CN209855796U - 一种隧道掘进机用检测换刀机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种隧道掘进机用检测换刀机器人，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，安全隐患大，易出现人员伤亡等重大安全事故。本实用新型包括隧道掘进机主机，隧道掘进机主机上设有机器人仓，机器人仓内设有检测换刀机器人和刀箱；所述的检测换刀机器人包括底座，与底座相连设有机械臂，机械臂末端设有末端执行器。本实用新型将检测换刀机器人设置在掘进机上，当滚刀出现损坏、偏磨等情况时，通过检测换刀机器人做到对滚刀的及时更换，将传统的人工换刀作业模式变为高效安全的“机器换人”作业模式，降低安全隐患，提高掘进效率。

Description

一种隧道掘进机用检测换刀机器人

技术领域

本实用新型涉及隧道施工领域，具体涉及一种隧道掘进机用检测换刀机器人。

背景技术

全断面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，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。目前巨大的地铁、公路、铁路等隧道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。因此，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势在必行。

实用新型内容

本实用新型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，安全隐患大，易出现人员伤亡等重大安全事故，提供一种高效安全的“机器换人”作业模式实现刀具检测与换刀作业的隧道掘进机用检测换刀机器人。

为解决上述技术问题，本实用新型采用下述技术方案：一种隧道掘进机用检测换刀机器人，包括隧道掘进机主机，隧道掘进机主机上设有机器人仓，机器人仓内设有检测换刀机器人和刀箱；所述的检测换刀机器人包括底座，与底座相连设有机械臂，机械臂末端设有末端执行器。

所述的机器人仓内设有滑轨和上层轨道，检测换刀机器人的底座设置在滑轨上，刀箱设置在上层轨道上；机器人仓靠近隧道掘进机的刀盘的一侧设有机器人仓闸门。

所述的机械臂为串并联机械臂，所述的串并联机械臂包括若干个单关节机械臂和若干个并联机械臂。

所述的单关节机械臂包括依次串联连接的机械臂I、机械臂II、机械臂III、机械臂IV、机械臂V，所述的机械臂V与并联机械臂连接，所述的机械臂I一端铰接在底座上、另一端与机械臂II铰接连接；机械臂I与底座之间、机械臂II与底座之间分别设有驱动III；机械臂III一端与机械臂IV铰接、另一端沿机械臂II的内腔滑动形成伸缩臂；机械臂V铰接在机械臂IV上；相邻并联机械臂之间串联连接。

所述的末端执行器包括夹持机构，夹持机构上设有卡盘拧动机构，所述的夹持机构由液压油缸驱动，卡盘拧动机构由液压马达驱动。

所述的末端执行器上还设有高压水喷嘴和视觉系统。

所述的夹持机构包括安装板，安装板上设有手指滑轨，安装板下部设有移动手指和固定手指，固定手指固定在安装板上，移动手指通过手指滑轨与安装板滑动连接，液压油缸的底座固定在安装板上，液压油缸的活塞杆与移动手指连接。

所述的卡盘拧动机构包括卡盘和卡板，液压马达固定在安装板上部，液压马达的输出轴穿过安装板与卡盘连接，卡板设置在卡盘的下表面上。

所述的卡板包括I号卡板和II号卡板，I号卡板和II号卡板在卡盘上对称设置。

所述与卡盘拧动机构相配合设有刀具系统，所述的刀具系统上设有与I号卡板和II号卡板相配合的III号卡板、IV号卡板。

一种隧道掘进机用检测换刀机器人的使用方法，其特征在于包括以下步骤：①需要检测换刀机器人对可疑滚刀进行检测与更换时，检测换刀机器人仓闸门打开，检测换刀机器人沿滑轨滑动，并从机器人仓闸门向外伸出；

②检测换刀机器人上的末端执行器上的高压水喷嘴对可疑滚刀进行喷水清洗；

③由末端执行器上的视觉系统对可疑滚刀进行进一步察看；

④经视觉系统查看确定可疑滚刀需要更换时，由末端执行器的夹持机构和卡盘拧动机构配合进行更换滚刀；经视觉系统查看确定可疑滚刀不需要更换时，检测换刀机器人返回机器人仓。

