本发明涉及机器人构件，属于隧道掘进施工设备技术领域，尤其涉及tbm滚刀更换机械手末端执行器。
背景技术：
安装在刀盘上的滚刀是tbm破碎岩石的主要刀具，是tbm的关键部件和易损部件，其特点是易磨损、结构复杂、技术含量高。刀具磨损对tbm施工的成本、速度和效率有着重要影响，刀具更换是tbm在施工中利用率低的一个主要原因。目前更换刀具为人工换刀，更换占总施工时间的比值可达4％～26％，tbm刀具更换的效率直接关系到施工工期和工程造价。除此之外，隧道内的岩爆、碎石脱落严重威胁工人人身安全。研制tbm刀具机械化、自动化更换的设备替代人工作业是十分必要的。
为保障施工人员的人身安全，提高隧道施工效率，节约经济成本，发明本tbm换刀机械手末端执行器。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种适用于tbm滚刀更换机械手的末端执行器，配合机械臂使用可以很好替代人工换刀作业，从而保障施工人员的人身安全，提高隧道施工效率，极大加快掘进工程的施工进度。
本发明的技术方案：
一种岩石隧道掘进机滚刀更换机械手末端执行器，包括安装机架1、螺栓拆装机构、梯形楔形块安装机构、方形楔形块安装机构和滚刀安装机构；
所述的安装机架1包括机架、上安装板、执行器安装法兰15和机架后安装板16，执行器安装法兰15安装在上安装板上，通过执行器安装法兰15将末端执行器与配套的tbm换刀机械手相连，配套的tbm换刀机械手具备伸缩、姿态变换功能，并通过执行器安装法兰15控制末端执行器的旋转；
所述的螺栓拆装机构包括两对称旋转套筒6、旋转套筒安装法兰17、螺栓液压马达变速器5、螺栓液压马达安装法兰4和螺栓拆装马达2；旋转套筒安装法兰17中设置旋转轴承，为旋转套筒提供支撑和定位作用；两对称旋转套筒6通过旋转套筒安装法兰17安装于螺栓液压马达变速器5上，螺栓液压马达变速器5固定在安装机架1的上表面；螺栓液压马达安装法兰4与螺栓液压马达变速器5相对安装于安装机架1的上表面，螺栓拆装马达2固定在螺栓液压马达安装法兰4上；
所述的梯形楔形块安装机构包括梯形楔形块电磁铁3和梯形楔形块电磁铁安装法兰7，梯形楔形块电磁铁安装法兰7安装于安装机架1的上表面，两梯形楔形块电磁铁安装法兰7对称位于螺栓液压马达变速器5两侧；梯形楔形块电磁铁3通过梯形楔形块电磁铁安装法兰7固定；
所述的方形楔形块拆装机构包括方形楔形块处拆装模块和角度控制模块，方形楔形块处拆装模块包括方形楔形块电磁铁10、方形楔形块拆装电磁铁安装法兰11和方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12；所述的方形楔形块电磁铁10通过方形楔形块拆装电磁铁安装法兰11安装固定于方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12上，方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12固定在安装机架1的外部下表面；所述的角度控制模块包括角度控制液压马达13、角度液压马达安装法兰19、角度控制液压马达变速器14和伸缩液压缸安装法兰20；角度控制液压马达13通过角度液压马达安装法兰19安装固定在角度控制液压马达变速器14上，角度控制液压马达变速器14固定在安装机架1的内部下表面；方形楔形块处拆装模块通过伸缩液压缸安装法兰20与角度控制模块连接；在伸缩液压缸安装法兰20与安装机架1的连接处设置旋转轴承，为方形楔形块处拆装模块提供支撑和定位作用；通过控制角度控制液压马达13实现方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12摆动，控制方形楔形块电磁铁10的位置进而抓取两个方向的方形楔形块；
