机器人支撑的双刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机的制作方法

本发明涉及隧道施工中的岩石隧道掘进机（tbm）领域，具体涉及一种在一定范围内实现任意断面形状隧道开挖的基于机器人支撑的双刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机。

背景技术：

岩石隧道掘进机（tbm）是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。目前该种掘进机主要利用刀盘的旋转进行破岩开挖，其开挖断面多为圆形，刀盘只能做轻微俯仰和摆动以调整掘进方向，但开挖面形状受限，难以适应于目前马蹄形、类矩形等多样性断面要求的隧道工程。虽然有少部分配合其他装置联合开挖可以完成矩形、马蹄形等异形断面的工程案例，但是这些异形断面全部应用于软土隧道开挖，在岩石隧道工程中的施工案例却鲜见报道。

另外，隧道掘进机开挖断面一旦确定，将难以再次改变，其断面开挖形状单一，应用范围受限，难以满足不同工程不同断面以及甚至同一工程不同断面的要求，工程结束后隧道掘进机进行闲置的状态时有发生。目前在岩石隧道中，成形断面采用双圆形、类矩形、马蹄形等异形断面的公路、铁路等交通隧道工程越来越多，如果采用传统的圆形掘进机开挖，势必增大了工程开挖量，同时超挖的部分还需进行二次回填，不仅提高了工程成本、浪费了人力物力，而且延长了工期。因此，设计一种可满足不同开挖断面工程需求的新型硬岩掘进机迫在眉睫。

目前隧道掘进机主要为单刀盘旋转工作，工作效率受限，且单刀盘结构在开挖硬岩时会产生很大的反扭矩，使掘进机始终在较大应力作用下工作，需要增加抗扭装置。目前主要通过增加掘进机主梁等关键部件的体积及厚度来增加设备强度，浪费大量人力物力。

技术实现要素：

本发明为了适应目前多元化隧道断面的开挖需求，弥补现有隧道掘进机开掘断面的单一的不足，提供一种配置硬岩开挖刀盘，可通过控制智能机器人支撑刀盘的位置和姿态，实现结构灵活，断面转换范围大，可以真正实现岩石隧道任意断面开挖的基于机器人支撑的双刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种机器人支撑的双刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统连接和主梁，所述的主梁后部通过推进油缸与后撑靴前部连接，后撑靴后部与后支撑连接；所述的主梁前部通过机器人与刀盘刀具系统柔性连接，所述的刀盘刀具系统包括并列设置的刀盘i和刀盘ii。

所述的机器人包括刀盘调整机构和机器人臂，刀盘i和刀盘ii并列设置在刀盘调整机构前部，刀盘调整机构后部通过机器人臂连接在主梁上。

所述的刀盘调整机构包括连接座，连接座前端通过关节轴承分别与刀盘i和刀盘ii活动连接，连接座外侧设有俯仰油缸和摆动油缸，刀盘i与连接座之间、刀盘ii与连接座之间均设有俯仰油缸和摆动油缸。

所述的俯仰油缸和摆动油缸垂直设置。

所述的机器人臂为串联机器人臂。所述的串联机器人臂包括机器大臂、机器小臂和回转底座，回转底座设置在主梁上，机器小臂前端与连接座固定连接，机器大臂后端通过运动关节与回转底座铰接连接，机器大臂和机器小臂铰接连接；所述的回转底座与机器大臂之间、机器大臂与机器小臂之间均设有设有伸缩油缸。

所述的机器人臂为串并联机器人臂，所述的串并联机器人臂包括回转架、移动架、滑轨，回转架设置在移动架上部，移动架一侧与滑轨相配合，滑轨设置在主梁上；所述的回转架上并联设有一号油缸和三号油缸，一号油缸通过串联关节i与二号油缸串联连接，三号油缸通过串联关节ii与四号油缸串联连接；所述的二号油缸和四号油缸通过连接座与刀盘调整机构连接。

所述的二号油缸和四号油缸通过连接座与刀盘调整机构连接。

所述的机器人包括机器人臂，所述的机器人臂为并联机器人臂，所述的并联机器人臂包括并联连接的液压油缸组，液压油缸组前端与刀盘刀具系统的驱动系统铰接连接、后端与前支撑铰接连接，所述的前支撑设置在主梁上。

所述的驱动系统通过液压油缸组与前支撑连接成桁架结构，所述液压油缸组至少有三组，每组至少有一个液压油缸。

所述的液压油缸组有四组，每组有两个液压油缸，每组的两个液压油缸在驱动系统上呈“v”型分布。

所述的刀盘刀具系统下方设有出渣系统，出渣系统前端伸至刀盘刀具系统下方、后端与皮带机连接。

本发明是一种基于机器人支撑的双刀盘力矩耦合任意断面掘进机，在实现任意断面开挖的同时利用双刀盘耦合力矩，减小关键部件应力。

本发明的柔臂掘进机（robot-tbm）指的是掘进机刀盘与支撑主梁之间采用液压油缸采用柔性连接，刀盘刀具系统与主梁之间的距离随着开挖位置的变化而变化。本发明基于任意形式机器人的新型柔性刀盘支撑结构，可在一定范围内实现任意形状隧道断面的开挖；双刀盘对称布置的力矩耦合结构，抵消工作时产生的应力，可进一步优化现有单刀盘掘进机结构；始终位于洞底的新型出渣系统（包含任何形式的刮渣和吸渣系统），可将掘进机产生的渣石进行清理与输出。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1双刀盘结构示意图；

