CN210396743U - 一种全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，用于解决人工更换滚刀的时间成本高，安全性差，且滚刀姿态各异的技术问题。本实用新型包括移动装置，移动装置上部固定有旋转装置，旋转装置上活动设有与滚刀相匹配的刀箱容器。移动装置可以带动其上的旋转装置竖直方向上下升降、纵向方向前后移动和横向方向水平移动，刀箱容器可在旋转装置上旋转。本实用新型结构简单，易操作，通过调整四个可移动方向，模拟滚刀在刀盘上处于不同的位置和姿态；可在实验室中模拟真实环境下的机器人换刀技术，大大降低了研发成本和周期，为全断面隧道换刀机器人的前期技术研究验证和换刀技术的成功研发奠定了基础。

Description

一种全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置

技术领域

本实用新型涉及全断面隧道掘进机自动换刀的技术领域，尤其涉及一种全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置。

背景技术

全断面隧道掘进机是集机械、传感、控制等多种技术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，是一种推进过程中通过刀盘的旋转带动刀盘上的刀具对掌子面进行开挖，使隧道断面一次成型的大型工程机械，具有自动化程度高、施工速度快、节约人力物力、安全经济、可以有效控制地面沉降、减少对地面建筑影响等优点，广泛应用于地铁、铁路交通、水利水电等领域。刀盘作为隧道掘进机的关键部件，掘进过程中直接与掌子面接触，刀盘上的滚刀磨损严重，滚刀磨损到一定程度后就要及时更换，否则影响就会进一步蔓延至其他滚刀甚至刀盘。目前，换刀基本采用人工操作，换刀时间成本高，高压、高温、高湿等恶劣环境对换刀人员的安全构成威胁。

当前，针对隧道掘进机的自动化换刀问题，国外部分学者和企业已经进行了一定研究，但极度保密，不能直接应用到适合我国开挖环境的全断面隧道掘进机的刀盘更换。实际环境中，滚刀沿圆周方向分布于整个刀盘上，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姿态的滚刀。

实用新型内容

针对人工更换滚刀时间成本高，安全性差，滚刀姿态各异的技术问题，本实用新型提出一种全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，依托实际全断面隧道掘进机，且结构简单，易操作，可实现四维移动，从而模拟滚刀在刀盘上的不同位置和姿态，可以从试验层面减少全断面换刀机器人换刀技术的研发成本和周期，为全段面隧道掘进机换刀机器人的成功研制奠定基础。

为了达到上述目的，本实用新型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的换刀试验装置，包括移动装置，所述移动装置上部固定有旋转装置，旋转装置上活动设有与滚刀相匹配的刀箱容器。移动装置可以带动其上的旋转装置竖直方向上下升降、纵向方向前后移动和横向方向水平移动，从而实现三个方位的移动，刀箱容器可在旋转装置上旋转，从而可以实现模拟滚刀在刀盘上的不同位置和不同姿态的情况。

进一步地，所述移动装置包括竖直移动装置、横向移动装置和纵向移动装置，所述竖直移动装置、横向移动装置和纵向移动装置沿竖直方向设置，最上部的竖直移动装置、横向移动装置或纵向移动装置上固定有旋转装置。竖直移动装置、横向移动装置和纵向移动装置可以按照不同要求上下排列，只要旋转装置设置在移动装置的顶部即可，从而保证刀盘容器在旋转装置上稳定的旋转。

进一步地，所述竖直移动装置上部安装有横向移动装置，横向移动装置上部安装有纵向移动装置，纵向移动装置上固定有旋转装置。竖直移动装置设置在最底端，横向移动装置设置在竖直移动装置和纵向移动装置的中间，纵向移动装置设置在横向移动装置的上部，旋转装置设置在最顶端。

进一步地，所述竖直移动装置包括下底板、上顶板、连杆机构I和连杆机构II，连杆机构I和连杆机构II的上部均与上顶板活动连接，连杆机构I和连杆机构II的下部均与下底板活动连接，连杆机构I和连杆机构II中部均设有丝杠螺母杆，两个丝杠螺母杆之间通过丝杠杆相连接，一个丝杠螺母杆与丝杠杆螺纹连接，另一个丝杠螺母杆与丝杠杆活动连接，丝杠杆的一端固定有摇杆I。通过摇杆I转动丝杠杆，丝杠杆的转动带动一个丝杠螺母杆沿丝杠杆移动，调节连杆机构I和连杆机构II之间的间距和高度，从而调节下底板和上顶板之间的距离，从而调节上底板上部的整个装置竖直方向上上下升降。