步骤④所述末端执行器更换滚刀的过程包括拆卸刀具系统的过程，具体包括以下步骤：a、拆除刀具锁紧部分：首先通过卡盘拧动机构上的I号卡板和II号卡板分别与刀具锁紧机构中的III号卡板和IV号卡板相配合，通过液压马达旋转带动卡盘转动使刀具锁紧机构中I号滑块与II号滑块同时缩回滑槽内，然后利用末端执行器中夹持机构上的I号油缸和II号油缸使I号移动手指与I号固定手指形成配合抓手、II号移动手指与II号固定手指形成配合抓手，并同时向内卡紧刀具锁紧机构中卡块并将其拆出；b、拆除刀具部分：首先通过末端执行器夹持机构上的I号油缸和II号油缸使I号移动手指与I号固定手指、II号移动手指与II号固定手指形成配合抓手，并同时向外撑紧刀具中的刀轴座，旋转刀具利用抓手将刀具抽出。

步骤④所述末端执行器更换滚刀的过程包括安装刀具系统的过程，具体包括以下步骤：a、安装刀具：末端执行器中的夹持机构向外撑住刀具中的刀轴座并通过旋转刀具使其卡紧刀筒；

b、安装刀具锁紧机构：利用夹持机构向内卡紧刀具锁紧机构中的卡块并将其放入刀筒内，最后利用卡盘拧动机构中I号卡板和II号卡板与刀具锁紧机构中的III号卡板和IV号卡板相配合，通过液压马达带动卡盘拧动机构旋转从而使刀具锁紧机构中的I号滑块和II号滑块同时伸出插入到刀筒内，以此达到刀具系统的锁紧状态。

本实用新型将检测换刀机器人设置在掘进机上，当滚刀出现损坏、偏磨等情况时，通过检测换刀机器人做到对滚刀的及时更换，将传统的人工换刀作业模式变为高效安全的“机器换人”作业模式，降低安全隐患，提高掘进效率。

附图说明

图1是本实用新型与掘进机相配合的结构示意图；

图2是本实用新型检测换刀机器人结构示意图；

图3是本实用新型末端执行器结构示意图；

图4是本实用新型夹持机构结构示意图；

图5是本实用新型卡盘拧动机构结构示意图；

图6是本实用新型刀具系统结构示意图；

图7是本实用新型刀具结构示意图；

图8是本实用新型刀具锁紧机构结构示意图；

图9是本实用新型刀具与刀筒相配合的局部剖视结构示意图；

图10是本实用新型刀轴座结构示意图；

图11是本实用新型刀筒内部结构示意图；

图12是本实用新型刀筒、刀具、刀具锁紧机构相配合的局部剖视结构示意图；

图13是本实用新型卡紧刀具锁紧机构状态的结构示意图；

图14是本实用新型卡紧刀具系统状态的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图5所示，一种隧道掘进机用检测换刀机器人，包括隧道掘进机主机，隧道掘进机主机上设有机器人仓9，机器人仓9内设有检测换刀机器人1和刀箱904；所述的检测换刀机器人1包括底座101，与底座101相连设有机械臂，机械臂末端设有末端执行器。

所述的机器人仓9内设有滑轨91和上层轨道92，检测换刀机器人1的底座101设置在滑轨91上，刀箱904设置在上层轨道92上；机器人仓9靠近隧道掘进机的刀盘907的一侧设有机器人仓闸门905。所述检测换刀机器人1可在机器人仓内的滑轨上进行移动；刀箱904内装有滚刀，其安装在机器人仓内的上层轨道上，可以进行刀具的储存与运输；机器人仓闸门905安装在机器人仓靠近刀盘907的一侧，进行泥水仓的防水与保压；主驱动906控制刀盘907的旋转以进行隧道的开挖，安装在刀盘907的后侧。

所述的机械臂为串并联机械臂，所述的串并联机械臂包括若干个单关节机械臂和若干个并联机械臂。相邻单关节机械臂之间、单关节机械臂与并联机械臂之间、相邻并联机械臂之间均为串联连接，串并联机械臂的单关节机械臂和并联机械臂的连接顺序可以互换，如可以交叉设置，也可以分别设置， 形成具有串并联结构的机械臂。本实用新型的串并联机械臂是若干个单关节机械臂串联连接后再与若干个依次串联连接的并联机械臂连接。

