一种适于盘形滚刀自动更换的机器人及其使用方法与流程

本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种适于盘形滚刀自动更换的机器人及其使用方法。

背景技术：

全断面隧道掘进机广泛应用于交通、水利、国防等重大工程领域，是代表国家装备制造业水平的大国重器，单台装备造价最高达5亿元。但是全断面掘进机还存在自动化智能化程度偏低，尤其是代表掘进机智能化水平的核心作业环节—换刀作业目前还是以人工换刀为主，当面临高压/高湿/腐蚀等极端作业环境时，存在“检测难、换刀险”的国际性行业难题，人工更换单把滚刀耗时高达4小时，同时换刀总耗时至少占整个工期的三分之一以上，且作业人员经常需要承受高压危害，长时间作业会对人体造成不可逆的损害，甚至出现人员伤亡等重大事故。

目前在全断面隧道施工中，刀具的磨损和更换是限制盾构和tbm施工效率的主要因素之一。相关工程实践表明在盾构法施工中，由于土仓为密闭高压仓，换刀操作需多名专业人员在具有充分准备前提下实施，完成一次换刀时间约为40min左右。在tbm施工中，虽不存在带压情况，但由于刀具磨损较快，换刀频次相比盾构法有明显增多。因此，无论盾构法还是tbm施工中，实现自动换刀都是提高换刀速率、减小工人施工风险的重要途径。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是盾构和tbm施工中换刀速率低、工人施工风险大，提供一种适于盘形滚刀自动更换的机器人及其使用方法。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种适于盘形滚刀自动更换的机器人，包括刀座和机器人末端执行器，刀座上设有滚刀，所述的刀座通过机器人末端执行器与机械臂连接。

所述的机器人末端执行器包括换刀灵巧手和螺栓灵巧手，换刀灵巧手铰接于螺栓灵巧手的底部。

所述的换刀灵巧手包括上臂和下臂，上臂和下臂铰接连接，与上臂相连设有上臂油缸，与下臂相连设有下臂油缸。

所述的螺栓灵巧手包括壳体，换刀灵巧手铰接在壳体底部，所述的壳体上部设有连接台，机械臂的末端通过连接台与螺栓灵巧手连接；所述的壳体下部设有套筒。

所述的壳体内部设有电机、弹簧和滑板，弹簧设置在壳体的上板与滑板之间，电机固定在滑板上，电机的输出轴与套筒连接。

所述的壳体底部还设有传感器。

所述的刀座包括箱体，箱体内设有c形块和四杆机构，所述滚刀的刀轴一侧卡进c形块内、另一侧与四杆机构连接。

所述的箱体上还设有滚刀通道，与滚刀通道相通设有一号滑槽，与一号滑槽相通设有二号滑槽，所述的滚刀通道的内腔与刀轴的外轮廓相配合，一号滑槽和二号滑槽垂直设置。

所述的四杆机构包括依次相连的顶紧滑块、连杆、驱动滑块和螺杆，所述的顶紧滑块设置在一号滑槽内，驱动滑块设置在二号滑槽内；所述的连杆与螺栓灵巧手上套筒的内腔相配合。

所述螺杆的下端为球形，驱动滑块内开有球形槽，螺杆的下端与球形槽形成球铰副；所述的箱体上开有螺纹孔，螺杆与箱体通过螺纹连接。

所述的顶紧滑块和驱动滑块内均开设有空腔，连杆两端伸进空腔内分别与顶紧滑块、驱动滑块铰接连接。

所述的顶紧滑块为楔形块，顶紧滑块的左侧斜面与刀轴相配合，顶紧滑块的右侧斜面与驱动滑块的下部斜面相配合；

所述箱体一侧设有开口，与开口相配合设有滑块端盖。

一种适于盘形滚刀自动更换的机器人的使用方法，包括以下步骤：①装刀时，机械臂控制机器人末端执行器的换刀灵巧手拿出存放于固定位置的滚刀，使滚刀移动到刀盘上对应的刀座位置，并使刀轴和c形块配合；同时螺栓灵巧手的套筒卡紧螺杆，在电机的作用下拧经螺杆，使顶紧滑块顶紧刀轴，松开换刀灵巧手，退回换刀灵巧手，完成滚刀安装；②拆刀时：机器人末端执行器在机械臂的控制下使换刀灵巧手运动到刀座位置，通过传感器和机器人末端执行器的机械定位能力夹紧滚刀，使电机工作，松开螺杆，进而使顶紧滑块松开刀轴，机械臂带动机器人末端执行器的换刀灵巧手移动取出滚刀。