进一步地，所述连杆机构I包括两组L型连杆结构，两组L型连接结构之间通过一个丝杠螺母杆相连接；所述连杆机构II包括两组四边形连杆结构，两组四边形连杆结构之间通过另一个丝杠螺母杆相连接，四边形连杆结构包括通过中间连杆连接的两个L型连杆结构；所述L型连杆结构包括上连杆和下连杆，上连杆上部与上顶板活动连接，上连杆下部与下连杆活动连接，下连杆与下底板活动连接；所述中间连杆分别与上连杆和下连杆活动连接。连杆机构I和连杆机构II的结构可以保证两者之间稳定配合，从而保证竖直方向移动的可靠性。

进一步地，所述丝杠杆与丝杠螺母杆活动连接的一端设有止推部，止推部通过光孔与丝杠螺母杆活动连接；所述止推部两侧均固定有扣件。扣件和止推部保证丝杠杆的另一端在另一个丝杠螺母杆上稳定的转动。

进一步地，所述横向移动装置包括丝杠支架，丝杠支架固定在竖直移动装置的上顶板上部，丝杠支架上活动设有滚珠丝杠I，滚珠丝杠I与丝杠螺母块I螺纹连接，丝杠螺母块I上部固定有横向移动座；所述滚珠丝杠I的一端固定设有摇杆II。通过手动控制摇杆II转动带动滚珠丝杠I转动，从而带动丝杠螺母块I及其上的横向移动座沿着滚珠丝杠I横向水平移动。

进一步地，所述横向移动座下部设有固定导向机构I，固定导向机构I包括滑杆支架和固定导向块I，滑杆支架固定在竖直移动装置1的上顶板上部，滑杆支架上固定有滑杆I，滑杆I与滚珠丝杠I相平行；所述固定导向块I固定在横向移动座的下部，固定导向块I滑动设置在滑杆I上；所述固定导向机构I的数量设有两个、分别设置在滚珠丝杠I的两侧。固定导向机构I对横向移动座进行支撑和导向，分担横向移动座及其上部装置的重力，实现丝杠螺母块I在滚珠丝杠I上稳定移动，保证横向移动座横向移动的稳定性。

进一步地，所述纵向移动装置包括纵向移动座、丝杠螺母块II、滚珠丝杠II和支撑挡板，支撑挡板固定在横向移动装置上部的横向移动座上，支撑挡板上活动设有滚珠丝杠II，滚珠丝杠II与丝杠螺母块II螺纹连接，丝杠螺母块II上固定有纵向移动座；所述滚珠丝杠II的一端固定设有摇杆III。纵向移动装置通过滚珠丝杠II与丝杠螺母块II的配合带动纵向移动座沿纵向前后移动。

进一步地，所述纵向移动座的下部固定有固定导向机构II，固定导向机构II包括滑杆II，滑杆II固定在支撑挡板上且滑杆II与滚珠丝杠II相平行，滑杆II上滑动设有固定导向块II，固定导向块II与纵向移动座固定连接；所述固定导向机构II的数量设有两个、分别设置在滚珠丝杠II的两侧；所述横向移动座为U型结构，支撑挡板固定在横向移动座内，纵向移动座设置在横向移动座的上方。固定导向机构II通过滑杆II和固定导向块II相配合，保证纵向移动座在滚珠丝杠II上稳定移动。

进一步地，所述旋转装置包括旋转支架，旋转支架的底部固定在纵向移动装置的纵向移动座的上部，旋转支架上活动设有旋转支撑，旋转支撑上设有定位槽孔，旋转支架上设有与定位槽孔相匹配的定位孔；所述旋转支撑与刀箱容器固定连接，刀箱容器下部通过滑动装置与纵向移动座的上部相连接。刀箱容器底部在纵向移动座滑动，从而使刀箱容器在旋转支撑的带动下可以围绕旋转支架转动。