所述的单关节机械臂包括依次串联连接的机械臂I102、机械臂II103、机械臂III104、机械臂IV105、机械臂V106，所述的机械臂V106与并联机械臂107连接，所述的机械臂I102一端铰接在底座101上、另一端与机械臂II103铰接连接；机械臂I102与底座101之间、机械臂II103与底座101之间分别设有驱动III1014；机械臂III104一端与机械臂IV105铰接、另一端沿机械臂II103的内腔滑动形成伸缩臂；机械臂V106铰接在机械臂IV105上；相邻并联机械臂107之间串联连接。驱动III1014为液压油缸；所述的检测换刀机器人1中底座101可以在滑轨上进行滑动；机械臂I102铰接在底座101上，可以进行摆动；机械臂II103铰接在机械臂1102上，可以绕铰接处转动；机械臂III104一端与机械臂IV105铰接、另一端沿机械臂II103的内腔滑动形成伸缩臂；机械臂V106铰接在机械臂IV105上，可以绕铰接处转动；并联机械臂107固连在机械臂V106上，多个并联机械臂形成多关节串联形式，便于机器人在狭小空间下作业。

所述的末端执行器包括夹持机构3，夹持机构3上设有卡盘拧动机构2，所述的夹持机构3由液压油缸314驱动，卡盘拧动机构2由液压马达201驱动。 本实用新型所涉及的液压油缸也可以采用电动杆或者气动杆替代，以不影响本实用新型的实施为前提。

所述的末端执行器上还设有高压水喷嘴315和视觉系统316。高压水喷嘴315后配有高压水管312；视觉系统316后配有连接线313，连接线313包括电源连接线和信号线等。

所述的夹持机构3包括安装板301，安装板301上设有手指滑轨306，安装板301下部设有移动手指和固定手指，固定手指固定在安装板301上，移动手指通过手指滑轨306与安装板301滑动连接，液压油缸的底座固定在安装板上，液压油缸的活塞杆与移动手指连接。本实用新型液压油缸、移动手指和固定手指有两组，分别为I号油缸302、I号移动手指303和I号固定手指3021，II号油缸304、II号移动手指305和II号固定手指3022。

所述的卡盘拧动机构2包括卡盘202和卡板，液压马达固定在安装板301上部，液压马达的输出轴穿过安装板301与卡盘202连接，卡板设置在卡盘202的下表面上。

所述的卡板包括I号卡板2021和II号卡板2022，I号卡板2021和II号卡板2022在卡盘202上对称设置。I号卡板2021和II号卡板2022与刀座上的卡块相配合。

所述与卡盘拧动机构2相配合设有刀具系统，如图6至图12所示，所述的刀具系统上设有与I号卡板2021和II号卡板2022相配合的III号卡板8011、IV号卡板8012。

本实用新型所述的刀具系统包括刀筒7，刀筒7内设有刀具6，与刀筒7相配合设有刀具锁紧机构8，所述刀具6与刀筒7之间通过楔形面配合。

所述的刀具锁紧机构8包括卡块801，与卡块801滑动配合设有滑块，滑块上设有卡盘804，卡盘804中间设有旋转轴803，卡盘804上设有卡板806。滑块在滑槽内滑动，卡盘804绕旋转轴803旋转；旋转轴803固连于卡块801上。刀具锁紧机构8中的卡板806包括III号卡板8011、IV号卡板8012，分别与末端执行器上的I号卡板2021和II号卡板2022相配合。所述的刀具锁紧机构8通过滑块实现在刀具6在刀筒7内的锁紧功能。

本实用新型所述的刀筒7为圆柱筒，刀筒7的内壁上设有凸环709和限位块708，凸环709和限位块708之间形成限位滑槽707。

所述限位块708一侧与刀筒7连接，另一侧设有减重槽705；所述刀筒7的内壁上还设有卡接槽706，卡接槽706的上侧面为VI号楔形面703。刀具锁紧机构的滑块伸进卡接槽706内；所述限位滑槽707的底面为V号楔形面702，限位滑槽707的上侧面为IV号楔形面701。刀具装入刀筒后以凸环709为支撑在限位滑槽707内滑动。使用时，限位块708将刀具锁紧机构卡在刀筒内，防止刀具锁紧机构移动旋转。

所述刀具6包括盘形滚刀601和刀轴座602，所述的刀轴座602上设有刀轴槽605，盘形滚刀601的刀轴604伸进刀轴槽605内。

所述刀轴槽605的槽口设有刀轴座挡板603。刀轴604通过刀轴座挡板603固连于刀轴座602上。

所述刀轴座602的相对两侧设有突出块6024，突出块6024的侧面为I号楔形面6021，突出块的上部为II号楔形面6022，刀轴座602的另外两侧上设有III号楔形面6023。突出块6024的侧面为I号楔形面6021与刀筒限位滑槽707的V号楔形面702相配合， II号楔形面6022与限位滑槽707的上侧面为IV号楔形面701相配合。

