本发明属于隧道掘进装备技术领域，提供了一种应用于TBM机器人换刀的新的一体化滚刀结构，主要由刀箱、滚刀、滚刀安装架、自动伸缩装置和抓杆组成。该新型滚刀配合换刀机械手和末端执行器可以可靠的实现TBM的自动换刀任务，并且使机器人换刀的任务得到简化，缩短了换刀的时间，提高了隧道掘进的效率，降低了经济成本同时保障了施工人员的人身安全。
1.一种基于TBM机器人换刀的新型一体化滚刀结构，其特征在于，所述的新型一体化滚刀结构包括刀箱(1)、滚刀(2)、滚刀安装架(3)、自动伸缩装置(4)和抓杆(5)；
所述的刀箱(1)，主要由刀箱连接板和刀箱侧板拼接组成，两刀箱连接板相对布置，两刀箱侧板相对布置；刀箱侧板的内型面与滚刀安装架(3)的支撑板型面相适应，以实现一体化滚刀安装时的限位；刀箱侧板上部开有孔槽，孔槽的形状和长度与伸缩板(4-1)相适应，以实现滚刀装配体的固定、传力和受力；
所述的滚刀(2)通过螺栓与滚刀安装架(3)相连接，以实现滚刀(2)的安装；
所述的滚刀安装架(3)包括中间连接板、支撑架和支撑板，支撑板上设有孔，用于滚刀安装架(3)与滚刀(2)的连接；中间连接板与支撑板上下配合，二者所成的型面与刀箱侧板的内型面相互配合；支撑架将两中间连接板连为一体，其上设有螺纹孔、轴承安装孔和导向槽；螺纹孔位于支撑架顶面的中间位置，用于实现滚刀安装架(3)与轴承端盖(4-3)的连接；
轴承安装孔用于实现轴承(4-6)在滚刀安装架(3)中的定位与安装；导向槽位于支撑板两侧，其形状和长度与伸缩板(4-1)的外形相适应，以实现伸缩板(4-1)在滚刀安装架(3)内的安装和按预定轨迹的滑动；
所述的自动伸缩装置(4)包括伸缩板(4-1)、推杆(4-2)、轴承端盖(4-3)、螺杆(4-4)、螺母(4-5)和轴承(4-6)；螺杆(4-4)通过轴承(4-6)来实现定位和支承，轴承端盖(4-3)用于对轴承(4-6)的密封，防止外界碎石、灰尘进入破坏轴承，并且防止润滑油脂的泄露；螺母(4-
5)与螺杆(4-4)为螺纹副配合，通过旋转螺杆(4-4)来实现螺母(4-5)的直线往复运动；此时螺纹副自锁，螺纹副配合应满足以下关系：Φ＜α (1)
伸缩板(4-1)安装固定在支撑板的导向槽中，伸缩板(4-1)只沿导向槽作直线运动一个自由度；推杆(4-2)的一端与螺母(4-5)铰接，推杆(4-2)的另一端与伸缩板(4-1)铰接，推杆(4-2)相对于螺母(4-5)和伸缩板(4-1)运动；螺母(4-5)作直线往复运动进而通过推杆(4-
2)推动伸缩板(4-1)作直线运动，从而控制伸缩板(4-1)伸出时进入刀箱侧板上的孔槽卡死，滚刀(2)进入工作状态，缩回时伸缩板(4-1)从孔槽内脱离，滚刀(2)从刀箱(1)内取出；
此时应不能使伸缩板(4-1)自锁并具有良好的传力性能，应满足以下条件：
其中：γmin伸缩板(4-1)与推杆(4-2)间的最小传动角；
x＝|l·(sinβ1-sinβ2)| (3)其中：x为伸缩板(4-1)移动的距离；l为推杆(4-2)的长度；β1为推杆(4-2)与螺杆(4-4)的初始夹角；β2为推杆(4-2)与螺杆(4-4)的最终夹角；
所述的抓杆(5)两端用螺钉与推杆(4-2)相连接，末端执行器上的爪子抓取抓杆(5)实现滚刀进出刀箱(1)。
一种基于TBM机器人换刀的新型一体化滚刀结构
技术领域
[0001] 本发明提供了一种应用于TBM机器人换刀的新型滚刀结构，属于隧道掘进装备技术领域。
背景技术
