适用于盾构换刀机器人的储存舱的制作方法

本发明涉及盾构施工设备领域，特别涉及一种适用于盾构换刀机器人的储存舱。

背景技术：

盘形滚刀在盾构机施工过程中消耗量大、更换频繁，换刀作业是盾构施工过程中不可避免的一道工序。在大埋深、高水压、狭窄空间下人工作业是目前盾构机内换刀仍主要采用的方式，其作业难度大、技术要求高、耗时长，换刀作业时间占隧道施工周期10％以上，同时风险性大，甚至会造成人员伤亡等重大事故，国内近70％的隧道施工安全事故均与人工换刀有联系，因此盾构机换刀作业成为盾构机安全高效施工的短板。

现有技术中已经存在一些换刀机器人系统，可以实现机器的自动换刀，能有效提高换刀效率和减小人工施工风险，也能提高盾构机整体施工的自动化程度和施工效率。其中，用于存放换刀机器人的储存舱与刀盘的相对位置会直接影响换刀机器人的初始位置以及换刀作业路径，同时在储存舱内部还需要实现夹持机械手新刀和旧刀的更换作业，因此储存舱的设计，将会直接影响换刀机器人的整体作业效率和综合性能。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，解决换刀机器人的夹持机械手对旧刀与新刀的更换动作规划，以及旧、新滚刀的搬运路径优化，以提高盾构换刀作业的自动化程度、效率和安全性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种适用于盾构换刀机器人的储存舱，包括舱体，所述换刀机器人设置在所述舱体内，所述换刀机器人可以沿所述舱体移动，所述舱体内设置有一转接机构和一运送滚刀的载具，所述转接机构以及所述载具均能在所述舱体内活动，所述转接机构将所述滚刀在所述换刀机器人与所述载具之间转移，所述载具将旧的所述滚刀运送至所述舱体外，将新的所述滚刀运送至所述舱体内。

进一步地，所述转接机构包括活动设置在所述舱体上层的横梁、活动设置在所述横梁下表面的平移座、以及活动设置在所述平移座上的滚刀托台，所述横梁能沿所述舱体前后滑动，所述平移座能沿所述横梁左右滑动，所述滚刀托台能沿所述平移座竖直滑动。

进一步地，所述舱体的上层两侧分别设置有两条平行的上层凹槽，所述横梁的两端均设置有凸台，所述凸台滑动设置在对应的所述上层凹槽内，所述横梁的下表面设置有沿所述舱体左右分布的t型凹槽，所述平移座的上表面设置有t型凸台，所述t型凸台滑动设置在所述t型凹槽内；所述舱体的下层两侧也分别设置有两条平行的下层凹槽，用于活动安装所述换刀机器人的滑动底座。

进一步地，所述平移座包括平移板和固定设置在所述平移板下表面的立柱，所述t型凸台设置在所述平移板的上表面，所述立柱均沿竖直方向设置；所述平移座相对设置有2个，每个所述平移座的下表面安装2根所述立柱。

进一步地，所述滚刀托台包括相对设置的两组直角座和伸缩框架，所述直角座滑动设置在所述立柱上，主要由一体连接的、竖直方向的滑动框架和水平方向的伸缩安装框架组成，所述滑动框架可滑动地设置在同一侧的所述立柱上，所述伸缩框架活动设置在所述伸缩安装框架上。

进一步地，所述载具为一滚刀放置座，所述滚刀放置座滑动设置在所述舱体的底部，包括与所述舱体滑动接触的底板、架设在所述底板上的两个支撑框架，所述支撑框架与两个所述滑动框架位置错开。

进一步地，两个所述支撑框架相对的内侧均成型有一半径与所述滚刀阶梯截面直径相同的圆形凹槽。

进一步地，其中一个所述支撑框架相对于所述底板活动设置。

进一步地，所述底板上设置有两条相互平行的导轨槽，所述支撑框架均设置呈n型，活动设置的所述支撑框架的两个底脚分别滑动设置在两条所述导轨槽内。

进一步地，所述舱体的后端设置有一后舱门，所述后舱门通过所述舱体上的销轴与所述舱体转动连接。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的储存舱，适用于盾构换刀机器人的储存和换刀作业，换刀机器人可在舱体内活动，舱体内的横梁、平移座、滚刀托台和滚刀放置座结构设计合理，相互之间衔接配合紧凑，能全自动化地将滚刀在换刀机器人的夹持机械手与舱体外之间搬运，有效提升了盾构换刀作业的效率和质量，保障了盾构施工的安全性；

本发明设置的滚刀托台与滚刀放置座能相互配合，适用于相互转移滚刀以及滚刀拆装机构的整体，结构之间不会互相干涉，从而确保了滚刀机器人顺利地进行滚刀与滚刀拆装机构的整体拆卸或装配，简化了滚刀机器人的路径控制，提高了换刀作业的效率以及可靠性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的滚刀托台支承滚刀的示意图；

