CN113618785B - 一种用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置及其测量方法，涉及盾构机，特别涉及一种用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置及其测量方法，包括：夹持机构，包括四爪盘和对称设置在四爪盘两侧的钩锁，所述四爪盘的下端连接有四个卡爪，两个所述钩锁设置在相邻所述两个卡爪之间并与所述卡爪形成夹持结构；刀座，设置可被所述夹持结构卡接的销轴；夹持传感器，若干所述夹持传感器设置在所述卡爪和所述钩锁上，用以检测销轴的应变，在本申请中，通过夹持结构对刀座进行夹持的同时，采用夹持传感器器测量夹持结构所受作用力，获得销轴所受的夹持力，具有结构简单、占用空间小的特点，而且可以实时进行夹持力检测，便于滚刀的稳定更换。

Description

一种用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及盾构机，特别涉及一种用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置及其测量方法。

背景技术

盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，主要通过安装在刀盘上的刀箱内的滚刀进行破岩和切削土体的工作。滚刀损坏是不可避免的，损坏到一定程度，将会影响盾构机的正常工作。因此需要更换滚刀，而人工更换极为不便；在此发展出了使用夹持机构辅助换刀。稳定换刀需要了解整个换刀过程的受力情况。

盾构机空间有限，夹持机构操作空间狭小，带来了三维力传感器布局困难；薄膜压力传感器加入则影响实际夹持力等问题。因此，目前还没有具体方法检测滚刀自动换刀过程中的受力。

发明内容

本发明提供了一种用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置及其测量方法，其目的是为了解决现有技术中滚刀所受夹持力难以测量的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种盾构机换刀机械手的夹持力的测量方法，应用用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置，

用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置包括：夹持机构，包括四爪盘和对称设置在四爪盘两侧的钩锁，所述四爪盘的下端连接有四个卡爪，两个所述钩锁设置在相邻两个所述卡爪之间并与所述卡爪形成夹持结构；

刀座，设置可被所述夹持结构卡接的销轴；

夹持传感器，若干所述夹持传感器设置在所述卡爪和所述钩锁上，用以检测所述卡爪和所述钩锁的应变；

所述夹持结构包括左前夹持结构、左后夹持结构、右前夹持结构和右后夹持结构，所述左前夹持结构和右后夹持结构的钩锁侧面分别设置有第一夹持传感器和第二夹持传感器，所述第一夹持传感器与水平位置的夹角为-180°，所述第二夹持传感器与水平位置的夹角为-225°，所述左前夹持结构和右后夹持结构的卡爪上分别设置有第三夹持传感器、第四夹持传感器和第五夹持传感器，所述第三夹持传感器与水平位置的夹角为0°，所述第四夹持传感器与水平位置的夹角为-45°，所述第五夹持传感器与水平位置的夹角为-85°，所述第一夹持传感器、第二夹持传感器、第三夹持传感器、第四夹持传感器和第五夹持传感器关于销轴的圆心环形排布；

所述左后夹持结构和右前夹持结构的钩锁侧面设置有第六夹持传感器、第七夹持传感器和第八夹持传感器，所述第六夹持传感器与竖直位置的夹角为-22.5°，所述第七夹持传感器与竖直位置的夹角为-57.5°，所述第八夹持传感器与竖直位置的夹角为-110°，所述左后夹持结构和右前夹持结构的卡爪上设置有第九夹持传感器和第十夹持传感器，所述第九夹持传感器与竖直位置的夹角为+112.5°，所述第十夹持传感器与竖直位置的夹角为+152.5°，所述第六夹持传感器、第七夹持传感器、第八夹持传感器、第九夹持传感器和第十夹持传感器关于销轴的圆心环形排布；

两个所述钩锁滑动设置在四爪盘上，所述四爪盘设置有横向的滑槽，所述钩锁插接于所述滑槽内，所述夹持机构还包括固定板，所述固定板与所述四爪盘连接，所述固定板上设置有两个油缸，两个所述油缸分别与钩锁连接并驱动钩锁沿滑槽的水平运动