[0002] 目前全断面硬岩掘进机(TBM)已成为国内外隧道施工的重要工具。依靠TBM刀盘上装的刀具对岩石进行破碎，而滚刀则是若干刀具中破岩的主要刀具。滚刀在破岩的过程中与岩石接触，受到交变载荷极易磨损。所以有必要对磨损的滚刀进行更换。而滚刀的磨损和更换对隧道施工的时间、效率和成本具有重要的影响。目前国内外仍以人工换刀为主，换刀的总时间可达隧道施工总时间的4％-26％，极大的增加了隧道施工的成本。而且隧道施工的环境恶劣，碎石、高压严重威胁着换刀工人的安全。因此，研制一种基于TBM机器人换刀的新型滚刀配合换刀机械手和末端执行器可靠地实现TBM的自动换刀任务，是十分必要的。
[0003] 为使机器人换刀的任务得到简化，缩短换刀的时间，提高隧道掘进的效率，降低经济成本同时保障施工人员的人身安全发明了一种基于TBM机器人换刀的新型一体化滚刀结构。
发明内容
[0004] 本发明基于传统滚刀的结构特点，针对传统滚刀更换方式效率低、成本高、危险性大的问题，发明了一种基于TBM机器人换刀的新型一体化滚刀结构来配合机器人和末端执行器来实现机械化换刀任务。从而缩短换刀时间、提高换刀效率、降低换刀成本。为实现以上的功能要求。
[0005] 本发明的技术方案：
[0006] 一种基于TBM机器人换刀的新型一体化滚刀结构，包括刀箱1、滚刀2、滚刀安装架3、自动伸缩装置4、抓杆5。
[0007] 所述的刀箱1，主要由刀箱连接板和刀箱侧板拼接组成，两刀箱连接板相对布置，两刀箱侧板相对布置；刀箱侧板的内型面与滚刀安装架3的支撑板型面相适应，以实现一体化滚刀安装时的限位；刀箱侧板上部开有孔槽，孔槽的形状和长度与伸缩板4-1相适应，以实现滚刀装配体的固定、传力和受力；
[0008] 所述的滚刀2通过螺栓与滚刀安装架3相连接，以实现滚刀2的安装；
[0009] 所述的滚刀安装架3包括中间连接板、支撑架和支撑板，支撑板上设有孔，用于滚刀安装架3与滚刀2的连接；中间连接板与支撑板上下配合，二者所成的型面与刀箱侧板的内型面相互配合；支撑架将两中间连接板连为一体，其上设有螺纹孔、轴承安装孔和导向槽；螺纹孔位于支撑架顶面的中间位置，用于实现滚刀安装架3与轴承端盖4-3的连接；轴承安装孔用于实现轴承4-6在滚刀安装架3中的定位与安装；导向槽位于支撑板两侧，其形状和长度与伸缩板4-1的外形相适应，以实现伸缩板4-1在滚刀安装架3内的安装和按预定轨迹的滑动；
[0010] 所述的自动伸缩装置4包括伸缩板4-1、推杆4-2、轴承端盖4-3、螺杆4-4、螺母4-5和轴承4-6；螺杆4-4通过轴承4-6来实现定位和支承，轴承端盖4-3用于对轴承4-6的密封，防止外界碎石、灰尘进入破坏轴承，并且防止润滑油脂的泄露；螺母4-5与螺杆4-4为螺纹副配合，通过旋转螺杆4-4来实现螺母4-5的直线往复运动；此时螺纹副自锁，螺纹副配合应满足以下关系：
[0011] Φ＜α (1)
[0012] 其中：Φ为螺纹升角；α为螺纹的当量摩擦角；
[0013] 伸缩板4-1安装固定在支撑板的导向槽中，伸缩板4-1只沿导向槽作直线运动一个自由度；推杆4-2的一端与螺母4-5铰接，推杆4-2的另一端与伸缩板4-1铰接，推杆4-2相对于螺母4-5和伸缩板4-1运动；螺母4-5作直线往复运动进而通过推杆4-2推动伸缩板4-1作直线运动，从而控制伸缩板4-1伸出时进入刀箱侧板上的孔槽卡死，滚刀2进入工作状态，缩回时伸缩板4-1从孔槽内脱离，滚刀2从刀箱1内取出；此时应不能使伸缩板4-1自锁并具有良好的传力性能，应满足以下条件：
[0014] γmin≥40° (2)
[0015] 其中：γmin伸缩板4-1与推杆4-2间的最小传动角；
[0016] 伸缩板4-1的运动距离满足下式：
