CN111496801A

CN111496801A - 适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人

Info

Publication number: CN111496801A
Application number: CN201910090681.8A
Authority: CN
Inventors: 叶蕾; 赵梦媛; 姜礼杰; 文勇亮; 叶超
Original assignee: China Railway Engineering Equipment Group Co Ltd CREG
Current assignee: China Railway Engineering Equipment Group Co Ltd CREG
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: CN111496801B

Abstract

本发明公开了一种适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人，解决的技术问题是现有刀具检测与换刀工作主要依赖人工作业，大埋深、高水压等施工环境下作业安全隐患大，易出现人员伤亡等重大安全事故。本发明包括刀盘和隔板，刀盘和隔板之间为渣土仓，所述的刀盘上设有滚刀，所述的隔板上设有机器人。本发明通过机器人携带的检测装置对刀具进行检测并更换，大大降低工人劳动强度；减小对人工换刀的依赖性，减小安全隐患，增大换刀的工作效率。

Description

适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人。

背景技术

全断面隧道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，大埋深、高水压等施工环境下作业安全隐患大，易出现人员伤亡等重大安全事故。据统计，国内近70%的隧道施工安全事故都与人工换刀作业直接相关，“检测难、换刀险”的国际性行业难题已成为制约复杂地质条件下隧道施工安全与效率的瓶颈。预计未来几年，中国地铁、公路、铁路等隧道总长度将超过10000 公里，其中中长及特长隧道约占2/3，巨大的市场需求对全断面掘进装备的施工效率及安全性提出了更高的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有刀具检测与换刀工作主要依赖人工作业，大埋深、高水压等施工环境下作业安全隐患大，易出现人员伤亡等重大安全事故，提供一种以高效安全的“机器换人”作业模式实现刀具检测与换刀作业的适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种适用于全断面隧道掘进机的机器人刀具监测和更换装置，包括刀盘和隔板，刀盘和隔板之间为渣土仓，所述的刀盘上设有滚刀，所述的隔板一侧设有机器人。

所述的隔板上设有机器人存储仓，机器人设置在机器人存储仓，与机器人底部相配合设有滑轨系统。

所述的滑轨系统包括隔板滑轨、回转滑轨和仓内滑轨，所述的仓内滑轨设置在机器人存储仓内，隔板滑轨与仓内滑轨垂直设置，隔板滑轨与仓内滑轨通过回转滑轨连接。

所述的隔板上设有隔板滑轨存储仓，所述的隔板滑轨的一侧与隔板滑轨存储仓铰接连接。

所述的隔板滑轨外侧设有密封圈。

所述的回转滑轨通过连杆机构与仓内滑轨连接，所述的连杆机构为平行四边形连杆机构，所述的连杆机构包括平行设置的两个翻转杆I，两个翻转杆I和仓内滑轨的侧壁、回转滑轨的侧壁构成平行四边形结构，翻转杆I两端分别与仓内滑轨的侧壁、回转滑轨的侧壁铰接连接。

所述的回转滑轨包括底座和轨道板，所述连杆机构与底座连接，底座上设有驱动装置，驱动装置通过输出轴与轨道板连接。

所述的机器人为六自由度并联机器人。

一种适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人的使用方法，包括以下步骤：①打开机器人存储仓的闸门；

②放下隔板滑轨（51），调节隔板滑轨角度，使其与仓内滑轨进行连接；

③机器人沿仓内滑轨运动至回转滑轨，回转滑轨进行角度调整，使回转滑轨与隔板滑轨进行连接，机器人从回转滑轨运动至隔板滑轨，在隔板滑轨上进行移动至刀盘上，对滚刀上的刀盘进行检测并将检测数据上传至控制系统；由控制系统根据上传的检测数据判断滚刀是否需要更换；

④步骤③所述的控制系统判断出滚刀不需要更换时，机器人继续运动至下一个滚刀处进行再次检测；依次类推；不在机器人检测范围内的滚刀，通过刀盘的旋转使滚刀运动至机器人的检测范围内；

⑤步骤④检测到需要更换的滚刀时，将滚刀拆下，返回机器人存储仓将拆下的滚刀放下；拆下的滚刀放下后夹取新的滚刀，并再次回到滚刀拆下的地方安装新的滚刀；

⑥步骤⑤所述的新的滚刀安装完成后重复步骤③继续对剩余的滚刀进行检测，直至将刀盘上的滚刀全部检测完成。

根据权利要求所述的适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人的使用方法，其特征在于：步骤③所述的机器人沿仓内滑轨、回转滑轨和隔板滑轨运动时，包括以下步骤：a、平行四边形连杆机构带动回转滑轨伸出隔板进入渣土仓，并使回转滑轨与隔板滑轨位于同一水平面；

b、调整回转滑轨角度使其与仓内滑轨对接；控制位于仓内滑轨上的机器人沿仓内滑轨运动到回转滑轨上；

c、再次调整回转滑轨的角度，使其与隔板滑轨对接，机器人运动到隔板滑轨上；机器人沿隔板滑轨运动。

本发明通过机器人与滑轨系统的设置，保证机器人可以沿隔板滑轨左右运动至大直径盾构机的刀盘上任意滚刀的对应位置。通过机器人携带的检测装置对刀具进行检测并更换，大大降低工人劳动强度；减小对人工换刀的依赖性，减小安全隐患，增大换刀的工作效率。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明刀盘结构示意图；

