一种用于盾构机自动换刀的机械臂末端执行器

技术领域

本发明涉及盾构机换刀领域，涉及一种用于盾构机自动换刀的机械臂末端执行器。

背景技术

盾构机作为复杂的大型隧道施工装备在国家基础建设中占据重要地位。滚刀更换作为隧道施工的重要环节，其现行的危险且低效的人工换刀方式和安全、高效、 智能化的隧道施工要求极不匹配，特别在大盾构的高压、高湿恶劣作业环境中，换刀工人的生命安全面临着极大的威胁，“换刀险”已成为制约行业发展的难题，因此，“机器换刀”的安全作业模式成为必然趋势。

盾构机掘进时通常遇到大硬度、大体积的岩层，相应使用的滚刀质量大、体积大，造成机械臂换刀的末端负载大，对末端执行器的刚度要求与结构紧凑性要求较高。盾构机换刀区域往往狭长、潮湿，固定滚刀的刀箱尺寸不一，通用型换刀机械臂的末端执行器需要适应不同狭长区域的结构尺寸。在这种大负载、狭长空间的恶劣条件下，换刀机械臂的末端执行器的研发面临很多困难。

当前的末端执行器承载能力较小，大多数功能较为单一，难以实现盾构机换刀过程的全自动化，此外，末端执行器的体积较大，难以在实际工程中实践应用。

发明内容

为了克服换刀环境狭长、末端负载大等难题，本发明所要解决的技术问题在于提出一种适用于盾构机自动换刀的机械臂末端执行器，针对特定的一体化滚刀系统，可实现换刀过程的全自动化，提高换刀效率与施工安全性。

为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种用于盾构机自动换刀的机械臂末端执行器，包括机箱，在机箱的一侧设置有夹爪机构，在机箱远离夹爪机构的一侧设置有套筒扳手；在所述的机箱内设置有用于驱动所述套筒扳手的驱动机构；在所述的机箱上还设置有用于与机械臂连接的吊耳，所述的机箱可沿所述的吊耳的中心翻转。

作为本发明的优选，所述的机箱上还设置有二级伸缩臂系统，所述的二级伸缩臂系统可在所述的机箱上沿远离套筒扳手或者靠近套筒扳手的一侧动作；所述的二级伸缩臂系统还与所述的夹爪机构连接，驱动夹爪机构远离或者靠近套筒扳手的一侧。

作为本发明的优选，所述二级伸缩臂系统包括二级伸缩臂以及二级液压缸，所述二级液压缸的与机箱连接，另一端与二级伸缩臂连接。

作为本发明的优选，所述的夹爪机构包括夹爪机架、机械夹爪以及驱动油缸；夹爪机架与机械夹爪之间通过销轴连接，所述驱动油缸的两端分别与夹爪机架与机械夹爪上的销轴铰接。

作为本发明的优选，所述的驱动机构包括设置在机箱内的液压马达输出轴、小齿轮以及大齿轮；所述的液压马达输出轴与所述的小齿轮连接，小齿轮与大齿轮啮合；所述的大齿轮与所述套筒扳手同轴设置；套筒扳手设置在所述大齿轮中心位置，并通过大齿轮带动其转动；所述的液压马达输出轴与液压马达连接。

作为本发明的优选，所述大齿轮设置有两组，两组大齿轮相对于小齿轮在机箱的高度方向上下对称设置。

作为本发明的优选，所述的套筒扳手通过键与所述大齿轮连接，套筒扳手的两端还通过轴承与所述机箱固定。

作为本发明的优选，所述的套筒扳手包括套筒外壳、芯轴、压缩弹簧以及端盖；所述的套筒外壳远离夹爪机构的一端设置有安装孔，在所述的安装孔内设置有压缩弹簧；所述芯轴设置在所述的安装孔内，芯轴通过以限位机构限制其在安装孔内转动；芯轴一端与所述压缩弹簧连接，另一端通过端盖限位；在所述芯轴远离夹爪机构的一端的端面上还设置有内六角孔。