本发明为了适应机械手换刀过程，设计了一种可实现滚刀快速拆装的刀座，并与刀座配合设计了换刀灵巧手和螺栓灵巧手，通过换刀灵巧手夹持滚刀，通过螺栓灵巧手控制顶紧滑块的左右移动，进而实现滚刀的松紧，换刀灵巧手和螺栓灵巧手同时作用，不需要人工参与换刀，机械化程度高、快捷方便、节省人力物力。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明换刀灵巧手与刀座相配合状态结构示意图；

图3是本发明换刀灵巧手结构示意图；

图4是本发明螺栓灵巧手结构示意图；

图5是本发明螺栓灵巧手底面结构示意图；

图6是本发明刀座立体结构示意图；

图7是本发明四杆机构在最右端、滚刀装入时的结构示意图；

图8是本发明四杆机构在最右端、滚刀取出或装入至滚刀通道时的结构示意图；

图9是本发明无刀状态、四杆机构在最左端时的结构示意图。

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，一种适于盘形滚刀自动更换的机器人，包括刀座1和机械臂5，刀座1上设有滚刀2，所述的刀座1通过机器人末端执行器与机械臂5连接，如图1所示。

所述的机器人末端执行器包括换刀灵巧手3和螺栓灵巧手4，换刀灵巧手3铰接于螺栓灵巧手4的底部。

如图2和图3所示，所述的换刀灵巧手3包括上臂301和下臂302，上臂301和下臂302铰接连接，与上臂301相连设有上臂油缸303，与下臂302相连设有下臂油缸304。

所述的上臂301和下臂302的内侧均为圆弧面，圆弧面的弧度与滚刀2刀圈202的外轮廓相配合。本发明通过上臂油缸303和下臂油缸304控制换刀灵巧手3的开合。上臂301和下臂302内侧的圆弧面的形状结构与目前通用滚刀刀圈两侧的形状结构相吻合；由于目前刀箱装入滚刀后，滚刀两侧空间大小不一，本发明上臂301的圆弧面和下臂302的圆弧面形成大于180度的圆弧以适应刀箱空间，并保证其夹紧能力。

如图4和图5所示，所述的螺栓灵巧手4包括壳体401，换刀灵巧手3铰接在壳体401底部，所述的壳体401上部设有连接台402，机械臂5的末端通过连接台402与螺栓灵巧手4连接；所述的壳体401下部设有套筒403。本发明壳体401底部留有铰接位置，换刀灵巧手3的上臂301、上臂油缸303、下臂油缸304均铰接在壳体401底部；连接台402与机械臂5末端相连，套筒403共两个，套筒403与螺杆相配合，控制螺杆的旋转。

所述的壳体401内部设有电机405、弹簧406和滑板407，弹簧406设置在壳体401的上板与滑板407之间，电机405固定在滑板407上，电机405的输出轴与套筒403连接。电机405共两个，电机405为拧螺杆提供动力，电机固定在滑板407上，受弹簧406的弹力作用滑板的初始位置位于壳体401内底部，在拧螺杆时，随着螺杆向上拧出，滑板受螺杆向上的推力作用，滑板带着电机向上运动，为螺杆的拧出让位。本发明电机的减速机主要用来驱动刀座的上螺杆，靠螺杆的螺纹进行上下运动。

所述的壳体401底部还设有传感器404。用于定位滚刀位置和刀座的螺杆。

如图6至图9所示，所述的刀座1包括箱体101，箱体101内设有c形块102和四杆机构，所述滚刀2的刀轴201一侧卡进c形块102内、另一侧与四杆机构连接。所述的c形块102为目前滚刀安装时通用c形块结构，焊接于101内。滚刀2为目前盾构机、tbm上常用的盘形滚刀。

所述的箱体101上还设有滚刀通道110，与滚刀通道110相通设有一号滑槽111，与一号滑槽111相通设有二号滑槽112，所述的滚刀通道110的内腔与刀轴201的外轮廓相配合，一号滑槽111和二号滑槽112垂直设置。滚刀通道110的宽度比刀轴201的最大宽度大5-10mm，滚刀通过该通道取出或装入。