所述夹持传感器为形变传感器；

盾构机换刀机械手的夹持力的测量方法包括如下步骤：

S10.组装夹持机构，并且分别定义左前夹持结构和右后夹持结构、左后夹持结构和右前夹持结构的夹持传感器起始位置，将夹持传感器固定至相应的位置；

S20.移动夹持机构至刀座处，并夹紧刀座；

S30.收集各所述夹持传感器的数据，拟合至同一夹持结构中；

S40.计算卡爪与钩锁的平均应变，并根据卡爪与钩锁的平均应变的绝对值计算卡爪与钩锁所受的夹持力，通过牛顿第三定律获得销轴所受夹持力；

所述步骤S40中计算卡爪与钩锁的平均应变，并根据卡爪与钩锁的平均应变的绝对值计算销轴所受的夹持力，包括计算卡爪与钩锁的平均应变，该平均应变ε为：

其中，x_i为第i个夹持传感器起始位置，x_i+1为第i+1个夹持传感器起始位置，L为销轴周向周长；

所述卡爪与钩锁所受夹持力F：F＝ESε

其中，E为卡爪与钩锁的弹性模量，S为销轴的挤压面积；

获得卡爪与钩锁所受的夹持力F后，基于牛顿第三定律，获得销轴所述的夹持力。

优选的，在所述步骤S20中，调整左前夹持结构、左后夹持结构、右前夹持结构和右后夹持结构的开合大小，分别使得左前夹持结构、左后夹持结构、右前夹持结构和右后夹持结构与销轴进行夹持，并调整各个夹持传感器归零。

优选的，所述步骤S30中收集各所述夹持传感器的数据包括：

所述用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置处于水平状态时，所述夹持传感器收集任意相邻夹持结构的数据；所述夹持机构处于左右倾斜时，所述夹持传感器收集左前夹持结构和左后夹持结构、右前夹持结构和右后夹持结构中的数据；所述夹持机构处于前后倾斜时，所述夹持传感器收集左前夹持结构和右前夹持结构、左后夹持结构和右后夹持结构的数据；

所述数据包括钩锁和卡爪上夹持传感器的数据。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

在本申请中，通过夹持结构对刀座进行夹持的同时，采用夹持传感器测量夹持结构所受作用力，获得销轴所受的夹持力，具有结构简单、占用空间小的特点，而且可以实时进行夹持力检测，便于滚刀的稳定更换。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明另一侧结构示意图(隐藏滚刀)；

图3是夹持传感器分布图；

图4是本发明的左右倾斜结构图；

图5是本发明的前后倾斜结构图。

【附图标记说明】

1-夹持机构、11-四爪盘、12-钩锁、111-卡爪、112-滑槽、2-刀座、21-销轴、31-第一夹持传感器、32-第二夹持传感器、33-第三夹持传感器、34-第四夹持传感器、35-第五夹持传感器、36-第六夹持传感器、37-第七夹持传感器、38-第八夹持传感器、39-第九夹持传感器、310-第十夹持传感器、13-油缸。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1-3所示，本发明的实施例提供了一种用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置，包括：

夹持机构1，该夹持机构1包括四爪盘11和对称设置在四爪盘11两侧的钩锁12，四爪盘11的下端设置有四个卡爪111，四个卡爪111呈矩形阵列排布，前述的钩锁12设置在相邻两个卡爪111之间，并且与卡爪111构成夹持结构。

本申请还包括刀座2，其中刀座2的两侧设置有销轴21，销轴21可以设置在夹持结构内，并通过夹持结构进行夹紧，保证刀座2在工作时的稳固。刀座2的下端设置有安装滚刀的安装部。

在卡爪111和钩锁12构成的夹持结构上还布置有若干用于检测卡爪111和钩锁12应变的夹持传感器，夹持传感器优选的为形变传感器，形变传感器可以通过检测卡爪111和钩锁12的形变数据并记录，获得便于后续计算卡爪111和钩锁12所受的作用力，然后通过牛顿第三定律获得作用力的反作用力即销轴21所受的夹持力。

在本申请中，对各个夹持传感器的位置进行了详细的限定，如图3展示的是左前夹持结构和左后夹持结构上的夹持传感器位置关系，其中左前夹持结构和右后夹持结构的夹持传感器布置方式一致，左后夹持结构和右前夹持结构的夹持传感器布置方式一致。

还需要说明的是，在本申请中，通过“+”以及“-”对方向进行限定，其中“+”代表顺时针方向，“-”代表逆时针方向。

具体来说，在左前夹持结构和右后夹持结构的钩锁12侧面设置有第一夹持传感器31和第二夹持传感器32，其中定义该钩锁12水平位置为起始位置，起始位置位于钩锁12上。第一夹持传感器31与起始位置的夹角为逆时针180°，第二夹持传感器32与起始位置的夹角为逆时针225°。

在前述左前夹持结构和右后夹持结构的卡爪111上设置有第三夹持传感器33、第四夹持传感器34和第五夹持传感器35，其中，第三夹持传感器33与起始位置的夹角为0°，第四夹持传感器34与起始位置的夹角为逆时针45°，第五夹持传感器35与起始位置的夹角为-85°。前述的第一夹持传感器31、第二夹持传感器32、第三夹持传感器33、第四夹持传感器34和第五夹持传感器35关于销轴21的圆形环形排布，便于将均匀的检测卡爪111和钩锁12的应力变化。