进一步地，所述滑动装置包括滑轮和刀箱容器导轨，滑轮与刀箱容器的底部活动连接，刀箱容器导轨为弧形导轨，刀箱容器导轨固定在纵向移动座上，滑轮滑动设置在刀箱容器导轨内。滑轮和弧形导轨相配合，保证刀箱容器的旋转，从而使滚刀处于不同的姿态。

进一步地，所述旋转支撑为十字形支撑，十字形支撑的中心固定有转轴，转轴通过轴承与旋转支架相连接，十字形支撑的外侧通过螺纹孔、螺栓与刀箱容器固定，十字形支撑的四个支板上均设有长条形的定位槽孔；所述旋转支架的定位孔围着转轴的中心呈圆周方向排列。十字形支撑与旋转支架上的定位孔相配合，方便对刀箱容器进行定位。

本实用新型的有益效果：本实用新型依托全断面隧道掘进机原型，结合滚刀在刀盘上的分布规律进行设计，通过垂直移动装置、横向移动装置和纵向移动装置的调整模拟滚刀在刀盘平面内的不同位置，通过旋转装置模拟滚刀在刀盘上沿圆周方向上的旋转姿态，解决了人工换刀困难、效率低、危险系数高等问题，以真实全断面隧道掘进机刀盘的特点为基础，来模拟刀盘上不同位置和姿态的滚刀，通过调整试验台四个可移动方向，模拟滚刀在刀盘上的位置使其处于不同的位置和姿态。本实用新型可在实验室中模拟真实环境下的机器人换刀技术，大大降低了全断面隧道掘进机换刀机器人换刀技术的研发成本，且操作简单，为全断面隧道换刀机器人的前期技术研究验证和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实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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为本实用新型与全断面隧道掘进机换刀机器人配合的结构示意图。

图2为本实用新型的二等轴测图。

图3为本实用新型的主视图。

图4为本实用新型的左视图。

图5为本实用新型的俯视图。

图6为本实用新型的竖直移动装置的结构示意图。

图7为本实用新型的横向移动装置的结构示意图。

图8为本实用新型的纵向移动装置的结构示意图。

图9为本实用新型的旋转装置的结构示意图。

图10为本实用新型的导向容器旋转姿态的主视图。

图11为本实用新型的刀箱容器的结构示意图。

图12为本实用新型的旋转支撑的结构示意图。

图13为本实用新型的旋转支架的结构示意图。

图中，1为竖直移动装置，1-1为下底板，1-2为丝杠杆，1-3为摇杆I，1-4为上顶板，1-5为丝杠螺母杆，1-6为上连杆，1-7为扣件，1-8为下连杆，1-9为中间连杆，2为横向移动装置，2-1为丝杠支架，2-2为横向移动座，2-3为滑杆支架，2-4为固定导向块I，2-5为丝杠螺母块I，2-6为滚珠丝杠I，2-7为滑杆I，3为纵向移动装置，3-1为纵向移动座，3-2为丝杠螺母块II，3-3为固定导向块II，3-4为支撑挡板，3-5为滚珠丝杠II，3-6为滑杆II，4为旋转装置，4-1为旋转支架，4-2为旋转支撑，4-3为刀箱容器，4-4为刀箱容器导轨，4-5为滑轮支架，4-6为滑轮，5为滚刀，6为刀箱。

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所示，一种全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，包括移动装置，移动装置可以带动刀箱容器4-3上下升降、横向水平移动、纵向前后移动，所述移动装置上部固定有旋转装置4，旋转装置4可以带动刀箱容器4-3旋转，从而可以实现将滚刀放置在不同的姿态，旋转装置4上活动设有与滚刀5相匹配的刀箱容器4-3。滚刀5设置在刀箱容器4-3，刀箱容器4-3可以容纳和固定滚刀5。通过移动装置分别带动旋转装置4上下、纵向、横向的移动，带动刀箱容器4-3移动至不同的位置，通过旋转装置4可以旋转刀箱容器4-3处于不同的姿态，由于滚刀5安装于刀箱6中，刀箱6固定安装于刀箱容器4-3中，所以刀箱容器4-3的位置和姿态也代表了滚刀的姿态和位置，然后由全断面隧道掘进机换刀机器人针对不同位置和姿态的刀具进行自动换刀技术研究。