所述的滚刀安装机构包括滚刀拆装电磁铁9、滚刀电磁铁安装法兰8、滚刀拆装电磁铁伸缩液压缸18和伸缩液压缸安装法兰20；滚刀拆装电磁铁9通过滚刀电磁铁安装法兰8安装在滚刀拆装电磁铁伸缩液压缸18上，通过伸缩液压缸安装法兰20将滚刀安装机构安装在安装机架1的内壁面上；拆装滚刀时，滚刀拆装电磁铁9与滚刀两侧的平面贴合，滚刀拆装电磁铁9吸附滚刀。
通过末端执行器一侧可摆动的方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12实现抓取两个不同倾斜方向的方形楔形块电磁铁10，由于两个方形楔形块电磁铁10成对称布置，因此摆动的方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12的轴线需要满足在两个形楔形块电磁铁10轴线的交点。如图7，o点是两个形楔形块电磁铁10的对称轴线的交点，由于两个形楔形块电磁铁10对称布置，o点到形楔形块电磁铁10顶端的距离oc满足以下关系：
其中：α为两个形楔形块电磁铁轴线夹角；doc为o点到形楔形块电磁铁顶端的距离；dab为滚刀轴心到形楔形块电磁铁轴线的距离；d为形楔形块电磁铁的长度。
本发明的有益效果：本发明与换刀机械手配合使用，能够代替人工进行tbm滚刀自动更换作业，保障操作工人的人身安全，并提高滚刀更换效率，加快隧道施工的进度，节约经济成本。
附图说明
图1是执行器结构示意图。
图2是执行器结构剖视图。
图3是执行器拆装螺栓和拆装梯形楔形块工作状态示意图。
图4是执行器拆装螺栓和拆装梯形楔形块时方形楔形块拆装机构的状态位置示意图。
图5是执行器拆装方形楔形块工作状态示意图。
图6是执行器拆装滚刀工作状态示意图。
图7是方形楔形块拆装机构摆动中心位置确定示意图。
图中：1安装机架；2螺栓拆装马达；3梯形楔形块电磁铁；
4螺栓液压马达安装法兰；5螺栓液压马达变速器；6旋转套筒；
7梯形楔形块电磁铁安装法兰；8滚刀电磁铁安装法兰；9滚刀拆装电磁铁；
10方形楔形块电磁铁；11方形楔形块拆装电磁铁安装法兰；
12方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸；13角度控制液压马达；
14角度控制液压马达变速器；15执行器安装法兰；16机架后安装板；
17旋转套筒安装法兰；18滚刀拆装电磁铁伸缩液压缸；
19角度液压马达安装法兰；20伸缩液压缸安装法兰；21滚刀电磁铁安装法兰；
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
一种岩石隧道掘进机滚刀更换机械手末端执行器，包括安装机架1、螺栓拆装机构、梯形楔形块安装机构、方形楔形块安装机构和滚刀安装机构；
所述的安装机架1包括机架、上安装板、执行器安装法兰15和机架后安装板16，执行器安装法兰15安装在上安装板上，通过执行器安装法兰15将末端执行器与配套的tbm换刀机械手相连，配套的tbm换刀机械手具备伸缩、姿态变换功能，并通过执行器安装法兰15控制末端执行器的旋转；
所述的螺栓拆装机构包括两对称旋转套筒6、旋转套筒安装法兰17、螺栓液压马达变速器5、螺栓液压马达安装法兰4和螺栓拆装马达2；旋转套筒安装法兰17中设置旋转轴承，为旋转套筒提供支撑和定位作用；两对称旋转套筒6通过旋转套筒安装法兰17安装于螺栓液压马达变速器5上，螺栓液压马达变速器5固定在安装机架1的上表面；螺栓液压马达安装法兰4与螺栓液压马达变速器5相对安装于安装机架1的上表面，螺栓拆装马达2固定在螺栓液压马达安装法兰4上；