图3为本发明的滚刀放置座支承滚刀的示意图；

图4为滚刀拆装机构的示意图；

图5为本发明的滚刀托台与滚刀放置座之间转运滚刀的示意图；

图6为本发明的滚刀托台与夹持机械手之间转运滚刀的示意图。

【附图标记说明】

1-舱体；2-后舱门；3-换刀机器人；4-滚刀；5-横梁；6-平移座；7-滚刀托台；8-上层凹槽；9-凸台；10-t型凹槽；11-t型凸台；12-下层凹槽；13-平移板；14-立柱；15-直角座；16-伸缩框架；17-滑动框架；18-伸缩安装框架；19-滚刀放置座；20-底板；21-支撑框架；22-滚刀拆装机构；23-夹持机械手；24-刀轴安装座；25-中间滑块；26-边滑块；27-六角螺栓；28-导轨槽。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例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做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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1、图5和图6所示，本发明的实施例提供了一种适用于盾构换刀机器人的储存舱，包括舱体，在舱体1的后端设置有一后舱门2，后舱门2通过舱体1上的销轴与舱体1转动连接，切换打开或关闭状态。当换刀机器人3拆卸滚刀4并放置在舱体1内时，通过驱动部使后舱门2打开，将旧刀移出舱外，再将新刀放进舱内，最后关闭后舱门2并由换刀机器人3夹取新刀进行装刀作业。

其中，换刀机器人3是可以沿舱体1移动的，为了将换刀机器人3换下的旧刀支承并运出舱体1，在舱体1内设置转接机构，其同样可以在舱体1内活动，将旧刀输送至舱体1外，并将新刀输送至舱体1内。

转接机构包括活动设置在舱体1内的横梁5、活动设置在横梁5上的平移座6、以及活动设置在平移座6上的滚刀托台7。其中，横梁6设置在舱体1的顶端位置，可沿舱体1前后滑动；平移座6能沿横梁5横向滑动，即相对于舱体1是左右滑动的；滚刀托台7可沿平移座6上下滑动。因此，滚刀托台7具有三方向的平移自由度，在舱体1前端的高点位置将换刀机器人3夹持的旧刀支承，然后移动至舱体1后端并下降至低点位置，通过左右横移与滚刀4的载具对准，最终将滚刀4放置在载具上，由载具将旧刀移出舱体1，并将新刀重新运送至舱体1后端的位置，从而换装新刀。因此，本实施例中在舱体1后端还设置有一作为滚刀4载具的滚刀放置座19，其同样可以沿舱体1前后滑动，以运送滚刀4出入舱体1。

具体地，在舱体1的上层两侧分别设置两条平行的上层凹槽8，横梁5的两端配套地设置有凸台9，凸台9滑动插设在上层凹槽8内，形成横梁5与舱体1内侧壁的滑动连接，使得横梁5可以沿舱体1前后滑动。在横梁5的下表面设置有沿舱体1左右分布的t型凹槽10，与平移座6上表面的t型凸台11吻合，通过t型凹槽10与t型凸台11的配合使平移座6与横梁5保持滑动接触。另外，在舱体1的下层两侧同样设置两条相互平行的下层凹槽12，用于安装换刀机器人3的滑动底座，通过滑动底座沿下层凹槽12的移动控制换刀机器人3的前后位移。横梁5可通过设置在舱体1上的驱动部驱动，平移座6可通过设置在横梁5上的驱动部驱动，例如气缸或螺母丝杠结构。

在本实施例中，平移座6由平移板13和固定设置在平移板13下表面的4根立柱14组成，t型凸台11设置在平移板13的上表面，并与横梁5滑动连接，立柱14沿竖直方向分布，其长度稍小于舱体1内部的高度，作为滚刀托台7竖直位移的连接轨道。

进一步如图2所示，滚刀托台7包括相对设置的两组直角座15和伸缩框架16，其中直角座15滑动设置在平移板13左侧或右侧的两根立柱14上，由一体设置的、竖直方向的滑动框架17和水平方向的伸缩安装框架18组成，滑动框架17可滑动地设置在同一侧的两根立柱14上成型的竖直凹槽内，伸缩框架16活动地设置在水平的伸缩安装框架18上，通过伸缩气缸驱动。在支承滚刀4时，两边的伸缩框架16向内伸缩至最长，使得伸缩框架16的端部与滚刀4底端接触，两侧的伸缩框架16共同承受整个滚刀4的重量。而在放置旧的滚刀4至滚刀放置座19、或新的滚刀4被换刀机器人3夹持后，底端的伸缩框架16分别向两侧收缩，即可让出位置，对滚刀4进行转移。

进一步如图3所示，滚刀放置座19是设置在舱体1后端的底部位置的，同样可以前后滑动以搬运滚刀。滚刀放置座19包括底板20，在底板20上相对地架设有两个呈n型的支撑框架21，当滚刀4放置于滚刀放置座19上时，两个支撑框架21配合地从底部对滚刀4进行支撑，共同承受整个滚刀4的重量。同时，支撑框架21与两个直角座15的滑动框架17位置90度地错开，防止互相干涉。