优选地，所述移动装置包括竖直移动装置1、横向移动装置2和纵向移动装置3，竖直移动装置1实现对其上装置的竖直上下升降，横向移动装置2实现对其上装置的横向水平移动，纵向移动装置3实现对其上装置的纵向前后移动。所述竖直移动装置1、横向移动装置2和纵向移动装置3沿竖直方向设置，不限定它们竖直方向的位置，实验人员可以根据试验需要进行相应的组合即可。最上部的竖直移动装置1、横向移动装置2或纵向移动装置3上固定有旋转装置4。旋转装置4固定在移动装置顶部的，方便对旋转装置的移动操作，同时保证旋转装置对刀箱容器4-3的稳定旋转。

如图2、图3和图4所示，所述竖直移动装置1上部安装有横向移动装置2，横向移动装置2上部安装有纵向移动装置3，纵向移动装置3上固定有旋转装置4。竖直移动装置1设置在最下部，可以带动其上的横向移动装置2、纵向移动装置3和旋转装置4竖直方向上下升降，横向移动装置2带动其上的纵向移动装置3和旋转装置4沿横向水平移动，纵向移动装置3带动其上的旋转装置4沿纵向前后移动，从而带动刀箱容器4-3进行三维的移动。如图5所示，位于最顶部的旋转装置4带动刀箱容器4-3围着一定点转动，从而实现滚刀5姿态的变化。

优选地，如图6所示，所述竖直移动装置1包括下底板1-1、上顶板1-4、连杆机构I和连杆机构II，下底板1-1设置在最下部，连杆机构I和连杆机构II均设置在下底板1-1和上顶板1-4之间，连杆机构I和连杆机构II的上部均与上顶板1-4活动连接，连杆机构I和连杆机构II的下部均与下底板1-1活动连接，连杆机构I和连杆机构II均可相对于下底板1-1和上顶板1-4上下移动。连杆机构I和连杆机构II的中部均设有丝杠螺母杆1-5，两个丝杠螺母杆1-5之间通过丝杠杆1-2相连接，一个丝杠螺母杆1-5与丝杠杆1-2螺纹连接，该丝杠螺母杆1-5上的孔为丝杠螺母孔，丝杠螺母孔与丝杠杆1-2的丝杠部分连接，丝杠杆1-2转动带动该丝杠螺母杆1-5在丝杠杆1-2上水平移动。另一个丝杠螺母杆1-5与丝杠杆1-2活动连接，该丝杠螺母杆1-5上的孔为光孔，光孔与丝杠杆1-2的止推部位相连；丝杠杆1-2与该丝杠螺母杆1-5可以相对转动，但是不能相对移动。丝杠杆1-2的一端固定有摇杆I1-3，摇杆I1-3通过四方孔与丝杠杆1-2相连，可以通过其他动力机构代替摇杆I1-3实现丝杠杆1-2的转动。通过转动摇杆I1-3带动丝杠杆1-2转动，从而调节连杆机构I和连杆机构II之前的距离，从而带动连杆机构I和连杆机构II张开或收缩，实现上顶板1-4的上下升降动作。

所述连杆机构I包括两组L型连杆结构，两组L型连接结构之间通过一个丝杠螺母杆1-5相连接，L型连接结构的上部和下部通过销轴连接，该丝杠螺母杆1-5固定在L型连接结构中部活动连接的销轴上，从而限位该销轴的转动，实现L型连接结构的上部和下部的开合。所述连杆机构II包括两组四边形连杆结构，两组四边形连杆结构之间通过另一个丝杠螺母杆1-5相连接，另一个丝杠螺母杆1-5可以带动四边形连杆结构的开合，从而调节竖直方向的高度。四边形连杆结构包括通过中间连杆1-9连接的两个L型连杆结构，可以增加移动过程中的稳定性。连杆机构I和连杆机构II的L型连杆结构的开口发现相反，即两个L型连杆结构的中部距离较近，减少丝杠杆1-2的长度，方便调节整个横向移动装置1的高度，连杆机构I和连杆机构II分别对丝杠杆1-2向两侧施加相反的作用力，增加了整个竖直移动装置的可靠性。所述L型连杆结构包括上连杆1-6和下连杆1-8，上连杆1-6上部与上顶板1-4活动连接，上连杆1-6的上部与固定座通过销轴连接，上连杆1-6可以相对于固定座转动，固定座固定在上顶板1-4的下部。上连杆1-6下部通过销轴与下连杆1-8的上部活动连接，下连杆1-8的下部与下底板1-1活动连接，下连杆1-8的下部与固定座活动连接，固定座固定在下底板1-1的上部。所述中间连杆1-9通过销轴分别与上连杆1-6和下连杆1-8活动连接。