所述的梯形楔形块安装机构包括梯形楔形块电磁铁3和梯形楔形块电磁铁安装法兰7，梯形楔形块电磁铁安装法兰7安装于安装机架1的上表面，两梯形楔形块电磁铁安装法兰7对称位于螺栓液压马达变速器5两侧；梯形楔形块电磁铁3通过梯形楔形块电磁铁安装法兰7固定；
所述的方形楔形块拆装机构包括方形楔形块处拆装模块和角度控制模块，方形楔形块处拆装模块包括方形楔形块电磁铁10、方形楔形块拆装电磁铁安装法兰11和方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12；所述的方形楔形块电磁铁10通过方形楔形块拆装电磁铁安装法兰11安装固定于方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12上，方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12固定在安装机架1的外部下表面；所述的角度控制模块包括角度控制液压马达13、角度液压马达安装法兰19、角度控制液压马达变速器14和伸缩液压缸安装法兰20；角度控制液压马达13通过角度液压马达安装法兰19安装固定在角度控制液压马达变速器14上，角度控制液压马达变速器14固定在安装机架1的内部下表面；方形楔形块处拆装模块通过伸缩液压缸安装法兰20与角度控制模块连接；在伸缩液压缸安装法兰20与安装机架1的连接处设置旋转轴承，为方形楔形块处拆装模块提供支撑和定位作用；通过控制角度控制液压马达13实现方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12摆动，控制方形楔形块电磁铁10的位置进而抓取两个方向的方形楔形块；
所述的滚刀安装机构包括滚刀拆装电磁铁9、滚刀电磁铁安装法兰8、滚刀拆装电磁铁伸缩液压缸18和伸缩液压缸安装法兰20；滚刀拆装电磁铁9通过滚刀电磁铁安装法兰8安装在滚刀拆装电磁铁伸缩液压缸18上，通过伸缩液压缸安装法兰20将滚刀安装机构安装在安装机架1的内壁面上；拆装滚刀时，滚刀拆装电磁铁9与滚刀两侧的平面贴合，滚刀拆装电磁铁9吸附滚刀。
通过末端执行器一侧可摆动的方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12实现抓取两个不同倾斜方向的方形楔形块电磁铁10，由于两个方形楔形块电磁铁10成对称布置，因此摆动的方形楔形块拆装电磁铁伸缩液压缸12的轴线需要满足在两个形楔形块电磁铁10轴线的交点。如图7，o点是两个形楔形块电磁铁10的对称轴线的交点，由于两个形楔形块电磁铁10对称布置，o点到形楔形块电磁铁10顶端的距离oc满足以下关系：
其中：α为两个形楔形块电磁铁轴线夹角；doc为o点到形楔形块电磁铁顶端的距离；dab为滚刀轴心到形楔形块电磁铁轴线的距离；d为形楔形块电磁铁的长度。
拆卸损坏滚刀的过程，如下：
步骤一：本末端执行器通过后端的执行器安装法兰15与配套的机械手安装连接，通过机械手将末端执行器运动至需更换的滚刀刀箱前方，并通过机械手姿态调整将两对称旋转套筒6与两螺栓对齐，如图3所示；
步骤二：旋转套筒6与两螺栓对齐后，套筒液压马达2启动，螺栓拆装马达2通过螺栓液压马达变速器5使套筒转动，旋转套筒6旋转同时机械手控制末端执行器同步后移，直到一侧螺栓旋下，套筒液压马达2关闭，通过机械手将螺栓运送到指定位置；
步骤三：机械手控制末端执行器旋转180度，拆装另一侧螺栓，通过机械手姿态调整将两对称旋转套筒6与两螺栓对齐；