所述的刀具锁紧机构8包括卡块801，与卡块801滑动配合设有滑块，滑块上设有卡盘804，卡盘804中间设有旋转轴803，卡盘804上设有卡板806。滑块在滑槽内滑动，卡盘804绕旋转轴803旋转；旋转轴803固连于卡块801上。刀具锁紧机构8中的卡板806包括III号卡板8011、IV号卡板8012，分别与末端执行器上的I号卡板和II号卡板相配合。

所述的卡块801上设有I号滑槽807和II号滑槽808，I号滑槽807和II号滑槽808对称设置，所述的滑块包括I号滑块802和II号滑块805，I号滑块802与I号滑槽807相配合，II号滑块805与II号滑槽808相配合；卡盘804与I号滑块802、II号滑块805通过螺纹配合。

所述的卡块801下部设有卡腿809，卡腿809上设有VII号楔形面8011。VII号楔形面8011与刀轴座602上的III号楔形面6023相配合。

所述的滑块外侧设有卡结块8010，卡结块8010外侧设有VIII号楔形面8051。卡结块8010伸进卡接槽内，VIII号楔形面8051与卡接槽内的VI号楔形面703相配合。

刀具系统安装时首先将刀具6装入刀筒7内，到达限定位置时旋转刀具6，使刀轴座602上的I号楔形面6021与刀筒7上V号楔形面702为楔形面配合，刀轴座602上II号楔形面6022与刀筒7上IV号楔形面701为楔形面配合，直至刀具6在刀筒7中处于卡紧状态；然后将刀具锁紧机构8装入刀筒7内，使刀轴座602上的III号楔形面6023与卡块601上的VII号楔形面6011形成配合面，使刀具锁紧机构8锁紧刀具6，防止刀具6松动；最后通过旋转卡盘804，使I号滑块802与II号滑块805沿卡块801的滑槽内移动，实现I号滑块802与II号滑块805同时伸出并卡入刀筒7内的卡接槽内，随着旋转轴803转动，VIII号楔形面8051与卡接槽内的VI号楔形面703相配合，直至刀具锁紧机构8被锁紧，以此达到刀具系统、刀具锁紧机构8与刀筒始终处于紧配合状态。

本实用新型刀具系统拆卸时与安装过程相反：刀具系统拆卸时首先通过拧动刀具锁紧机构8中的卡盘804使I号滑块802与II号滑块805同时收回，并将刀具锁紧机构取出；然后旋转刀具使其与刀筒的配合松动并取出刀具。

如图13至图14所示，一种隧道掘进机用检测换刀机器人的使用方法，包括以下步骤：①需要检测换刀机器人对可疑滚刀进行检测与更换时，检测换刀机器人仓闸门打开，检测换刀机器人1沿滑轨滑动，并从机器人仓闸门905向外伸出；

②检测换刀机器人1上的末端执行器上的高压水喷嘴315对可疑滚刀进行喷水清洗；

③由末端执行器上的视觉系统316对可疑滚刀进行进一步察看；

④经视觉系统316查看确定可疑滚刀需要更换时，由末端执行器的夹持机构3和卡盘拧动机构2配合进行更换滚刀；经视觉系统316查看确定可疑滚刀不需要更换时，检测换刀机器人返回机器人仓。

本实用新型隧道掘进机在掘进过程中滚刀会产生磨损，刀盘上滚刀均布有监测装置当滚刀出现损坏、偏磨等情况时，会发出信号，此时需要本实用新型的检测换刀机器人对可疑处滚刀进行检测与及时更换。

步骤④所述末端执行器更换滚刀的过程包括拆卸刀具系统的过程，具体包括以下步骤：a、拆除刀具锁紧部分：首先通过卡盘拧动机构2上的I号卡板2021和II号卡板2022分别与刀具锁紧机构8中的III号卡板8011和IV号卡板8012相配合，通过液压马达旋转带动卡盘202转动使刀具锁紧机构8中I号滑块802与II号滑块805同时缩回滑槽内，然后利用末端执行器中夹持机构3上的I号油缸302和II号油缸304使I号移动手指303与I号固定手指3011形成配合抓手、II号移动手指305与II号固定手指1012形成配合抓手，并同时向内卡紧刀具锁紧机构8中卡块801并将其拆出；b、拆除刀具部分：首先通过末端执行器夹持机构3上的I号油缸302和II号油缸304使I号移动手指303与I号固定手指3011、II号移动手指305与II号固定手指3012形成配合抓手，并同时向外撑紧刀具6中的刀轴座602，旋转刀具6利用抓手将刀具6抽出。