优选地，所述丝杠杆1-2与丝杠螺母杆1-5活动连接的一端设有止推部，止推部通过光孔与丝杠螺母杆1-5活动连接，丝杠杆1-2通过止推部相对于该丝杠螺母杆1-5转动。所述止推部两侧均固定有扣件1-7，扣件1-7的数量设有四个，分别固定设置在止推部的两侧，且分别位于丝杠螺母杆1-5的两侧，用于限位丝杠杆1-2的止推部不相对于该丝杠螺母杆1-5水平移动。

优选地，如图7所示，所述横向移动装置2包括丝杠支架2-1，丝杠支架2-1固定在竖直移动装置1的上顶板1-4上部，上顶板1-4上部设置有螺纹孔，丝杠支架2-1通过螺栓固定在上顶板1-4上，丝杠支架2-1上活动设有滚珠丝杠I2-6，丝杠支架2-1的数量设有两个，滚珠丝杠I2-6设置在两个丝杠支架2-1之间，滚珠丝杠I2-6的两端分别通过轴承与两个丝杠支架2-1相连接。滚珠丝杠I2-6与丝杠螺母块I2-5螺纹连接，丝杠螺母块I2-5可相对于滚珠丝杠I2-6的转动而水平移动，丝杠螺母块I2-5上部固定有横向移动座2-2，横向移动座2-2随着丝杠螺母块I2-5的移动而移动。所述滚珠丝杠I2-6的一端固定设有摇杆II，滚珠丝杠I2-6的端部开有外四方，摇杆II设置在内外四方内。通过摇杆II转动滚珠丝杠I2-6，带动横向移动座2-2横向移动。

所述横向移动座2-2下部设有固定导向机构I，固定导向机构I包括滑杆支架2-3和固定导向块I2-4，滑杆支架2-3通过螺栓固定在竖直移动装置1的上顶板1-4上部，滑杆支架2-3上固定有滑杆I2-7，滑杆支架2-3的数量设有两个且滑杆I2-7的两端分别与滑杆支架2-3固定连接，滑杆I2-7与滚珠丝杠I2-6相平行，滑杆I2-7的高度高于滚珠丝杠I2-6，保证横向移动座2-2横向移动的稳定性。所述固定导向块I2-4固定在横向移动座2-2的下部，固定导向块I2-4滑动设置在滑杆I2-7上，固定导向块I2-4的下部设有与滑杆I2-7相匹配的半圆孔，在丝杠螺母块I2-5的带动下固定导向块I2-4通过半圆孔在滑杆I2-7上水平移动，固定导向块I2-4通过滑杆I2-7对横向移动座2-2进行支撑，减少丝杠螺母块I2-5对滚珠丝杠I2-6的压力，从而实现横向移动座2-2沿着滚珠丝杠I2-6稳定水平移动。所述固定导向机构I的数量设有两个、分别设置在滚珠丝杠I2-6的两侧。固定导向机构I从滚珠丝杠I2-6的两侧对横向移动座2-2进行导向和支撑，提高了丝杠螺母块I2-5和滚珠丝杠I2-6配合的可靠性。

优选地，如图8所示，所述纵向移动装置3包括纵向移动座3-1、丝杠螺母块II3-2、滚珠丝杠II3-5和支撑挡板3-4，支撑挡板3-4通过螺栓固定在横向移动装置2上部的横向移动座2-2上，横向移动座2-2上设有螺栓孔，支撑挡板3-4上活动设有滚珠丝杠II3-5，支撑挡板3-4的数量设有两个分别设置在横向移动座2-2的两侧，滚珠丝杠II3-5的两端分别通过轴承与支撑挡板3-4活动连接，滚珠丝杠II3-5可相对于支撑挡板3-4转动，支撑挡板3-4对滚珠丝杠II3-5的两端进行支撑，滚珠丝杠II3-5与丝杠螺母块II3-2螺纹连接，丝杠螺母块II3-2可随着滚珠丝杠II3-5的转动而移动，丝杠螺母块II3-2上固定有纵向移动座3-1，纵向移动座3-1随着丝杠螺母块II3-2的移动而移动。所述滚珠丝杠II3-5的一端固定设有摇杆III。滚珠丝杠II3-5的一端设有外四方，外四方与摇杆III固定连接，通过摇杆1-3转动滚珠丝杠II3-5，带动纵向移动座3-1纵向移动。