图3是本发明实施例1双刀盘运动轨迹示意图；

图4是本发明实施例2机器人臂为串联机器人臂的使用状态结构示意图；

图5是本发明实施例3机器人臂为串并联机器人臂时的使用状态结构示意图；

图6是本发明实施例3串并联机器人臂结构示意图。

图7是本发明实施例4为并联机器人臂、液压油缸为四组、每组两个液压油缸时的使用状态结构示意图；

图8是本发明图7的液压油缸组为四组、每组两个液压油缸时的b-b视图；

图9是本发明图7的液压油缸组为四组、每组两个液压油缸时的c-c视图；

图10是本发明实施例4液压油缸组为三组，每组两个液压油缸时的前部放大结构示意图；

图11是本发明实施例4液压油缸组为三组，每组两个液压油缸时的驱动系统、并联机器人臂与前支撑的立体结构关系简图；

图12是本发明实施例4液压油缸组为三组，每组一个液压油缸时的驱动系统、并联机器人臂与前支撑的立体结构关系简图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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付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。

实施例1

如图1-3所示，一种机器人支撑的双刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统连接和主梁6，所述的主梁6后部通过推进油缸7与后撑靴8前部连接，后撑靴8后部与后支撑9连接；所述的主梁6前部通过机器人4与刀盘刀具系统柔性连接，所述的刀盘刀具系统包括并列设置的刀盘i1和刀盘ii2。

所述的机器人4包括刀盘调整机构3和机器人臂4，刀盘i1和刀盘ii2并列设置在刀盘调整机构3前部，刀盘调整机构3后部通过机器人臂连接在主梁6上。本发明刀盘i1和刀盘ii2均为完整的可独立运行的刀盘系统，如图3所示，二者安装在同一支撑上，由机器人4控制刀盘系统的位置。机器人4可根据不同工程需求选择串联结构形式、并联结构形式以及串并联结构形式，可通过离线编程、人工示教等控制方式规划刀盘的多自由度运动。本发明刀盘调整机构3可视为机器人灵巧手，主要用于驱动刀盘旋转和调节刀盘姿态，机器人臂为机器人本体，本发明可根据需要采用串联式、并联式、或串并联式，主要用来调节刀盘系统的位置，可采取预编程或人机交互等控制方式实现刀盘的多自由度运动，实现不同断面的开挖。

所述的刀盘调整机构3包括连接座304，连接座304前端通过关节轴承301分别与刀盘i1和刀盘ii2活动连接，连接座304外侧设有俯仰油缸302和摆动油缸303，刀盘i1与连接座304之间、刀盘ii2与连接座304之间均设有俯仰油缸302和摆动油缸303。本发明的刀盘姿态调整机构2用于调整刀盘刀具系统的姿态，俯仰油缸完成刀盘的上下俯仰动作，摆动油缸完成刀盘的左右摆动动作。俯仰油缸302和摆动油缸303垂直设置。每个刀盘后部均设有刀盘主驱动结构，刀盘姿态调整机构2的俯仰油缸和摆动油缸相互垂直正交，进行调节刀盘的姿态。

所述的俯仰油缸302和摆动油缸303垂直设置。每个刀盘后部均设有刀盘主驱动结构，刀盘调整机构3的俯仰油缸和摆动油缸相互垂直正交，进行调节刀盘的姿态。

实施例2

如图4所示，本发明所述的机器人臂为串联机器人臂40。所述的串联机器人臂40包括机器大臂402、机器小臂405和回转底座403，回转底座403设置在主梁6上，机器小臂405前端与连接座204固定连接，机器大臂402后端通过运动关节401与回转底座403铰接连接，机器大臂402和机器小臂405铰接连接；所述的回转底座403与机器大臂402之间、机器大臂402与机器小臂405之间均设有设有伸缩油缸404。串联机器人臂4为串联机器人的机械臂本体，其中机器大臂401为主要受力机构，伸缩油缸402用来实现机器人手臂的运动，运动关节404为机器人的旋转关节，回转底座403固定在主梁上实现机器人回转运动，可采取预编程或人机交互等控制方式实现刀盘的多自由度运动。其它结构同实施例1。

实施例3

如图5-6所示，本发明所述的机器人臂为串并联机器人臂42，所述的串并联机器人臂42包括回转架421、移动架422、滑轨423，回转架421设置在移动架422上部，移动架422一侧与滑轨423相配合，滑轨423设置在主梁6上；所述的回转架421上并联设有一号油缸425和三号油缸428，一号油缸425通过串联关节i426与二号油缸427串联连接，三号油缸428通过串联关节ii429与四号油缸420串联连接；所述的二号油缸427和四号油缸420通过连接座204与刀盘调整机构2连接。移动架422由驱动424驱动。本发明所述的回转架301上根据需要可以并联设有三个、四个、五个等多个油缸，便于更好的控制刀盘刀具系统。本发明在回转架301上并联两个油缸，控制系统更加简单，便于控制。

