装置支撑块(522)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器，其特征在于：所述主体框架结构(1)包括：支撑板a(11)、支撑板b(12)、尾板(13)，支撑板a(11)与支撑板b(12)的一端分别与尾板(13)连接，形成一端开口的矩形，支撑板a(11)和支撑板b(12)的另一端向矩形内部延伸，形成突起部分，在支撑板a(11)和支撑板b(12)突起部分的外侧，每侧分别固定两个抓手耳环(14)，分别在靠近尾板(13)的一端固定一个液压缸耳环a(15)。
3.根据权利要求1所述的一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器，其特征在于：所述轴向移动结构(4)包括：燕尾槽滑道板(41)、液压缸c(42)、摆线马达(43)、马达安装法兰(44)、连接器(45)、扭力倍增器(46)、扭力倍增器安装法兰(47)、螺栓套筒(48)，所述液压缸c(42)的一端与支撑框架(51)固定连接，另一端与燕尾槽滑道板(41)固定连接，所述螺栓套筒(48)、扭力倍增器(46)、连接器(45)、摆线马达(43)依次相互连接成为一个整体，并在扭力倍增器(46)上安装扭力倍增器安装法兰(47)，在摆线马达(43)上安装马达安装法兰(44)，通过扭力倍增器安装法兰(47)与马达安装法兰(44)固定在燕尾槽滑道板(41)的背面。
4.根据权利要求1所述的一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器，其特征在于：所述吊挂板(6)的宽度较所述主体框架结构(1)上的支撑板a(11)与支撑板b(12)一端的突起部分要窄，在吊挂板(6)的一面上接近边缘的3条边上固定焊接有3个球槽座支撑块(61)，剩余一条边上的中间位置设置4个螺孔，用于固定连接所述柔性固定结构(5)，所述球槽座支撑块(61)与吊挂板(6)的边缘的夹角为锐角。
5.根据权利要求1所述的一种适用于滚刀箱的掘进机换刀机器人的末端执行器，其特征在于：所述拆装固定结构(3)包括：抓手(31)和液压缸b(32)；所述抓手(31)的底部设计有，与手臂垂直位置设计有伸出的圆杆(312)，所述圆杆上套有套筒；所述抓手连接结构(311)与所述主体框架结构(1)上的抓手耳环(14)活动连接，所述液压缸b(32)的一端与圆杆(312)活动连接，另一端与主体框架结构(1)上的液压缸耳环a(15)活动连接。
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