一种大直径泥水盾构机滚刀换刀机械手的制作方法

本发明涉及一种盾构掘进机换刀装置，尤其涉及一种大直径泥水盾构机滚刀换刀机械手。

背景技术：

刀具作为泥水平衡盾构机掘进的核心部件直接与前方土石相作用，尤其是孤石、基岩凸起和上软下硬等地质条件下，普遍存在磨损和断裂失效严重的问题。若盾构刀具群体中的单个刀具发生严重磨损，则会影响其刀群整体破岩性能，因此及时检查、更换刀具是不可避免的一项工作。现阶段，泥水盾构在水下通常只能采用人工带压进仓换刀方式，该作业方式不仅经济成本高，作业难度大，工作效率低，而且具有很大的危险性，容易发生安全事故。因此有必要设计一种代替人工换刀的机器来实现盾构换刀的自动化，代替人类完成换刀作业。为此发明了这种换刀机械手。

cn202483585u公开了一种滚刀卸取设备，在该设备中包括由钢板焊接成的“日字型”底架，底架上部设有顶升螺栓孔和连接螺栓孔，底架下部两侧设有基座，通过设备周边的四个顶升螺栓把滚刀慢慢顶起，从而达到拆卸滚刀的目的。这种方法采用原始机械方法，依赖于四个顶升螺栓的强度以及其拧入速度的平稳性。

cn105855849a公开了一种盾构机单滚刀换刀机械手，该设备包括壳体，在壳体上设置有螺栓拆装模块、梯形楔块拆装模块、方形楔块拆装模块、轴向旋转模块和滚刀拆装固定模块。设置有第一电磁铁、第二电磁铁和第三电磁铁，采用通过电磁铁得电从而能够吸住金属的方式，进行楔块和压块的拆装。这种方法依赖于电磁铁得电之后产生的电磁力，但是泥水盾构充满泥浆的恶劣换刀环境会影响该设备的可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大直径泥水盾构滚刀换刀机械手；该换刀机械手能够很好的代替现有的人工带压进仓换刀的技术，安全、快速、经济地实现滚刀的更换，极大地加快了掘进工程的施工进度。

为解决上述技术问题，本发明所提供的大直径泥水盾构滚刀换刀机械手，包括基座、机械伸缩臂、换刀装置；所述机械伸缩臂一端与所述基座转动连接；

所述换刀装置包括壳体、螺栓拆装模块、楔块拆装模块、压块拆装模块和滚刀拆装模块；所述壳体顶端通过第一转轴与所述机械伸缩臂的另一端相接，所述壳体通过所述第一转轴的带动以围绕所述第一转轴的轴线旋转，所述机械伸缩臂上安装有驱动所述第一转轴旋转的第二旋转驱动机构；

所述滚刀拆装模块包括t形滑动轨道、左滚刀夹持臂、右滚刀夹持臂、左滚刀夹持手、右滚刀夹持手、第一线性驱动机构，所述t形滑动轨道设置在所述壳体上，所述左滚刀夹持臂和右滚刀夹持臂对应设置，所述左滚刀夹持手和右滚刀夹持手分别通过第一液压缸和第二液压缸与所述左滚刀夹持臂和右滚刀夹持臂一端连接，所述左滚刀夹持臂和右滚刀夹持臂的另一端与所述t形滑动轨道滑动连接；所述第一线性驱动机构带动所述左滚刀夹持手和右滚刀夹持手相向运动实现对滚刀的夹持；

所述压块拆装模块包括第一夹持条、第三液压缸、第二线性驱动机构，所述第一夹持条安装于所述壳体内，包括对应设置的两个压块夹持部，所述第一夹持条通过第二线性驱动机构带动所述两个压块夹持部相向运动实现对所述压块的夹持，所述第三液压缸安装于所述壳体内，以驱动所述第二线性驱动机构带动所述第一夹持条运动伸出至所述壳体外；

