用于离心机机器人的打/拔桩工具的制作方法

本实用新型属于一种土工离心模型试验技术领域，具体涉及用于离心机机器人的打/拔桩工具。

背景技术：

在岩土工程领域，土工离心模型试验是将缩比土工模型(各方向尺寸均为原形土体的1/n)置于高速旋转的离心机中，利用n倍于重力加速度的离心力场作用，再现原形土体的应力状态。为了更真实的反映实际工程的工作情况，土工离心模型试验还要求能在试验中进行动态过程模拟。离心机机器人作为各种动态施工过程模拟的专用设备，由于其灵活高效、通用性强的优势，在土工离心模型试验中备受青睐。

离心机机器人可二次开发出一系列功能，从已问世的10余台离心机机器人来看，打/拔桩功能是其中必备的基本功能，包含打桩和拔桩两个过程。在岩土工程领域，该功能是在离心力场下，模拟结构桩在土基础中打入和拔出的过程，从而开展相关科学研究和工程验证。由于打/拔桩工具受困于狭小且高离心力场的严酷工作环境，要实现打/拔桩功能是非常有难度的，现有的离心机机器人采用了两种方式来实现该功能。

第一种方式是在离心机启动前人工将桩预埋一部分在土模型中，离心机机器人工具端装有带平板的工具，当离心机旋转使土模型达到实验所需离心力场后，离心机机器人通过3个直线运动轴定位，使用平板工具将桩完全打入土模型中；而拔桩过程则需要关停离心机更换带钩子的工具，再回到原来离心力场下，离心机机器人将桩从土模型中勾出。

第二种方式是在离心机机器人工具端安装气动抓手工具(见《土工测试新技术-第25届土工测试学时研讨会论文集》：366-371，孔令刚、张利民撰写的科技论文--土工离心机机器人发展概况与应用实例)，离心机机器人利用该工具在离心机停止时将桩抓取并移动到土模型指定位置，后将桩身的一部分压入土中以防桩倾倒，继而更换带平头的打桩工具，并启动离心机使土模型达到实验所需离心力场,离心机机器人将桩按实验要求打入土模型。相比第一种方式，桩的定位更准确。而拔桩功能未见相关描述，可以肯定的是要实现拔桩功能需要更换不同的工具。

方式一：桩需要人工提前预埋，限制了打桩的使用场景；打桩和拔桩分开，且打桩和拔桩的切换需要停机更换工具，这限制了机器人的使用领域。

方式二：完成打桩需要使用两种工具，实验操作过程较为繁琐；气动抓手锁紧力有限，并不能在离心力场下完成桩的抓取和拔出；而如要实现拔桩还需要更换工具。

为了解决以上问题我方研发出了一种用于离心机机器人的打/拔桩工具。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供用于离心机机器人的打/拔桩工具。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

用于离心机机器人的打/拔桩工具，包括：

用于与离心机机器人的移动动力输出结构固定连接的Z向滑块；

电机、减速器，电机的转轴和减速器联接，减速器的定子固定安装在Z向滑块上；

抓取装置，抓取装置包括支撑座、外套、内套、转动座，转动座的上端与与减速器的动力输出轴传动连接，转动座的下端包括多根光滑的传动杆，外套的上端套装在多根光滑的传动杆上与转动座限位传动连接，且外套可在多根光滑的传动杆上上下滑动；内套的上部分设置有梯形外螺纹，外套的上部分设置有梯形内螺纹，内套的上部分设置在外套的上部分内部，并螺纹联接；外套的下部分内部为圆台结构，内套的中部侧壁设置有多个通孔，每个通孔内设置有一个滚珠，滚珠的一个部分与外套的圆台结构接触，滚珠的另一个部分与从下往上放入内套内的桩的侧壁接触；内套的下端固定在支撑座上。

抓取装置的锁紧力通过电机的力矩控制，电机正转锁紧，反转解锁；电机经过减速器、梯形螺纹、圆台结构楔形配合形成三级减速机构，使抓取装置的锁紧力相对电机的力矩得到数倍提升，这使得抓取装置的锁紧力非常可靠；基于以上，再通过离心机机器人的移动动力输出结构进行上下打/拔桩力量的传输可以实现打/拔桩，不需要更换工具。

具体地，打/拔桩工具还包括连接轴和第一法兰盘，连接轴和第一法兰盘均设置在Z向滑块内部，减速器的动力输出轴与连接轴的上端连接，连接轴的下端与第一法兰盘的上端固定连接，第一法兰盘的下端与转动座的上端固定连接。

优选地，连接轴的上端为中空结构，连接轴上端的中空部分与减速器的输出轴通过键连接。

优选地，打/拔桩工具还包括多个轴承，多个轴承套装在连接轴上，多个轴承的外圈均与Z向滑块固定连接。

多个轴承的采用避免连接轴出现转动偏差。

优选地，支撑座为上大下小的筒状结构，转动座、外套、内套、滚珠均设置在支撑座内部，转动座的直径和外套的上端直径均略小于支撑座的上部内径，外套的上端置于支撑座的上部内，外套的下端置于支撑座的下部内；外套往下移动至通过滚珠抵紧桩时，外套的上端与支撑座仍未接触。