图3是本发明滑轨系统展开状态结构示意图；

图4是本发明机器人伸出机器人存储仓后与刀座相配合状态结构示意图；

图5是本发明回转滑轨与隔板滑轨相对接的结构示意图；

图6是本发明回转滑轨与仓内滑轨相对接的结构示意图；

图7是本发明回转滑轨缩回机器人存储仓的结构示意图；

图8是本发明隔板滑轨缩回隔板滑轨存储仓后的外部结构示意图；

图9是本发明隔板滑轨缩回隔板滑轨存储仓后的内部结构示意图。

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9所示，一种适用于全断面隧道掘进机的机器人刀具监测和更换装置，包括刀盘1和隔板6，刀盘1和隔板6之间为渣土仓10，所述的刀盘1上设有滚刀2，所述的隔板6一侧设有机器人8。机器人8安装于隔板后的后方的换刀机器人仓内，机器人仓内用来存放换刀机器人、刀具库和刀具吊装平台。

所述的隔板6上设有机器人存储仓4，机器人8设置在机器人存储仓4，与机器人8底部相配合设有滑轨系统5。机器人8底座下部装有滑槽，可与滑轨系统5的隔板滑轨501、回转滑轨502、仓内滑轨503配合。

所述的滑轨系统5包括隔板滑轨51、回转滑轨52和仓内滑轨53，所述的仓内滑轨53设置在机器人存储仓4内，隔板滑轨51与仓内滑轨53垂直设置，隔板滑轨51与仓内滑轨53通过回转滑轨52连接。仓内滑轨53固定安装在机器人存储仓4内，与隔板呈90°水平安装，隔板滑轨51与隔板平行安装，回转滑轨52的轨道方向可以与仓内滑轨53对接，旋转90°后可以与隔板滑轨51对接。本发明设置隔板滑轨51的目的是为了增加机器人的运动空间：在大直径盾构机中，由于刀盘直径大，滚刀数量多，而受主机内的空间限制，机器人的安装空间和大小受限，很难使机器人的工作空间覆盖到每一把滚刀，设置隔板滑轨51，机器人可以沿隔板滑轨51左右运动至大直径盾构机的刀盘上任意滚刀的对应位置。

所述的隔板6上设有隔板滑轨存储仓511，所述的隔板滑轨51的一侧与隔板滑轨存储仓511铰接连接。隔板滑轨51为内嵌式安装在隔板上，安装方式为铰接，隔板滑轨51可通过驱动装置进行开合，驱动装置可以是电机驱动电机驱动时可以在隔板滑轨51与隔板6铰接处设置转轴，电机的输出轴转动带动隔板滑轨51；驱动装置也可以是油缸驱动。隔板滑轨51的开合角度为90°，隔板滑轨51关闭时完全嵌入隔板6上的隔板滑轨存储仓511内。

所述的隔板滑轨51外侧设有密封圈55。隔板滑轨51合进隔板滑轨存储仓511后，密封圈55对其形成密封，防止掘进机工作室渣土仓内的泥沙和水等污染物污染隔板滑轨。

所述的回转滑轨52通过连杆机构54与仓内滑轨53连接，所述的连杆机构54为平行四边形连杆机构，所述的连杆机构54包括平行设置的两个翻转杆I541，两个翻转杆I541和仓内滑轨53的侧壁、回转滑轨52的侧壁构成平行四边形结构，翻转杆I541两端分别与仓内滑轨53的侧壁、回转滑轨52的侧壁铰接连接。工作时，采用电机旋转带动其中一根翻转杆I541翻转，另一根翻转杆I541被动翻转，连杆机构54通过翻转杆I541的翻转可带动回转滑轨52完成缩回机器人存储仓4和伸出隔板2进入渣土仓10的动作。平行四边形连杆机构的设置可以保证回转滑轨52始终处于水平状态，保证回转滑轨52与仓内滑轨、隔板滑轨的平稳对接。

所述的回转滑轨52包括底座521和轨道板522，所述连杆机构54与底座521连接，底座521上设有驱动装置，驱动装置通过输出轴与轨道板522连接。底座521上的驱动装置为电机，轨道板522在电机的驱动下相对于底座521进行正时针或逆时针旋转，完成轨道的转向，进而完成与隔板滑轨51或仓内滑轨53的对接。