所述纵向移动座3-1的下部固定有固定导向机构II，固定导向机构II包括滑杆II3-6，滑杆II3-6固定在支撑挡板3-4上且滑杆II3-6与滚珠丝杠II3-5相平行，滑杆II3-6上滑动设有固定导向块II3-3，固定导向块II3-3下部通过半圆孔沿滑杆II3-6移动。固定导向块II3-3与纵向移动座3-1固定连接；所述固定导向机构II的数量设有两个、分别设置在滚珠丝杠II3-5的两侧；所述横向移动座2-2为U型结构，支撑挡板3-4固定在横向移动座2-2内，两个支撑挡板3-4分别设置在横向移动座2-2的两侧，两个支撑挡板3-4和U型结构的横向移动座2-2可以组成一个上部开口的箱体，对滚珠丝杠II3-5、丝杠螺母块II3-2和固定导向机构II进行保护，纵向移动座3-1设置在横向移动座2-2的上方，纵向移动座3-1沿着横向移动座2-2的两侧移动。

优选地，如图9所示，所述旋转装置4包括旋转支架4-1，旋转支架4-1的底部固定在纵向移动装置3的纵向移动座3-1的上部，如图13所示，旋转支架4-1的两侧通过底板和螺栓固定在纵向移动座3-1，旋转支架4-1的两侧的底部还设有三角形支撑，用于支撑旋转支架4-1竖直设置。旋转支架4-1上活动设有旋转支撑4-2，旋转支撑4-2通过轴承与旋转支架4-1相连接，旋转支撑4-2上设有定位槽孔，旋转支架4-1上设有与定位槽孔相匹配的定位孔，定位槽孔和相应的定位孔通过定位螺栓或定位销轴相连接，从而将旋转支撑4-2固定在旋转支架4-1的相对位置上；所述旋转支撑4-2与刀箱容器4-3固定连接，刀箱容器4-3下部通过滑动装置与纵向移动座3-1的上部相连接。刀箱容器4-3的下部可以上下转动与旋转支撑4-2的转动相匹配，从而带动刀箱容器4-3旋转。

所述滑动装置包括滑轮4-6和刀箱容器导轨4-4，滑轮4-6与刀箱容器4-3的底部活动连接，滑轮4-6通过销轴与滑轮支架4-5活动连接，滑轮支架4-5的上部固定在刀箱容器4-3的底部，从而可以带动刀箱容器4-3转动。刀箱容器导轨4-4为弧形导轨，弧形导轨的弯曲度与定位孔和定位槽孔相匹配，刀箱容器导轨4-4固定在纵向移动座3-1上，滑轮4-6滑动设置在刀箱容器导轨4-4内，刀箱容器导轨4-4的数量设有两个，分别位于刀箱容器4-3的下方的两侧，用于支撑刀箱容器4-3的转动。刀箱容器4-3通过滑轮4-6沿刀箱容器导轨4-4运动，运动到一定角度后可由旋转支架4-1上的定位孔与旋转支撑4-2上的定位槽孔通过定位销轴固定位置，实现刀箱容器的旋转动作，刀箱容器4-3旋转时的姿态如图10所示。

如图11所示，刀箱容器4-3为四周和上部开口的长方体，方便容纳刀箱6和滚刀5，开口远离旋转支撑4-2的一侧，刀箱容器4-3与旋转支撑4-2相连接的一侧保持与旋转支撑4-2的稳定连接。如图12所示，所述旋转支撑4-2为十字形支撑，十字形支撑的中心固定有转轴，转轴通过轴承与旋转支架4-1相连接，十字形支撑的外侧通过螺纹孔、螺栓与刀箱容器4-3固定，十字形支撑的四个支板上均设有长条形的定位槽孔，长条形结构方便对应旋转支架4-1上的定位孔；所述旋转支架4-1的定位孔的数量设有多个且围着与转轴活动连接的通孔的中心呈圆周方向排列，由于旋转支撑4-2为十字形支撑，所以多个定位孔的设置可以从四个方向将旋转支撑4-2定位在旋转支架4-1上。

