一种离心机机器人工具快换系统的制作方法

本发明涉及岩土工程领域土工离心模型试验中所用到的离心机机器人，具体涉及一种离心机机器人工具快换系统。

背景技术：

在岩土工程领域，土工离心模型试验是将土工模型置于高速旋转的离心机中，利用高于重力加速度的离心场作用，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。

离心机机器人在离心模型试验过程中，为模拟完整的动态施工过程并即时检测，需要连续完成多种试验操作。在试验过程每完成一种不同操作，都得更换一个工具，这就要求离心机机器人须具备自动更换工具功能。发明专利CN102778890A公开了一种四轴全电驱土工离心机器人，采用气动抓手实现离心机不停机状态下自动更换工具功能；香港科技大学使用的土工离心机机器人也采用了相同的工具快换系统(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)；法国艾科传动公司研制的土工离心机机器人，则采用电机驱动三爪卡盘的方式实现各类工具更换(见网页www.actidyn.com)。

现有离心机机器人一般具有X、Y、Z三个直线运动和绕Z轴旋转四个运动坐标，利用X、Y、Z三个直线运动坐标进行空间定位，并通过抓手辅助完成工具更换操作。

现有离心机试验机器人工具快换系统存在以下缺陷：

1)由于现有离心机试验机器人工具快换系统所用抓手需采用电机或气缸作为驱动来锁紧或放开工具，离心机机器人在高离心场下工作，工具更换所需驱动电线或气管保护将受到数倍于自身重力的离心力，容易发生破坏，因此现有工具快换系统的驱动电线或气管保护难度大；

2)如果离心机机器人Z轴旋转自由度过大，必然使线路或管路发生缠绕，进而影响使用功能，因此其Z轴旋转自由度一般不超过360度，但是这样就无法实现自动更换工具的状态下进行连续旋转取土、打洞等功能，从而限制了离心机机器人的使用工况领域。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种离心机机器人工具快换系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种离心机机器人工具快换系统，包括安装在离心机机器人Z轴末端的Z向滑块、微型电滑环、力矩电机和弹性钢球锁紧装置；

所述力矩电机通过支架固定安装于所述Z向滑块上，所述力矩电机内贯穿有中空轴，所述中空轴与所述力矩电机的转子固定为一体；

所述微型电滑环通过滑环支架固定于所述力矩电机的顶部，所述中空轴的上端与所述微型电滑环的转子固定连接，所述弹性钢球锁紧装置固定于所述中空轴的下端；

所述支架安装有用于支撑所述中空轴的轴承，所述中空轴的下端穿过所述轴承后与所述弹性钢球锁紧装置固定连接；

所述中空轴、所述力矩电机的转子和所述弹性钢球锁紧装置通过法兰盘固定连接在一起；

所述弹性钢球锁紧装置包括快速插头和用于卡入工具的内套，所述快速插头固定于所述法兰盘上，所述快速插头的下信号连接端穿过所述法兰盘并延伸至所述内套中，所述快速插头的上信号连接端与所述中空轴内部相通。

具体地，所述弹性钢球锁紧装置包括所述内套、所述快速插头、外套、解锁螺母和两个滚珠轴环，所述内套与所述法兰盘固定连接，所述外套、两个所述滚珠轴环和所述解锁螺母由上至下依次套在所述内套上，所述内套与所述外套之间设置有弹簧和若干钢球，所述内套的侧壁设置有若干球形孔，所述球形孔贯穿所述内套的侧壁，若干所述钢球一一对应卡装于若干所述球形孔内，所述外套的上内壁面为与若干所述钢球贴合在一起的锥面结构，所述内套和所述外套分别设置有上、下轴肩，所述弹簧卡装于上、下所述轴肩之间，所述球形孔位于所述内套的轴肩上方，两个所述滚珠轴环均套在所述内套上并位于所述外套下方，上、下两个所述滚珠轴环之间为可滑动连接结构，所述解锁螺母与所述内套为螺纹连接结构，所述解锁螺母通过螺钉与下方的所述滚珠轴环固定连接，所述解锁螺母的外环面设置有与工具架卡槽相对应的凸台。

进一步地，所述法兰盘的下端面设置有两个用于工具径向定位的销柱，所述销柱延伸至所述内套中。

进一步地，所述内套设置有用于与法兰盘固定连接的螺钉孔、用于插入所述快速插头的快插接口和用于连接所述解锁螺母的螺纹。

进一步地，所述外套为由螺钉和销钉连接在一起的两半式结构。

本发明的有益效果在于：

本发明通过弹性钢球锁紧装置实现了离心机机器人工具的锁紧和解锁，并设置微型电滑环和带中空轴的力矩电机，使离心机机器人工具端没有与上端直连的管线，进而不会限制工具端的自由旋转，增加了离心机机器人的使用工况领域。