在本实施例中，滚刀4呈陀螺形，因此在两个支撑框架21相对的内侧均成型有一个半径与滚刀4阶梯截面直径相同的圆形凹槽，以更加稳定的支承滚刀4。

在本实施例中，滚刀4上设置有一滚刀拆装机构，具体如图2-图4所示，滚刀4的拆装通过滚刀拆装机构22与刀箱之间的锁紧固定或松开形成。换刀机器人3的夹持机械手23在拆卸滚刀4时首先对滚刀拆装机构22进行解锁，使滚刀拆装机构22与刀箱之间松开，然后夹持机械手23再夹持滚刀4以及滚刀拆装机构22的整体，将其移出刀箱后换刀机器人3缩入舱体1内，将滚刀4放置在滚刀托台7上，再由滚刀托台7转移至滚刀放置座19上被移走，装配新滚刀4的过程则相反。其中滚刀拆装机构22主要由刀轴安装座24、中间滑块25以及边滑块26组成，滚刀4两侧的刀轴分别与一个刀轴安装座24固定连接，刀轴安装座24与刀箱锁紧固定即完成滚刀的安装。具体地，刀轴安装座24的上表面中部成型有一个倒梯形的凹槽，滚刀4锁紧状态时凹槽的内斜面与中间滑块25的外斜面紧密贴合。边滑块26滑动设置在刀轴安装座24的上表面，分别位于凹槽的两侧，因此边滑块26可沿刀轴安装座24水平滑动，且边滑块26倾斜的内侧面与中间滑块25的外斜面同样保持接触，可相对中间滑块25的外斜面滑动。在斜面作用下，中间滑块25垂直移动带动边滑块26沿刀轴安装座24的上表面移动，实现滚刀4的锁紧与松开动作。当滚刀4安装锁紧时，中间滑块25向内移动至极限位置，其外斜面与刀轴安装座24的内斜面贴合，此时两个边滑块26内侧面被中间滑块25挤压，从而边滑块26沿刀轴安装座24向外侧水平移动，其外侧面与刀箱挤压接触、形成锁死的状态。而滚刀4的松开过程则与上述相反，当旧的滚刀4拆除松开时，中间滑块25向外运动至极限位置，此时为了解锁，需要驱动两侧的边滑块26向中间靠拢，确保边滑块26的最外侧位置不会妨碍夹持机械手23顺利在刀箱内活动。因此中间滑块25的外斜面以及边滑块26的内侧面上设置相互配合的连接结构，使得中间滑块25竖直向外运动时能带动边滑块26向内靠拢。

为了驱动中间滑块25竖直位移，切换滚刀4的锁紧与松开状态，在中间滑块25的中部开设有一竖直的螺纹通孔，其内设置六角螺栓27，通过六角螺栓27旋转驱动中间滑块25沿六角螺栓移动，其中六角螺栓27的底端与刀轴安装座24的凹槽底端位置转动连接。因此，当旧的滚刀4被拆下后，滚刀4上依然保留整个滚刀拆装机构22，滚刀4两端的六角螺栓27被保留，则滚刀4从滚刀托台7转移至滚刀放置座19上的过程中，滚刀4下方的六角螺栓27会被同一侧的支撑框架21干涉，使得滚刀4无法准确放置在滚刀放置座19上。

基于此，滚刀放置座19上的其中一个支撑框架21是活动设置的，其n型的两个底脚分别滑动设置在底板20两侧平行设置的两条导轨槽28内，并通过底板20上的驱动部驱动。因此，当横梁5以及平移座6到位后，滚刀托台7沿立柱14逐渐下移、将旧滚刀4放置在滚刀放置座19上，此时活动的支撑框架21沿导轨槽28滑动，移开并让出六角螺栓27通过的位置，使得旧滚刀4随滚刀托台7下移至与另一个固定的支撑框架21圆形凹槽接触。此时滚刀托台7的伸缩框架16依然是伸至最长并与滚刀4底端的滚刀拆装机构22接触的，滚刀4整体的重量仍集中在伸缩框架16上。然后活动的支撑框架21回移，使其圆形凹槽与滚刀4台阶接触，此时滚刀4底端滚刀拆装机构22的六角螺栓27正好穿过n形支撑框架21的底端，不会相互干涉。最后两侧的伸缩框架16收缩，使得滚刀4被两个支撑框架21支撑，滚刀4整体的重量施加在支撑框架21上，完成滚刀4从滚刀托台7到滚刀放置座19的转移。滚刀4从滚刀放置座19至滚刀托台7的转移过程相反，这里不再赘述。

其中，储存舱布置在刀盘后方的右上角位置，当需要更换滚刀4时，将待换滚刀4旋转至与储存舱最近的位置，刀盘停机，换刀机器人3伸出储存仓进行换刀作业，可参考图5和图6。储存舱的安装半径为刀盘上正滚刀4最小安装半径和边滚刀4最大安装半径的平均值，即换刀机器人3到最小安装半径正滚刀4和最大安装半径边滚刀4的距离相同，可有效缩短换刀机器人3的作业路径，提高整体换刀效率。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。