由于全断面隧道掘进机换刀机器人在真实工况下所处空间有限，故换刀机器人只能在一定的空间下运动，实验室也将搭建该部分装置来模拟真实环境下换刀机器人的运动空间，本实用新型主要用来模拟滚刀不同的位姿。当机器人安装完成后，通过本实用新型的试验装置模拟滚刀不同的位姿，进行机器人换刀技术的研究。本实用新型在实验室环境下模拟全断面隧道掘进机换刀机器人换刀，通过使用一把滚刀，即可模拟滚刀不同的姿态，大大降低了全断面隧道掘进机换刀机器人的研发成本。

如图2所示，滚刀横向和垂直位置的变化：滚刀在垂直（Z轴）和横向（X轴）方向的移动可以通过垂直移动装置1和横向移动装置2实现。转动摇杆I1-3，带动丝杠杆1-2转动，通过丝杠螺母杆1-5驱动连杆机构I和连杆机构II组成平行四边形连杆机构动作，实现滚刀在垂直方向的移动。同理，通过摇杆II带动滚珠丝杠I2-6转动，进而驱动横向移动座的运动，实现滚刀在横向的移动。通过上述两个动作，就模拟了滚刀在刀盘平面（X-Z平面）内位置的变化。其中，纵向移动装置3负责试验过程中，滚刀在纵向（Z轴）位置的微调。

滚刀旋转姿态的变化：滚刀旋转姿态的变化通过旋转装置4实现，可以用外力驱动旋转支撑4-2，使刀箱容器4-3沿刀箱容器滑轨4-4运动，当运动到一定角度后，此刻的位置可以通过旋转支架4-1上的定位孔和旋转支撑4-2上的定位槽孔实现固定，最终实现滚刀的在刀盘平面（X-Z平面）内沿圆周方向的姿态变化。

通过本实用新型的试验装置可模拟滚刀在刀盘平面（X-Z）平面内的不同位置和姿态，换刀机器人通过前端的控制技术进行滚刀的拆卸动作，拆卸完成后放置于旧刀存储箱，从新刀存储箱抓取新刀进行安装，完成整个机器人换刀动作。

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

Claims (13)

1.一种全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，包括移动装置，其特征在于，所述移动装置上部固定有旋转装置（4），旋转装置（4）上活动设有与滚刀相匹配的刀箱容器（4-3）。

2.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述移动装置包括竖直移动装置（1）、横向移动装置（2）和纵向移动装置（3），所述竖直移动装置（1）、横向移动装置（2）和纵向移动装置（3）沿竖直方向设置，最上部的竖直移动装置（1）、横向移动装置（2）或纵向移动装置（3）上固定有旋转装置（4）。

3.根据权利要求2所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述竖直移动装置（1）上部安装有横向移动装置（2），横向移动装置（2）上部安装有纵向移动装置（3），纵向移动装置（3）上固定有旋转装置（4）。

4.根据权利要求2或3所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述竖直移动装置（1）包括下底板（1-1）、上顶板（1-4）、连杆机构I和连杆机构II，连杆机构I和连杆机构II的上部均与上顶板（1-4）活动连接，连杆机构I和连杆机构II的下部均与下底板（1-1）活动连接，连杆机构I和连杆机构II中部均设有丝杠螺母杆（1-5），两个丝杠螺母杆（1-5）之间通过丝杠杆（1-2）相连接，一个丝杠螺母杆（1-5）与丝杠杆（1-2）螺纹连接，另一个丝杠螺母杆（1-5）与丝杠杆（1-2）活动连接，丝杠杆（1-2）的一端固定有摇杆I（1-3）。

5.根据权利要求4所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述连杆机构I包括两组L型连杆结构，两组L型连接结构之间通过一个丝杠螺母杆（1-5）相连接；所述连杆机构II包括两组四边形连杆结构，两组四边形连杆结构之间通过另一个丝杠螺母杆（1-5）相连接，四边形连杆结构包括通过中间连杆（1-9）连接的两个L型连杆结构；所述L型连杆结构包括上连杆（1-6）和下连杆（1-8），上连杆（1-6）上部与上顶板（1-4）活动连接，上连杆（1-6）下部与下连杆（1-8）活动连接，下连杆（1-8）与下底板（1-1）活动连接；所述中间连杆（1-9）分别与上连杆（1-6）和下连杆（1-8）活动连接。