所述楔块拆装模块包括第二夹持条、第四液压缸、第三线性驱动机构，所述第二夹持条安装于所述壳体内，包括对应设置的两个楔块夹持部，所述第二夹持条通过第三线性驱动机构带动所述两个楔块夹持部相向运动实现对所述楔块的夹持，所述第四液压缸安装于所述壳体内，以驱动所述第三线性驱动机构带动所述第二夹持条运动伸出至所述壳体外。

进一步的，所述螺栓拆装模块包括螺栓套筒、第三旋转驱动机构、第四线性驱动机构，所述螺栓套筒安装于所述壳体内；所述第三旋转驱动机构与所述螺栓套筒相接，用于驱动所述螺栓套筒旋转；所述第一线性驱动机构与所述第三旋转驱动机构相接，以驱动所述第三旋转驱动机构带动所述螺栓套筒沿其轴向移动伸出至所述壳体外。

进一步的，所述机械伸缩臂包括第一旋转支座、第二旋转支座、第一节臂、第二节臂、第三节臂，所述第一旋转支座通过第一旋转驱动机构与所述基座转动连接；所述第一节臂一端通过第二转轴与所述第一旋转支座连接，且所述第一节臂通过所述第二转轴的带动以围绕所述第二转轴的轴线旋转，所述第一旋转支座上安装有驱动所述第二转轴转动的第四旋转驱动机构；所述第一节臂的另一端通过第一伸缩油缸与所述第二节臂一端连接；所述第二节臂的另一端通过第二伸缩油缸与第三节臂连接；所述第二旋转支座通过第三转轴与所述第三节臂连接，且所述第二旋转支座通过所述第三转轴的带动以围绕所述第三转轴的轴线旋转，所述第三节臂上安装有驱动所述第三转轴转动的第五旋转驱动机构；所述壳体通过所述第一转轴与所述第二旋转支座连接，所述第二旋转驱动机构安装于所述第二旋转支座上。

进一步的，所述第二转轴轴线与所述第一旋转支座旋转轴线垂直，所述第三转轴轴线与所述第二转轴轴线平行，所述第一转轴轴线与所述第三转轴轴线垂直。

进一步的，所述第一旋转驱动机构包括第一液压马达、驱动齿轮和回转支承；所述第一液压马达的输出端与所述驱动齿轮连接；所述回转支承与所述驱动齿轮啮合传动从而带动与其相连的机械伸缩臂联动。

进一步的，所述第三旋转驱动机构包括第二液压马达，所述第二液压马达与所述第四线性驱动机构固定连接；所述第二液压马达的输出端与所述螺栓套筒连接。

进一步的，所述机械手还包括气垫仓导轨，所述基座上设有滑槽；所述基座通过所述滑槽与所述气垫仓导轨滑动配合，所述基座通过滑动驱动装置带动其沿所述气垫仓导轨方向滑动。

进一步的，所述第二旋转驱动机构包括第三电机；所述第三电机通过第三齿轮传动机构将动力传递给所述第一转轴。

进一步的，所述第一线性驱动机构为双杆液压缸，双杆液压缸的活塞杆左伸出端与所述左滚刀夹持臂固定连接，活塞杆右伸出端与所述右滚刀夹持臂固定连接。

进一步的，所述第四旋转驱动机构包括第一电机；所述第一电机通过第一齿轮传动机构将动力传递给所述第二转轴；所述第五旋转驱动机构包括第二电机；所述第二电机通过第二齿轮传动机构将动力传递给所述第三转轴连接。

有益效果：

本发明中换刀装置通过机械伸缩臂的伸缩和旋转来实现整体定位，定位精准，调节范围广，灵活度高，工作可靠，所述换刀装置包括壳体、螺栓拆装模块、楔块拆装模块、压块拆装模块和滚刀拆装模块，所述螺栓拆装模块、楔块拆装模块、压块拆装模块和滚刀拆装模块均设置在壳体上，用于实现螺栓、压块、楔块和滚刀的拆装，能够代替人工进行滚刀换刀作业，保障了施工人员的人身安全，提高了换刀作业的效率，节省了大量更换刀具的时间，加快了掘进工程的施工进度，节约了大量的人力和经济成本，能够有效地应用到实际工程中去。