支撑座下端的筒状小直径设计，使得打/拔桩工具更加紧凑，减小了最小打桩间距，使工具更为灵活。

优选地，传动杆为光滑的圆柱，传动杆为两根，两根传动杆相对于转动座的轴心对称布置。

优选地，内套的中部侧壁设置的多个通孔为围绕内套轴心均匀分布的多个圆形通孔，圆形通孔的直径略大于滚珠的直径。

优选地，桩的上部侧壁设置有与滚珠接触配合的圆环槽。

圆环槽的设置用以防止桩意外掉落。

优选地，支撑座的下端设置有圆台形状的通孔，桩的上端为圆台结构，桩通过支撑座的下端设置的圆台形状的通孔插入内套中。

支撑座上的圆台形状的通孔与桩的上端圆台结构的设计，便于抓取装置套入桩上端，使得工具有较大的容差，降低了离心机机器人的定位精度要求。

进一步地，桩的侧壁上设置有圆环柱状的凸起，凸起的外直径大于支撑座的下端设置的圆台形状通孔的底部直径。

当圆台结构、滚珠和桩楔形配合较紧时候，圆环柱状的凸起与支撑座的底部抵紧，避免打/拔桩过程中桩的晃动。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的用于离心机机器人的打/拔桩工具：

1、抓取装置的锁紧力通过电机的力矩控制，电机正转锁紧，反转解锁；电机经过减速器、梯形螺纹、圆台结构楔形配合形成三级减速机构，使抓取装置的锁紧力相对电机的力矩得到数倍提升，这使得抓取装置的锁紧力非常可靠；基于以上，再通过离心机机器人的移动动力输出结构进行上下打/拔桩力量的传输可以实现打/拔桩，不需要关停离心机更换工具；

2、支撑座下端的筒状小直径设计，使得打/拔桩工具更加紧凑，减小了最小打桩间距，使工具更为灵活；

3、桩上圆环槽的设置用以防止桩意外掉落；

4、支撑座上的圆台形状的通孔与桩的上端圆台结构的设计，便于抓取装置套入桩上端，且抓取装置径向锁紧有一定行程，使得工具有较大的容差，降低了离心机机器人的定位精度要求；

5、当圆台结构、滚珠和桩楔形配合较紧时候，圆环柱状的凸起与支撑座的底部抵紧，避免打/拔桩过程中桩的晃动。

附图说明

图1为本实用新型的的结构示意图；

图2为本实用新型的剖面结构示意图；

图3为本实用新型中抓取装置的剖面结构示意图；

图4为本实用新型中外套的结构示意图；

图5为本实用新型中内套的结构示意图；

图6是本实用新型中支撑座的结构示意图；

图7是本实用新型中转动座的结构示意图；

图8是本实用新型中打/拔桩工具工作场景示意图。

图中：1、Z向滑块；2、电机；3、减速器；4、抓取装置；41、支撑座；42、转动座；43、外套；44、内套；45、滚珠；5、桩；6、连接轴；7、轴承；8、第一法兰盘。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1-图8所示，用于离心机机器人的打/拔桩工具，包括：

用于与离心机机器人的移动动力输出结构固定连接的Z向滑块1；

电机2、减速器3，电机2的转轴和减速器3联接，减速器3的定子固定安装在Z向滑块1上；

抓取装置4，抓取装置4包括支撑座41、外套43、内套44、转动座42，转动座42的上端与与减速器3的动力输出轴传动连接，转动座42的下端包括多根光滑的传动杆，外套43的上端套装在多根光滑的传动杆上与转动座42限位传动连接，且外套43可在多根光滑的传动杆上上下滑动；内套44的上部分设置有梯形外螺纹，外套43的上部分设置有梯形内螺纹，内套44的上部分设置在外套43的上部分内部，并螺纹联接；外套43的下部分内部为圆台结构，内套44的中部侧壁设置有多个通孔，每个通孔内设置有一个滚珠45，滚珠45的一个部分与外套43的圆台结构接触，滚珠45的另一个部分与从下往上放入内套44内的桩5的侧壁接触；内套44的下端固定在支撑座41上。

抓取装置4的锁紧力通过电机2的力矩控制，电机2正转锁紧，反转解锁；电机2经过减速器3、梯形螺纹、圆台结构楔形配合形成三级减速机构，使抓取装置4的锁紧力相对电机2的力矩得到数倍提升，这使得抓取装置4的锁紧力非常可靠；基于以上，再通过离心机机器人的移动动力输出结构进行上下打/拔桩力量的传输可以实现打/拔桩，不需要更换工具。