作为本发明的优选，所述端盖的端面为一个锥状的弧形导向面。

作为本发明的优选，所述吊耳上设有环形阵列的圆孔结构，用于与机械臂之间进行连接。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种用于盾构机自动换刀的机械臂末端执行器，在空间狭长、末端负载大的盾构机环境下，可代替工人完成换刀任务，提高换刀效率，减少隧道施工的安全事故，实现盾构机换刀自动化，促进盾构机智能化发展。

2、套筒扳手内部组件中芯轴前端面加工为内六角扳手形状，套筒外壳与芯轴之间通过花键限制径向相对移动，轴向则通过压缩弹簧将芯轴阶梯轴小轴与套筒外壳内壁相配合。通过弹簧结构的设计，可以避免螺栓、螺母与扳手之间的对准问题。当对螺栓进行拆装时，将套筒扳手移动到预定预紧位置，若扳手内六角形状未与螺栓对准，则在压力作用下，扳手芯轴缩回，当套筒扳手开始工作，套筒扳手旋转，一旦套筒扳手与螺栓对准，芯轴在弹簧弹力作用下复位并与螺栓相配合，保证了套筒扳手与螺栓之间的自适应正确配合。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的一种用于盾构机自动换刀的机械臂末端执行器的结构示意图；

图2是图1的机箱内部的结构剖视图；

图3是图1的机箱内部二级液压缸的局部剖视图；

图4是本发明实施例2的结构示意图；

图5是图4的A部放大图。

图中各部件为：

1、机箱；2、二级伸缩臂；3、夹爪机架；4、机械夹爪；5、销轴；6、驱动油缸；7、小齿轮；8、液压马达输出轴；9、带座轴承；10、小齿轮轴套；11、套筒扳手；12、大齿轮大端盖；13、大齿轮大轴承；14、大齿轮大轴套；15、大齿轮；16、大齿轮小轴套；17、大齿轮小轴承；18、大齿轮小端盖；19、液压马达；20、二级液压缸；21、吊耳；1101、套筒外壳；1102、芯轴；1103、压缩弹簧；1104、端盖；1105、安装孔；1106、内六角孔。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1-3所示，本实施例中提供了一种用于盾构机自动换刀的机械臂末端执行器，

包括机箱1，在机箱1的一侧设置有夹爪机构，在机箱1远离夹爪机构的一侧设置有套筒扳手11。在机箱1内设置有用于驱动所述套筒扳手11的驱动机构；在机箱1上还设置有用于与机械臂连接的吊耳21，吊耳21上设有环形阵列的圆孔结构，环形阵列的圆孔结构用于与机械臂之间进行连接，通常的来说，吊耳21与机械臂之间是通过摆动油缸进行连接，这样的方式，在摆动油缸的驱动下，机箱1可沿摆动油缸的输出端，相当于吊耳21的中心翻转。

机箱1上还设置有二级伸缩臂系统，二级伸缩臂系统可在所述的机箱1上沿远离套筒扳手11或者靠近套筒扳手11的一侧动作。本实施例中，二级伸缩臂系统包括二级伸缩臂2以及二级液压缸20，二级液压缸20的两端为法兰式连接，底部通过法兰与机箱1连接，顶部通过法兰与二级伸缩臂2的小臂进行螺栓连接。二级伸缩臂2将二级液压缸20包裹在机箱1结构内部，依靠机箱1承受末端负载产生的巨大弯矩，可大大降低整体结构的形变量，保证二级液压缸20的正常使用。

二级伸缩臂系统还与夹爪机构连接，用于驱动夹爪机构远离或者靠近套筒扳手11的一侧。夹爪机构包括夹爪机架3、机械夹爪4以及驱动油缸6，本实施例中，考虑到换刀工作区域的狭长，并且末端负载大，在相同体积的条件下，液压驱动能够实现比气压驱动、电动更大的承载能力，因此，采用了驱动油缸6来执行动作，本实施例中，驱动油缸6采用的是mini液压缸。

夹爪机架3与机械夹爪4之间通过销轴5连接，mini液压缸的两端耳环固定于夹爪机架3与机械夹爪4设计的销轴结构上。通过mini液压缸驱动机械夹爪4完成机械夹爪4的开合动作，进而完成抓取、放下滚刀的动作，mini液压缸两端采用耳环连接，能够满足随机械夹爪4开合动作旋转的自由度。