进一步的，在左后夹持结构和右前夹持结构的钩锁12侧面设置有第六夹持传感器36、第七夹持传感器37、第八夹持传感器38，其中将左后夹持结构和右前夹持结构的竖直方向定义为起始位置，起始位置设置在钩锁12上。第六夹持传感器36与起始位置的夹角为逆时针22.5°，第七夹持传感器37与起始位置的夹角为逆时针57.5°，第八夹持传感器38与起始位置的夹角为逆时针110°。在左后夹持结构和右前夹持结构的卡爪111上设置有第九夹持传感器39和第十夹持传感器310，其中，第九夹持传感器39与起始位置的夹角为顺时针112.5°，第十夹持传感器310与起始位置的夹角为顺时针152.5°。前述的第六夹持传感器36、第七夹持传感器37、第八夹持传感器38、第九夹持传感器39和第十夹持传感器310关于销轴21的圆心呈环形排布。

优选的，在夹持机构1的上方还设置有油缸13，油缸13有两个输出端，两个输出端分别与钩锁12连接，油缸13通过两个输出端的动作，驱动钩锁12在预设的位置转动，使得卡爪111与钩锁12可以开合，方便夹持机构1夹持刀座2。

优选的如图3，两个钩锁12滑动设置在四爪盘11上，四爪盘11设置有横向的滑槽112，所述钩锁12插接于所述滑槽112内，所述夹持机构1还包括固定板，所述固定板与所述四爪盘11连接起到固定和支撑的作用，固定板上设置有两个油缸13，两个油缸13可以向相反的方向伸缩，两个油缸13分别与钩锁12连接并驱动钩锁12沿滑槽112的水平运动，使得钩锁12可以与卡爪111配合进行夹紧和放开。

本申请还公开了一种盾构机换刀机械手的夹持力的测量方法，应用了前述的用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置，包括如下步骤：

S10.组装夹持结构，并且分别定义左前夹持结构、右后夹持结构、左后夹持结构和右前夹持结构的启示位置，将夹持传感器固定至相应的位置；

S20.移动夹持机构1至刀座处，并夹紧刀座2；

具体的，在步骤S20中，夹持传感器依照用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置中各个夹持传感器的位置固定。

S30.收集各夹持传感器的数据，拟合至同一夹持结构中；

具体的，在步骤S20中调整左前夹持结构、左后夹持结构、右前夹持结构和右后夹持结构的开合大小，分别使得左前夹持结构、左后夹持结构、右前夹持结构和右后夹持结构与销轴21进行夹持，并调整各个夹持传感器归零。

夹持机构1往往需要配合机械手实现移动，并且通过钩锁12与卡爪111水平之间的距离实现夹紧和松开的功能。

进一步的，在步骤S30中，可以用于收集不同状态下的夹持检测传感器组的数据，确切的说，在用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置在处于水平状态时，夹持传感器组收集任意相邻夹持结构的数据；如图4在夹持机构1处于左右倾斜时，夹持传感器收集左前夹持结构和左后夹持结构、右前夹持结构和右后夹持结构中的一组或者两组数据，如图5，在夹持机构1处于前后倾斜时，夹持传感器收集左前夹持结构和右前夹持结构、左后夹持结构和右后夹持结构中的一组或者两组数据。

前述的数据包括钩锁12上设置的夹持传感器的数据，以及夹爪上夹持传感器的数据。

S40.计算卡爪111与钩锁12的平均应变，并根据卡爪111与钩锁12的平均应变的绝对值计算卡爪111与钩锁12所受的夹持力。

具体的，在步骤S40中，通过如下方法测量卡爪111与钩锁12的平均应变ε：

其中，x_i为第i个夹持传感器起始位置，x_i+1为第i+1个夹持传感器起始位置，L为销轴21周向周长；

依据前述的平均应变ε计算卡爪111与钩锁12所受夹持力F：F＝ESε，

其中，E为卡爪111与钩锁12的弹性模量，S为销轴21的挤压面积。

获得卡爪111与钩锁12所受的夹持力F后，基于牛顿第三定律，获得销轴21所述的夹持力。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种盾构机换刀机械手的夹持力的测量方法，应用用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置，

用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置包括：夹持机构(1)，包括四爪盘(11)和对称设置在四爪盘(11)两侧的钩锁(12)，所述四爪盘(11)的下端连接有四个卡爪(111)，两个所述钩锁(12)设置在相邻两个所述卡爪(111)之间并与所述卡爪(111)形成夹持结构；