附图说明

图1为换刀机械手整体结构示意图；

图2为换刀机械手整体正视图；

图3为螺栓拆装模块和压块拆装模块伸出时的工作状态示意图；

图4为螺栓拆装模块和压块拆装模块缩回时的工作状态示意图；

图5为楔块拆装模块伸出时的工作状态示意图；

图6为楔块拆装模块缩回时的工作状态示意图；

图7为滚刀拆装模块工作状态示意图；

图8为第一夹持条结构示意图；

图9为第二夹持条结构示意图；

图10为螺栓拆装模块结构示意图；

图11为滚刀拆装模块局部结构示意图；

图12为伸缩臂局部结构示意图；

图13为第五旋转驱动机构结构示意图；

图14为第四旋转驱动机构结构示意图；

其中：1-气垫仓导轨；2-基座；3-回转支承；4-第一旋转支座；5-第一节臂；6-第二节臂；7-第三节臂；8-第二旋转支座；9-第三电机；10-第一转轴；11-右滚刀夹持臂；12-右滚刀夹持手；13-左滚刀夹持手；14-第二支座；15-第一液压缸；16-第一支座；17-左滚刀夹持臂；18-t形滑动轨道；19-壳体；20-第一夹持条；21-螺栓套筒；22-第二夹持条；23-第二电机；24-第一电机；25-第一液压马达；26-物料仓箱体；27-物料仓底板；28-压块；29-楔块；30-滚刀；31-第三支座；32-第二液压缸；33-第四支座；34-驱动齿轮；35-螺栓；36-第三液压缸；37-第二线性驱动机构；38-第四液压缸；39-第三线性驱动机构；40-第二液压马达；41-第四线性驱动机构；42-第一线性驱动机构；43-第一伸缩油缸；44-第二伸缩油缸；45-第三转轴；46-第二齿轮传动机构；47-第二转轴；48-第一齿轮传动机构。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明所提供的大直径泥水盾构滚刀换刀机械手，包括基座、机械伸缩臂、换刀装置；所述机械伸缩臂一端通过第一旋转驱动机构与所述基座2转动连接；所述第一旋转驱动机构包括第一液压马达25、驱动齿轮34和回转支承3；所述第一液压马达25的输出端与所述驱动齿轮34连接；所述回转支承3外圈与所述驱动齿轮34啮合传动从而带动与其相连的机械伸缩臂联动；所述换刀装置包括壳体19、螺栓拆装模块、楔块拆装模块、压块拆装模块和滚刀拆装模块；所述壳体19顶端通过第一转轴10与所述机械伸缩臂的另一端相接，且所述壳体19通过所述第一转轴10的带动以围绕所述第一转轴10的轴线旋转，所述机械伸缩臂上安装有驱动所述第一转轴10旋转的第二旋转驱动机构。

如图3、图4及图10所示，所述螺栓拆装模块包括螺栓套筒21、第三旋转驱动机构、第四线性驱动机构41，所述螺栓套筒21安装于所述壳体19内；所述第三旋转驱动机构与所述螺栓套筒21相接，用于驱动所述螺栓套筒21旋转；所述第三旋转驱动机构包括第二液压马达40，所述第二液压马达40安装于所述壳体19内；所述第二液压马达40的输出端与所述螺栓套筒21连接；所述第四线性驱动机构41与所述第二液压马达相接，以驱动所述第二液压马达40带动所述螺栓套筒21沿其轴向移动伸出至所述壳体外；第四线性驱动机构41为一液压缸，所述液压缸与壳体19固定连接，其输出端与所述第二液压马达连接。