所述的四杆机构包括依次相连的顶紧滑块103、连杆104、驱动滑块105和螺杆106，所述的顶紧滑块103设置在一号滑槽111内，驱动滑块105设置在二号滑槽112内；所述的连杆104与螺栓灵巧手4上套筒403的内腔相配合。顶紧滑块103和驱动滑块105垂直安装于一号滑槽111和二号滑槽112内，顶紧滑块103和驱动滑块105以连杆104连接，驱动滑块105可随螺杆106的转动沿二号滑槽112做上下移动，从而带动顶紧滑块103在一号滑槽111内左右移动；一号滑槽111和顶紧滑块103之间装有密封装置，防止泥沙和水等污染滑道，顶紧滑块103与一号滑槽111的接触面、驱动滑块105与二号滑槽112的接触面均需进行一定深度的热处理。一号滑槽111与二号滑槽112内储存有润滑脂，以便双滑块可以灵活运动。

所述螺杆106的下端为球形，驱动滑块105内开有球形槽，螺杆106的下端与球形槽形成球铰副；所述的箱体101上开有螺纹孔，螺杆106与箱体101通过螺纹连接。驱动滑块内的球形槽可以是圆柱形、圆锥形等形状，便于螺杆的下端在其内部旋转，并带动驱动滑块上下运动；本发明转动螺杆106，可控制驱动滑块105的移动。制作时，螺杆106需进行热处理，螺杆106上装有o形密封，防止四杆机构受到泥沙和水的污染。

所述的顶紧滑块103和驱动滑块105内均开设有空腔114，连杆104两端伸进空腔114内分别与顶紧滑块103、驱动滑块105铰接连接。空腔大小根据连杆连杆104的运动范围确定。连杆104的铰接位置需根据顶紧滑块103和驱动滑块105的大小及移动距离计算得到，确保顶紧滑块103和驱动滑块105在运动过程中不发生干涉，在两个极点位置时不形成死点。本发明连杆需经热处理，要求具有较高的抗拉、抗剪强度。

所述的顶紧滑块103为楔形块，顶紧滑块103的左侧斜面与刀轴201相配合，顶紧滑块103的右侧斜面与驱动滑块的下部斜面相配合；

顶紧滑块103左侧斜面用于顶紧刀轴，其倾斜角度根据刀轴的倾斜角度相同，接触时，顶紧滑块103左侧斜面与刀轴贴合；顶紧滑块103右侧斜面与驱动滑块下部斜面相配合。

本发明所述顶紧滑块103右侧斜面和驱动滑块下部斜面的角度均设为45°为最优，斜面的设置避免顶紧滑块103和驱动滑块105运动过程中发生干涉。

所述箱体101一侧设有开口，与开口相配合设有滑块端盖116。箱体101一侧的开口，用于安装顶紧滑块103和驱动滑块105，顶紧滑块103和驱动滑块105装入后盖上滑块端盖116并采用螺纹连接方式或焊接方式封口。箱体101外侧设有连接板117，连接板117用于将箱体101固定到刀盘上。本发明刀座1中滚刀的安装和取出时，具体采用以下步骤：螺杆106拧出，通过球铰副带动驱动滑块105向上运动，驱动滑块105通过连杆104带动顶紧滑块103移动，顶紧滑块103的移动给刀轴让位，使刀轴从连通的一号滑槽进入滚刀通道，或从滚刀通道进入一号滑槽，进而完成滚刀的装入或取出；滚刀装入c形块后，螺杆106拧紧，根据螺杆的拧入距离或拧紧扭矩判断是否拧紧，带动驱动滑块105运动，驱动滑块105通过连杆带动顶紧滑块103运动进而顶紧刀轴，此时驱动滑块和顶紧滑块恰好接触，两滑块通过刀轴和滑块端盖顶死，完成滚刀的加紧。

一种适于盘形滚刀自动更换的机器人及其使用方法，包括以下步骤：①装刀时，机械臂5控制机械手的换刀灵巧手3拿出存放于固定位置的滚刀，使滚刀2移动到刀盘上对应的刀座位置，并使刀轴201和c形块102配合；同时螺栓灵巧手4的套筒403卡紧螺杆106，在电机405的作用下拧经螺杆106，使顶紧滑块103顶紧刀轴201，松开换刀灵巧手3，退回换刀灵巧手3，完成滚刀安装；②拆刀时：机械手在机械臂5的控制下使换刀灵巧手3运动到刀座位置，通过传感器404和机械手及机器人末端执行器的机械定位能力夹紧滚刀，使电机405工作，松开螺杆406，进而使顶紧滑块103松开刀轴，机械臂5带动机器人末端执行器移动拿出滚刀。本发明工作时，换刀灵巧手3和螺栓换刀灵巧手4共同组成机械臂灵巧的机械手；本发明机械臂为6自由度机械臂或更多自由度的机械臂，机械臂安装于机械臂底座6上，机械臂底座6为可以直线滑动平台。