所述的机器人8为六自由度并联机器人。六自由度并联机器人能够精确定位和调整机器人8末端执行机构的姿态，并为换刀操作提供足够大的负载能力，末端执行机构7安装于机器人8上。六自由度并联机器人本体的运动机构为六根伺服电动缸、伺服油缸等精密伸缩件。

本发明机器人8的末端执行机构7为换刀机械手，换刀机械手包括滚刀抓紧装置71和螺栓拆卸装置72、传感系统73，滚刀抓紧装置71用于夹紧滚刀，螺栓拆卸装置72用于拆装刀座9的紧固螺栓91，传感系统73主要包括视觉定位系统、六维力传感器、激光传感器、电涡流传感器、温度传感器等，用于获取滚刀的磨损量、温度、拆装刀具时的力和力矩大小、滚刀位置等信息，为机器人检刀和换刀提供数据信息，为实时调整机器人位置和姿态提供参数。

一种适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人的使用方法，包括以下步骤：①打开机器人存储仓4的闸门3；

④步骤③所述的控制系统判断出滚刀不需要更换时，机器人继续运动至下一个滚刀处进行再次检测；依次类推；

⑤步骤④检测到需要更换的滚刀时，将滚刀拆下，返回机器人存储仓将拆下的滚刀放下；拆下的滚刀放下后夹取新的滚刀，并再次回到滚刀拆下的地方安装新的滚刀；不在机器人检测范围内的滚刀，通过刀盘的旋转使滚刀运动至机器人的检测范围内；实现全断面的刀盘刀具系统放入检测与更换；

步骤③所述的机器人8沿仓内滑轨53、回转滑轨52和隔板滑轨51运动时，包括以下步骤：a、平行四边形连杆机构54带动回转滑轨52伸出隔板2进入渣土仓10，并使回转滑轨52与隔板滑轨51位于同一水平面；

b、调整回转滑轨52角度使其与仓内滑轨53对接；控制位于仓内滑轨上的机器人8沿仓内滑轨53运动到回转滑轨52上；

c、再次调整回转滑轨52的角度，使其与隔板滑轨51对接，机器人8运动到隔板滑轨51上；机器人8沿隔板滑轨51运动。

Claims

1.一种适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人，包括刀盘（1）和隔板（6），刀盘（1）和隔板（6）之间为渣土仓（10），所述的刀盘（1）上设有滚刀（2），其特征在于：所述的隔板（6）一侧设有机器人（8）。

2.根据权利要求1所述的适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人，其特征在于：所述的隔板（6）右侧的盾体上设有机器人存储仓（4），机器人（8）设置在机器人存储仓（4），与机器人（8）底部相配合设有滑轨系统（5）。

3.根据权利要求2所述的适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人，其特征在于：所述的滑轨系统（5）包括隔板滑轨（51）、回转滑轨（52）和仓内滑轨（53），所述的仓内滑轨（53）设置在机器人存储仓（4）内，隔板滑轨（51）与仓内滑轨（53）通过回转滑轨（52）连接。

4.根据权利要求3所述的适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人，其特征在于：所述的隔板（6）上设有隔板滑轨存储仓（511），所述的隔板滑轨（51）的一侧与隔板滑轨存储仓（511）铰接连接。

5.根据权利要求4所述的适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人，其特征在于：所述的隔板滑轨（51）外侧设有密封圈（55）。

6.根据权利要求3所述的适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人，其特征在于：所述的回转滑轨（52）通过连杆机构（54）与仓内滑轨（53）连接，所述的连杆机构（54）为平行四边形连杆机构，所述的连杆机构（54）包括平行设置的两个翻转杆I（541），两个翻转杆I（541）和仓内滑轨（53）的侧壁、回转滑轨（52）的侧壁构成平行四边形结构，翻转杆I（541）两端分别与仓内滑轨（53）的侧壁、回转滑轨（52）的侧壁铰接连接。

7.根据权利要求6所述的适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人，其特征在于：所述的回转滑轨（52）包括底座（521）和轨道板（522），所述连杆机构（54）与底座（521）连接，底座（521）上设有驱动装置，驱动装置通过输出轴与轨道板（522）连接。

8.一种适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：①打开机器人存储仓（4）的闸门（3）；

9.根据权利要求8所述的适于全断面隧道掘进机的刀具检测及更换机器人的使用方法，其特征在于：步骤③所述的机器人（8）沿仓内滑轨（53）、回转滑轨（52）和隔板滑轨（51）运动时，包括以下步骤：a、平行四边形连杆机构（54）带动回转滑轨（52）伸出隔板（2）进入渣土仓（10），并使回转滑轨（52）与隔板滑轨（51）位于同一水平面；

b、调整回转滑轨（52）角度使其与仓内滑轨（53）对接；控制位于仓内滑轨上的机器人（8）沿仓内滑轨（53）运动到回转滑轨（52）上；

c、再次调整回转滑轨（52）的角度，使其与隔板滑轨（51）对接，机器人（8）运动到隔板滑轨（51）上；机器人（8）沿隔板滑轨（51）运动。