[0017] x＝|l·(sinβ1-sinβ2)| (3)
[0018] 其中：x为伸缩板4-1移动的距离；l为推杆4-2的长度；β1为推杆4-2与螺杆4-4的初始夹角；β2为推杆4-2与螺杆4-4的最终夹角；
[0019] 所述的抓杆5两端用螺钉与推杆4-2相连接，末端执行器上的爪子抓取抓杆5实现滚刀进出刀箱1。
[0020] 本发明的有益效果：本发明与机器人和末端执行器相配合，代替目前主流的人工换刀。这不仅缩短了换刀的时间、提高了效率、降低了成本，而且避免了人工换刀的危险性问题，提高了换刀的安全性。
附图说明
[0021] 图1是滚刀刀箱的整体结构示意图；
[0022] 图2是一体化新型滚刀的结构示意图；
[0023] 图3是滚刀刀箱内部型面与孔槽结构示意图；
[0024] 图4是伸缩板的结构示意图；
[0025] 图5是伸缩传动机构正视图；
[0026] 图6(a)是滚刀开始装入刀箱前的示意图；
[0027] 图6(b)是滚刀转入刀箱定位完成的示意图；
[0028] 图6(c)是伸缩板进入刀箱槽内卡死滚刀安装完成示意图；
[0029] 图中：1刀箱；2滚刀；3滚刀安装架；4伸缩传动系统；5抓杆；4-1伸缩板；4-2推杆；4-3轴承端盖；4-4螺杆；4-5螺母；4-6轴承。
具体实施方式
[0030] 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。
[0031] 在TBM停机时，机器人通过末端执行器，对已经磨损的滚刀进行拆卸，然后对新滚刀进行安装。
[0032] 拆卸磨损滚刀的过程如下：
[0033] 步骤一：要更换的滚刀位姿如图6(c)所示，机器人末端执行器移动到滚刀后方，末端执行器上拧螺杆的装置与螺杆4-4配合；
[0034] 步骤二：末端执行器上拧螺杆装置动作使螺杆4-4作旋转运动，螺母4-5与螺杆4-4之间的螺纹副配合，使螺母4-5作向上的直线运动。螺母4-5与推杆4-2上端之间为铰接，螺母4-5向上运动带动推杆4-2上端作相应向上的运动，推杆4-2下端与伸缩板4-1同样为铰接，推杆4-2下端向内作回收运动，带动伸缩板4-1回缩，从刀箱1中的槽中退出来。现在滚刀处于未锁紧状态，如图6(b)所示。
[0035] 步骤三：末端执行器上的手爪动作，抓取抓杆5。
[0036] 步骤四：末端执行器后移，通过手爪抓取抓杆5带动滚刀向后运动，逐渐脱离刀箱1，滚刀的运动状态如图6(a)所示。至此，完成了对磨损滚刀的拆卸工作。
[0037] 新滚刀安装过程如下：
[0038] 步骤一：末端执行器抓取新的滚刀后，相对于刀箱1移动到合适的位置，准备将新的滚刀装入刀箱1，如图6(a)所示。
[0039] 步骤二：末端执行器继续向下运动，直到滚刀安装架3上的型面与刀箱1上相配合的型面接触完全，完成滚刀在刀箱1中的限位。刀箱1的型面形状如图3所示，滚刀安装架3上相配合的型面形状如图2所示，装入刀箱1后的滚刀位姿如图6(b)所示。
[0040] 步骤三：末端执行器爪子从抓杆5上脱离。
[0041] 步骤四：末端执行器上拧螺杆装置动作使螺杆4-4作旋转运动，通过螺纹副配合，螺母4-5作向下的直线运动。螺母4-5与推杆4-2上端为铰接，螺母4-5向下运动带动推杆4-2上端作相应向上的运动，推杆4-2下端与伸缩板4-1同样为铰接，推杆4-2下端向外作扩张运动，带动伸缩板4-1伸出，进入到刀箱1中的槽中卡死。现在滚刀处于锁紧状态，如图6(c)所示。至此，完成新滚刀的安装工作。其中伸缩板4-1的结构与刀箱1上槽的结构相配合，伸缩板4-1的外形结构如图4所示，刀箱1槽的结构如图3所示。