步骤四：旋转套筒6与两螺栓对齐后，套筒液压马达2启动，套筒液压马达2通过螺栓液压马达变速器5使套筒转动，旋转套筒6旋转同时机械手控制末端执行器同步后移，直到一侧螺栓旋下，套筒液压马达2关闭，通过机械手将螺栓运送到指定位置；
步骤五：通过机械手将两对称梯形楔形块电磁铁3与梯形楔形块相接触，控制梯形楔形块电磁铁3通电上磁，将梯形楔形块吸附抓取到指定位置，控制电磁铁3断电；
步骤六：机械手控制末端执行器旋转180度，拆装另一侧梯形楔形块，通过机械手控制末端执行器将两对称梯形楔形块电磁铁3与梯形楔形块相接触；
步骤七：控制梯形楔形块电磁铁3通电上磁，将梯形楔形块吸附抓取到指定位置，控制梯形楔形块电磁铁3断电；
步骤八：拆装螺栓和拆装梯形楔形块时为避免干涉方形楔形块拆装机构的状态位置如示意图4所示。控制启动角度控制液压马达13，液压马达通过角度控制液压马达变速器14，带动方形楔形块伸缩液压缸12摆动，通过控制液压马达13将方形楔形块伸缩液压缸12摆动至图5位置，关闭角度控制液压马达13；
步骤九：如图5，方形楔形块伸缩液压缸12到达指定位置后，启动方形楔形块伸缩液压缸12，令液压缸伸长使方形楔形块电磁铁10与方形楔形块接触后，停止方形楔形块伸缩液压缸12伸长；
步骤十：控制方形楔形块电磁铁10通电上磁，启动方形楔形块伸缩液压缸12，使方形楔形块伸缩液压缸12收缩，同时机械手控制末端执行器回退，通过机械手将方形楔形块运送到指定位置，电磁铁10断电；
步骤十一：通过机械手控制末端执行器到图5位置，控制启动角度控制液压马达13，液压马达通过角度控制液压马达变速器14，带动方形楔形块伸缩液压缸12摆动，通过控制液压马达13将方形楔形块伸缩液压缸12摆动80度(为两个方形楔形块的安装夹角)，关闭角度控制液压马达13；
步骤十二：如图5，方形楔形块伸缩液压缸12到达指定位置后，启动液压缸12，令液压缸伸长使方形楔形块电磁铁10与方形楔形块接触后，停止方形楔形块伸缩液压缸12伸长；
步骤十三：控制方形楔形块电磁铁10通电上磁，启动方形楔形块伸缩液压缸12，使方形楔形块伸缩液压缸12收缩，同时机械手控制末端执行器回退，通过机械手将方形楔形块运送到指定位置，方形楔形块电磁铁10断电；
步骤十四：机械手控制末端执行器旋转180度，并使末端执行器运动到图5位置；
步骤十五：启动方形楔形块液压缸12，令液压缸伸长使方形楔形块电磁铁10与方形楔形块接触后，停止方形楔形块液压缸12伸长；
步骤十六：控制方形楔形块电磁铁10通电上磁，启动方形楔形块液压缸12，使方形楔形块液压缸12收缩，同时机械手控制末端执行器回退，通过机械手将方形楔形块运送到指定位置，方形楔形块电磁铁10断电；
步骤十七：通过机械手控制末端执行器到图5位置，控制启动角度控制液压马达13，液压马达通过变速器14，带动方形楔形块伸缩液压缸12摆动，通过控制液压马达13将方形楔形块伸缩液压缸12摆动80度(为两个方形楔形块的安装夹角)，关闭角度控制液压马达13；
步骤十八：如图5，方形楔形块伸缩液压缸12到达指定位置后，启动方形楔形块液压缸12，令液压缸伸长使方形楔形块电磁铁10与方形楔形块接触后，停止方形楔形块液压缸12伸长；
步骤十九：控制方形楔形块电磁铁10通电上磁，启动方形楔形块液压缸12，使方形楔形块液压缸12收缩，同时机械手控制末端执行器回退，通过机械手将方形楔形块运送到指定位置，方形楔形块电磁铁10断电，启动角度控制马达13，控制伸缩液压缸摆动到图4位置，关闭角度控制马达13；
步骤二十：机械手控制末端执行器旋转90度，将滚刀拆装机构运动至滚刀上方，如图6，控制滚刀拆装电磁铁伸缩液压缸18伸长至图中位置，滚刀电磁铁与滚刀贴合，控制滚刀电磁铁通电上磁，抓取滚刀；