6.根据权利要求4所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述丝杠杆（1-2）与丝杠螺母杆（1-5）活动连接的一端设有止推部，止推部通过光孔与丝杠螺母杆（1-5）活动连接；所述止推部两侧均固定有扣件（1-7）。

7.根据权利要求4所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述横向移动装置（2）包括丝杠支架（2-1），丝杠支架（2-1）固定在竖直移动装置（1）的上顶板（1-4）上部，丝杠支架（2-1）上活动设有滚珠丝杠I（2-6），滚珠丝杠I（2-6）与丝杠螺母块I（2-5）螺纹连接，丝杠螺母块I（2-5）上部固定有横向移动座（2-2）；所述滚珠丝杠I（2-6）的一端固定设有摇杆II。

8.根据权利要求7所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述横向移动座（2-2）下部设有固定导向机构I，固定导向机构I包括滑杆支架（2-3）和固定导向块I（2-4），滑杆支架（2-3）固定在竖直移动装置（1）的上顶板（1-4）上部，滑杆支架（2-3）上固定有滑杆I（2-7），滑杆I（2-7）与滚珠丝杠I（2-6）相平行；所述固定导向块I（2-4）固定在横向移动座（2-2）的下部，固定导向块I（2-4）滑动设置在滑杆I（2-7）上；所述固定导向机构I的数量设有两个、分别设置在滚珠丝杠I（2-6）的两侧。

9.根据权利要求2或7所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述纵向移动装置（3）包括纵向移动座（3-1）、丝杠螺母块II（3-2）、滚珠丝杠II（3-5）和支撑挡板（3-4），支撑挡板（3-4）固定在横向移动装置（2）上部的横向移动座（2-2）上，支撑挡板（3-4）上活动设有滚珠丝杠II（3-5），滚珠丝杠II（3-5）与丝杠螺母块II（3-2）螺纹连接，丝杠螺母块II（3-2）上固定有纵向移动座（3-1）；所述滚珠丝杠II（3-5）的一端固定设有摇杆III。

10.根据权利要求9所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述纵向移动座（3-1）的下部固定有固定导向机构II，固定导向机构II包括滑杆II（3-6），滑杆II（3-6）固定在支撑挡板（3-4）上且滑杆II（3-6）与滚珠丝杠II（3-5）相平行，滑杆II（3-6）上滑动设有固定导向块II（3-3），固定导向块II（3-3）与纵向移动座（3-1）固定连接；所述固定导向机构II的数量设有两个、分别设置在滚珠丝杠II（3-5）的两侧；所述横向移动座（2-2）为U型结构，支撑挡板（3-4）固定在横向移动座（2-2）内，纵向移动座（3-1）设置在横向移动座（2-2）的上方。

11.根据权利要求2或7所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述旋转装置（4）包括旋转支架（4-1），旋转支架（4-1）的底部固定在纵向移动装置（3）的纵向移动座（3-1）的上部，旋转支架（4-1）上活动设有旋转支撑（4-2），旋转支撑（4-2）上设有定位槽孔，旋转支架（4-1）上设有与定位槽孔相匹配的定位孔；所述旋转支撑（4-2）与刀箱容器（4-3）固定连接，刀箱容器（4-3）下部通过滑动装置与纵向移动座（3-1）的上部相连接。

12.根据权利要求11所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述滑动装置包括滑轮（4-6）和刀箱容器导轨（4-4），滑轮（4-6）与刀箱容器（4-3）的底部活动连接，刀箱容器导轨（4-4）为弧形导轨，刀箱容器导轨（4-4）固定在纵向移动座（3-1）上，滑轮（4-6）滑动设置在刀箱容器导轨（4-4）内。

13.根据权利要求12所述的全断面隧道掘进机换刀机器人的换刀试验装置，其特征在于，所述旋转支撑（4-2）为十字形支撑，十字形支撑的中心固定有转轴，转轴通过轴承与旋转支架（4-1）相连接，十字形支撑的外侧通过螺纹孔、螺栓与刀箱容器（4-3）固定，十字形支撑的四个支板上均设有长条形的定位槽孔；所述旋转支架（4-1）的定位孔围着转轴的中心呈圆周方向排列。

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