如图7和图11所示，所述滚刀拆装模块包括t形滑动轨道18、左滚刀夹持臂17、右滚刀夹持臂11、右滚刀夹持手12、左滚刀夹持手13、第一线性驱动机构42，所述t形滑动轨道18设置在所述壳体31上与所述螺栓套筒21相对的一端，所述左滚刀夹持臂17和右滚刀夹持臂11对应设置，所述左滚刀夹持手13和右滚刀夹持手12分别通过第一液压缸15和第二液压缸32与所述左滚刀夹持臂17和右滚刀夹持臂11的一端连接，所述左滚刀夹持臂17和右滚刀夹持臂11的另一端与所述t形滑动轨道18滑动连接；所述左滚刀夹持臂17上固定设有第一支座16，第一液压缸15与所述第一支座16相接，所述第一液压缸15活塞杆连接在第二支座14上，所述第二支座14固定在左滚刀夹持手13上，所述右滚刀夹持臂11上固定设有第三支座31，第二液压缸32与所述第四支座33相接，所述第二液压缸32活塞杆连接在第四支座33上，所述第四支座33固定在右滚刀夹持手12上；所述第一线性驱动机构42为一双杆液压缸，所述双杆液压缸的活塞杆左伸出端与所述左滚刀夹持臂17固定连接，活塞杆右伸出端与所述右滚刀夹持臂11固定连接，通过所述双杆液压缸带动所述左滚刀夹持手13和右滚刀夹持手12相向运动实现对滚刀的夹持。

如图3、图4和图8所示，所述压块拆装模块包括第一夹持条20、第三液压缸36、第二线性驱动机构37，所述第一夹持条20安装于所述壳体19内，包括对应设置的两个压块夹持部201、202，压块上下端面设有与所述压块夹持部对应的凹槽；所述第一夹持条20通过所述第二线性驱动机构37带动所述两个压块夹持部201、202相向运动实现对所述压块28的夹持，所述第三液压缸36安装于所述壳体19内，以驱动所述第二线性驱动机构37带动所述第一夹持条20运动伸出至所述壳体外；第二线性驱动机构37为一双杆液压缸，所述双杆液压缸的活塞杆左伸出端与一压块夹持部201连接，活塞杆右伸出端与另一压块夹持部202连接，所述第三液压缸36输出端与所述双杆液压缸连接。

如图5、图6及图9所示，所述楔块拆装模块包括第二夹持条22、第四液压缸38、第三线性驱动机构39，所述第二夹持条22安装于所述壳体19内，包括对应设置的两个楔块夹持部221、222，楔块上下端面设有与所述楔块夹持部对应的凹槽；所述第二夹持条22通过第三线性驱动机构39带动所述两个楔块夹持部221、222相向运动实现对所述楔块29的夹持，所述第四液压缸38安装于所述壳体19内，以驱动所述第三线性驱动机构39带动所述第二夹持条22伸出至所述壳体19外，第三线性驱动机构39为一双杆液压缸，所述双杆液压缸的活塞杆左伸出端与其中一楔块夹持部221连接，活塞杆右伸出端与另一楔块夹持部222连接，所述第四液压缸38输出端与所述双杆液压缸连接。

如图1、图2、图12-图14所示，所述机械伸缩臂包括第一旋转支座4、第二旋转支座8、第一节臂5、第二节臂6、第三节臂7，所述第一旋转支座4与所述回转支承3联动；所述第一节臂5一端通过第二转轴47与所述第一旋转支座4连接，且所述第一节臂4通过所述第二转轴47的带动以围绕所述第二转轴47的轴线旋转，所述第一旋转支座4上安装有驱动所述第二转轴47转动的所述第四旋转驱动机构，所述第四旋转驱动机构包括第一电机24；所述第一电机24通过第一齿轮传动机构48将动力传递给所述第二转轴47，所述第二转轴47轴线与所述第一旋转支座4旋转轴线垂直；所述第一节臂5的另一端通过第一伸缩油缸43与所述第二节臂6一端连接；所述第二节臂6的另一端通过第二伸缩油缸43与第三节臂7连接；所述第二旋转支座8通过第三转轴45与所述第三节臂7连接，且所述第二旋转支座7通过所述第三转轴45的带动以围绕所述第三转轴45的轴线旋转，所述第三节臂7上安装有驱动所述第三转轴45转动的第五旋转驱动机构，所述第五旋转驱动机构包括第二电机23；所述第二电机23通过第二齿轮传动机构46将动力传递给所述第三转轴45，所述第三转轴45轴线与所述第二转轴47轴线平行；所述壳体19通过所述第一转轴10与所述第二旋转支座8连接，所述第二旋转驱动机构包括第三电机9，所述第三电机9安装于所述第二旋转支座8上，所述第三电机9通过第三齿轮传动机构将动力传递给所述第一转轴10，所述第一转轴10轴线与所述第三转轴45轴线垂直。