套筒扳手11是用于换刀时螺栓的拆卸，本实施例中，套筒扳手11是通过设置在机箱1内的驱动机构进行驱动。本实施例中，驱动机构包括液压马达19、液压马达输出轴8、小齿轮7以及大齿轮15。液压马达19通过螺栓固定于机箱1内。液压马达输出轴8一端通过花键结构与液压马达19连接，通过液压马达19带动液压马达输出轴8转动，液压马达输出轴8的另一端通过带座轴承9与机箱1固定。小齿轮7与液压马达输出轴8之间采用键连接，小齿轮7与带座轴承9之间用小齿轮轴套10固定。

大齿轮15设置有两个，两个大齿轮15在高度方向对称分布在小齿轮7的两端。每个大齿轮15同轴的连接有1个套筒扳手11，套筒扳手11通过花键与大齿轮15连接。通过花键连接，一定程度上提高结构的安全系数，保证结构的可靠性，并且，应保证大齿轮15内花键设计尺寸长于套筒扳手11外花键2mm左右，以便包容机械零件的制造误差，保证轴系两端支承轴承轴向压实。套筒扳手11两端通过大齿轮大轴承13、大齿轮小轴承17固定于机箱1上，大齿轮15两端通过大齿轮大轴套14、大齿轮小轴套16与轴承相互固定，大齿轮15两端通过大齿轮大端盖12、大齿轮小端盖18压紧，大齿轮大端盖12、大齿轮小端盖18与机箱1之间采用螺栓连接。

本实施例中用于盾构机自动换刀的机械臂末端执行器的机械结构部件可通过表面强化处理，一定程度上大大提高了工件表面强度和抗腐蚀能力。

本实施例的用于盾构机自动换刀的机械臂末端执行器的工作过程如下：

首先末端执行器的液压马达19驱动液压马达输出轴8、小齿轮7带动大齿轮15转动，从而带动套筒扳手11转动拆卸螺栓；

接着通过机械臂上的摆动油缸驱动机箱1沿吊耳21的中心方向旋转180°，使得夹爪机构正对滚刀；

二级伸缩臂系统内的二级液压缸20动作，带动二级伸缩臂2动作向刀盘方向靠近，推动机械夹爪4至滚刀所在位置； mini液压缸伸缩实现机械夹爪4缩紧滚刀；

锁紧完成后，二级液压缸20动作，带动二级伸缩臂2动作，向远离刀盘方向动作，带动旧滚刀先稳妥地抽离刀盘。

实施例2

本实施例其余都与实施例1相同，不同的是，本实施例中，为了保证套筒扳手11在移动的过程中能够精准快速的对准需要拆卸的螺栓，参照图4-图5，本实施例中，套筒扳手11采用了如下的结构：

本实施例的套筒扳手11包括套筒外壳1101、芯轴1102、压缩弹簧1103以及端盖1104；套筒外壳1101远离夹爪机构的一端设置有安装孔1105，在安装孔1105内设置有压缩弹簧1103。

芯轴1102设置在所述的安装孔1105内，芯轴1102通过以限位机构限制其在安装孔1105内转动；本实施例中，芯轴1102通过花键安装在安装孔1105中，芯轴1102可沿安装孔1105的轴线方向移动，但不能转动。

芯轴1102为阶梯轴结构，其直径小的一端与压缩弹簧1103连接，另一端通过端盖1104限位，本实施例中，端盖1104是通过固定在套筒外壳1101原料夹爪机构的一端的，端盖1104可以是通过螺纹与套筒外壳1101固定。在芯轴1102远离夹爪机构的一端的端面上还设置有内六角孔1106，内六角孔1106用于与待拆卸的螺栓连接。

本实施例中，端盖1104的端面为一个锥状的弧形导向面，这样的方式便于套筒扳手11快速的与待拆卸螺栓配合。

当对螺栓进行拆装时，将套筒扳手11移动到预定预紧位置，若套筒扳手11内六角形状未与螺栓对准，则在压力作用下，芯轴1102缩回，当套筒扳手11开始工作，套筒扳手11旋转，一旦套筒扳手11与螺栓对准，芯轴1102在弹簧弹力作用下复位并与螺栓相配合，保证了套筒扳手11与螺栓之间的自适应正确配合。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。