步骤④所述末端执行器更换滚刀的过程包括安装刀具系统的过程，具体包括以下步骤：a、安装刀具：末端执行器中的夹持机构3向外撑住刀具6中的刀轴座602并通过旋转刀具6使其卡紧刀筒7；

b、安装刀具锁紧机构：利用夹持机构3向内卡紧刀具锁紧机构8中的卡块并将其放入刀筒7内，最后利用卡盘拧动机构中I号卡板和II号卡板与刀具锁紧机构8中的III号卡板和IV号卡板相配合，通过液压马达带动卡盘拧动机构2旋转从而使刀具锁紧机构8中的I号滑块和II号滑块同时伸出插入到刀筒内，以此达到刀具系统的锁紧状态。

Claims (10)

1.一种隧道掘进机用检测换刀机器人，其特征在于：包括隧道掘进机主机，隧道掘进机主机上设有机器人仓（9），机器人仓（9）内设有检测换刀机器人（1）和刀箱（904）；所述的检测换刀机器人（1）包括底座（101），与底座（101）相连设有机械臂，机械臂末端设有末端执行器。

2.根据权利要求1所述的隧道掘进机用检测换刀机器人，其特征在于：所述的机器人仓（9）内设有滑轨（91）和上层轨道（92），检测换刀机器人（1）的底座（101）设置在滑轨（91）上，刀箱（904）设置在上层轨道（92）上；机器人仓（9）靠近隧道掘进机的刀盘（907）的一侧设有机器人仓闸门（905）。

3.根据权利要求1所述的隧道掘进机用检测换刀机器人，其特征在于：所述的机械臂为串并联机械臂，所述的串并联机械臂包括若干个单关节机械臂和若干个并联机械臂。

4.根据权利要求3所述的隧道掘进机用检测换刀机器人，其特征在于：所述的单关节机械臂包括依次串联连接的机械臂I（102）、机械臂II（103）、机械臂III（104）、机械臂IV（105）、机械臂V（106），所述的机械臂V（106）与并联机械臂（107）连接，所述的机械臂I（102）一端铰接在底座（101）上、另一端与机械臂II（103）铰接连接；机械臂I（102）与底座（101）之间、机械臂II（103）与底座（101）之间分别设有驱动III（1014）；机械臂III（104）一端与机械臂IV（105）铰接、另一端沿机械臂II（103）的内腔滑动形成伸缩臂；机械臂V（106）铰接在机械臂IV（105）上；相邻并联机械臂（107）之间串联连接。

5.根据权利要求1所述的隧道掘进机用检测换刀机器人，其特征在于：所述的末端执行器包括夹持机构（3），夹持机构（3）上设有卡盘拧动机构（2），所述的夹持机构（3）由液压油缸（314）驱动，卡盘拧动机构（2）由液压马达（201）驱动。

6.根据权利要求5所述的隧道掘进机用检测换刀机器人，其特征在于：所述的末端执行器上还设有高压水喷嘴（315）和视觉系统（316）。

7.根据权利要求5所述的隧道掘进机用检测换刀机器人，其特征在于：所述的夹持机构（3）包括安装板（301），安装板（301）上设有手指滑轨（306），安装板（301）下部设有移动手指和固定手指，固定手指固定在安装板（301）上，移动手指通过手指滑轨（306）与安装板（301）滑动连接，液压油缸的底座固定在安装板上，液压油缸的活塞杆与移动手指连接。

8.根据权利要求5所述的隧道掘进机用检测换刀机器人，其特征在于：所述的卡盘拧动机构（2）包括卡盘（202）和卡板，液压马达固定在安装板（301）上部，液压马达的输出轴穿过安装板（301）与卡盘（202）连接，卡板设置在卡盘（202）的下表面上。

9.根据权利要求8所述的隧道掘进机用检测换刀机器人，其特征在于：所述的卡板包括I号卡板（2021）和II号卡板（2022），I号卡板（2021）和II号卡板（2022）在卡盘（202）上对称设置。

10.根据权利要求9所述的隧道掘进机用检测换刀机器人，其特征在于：所述与卡盘拧动机构（2）相配合设有刀具系统，所述的刀具系统上设有与I号卡板（2021）和II号卡板（2022）相配合的III号卡板（8011）、IV号卡板（8012）。