如图1-2所示，所述机械手还包括气垫仓导轨1，所述气垫仓导轨1安装固定在大直径泥水盾构机的物料仓中，一端延伸至大直径泥水盾构机的气垫仓中，所述基座2上设有滑槽；所述基座2通过所述滑槽与所述气垫仓导轨1滑动配合，所述基座2通过滑动驱动装置带动其沿所述气垫仓导轨1方向滑动。

下面结合附图说明本发明的一次换刀作业过程。

旧滚刀拆卸步骤：

步骤一：本发明通过气垫仓导轨1，将基座2、机械伸缩臂及换刀装置从物料仓整体移动至气垫仓。

步骤二：启动第一液压马达25，第一液压马达25通过驱动齿轮34带动回转支承3转动，回转支承3带动机械伸缩臂及换刀装置整体逆时针旋转45°，关闭第一液压马达25。

步骤三：启动第一电机24，第一电机24带动机械伸缩臂及换刀装置向上旋转30°，关闭第一电机24。

步骤四：通过伸缩油缸使得第二节臂6和第三节臂7伸出。

步骤五：启动第三电机9，第三电机9带动换刀装置顺时针旋转，将螺栓套筒21对准螺栓35，通过第四线性驱动机构41使螺栓套筒21轴向移动套住螺栓35，并通过第二液压马达40带动螺栓套筒21旋转，将螺栓35旋出约15mm后，关闭第三电机9。

步骤六：通过第三液压缸36带动第一夹持条20运动，使两个压块夹持部201、202分别伸入到压块28上表面和下表面凹槽内，通过第二线性驱动机构37带动所述两个压块夹持部201、202相向运动夹紧压块28，如图3所示。

步骤七：收缩第一夹持条20，同时收缩螺栓套筒21，如图4所示。

步骤八：缩回第二节臂6和第三节臂7，启动第一电机24，第一电机24带动机械伸缩臂及换刀装置整体向下旋转30°，关闭第一电机24。

步骤九：启动第一液压马达25，第一液压马达25通过驱动齿轮34带动回转支承3转动，回转支承3带动机械伸缩臂及换刀装置整体顺时针旋转45°，关闭第一液压马达25。

步骤十：启动第三电机9，第三电机9带动换刀装置旋转180。

步骤十一：通过气垫仓导轨1，将基座2、机械伸缩臂及换刀装置整体移动到物料仓，启动第二电机23，第二电机23带动换刀装置向上旋转30°，伸长第一夹持条20，将螺栓与压块28放置到物料仓箱体26内，然后收缩第一夹持条20，并令换刀装置向下旋转30°，恢复水平位置。

步骤十二：通过气垫仓导轨1，将基座2、机械伸缩臂及换刀装置整体从物料仓移动至气垫仓，将左滚刀夹持手13和右滚刀夹持手12对准滚刀30刀圈。

步骤十三：同时启动第一液压缸15和第二液压缸32，第一液压缸12活塞杆和第二液压缸32活塞杆伸长，带动左滚刀夹持手13和右滚刀夹持手12向前伸长，通过双杆液压缸带动左滚刀夹持臂17和右滚刀夹持臂11沿着t形滑动轨道18向中间移动，直至夹紧滚刀30刀圈，然后带动滚刀30继续向前移动5mm，使得楔块29与滚刀30之间产生一定间隙，方便楔块29的取出。

步骤十四：松开滚刀30刀圈，控制第一液压缸15和第二液压缸32，令左滚刀夹持手13和右滚刀夹持手12收缩，收缩第三节臂7，给换刀装置换向留出足够空间。

步骤十五：启动第三电机9，第三电机9带动换刀装置旋转180。

步骤十六：令第三节臂7伸长，通过第一液压马达25控制回转支承3顺时针转动，将第二夹持条22对准滚刀30一侧的楔块29表面凹槽，通过第四液压缸38带动第二夹持条22运动，使两个压块夹持部分别伸入到楔块29上表面和下表面凹槽内，通过第三线性驱动机构39带动所述两个楔块夹持部221、222相向运动上下夹紧楔块29，如图5所示。