打/拔桩工具还包括连接轴6和第一法兰盘8，连接轴6和第一法兰盘8均设置在Z向滑块1内部，减速器3的动力输出轴与连接轴6的上端连接，连接轴6的下端与第一法兰盘8的上端固定连接，第一法兰盘8的下端与转动座42的上端固定连接。

连接轴6的上端为中空结构，连接轴6上端的中空部分与减速器3的输出轴通过键连接。

打/拔桩工具还包括多个轴承7，多个轴承7套装在连接轴6上，多个轴承7的外圈均与Z向滑块1固定连接。

多个轴承7的采用避免连接轴6出现转动偏差。

支撑座41为上大下小的筒状结构，转动座42、外套43、内套44、滚珠45均设置在支撑座41内部，转动座42的直径和外套43的上端直径均略小于支撑座41的上部内径，外套43的上端置于支撑座41的上部内，外套43的下端置于支撑座41的下部内；外套43往下移动至通过滚珠45抵紧桩5时，外套43的上端与支撑座41仍未接触。

支撑座41下端的筒状小直径设计，使得打/拔桩工具更加紧凑，减小了最小打桩间距，使工具更为灵活。

传动杆为光滑的圆柱，传动杆为两根，两根传动杆相对于转动座42的轴心对称布置。

内套44的中部侧壁设置的多个通孔为围绕内套44轴心均匀分布的多个圆形通孔，圆形通孔的直径略大于滚珠45的直径。

桩5的上部侧壁设置有与滚珠45接触配合的圆环槽。

圆环槽的设置用以防止桩5意外掉落。

支撑座41的下端设置有圆台形状的通孔，桩5的上端为圆台结构，桩5通过支撑座41的下端设置的圆台形状的通孔插入内套44中。

支撑座41上的圆台形状的通孔与桩5的上端圆台结构的设计，便于抓取装置4套入桩5上端，使得工具有较大的容差，降低了离心机机器人的定位精度要求。

桩5的侧壁上设置有圆环柱状的凸起，凸起的外直径大于支撑座41的下端设置的圆台形状通孔的底部直径。

当圆台结构、滚珠45和桩5楔形配合较紧时候，圆环柱状的凸起与支撑座41的底部抵紧，避免打/拔桩过程中桩5的晃动。

优选地，支撑座41的上端为第二法兰盘，Z向滑块1的下端为第三法兰盘，第二法兰盘和第三法兰盘通过螺栓固定连接，支撑座41的上部结构为了配合螺栓的安装设置有多个缺口。

优选地，本工具中转动座42上端设有直口，第一法兰盘8的下端嵌入转动座42上端设置的直口，再通过螺钉锁紧，确保其能与第一法兰盘8同心。

优选地，内套44的内径较桩5上端直径更大，增加了工具的容差，降低了离心机机器人的定位精度要求。

本实用新型中：

1.打/拔桩工具可实现离心力场下可同时完成打桩和拔桩功能，提升了试验效率；

2.抓取装置4无额外驱动管线，避免了管线在离心力场保护难度大的问题；

3.结构紧凑，降低了打/拔桩的最小间距，工具适用性强；

4.装置有较大的容差，降低了机器人的定位精度要求；

5.抓取装置4锁紧力可靠，且可控、可调，进一步增强工具的适用性。

本实用新型工作时候，按需设置好电机2的锁紧力矩，该力矩值应小于电机2的堵转扭矩，以防止抓取装置4无法解锁；通过离心机机器人的移动动力输出结构将工具移动至桩库，移动到相应桩5的上方，使得桩5的上方插入内套44中并抵紧，滚珠45落入桩5上的圆环槽中，正向启动电机2，电机2的转动力矩依次经减速器3、转动轴、第一法兰盘8、转动座42后再传递至外套43，因内套44固定在支撑座41上，外套43与内套44螺纹连接，所以内套44往上移动，滚珠45在外套43的圆台结构的表面逐渐往上滚动，外套43作用于滚珠45的抵紧力逐渐增大，多个滚珠45来自外套43的抵紧力从多个方向均匀的作用于桩5上的凹槽，将桩5固定紧。

之后即可通过离心机机器人的移动动力输出结构将工具移动至需要打桩的位置，再向下移动工具即可进行打桩；

拔桩过程中，抓取装置4将桩5固定紧后，通过离心机机器人的移动动力输出结构将移动工具向上移动即可进行拔桩；

拔桩完毕后，即可通过离心机机器人的移动动力输出结构将工具移动至桩库，电机2转轴反向转动，电机2的转动力矩依次经减速器3、转动轴、第一法兰盘8、转动座42后再传递至外套43，因内套44固定在支撑座41上，外套43与内套44螺纹连接，所以内套44往下移动，滚珠45在外套43的圆台结构的表面逐渐往下滚动，外套43作用于滚珠45的抵紧力逐渐减小直至没有，桩5在自重力作用下即可掉入桩库。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。