附图说明

图1是本发明所述离心机机器人工具快换系统的结构原理图；

图2是本发明所述离心机机器人工具快换系统的剖视图；

图3是图2中A处的局部放大图，主要体现出了锁紧装置的剖视结构；

图4是本发明所述内套的第一视角示意图；

图5是本发明所述内套的第二视角示意图；

图6是本发明所述解锁螺母的结构示意图；

图中：1-微型电滑环，2-滑环支架，3-力矩电机，4-法兰盘，5-弹性钢球锁紧装置，6-工具，7-工具架，8-Z向滑块，9-中空轴，10-轴承，11-外套，12-弹簧，13-滚珠轴环，14-解锁螺母，15-快插，16-钢球，17-内套，18-支架，19-快插接口，20-螺钉孔，21-轴肩，22-球形孔，23-螺纹，24-销柱，25-凸台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明包括安装在离心机机器人Z轴末端的Z向滑块8、微型电滑环1、力矩电机3和弹性钢球锁紧装置5；

力矩电机3通过支架18固定安装于Z向滑块8上，力矩电机3内贯穿有中空轴9，中空轴9与力矩电机3的转子固定为一体(图中力矩电机3的转子没有表示出来)，中空轴9中间设有通孔以便测试线路穿过；微型电滑环1通过滑环支架2固定于力矩电机3的顶部，滑环支架2通过螺钉固连在力矩电机3外壳上，微型电滑环1只有弱电信号传输所需的电路，避免了高离心场下气路或液路密封难度大的问题，中空轴9的上端与微型电滑环1的转子固定连接，弹性钢球锁紧装置5固定于中空轴9的下端；支架18安装有用于支撑中空轴9的轴承10，轴承10可实现与Z向滑块8可旋转连接，中空轴9的下端穿过轴承10后与弹性钢球锁紧装置5固定连接；中空轴9、力矩电机3的转子和弹性钢球锁紧装置5通过法兰盘4固定连接在一起；弹性钢球锁紧装置5包括快速插头15和用于卡入工具6的内套17，快速插头15固定于法兰盘4上，快速插头15的下信号连接端穿过法兰盘4并延伸至内套17中，快速插头15的上信号连接端与中空轴9内部相通。

弹性钢球锁紧装置5包括内套17、快速插头15、外套11、解锁螺母14和两个滚珠轴环13，内套17与法兰盘4固定连接，外套11、两个滚珠轴环13和解锁螺母14由上至下依次套在内套17上，内套17与外套11之间设置有弹簧12和若干钢球16，内套17的侧壁设置有若干球形孔22，球形孔22贯穿内套17的侧壁，若干钢球16一一对应卡装于若干球形孔22内，外套11的上内壁面为与若干钢球16贴合在一起的锥面结构，锥面用于卡紧钢球16，锥面的角度能够保证钢球16自锁。内套17和外套11分别设置有上、下轴肩21，弹簧12卡装于上、下轴肩21之间，弹簧12处于压缩状态，使外套11始终保持相对于内套17有一个向下的力，加之外套11还受一个向下的离心力，这两个力促使外套11的内锥面把钢球16压向工具6侧，产生可保持的压紧力，工具6端头设有相应的球形环槽，从而完成了工具6的轴向锁紧。球形孔22位于内套17的轴肩21上方，两个滚珠轴环13均套在内套17上并位于外套11下方，上、下两个滚珠轴环13之间为可滑动连接结构，从而防止外套11被解锁螺母14与内套17的相对转动影响。

解锁螺母14与内套17为螺纹连接结构，解锁螺母14通过螺钉与下方的滚珠轴环13固定连接，解锁螺母14的外环面设置有与工具架7卡槽相对应的凸台25，工具架7固定在土工试验离心机试验模型箱底部，其数量可根据实际需要安装，工具架7用于存放各类具备相同接口的工具6，解锁螺母14用于锁紧装置的解锁操作，凸台25便于实现解锁螺母14与内套17的相对移动从而实现外套11的移动。当工具6锁紧时，滚珠轴环13与外套11不接触；需要解锁时，解锁螺母14被工具架7卡住，力矩电机3带动工具6旋转从而驱动螺母和滚珠轴环13压向外套11，使外套11锥面离开钢球16，实现了工具6的轴向解锁。

法兰盘4的下端面设置有两个用于工具6径向定位的销柱24，销柱24延伸至内套17中。

内套17设置有用于与法兰盘4固定连接的螺钉孔20、用于插入快速插头15的快插接口19和用于连接解锁螺母14的螺纹23。

为便于加工和安装，外套11为由螺钉和销钉连接在一起的两半式结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)弹性钢球锁紧装置无驱动管线，避免了管线在离心场下发生破坏；

2)离心机机器人工具快换系统对机器人工具端旋转不会有限制，从而使离心机机器人的使用工况领域更广；

3)弹性钢球锁紧装置利用弹簧弹力和外套离心力双重锁紧，且结构具备自锁功能，锁紧结构牢固可靠；

4)弹性钢球锁紧装置利用离心机机器人旋转轴旋转解锁，无外加解锁装置，使快换系统结构更为简单紧凑；

5)集成微型电滑环，在工具和锁紧装置上设置快插，方便信号线路的连通，使离心机机器人通用性更强。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。