步骤十七：随后，收缩第二夹持条22，将楔块29带回，如图6所示。

步骤十八：通过气垫仓导轨1将楔块29放置到物料仓箱体26内。

步骤十九：通过类似方法，将滚刀30另一侧的楔块29取下，放置到物料仓箱体26内。

步骤二十：回转支承3带动基座2、机械伸缩臂及换刀装置整体转动，伸长第二节臂6和第三节臂7，将左滚刀夹持手13和右滚刀夹持手12对准滚刀30刀圈。

步骤二十一：启动第一液压缸15和第二液压缸32，令左滚刀夹持手13和右滚刀夹持手12向前伸长，通过双杆液压缸带动左滚刀夹持手13和右滚刀夹持手12沿着t形滑动轨道18向中间移动，直至夹紧滚刀30刀圈，如图7所示。

步骤二十二：控制左滚刀夹持手13和右滚刀夹持手12收缩，从而将滚刀30从刀箱中拆除。

新滚刀的安装：

步骤一：将新滚刀按旧滚刀拆卸时的状态固定在机械手上，通过气垫仓导轨1基座2向前移动，启动第一液压马达25，令回转支承3带动基座2、机械伸缩臂及换刀装置整体旋转，伸长第二节臂6和第三节臂7，将滚刀30对准刀座。

步骤二：启动第一液压缸15和第二液压缸32，伸长左滚刀夹持手13和右滚刀夹持手12，将滚刀30放置在原先位置。

步骤三：收缩第二节臂6和第三节臂7，启动第一液压马达25，使回转支承3带动整体顺时针转动45°，令换刀装置回到初始位置

步骤四：启动第三电机9，第三电机9带动换刀装置旋转180。

步骤五：通过气垫仓导轨1，将基座2移动到物料仓，将第二夹持条22对准物料仓箱体26内一侧楔块29表面处的凹槽。

步骤六：伸长第二夹持条22，通过第三线性驱动机构39控制楔块夹持部上下夹紧楔块29，收缩第二夹持条22，将楔块29从物料仓箱体26中取出。

步骤七：启动第二电机23，令换刀装置向下旋转30°，恢复水平位置，带着螺栓35和压块28一起通过气垫仓导轨1整体向前移动，启动第一液压缸15，令回转支承3带动整体逆时针旋转45°，伸长第二节臂6和第三节臂7，启动第三电机9，旋转换刀装置，令楔块29对准刀箱内原先位置，启动第一液压缸15和第二液压缸32，左滚刀夹持手13和右滚刀夹持手12伸长，将楔块29放置在原先位置。

步骤八：通过类似方法，将另一侧楔块29从物料仓箱体26中取出，并放置到刀箱内原先位置。

步骤九：通过气垫仓导轨1，将基座2移动到物料仓。

步骤十：控制螺栓套筒21套住拆卸旧滚刀时放置在物料仓箱体26内的螺栓，令第一夹持条20对准物料仓箱体26内压块28表面凹槽，伸长第一夹持条20，通过第二线性驱动机构37控制第一夹持条20上下夹紧压块28。

步骤十一：启动第二电机23，令换刀装置向下旋转30°，恢复水平位置，带着螺栓35和压块28一起通过气垫仓导轨1整体向前移动，启动第一液压马达25，令回转支承3带动整体逆时针旋转45°，伸长第二节臂6和第三节臂7，启动第三电机9，旋转换刀装置，令压块28和螺栓35对准原先位置，启动第三液压缸36，第一夹持条20伸长，将压块28和螺栓35放置在原先位置。

步骤十二：通过第二液压马达40带动螺栓套筒21旋转，将螺栓35旋紧。

步骤十三：装刀完毕，通过气垫仓导轨1，换刀机械手整体退出。