步骤二十一：机械手控制末端执行器回退，将滚刀运送到指定位置，滚刀拆装电磁铁9断电。至此，完成损坏滚刀的拆卸工作。
安装新滚刀的过程，如下：
步骤一：机械手控制末端执行器运动至新滚刀上方，如图6，滚刀电磁铁9与滚刀贴合，控制滚刀拆装电磁铁9通电上磁，抓取滚刀；
步骤二：通过控制机械手，将滚刀安装至滚刀刀箱，滚刀拆装电磁铁9断电；
步骤三：启动伸缩液压缸18，控制滚刀拆装电磁铁伸缩液压缸18回缩，回缩至机架内停止，同时机械手同步回退；
步骤四：机械手控制末端执行器旋转90度，启动角度控制马达13，通过液压马达通过变速器14带动方形楔形块伸缩液压缸12摆动，通过控制液压马达13将方形楔形块伸缩液压缸12摆动至图5位置，将方形楔形块按照拆卸时的状态与方形楔形块电磁铁10贴合，方形楔形块电磁铁10通电上磁；
步骤五：机械手控制末端执行器运动至刀箱上方，如图5，控制方形楔形块伸缩液压缸12伸长，将方形楔形块安装至指定位置后，方形楔形块电磁铁10断电，控制方形楔形块伸缩液压缸12回缩；
步骤六：回退末端执行器，启动角度控制液压马达13，液压马达通过变速器14，带动方形楔形块伸缩液压缸12摆动，通过控制液压马达13将方形楔形块伸缩液压缸12摆动80度，关闭角度控制液压马达13；
步骤七：将方形楔形块按照拆卸时的状态与方形楔形块电磁铁10贴合，方形楔形块电磁铁10通电上磁；
步骤八：机械手控制末端执行器运动至刀箱上方，如图5，控制方形楔形块伸缩液压缸12伸长，将方形楔形块安装至指定位置后，方形楔形块电磁铁10断电；
步骤九：回退末端执行器，机械手控制末端执行器旋转180度；
步骤十：将方形楔形块按照拆卸时的状态与方形楔形块电磁铁10贴合，方形楔形块电磁铁10通电上磁；
步骤十一：机械手控制末端执行器运动至刀箱上方，如图5，控制方形楔形块伸缩液压缸12伸长，将方形楔形块安装至指定位置后，方形楔形块电磁铁10断电，控制方形楔形块伸缩液压缸12回缩；
步骤十一：回退末端执行器，启动角度控制液压马达13，液压马达通过变速器14，带动方形楔形块伸缩液压缸12摆动，通过控制液压马达13将方形楔形块伸缩液压缸12摆动80度，关闭角度控制液压马达13；
步骤十二：将方形楔形块按照拆卸时的状态与方形楔形块电磁铁10贴合，方形楔形块电磁铁10通电上磁；
步骤十三：机械手控制末端执行器运动至刀箱上方，如图5，控制方形楔形块伸缩液压缸12伸长，将方形楔形块安装至指定位置后，方形楔形块电磁铁10断电，回退末端执行器，通过机械手将方形楔形块运送到指定位置，方形楔形块电磁铁10断电，启动角度控制马达13，控制伸缩液压缸摆动到图4位置，关闭角度控制马达13；
步骤十四：回退末端执行器，将梯形楔形块按照拆卸时的状态与梯形楔形块电磁铁7贴合，梯形楔形块电磁铁7通电上磁；
步骤十五：机械手控制末端执行器，将方形楔形块安装至指定位置后，梯形楔形块电磁铁7断电；
步骤十六：回退末端执行器，机械手控制末端执行器旋转180度，将梯形楔形块按照拆卸时的状态与梯形楔形块电磁铁7贴合，梯形楔形块电磁铁7通电上磁；
步骤十七：机械手控制末端执行器，将方形楔形块安装至指定位置后，梯形楔形块电磁铁7断电；
步骤十八：回退末端执行器，将螺栓按照拆卸时的状态放入螺栓套筒6中，机械手控制末端执行器，将螺栓安装至指定位置后，启动螺栓液压马达，将螺栓拧紧。
步骤十九：回退末端执行器，机械手控制末端执行器旋转180度，将螺栓按照拆卸时的状态放入螺栓套筒6中，机械手控制末端执行器，将螺栓安装至指定位置后，启动螺栓液压马达，将螺栓拧紧，关闭液压马达。至此，完成新滚刀的安装工作。