刀座(2)，设置可被所述夹持结构卡接的销轴(21)；

夹持传感器，若干所述夹持传感器设置在所述卡爪(111)和所述钩锁(12)上，用以检测所述卡爪(111)和所述钩锁(12)的应变；

所述夹持结构包括左前夹持结构、左后夹持结构、右前夹持结构和右后夹持结构，所述左前夹持结构和右后夹持结构的钩锁(12)侧面分别设置有第一夹持传感器(31)和第二夹持传感器(32)，所述第一夹持传感器(31)与水平位置的夹角为-180°，所述第二夹持传感器(32)与水平位置的夹角为-225°，所述左前夹持结构和右后夹持结构的卡爪(111)上分别设置有第三夹持传感器(33)、第四夹持传感器(34)和第五夹持传感器(35)，所述第三夹持传感器(33)与水平位置的夹角为0°，所述第四夹持传感器(34)与水平位置的夹角为-45°，所述第五夹持传感器(35)与水平位置的夹角为-85°，所述第一夹持传感器(31)、第二夹持传感器(32)、第三夹持传感器(33)、第四夹持传感器(34)和第五夹持传感器(35)关于销轴(21)的圆心环形排布；

所述左后夹持结构和右前夹持结构的钩锁(12)侧面设置有第六夹持传感器(36)、第七夹持传感器(37)和第八夹持传感器(38)，所述第六夹持传感器(36)与竖直位置的夹角为-22.5°，所述第七夹持传感器(37)与竖直位置的夹角为-57.5°，所述第八夹持传感器(38)与竖直位置的夹角为-110°，所述左后夹持结构和右前夹持结构的卡爪(111)上设置有第九夹持传感器(39)和第十夹持传感器(310)，所述第九夹持传感器(39)与竖直位置的夹角为+112.5°，所述第十夹持传感器(310)与竖直位置的夹角为+152.5°，所述第六夹持传感器(36)、第七夹持传感器(37)、第八夹持传感器(38)、第九夹持传感器(39)和第十夹持传感器(310)关于销轴(21)的圆心环形排布；

两个所述钩锁(12)滑动设置在四爪盘(11)上，所述四爪盘(11)设置有横向的滑槽(112)，所述钩锁(12)插接于所述滑槽(112)内，所述夹持机构(1)还包括固定板，所述固定板与所述四爪盘(11)连接，所述固定板上设置有两个油缸(13)，两个所述油缸(13)分别与钩锁(12)连接并驱动钩锁(12)沿滑槽(112)的水平运动

所述夹持传感器为形变传感器；

其特征在于，包括：

S10.组装夹持机构(1)，并且分别定义左前夹持结构和右后夹持结构、左后夹持结构和右前夹持结构的夹持传感器起始位置，将夹持传感器固定至相应的位置；

S20.移动夹持机构(1)至刀座(2)处，并夹紧刀座(2)；

S30.收集各所述夹持传感器的数据，拟合至同一夹持结构中；

S40.计算卡爪(111)与钩锁(12)的平均应变，并根据卡爪(111)与钩锁(12)的平均应变的绝对值计算卡爪(111)与钩锁(12)所受的夹持力，通过牛顿第三定律获得销轴所受夹持力；

所述步骤S40中计算卡爪(111)与钩锁(12)的平均应变，并根据卡爪(111)与钩锁(12)的平均应变的绝对值计算销轴(21)所受的夹持力，包括计算卡爪(111)与钩锁(12)的平均应变，该平均应变ε为：

其中，x_i为第i个夹持传感器起始位置，x_i+1为第i+1个夹持传感器起始位置，L为销轴(21)周向周长；

所述卡爪(111)与钩锁(12)所受夹持力F：F＝ESε

其中，E为卡爪(111)与钩锁(12)的弹性模量，S为销轴(21)的挤压面积；

获得卡爪(111)与钩锁(12)所受的夹持力F后，基于牛顿第三定律，获得销轴(21)所述的夹持力。

2.根据权利要求1所述的盾构机换刀机械手的夹持力的测量方法，其特征在于：在所述步骤S20中，调整左前夹持结构、左后夹持结构、右前夹持结构和右后夹持结构的开合大小，分别使得左前夹持结构、左后夹持结构、右前夹持结构和右后夹持结构与销轴(21)进行夹持，并调整各个夹持传感器归零。

3.根据权利要求1所述的盾构机换刀机械手的夹持力的测量方法，其特征在于：所述步骤S30中收集各所述夹持传感器的数据包括：

所述用于盾构机换刀机械手的夹持力检测装置处于水平状态时，所述夹持传感器收集任意相邻夹持结构的数据；所述夹持机构(1)处于左右倾斜时，所述夹持传感器收集左前夹持结构和左后夹持结构、右前夹持结构和右后夹持结构中的数据；所述夹持机构(1)处于前后倾斜时，所述夹持传感器收集左前夹持结构和右前夹持结构、左后夹持结构和右后夹持结构的数据；

所述数据包括钩锁(12)和卡爪(111)上夹持传感器的数据。

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