所述的二号油缸427和四号油缸420通过连接座204与刀盘调整机构2连接。串并联机器人臂42中，以刀盘调整机构2为串并联机器人的灵巧手，主要用来调节刀盘姿态，串并联机器人臂42为机器人本体，其中回转架421实现机器人回转运动，移动架422实现机器人沿滑轨423的移动，一号油缸425、串联关节i426、二号油缸427和三号油缸428、串联关节ii429、四号油缸420分别组成机器人的两个串联机构，一号油缸425和三号油缸428两个油缸并联于回转架上，可采取预编程或人机交互示教等方式实现刀盘的多自由度运动，实现不同开挖断面。本发明的串并联机器人臂42通过一号油缸425和三号油缸428的伸缩带动刀盘前后运动，通过移动架422沿滑轨的移动实现刀盘的上下移动，通过回转架421自身的转动带动刀盘转动，通过二号油缸427或四号油缸420的伸缩实现刀盘开挖角度的调整。其它结构同实施例1和实施例2。

实施例4

如图7-12所示，本发明所述的机器人4包括并联机器人臂41，所述的并联机器人臂41包括并联连接的液压油缸415，液压油缸411前端与刀盘刀具系统1的驱动系统铰接连接、后端与前支撑416铰接连接，所述的前支撑416设置在主梁6上。如图7所示，是本发明刀盘刀具系统开挖隧道中间位置时的结构示意图，本发明所述液压油缸前端通过球铰座或万向座与驱动组铰接连接、后端通过球铰座或万向座与前支撑铰接连接。本发明液压油缸组415可以采用液压驱动系统或电液伺服系统进行驱动；同时液压油缸组415也可以采用直线气缸或旋转气动电动机，并采用气动驱动系统。

所述的驱动系统通过液压油缸组415与前支撑416连接成桁架结构，所述液压油缸组415至少有三组，每组至少有一个液压油缸。

所述的液压油缸组有四组，每组有两个液压油缸，每组的两个液压油缸在驱动系统上呈“v”型分布。四组液压油缸组的两端分别在驱动系统和前支撑416上均匀分布，刀盘刀具系统1转动时，呈“v”型分布的两个液压油缸可相互支撑，抵消一部分刀盘切削扭矩。本发明每组的液压油缸数大于等于两个时，每组相邻液压油缸之间在驱动系统上均呈“v”型分布，刀盘刀具系统1转动时，呈“v”型分布的大于等于两个的液压油缸组415可相互支撑，抵消一部分刀盘切削扭矩。液压油缸组数量为四组，每组两个时，共八个液压油缸，依次为一号油缸、二号油缸、……八号油缸，球铰座3在驱动系统和前支撑416上的布置位置分别如图8和图9所示，图中，a1和b1分别表示一号油缸的两端，a2和b2分别表示二号油缸的两端，……a8和b8分别表示八号油缸的两端；可以看出，8个液压油缸安装后在驱动系统上呈“v”型分布。

本发明并联机器人臂的液压油缸组还可以有三组，每组有两个液压油缸，每组的两个液压油缸在驱动系统上呈“v”型分布。三组液压油缸组的两端分别在驱动系统和前支撑416上均匀分布，刀盘刀具系统1转动时，呈“v”型分布的两个液压油缸可相互支撑，抵消一部分刀盘切削扭矩。液压油缸数量有三组，每组有两个，共6个液压油缸时，依次为一号油缸、二号油缸、……六号油缸，其布置方式见图10和图11，可以看出，6个液压油缸安装后在驱动系统上呈“v”型分布。实现并联机器人臂14在传递刀盘刀具系统1推力的同时能够抵抗刀盘刀具系统1的转矩，调整刀盘刀具系统1姿态，稳定刀盘刀具系统1，在并联机器人臂14的作用下，刀盘刀具系统1平面始终与开挖断面平行。

本发明并联机器人臂的液压油缸组有三组，每组有一个液压油缸。三组液压油缸的两端分别在驱动系统和前支撑416上均匀分布，如图12所示，三组液压油缸前端均匀分布在驱动系统上、后端均匀分布在前支撑416上。

所述的刀盘刀具系统下方设有出渣系统5，出渣系统5前端伸至刀盘刀具系统下方、后端与皮带机10连接。出渣系统5为皮带机除渣系统或螺旋输送机出渣系统，皮带机10设置在除渣系统尾部，出渣系统5将刀盘刀具系统下方的渣土输送至掘进机外侧并运输出去。其它结构同实施例1。

本发明工作时，根据施工断面形状要求，预先对智能机器人支撑系统进行运动轨迹编程；在机器人工作范围内，刀盘按照机器人设定轨迹使到达指定位置；撑靴撑紧洞壁，推进油缸及主驱动工作，一号刀盘和二号刀盘进行相对方向旋转开挖；底部出渣系统工作，将坠落在洞底的渣石经皮带机运出；达到一定开挖量后，重复2-4步，进行下一个工位循环。