本发明属于隧道掘进施工设备技术领域，根据隧道掘进机刀盘刀座的结构空间，设计了一种基于机器人操作的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座，主要由刀箱、集成刀块系统和滚刀三部分组成。该集成化的刀座系统可以简化换刀流程，缩短换刀时间，降低换刀机械手设计的复杂性，更好的代替人工换刀作业。从而更好的保障换刀工人的生命安全，提高换刀效率，缩短掘进工期，降低整个隧道工程的造价成本。
1.一种基于机器人操作的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座，其特征在于，所述的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座主要由刀箱(1)、集成刀块系统(2)和滚刀(3)三部分组成；
所述的刀箱(1)为主要由两块刀箱侧面板(1-1)和两块刀箱焊接板(1-2)组成的内部呈中空的箱体；两块刀箱侧面板(1-1)左右侧上半部分分别开有卡槽，卡槽的轮廓和锁紧侧耳(2-1)的边轮廓匹配；两块刀箱侧面板(1-1)左右侧下半部分留有类V型槽，用于配合卡槽共同定位集成刀块系统(2)，同时承受滚刀(3)传来的较大冲击载荷；刀箱焊接板(1-2)为了降低刀箱侧面板(1-1)的工艺难度，同时起连接用，整体呈现矩形，两端凸起；刀箱(1)的外形和TBM刀盘上留下的刀座空间相一致，隧道掘进机工作过程中刀箱(1)焊接在刀盘上；
所述的集成刀块系统(2)主要由锁紧侧耳(2-1)、锁紧连杆(2-2)、锁紧螺杆(2-3)、滑动螺母(2-4)、压紧螺母(2-5)、上端盖(2-6)、上轴瓦(2-7)、下轴瓦(2-8)、滚刀侧面板(2-9)和抓杆(2-10)组成；锁紧侧耳(2-1)形状轮廓是耳朵状，上端有开口槽，垂直开口槽方向开有通孔；锁紧侧耳(2-1)的一边上开有用于连接抓杆(2-10)的通孔，下端为阶梯圆弧柱体，台阶面起定位作用，绕滚刀侧面板(2-9)上的弧形槽转动；锁紧连杆(2-2)用来连接锁紧侧耳(2-1)和滑动螺母(2-4)，将滑动螺母(2-4)的移动转为锁紧侧耳(2-1)的转动，同时支撑锁紧侧耳(2-1)贴合在刀箱侧面板(1-1)上；滑动螺母(2-4)为一个类螺母结构，中心开有螺纹孔，两端有开口槽，锁紧侧耳(2-1)上端的开口槽与滑动螺母(2-4)的开口槽用于实现锁紧侧耳(2-1)、锁紧连杆(2-2)和滑动螺母(2-4)三者的连接；锁紧螺杆(2-3)过滑动螺母(2-4)的中心螺纹孔，并进一步固定滚刀侧面板(2-9)；压紧螺母(2-5)套装于锁紧螺杆(2-3)上，位于滚刀侧面板(2-9)上表面，其与滑动螺母(2-4)同步随着锁紧螺杆(2-3)的转动而上下移动，两者共同作用起到双螺母锁紧的作用；上端盖(2-6)用于固定锁紧螺杆(2-3)的一端，使其只能绕自身旋转而不能上下移动；上轴瓦(2-7)和下轴瓦(2-8)限制锁紧螺杆(2-3)的径向移动，同时可在磨损后易于更换；滚刀侧面板(2-9)形状是一个双耳吊钩状，下轮廓面完整的贴合刀箱侧面板(1-1)的下端面，其作用是机架的作用，用来固定连接各个附属零部件；抓杆(2-10)连接在滚刀(3)左右两侧的锁紧侧耳(2-1)上，方便机械手将集成刀块系统(2)从刀箱(1)中取出；
所述的滚刀(3)的刀轴主要靠12根螺栓固定在滚刀侧面板(2-9)的刀轴槽内，通过两个相对的集成刀块系统(2)固定；滚刀(3)更换中随集成刀块系统(2)同步从刀箱(1)中提出；
同时，集成刀块系统的锁紧螺杆(2-3)需要自锁，其螺纹副配合应满足以下关系：
一种基于机器人操作的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座
技术领域
[0001] 本发明属于隧道掘进施工设备技术领域，根据隧道掘进机刀盘刀座的结构空间，设计了一种基于机器人操作的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座。
背景技术
[0002] 随着国家“一带一路”倡议的推进，各个沿线地区规模开展，公路、铁路、水利水电工程、城市地铁以及城市排污等诸多大型基建工程已迅速规划建设。巨大的市场对全断面隧道掘进机的施工安全及效率提出更高的要求。滚刀更换作为制约隧道掘进效率的一个主要因素，其目前主要靠人工更换，换刀工人面对极端恶劣的高压、高湿的作业环境，生命安全难以保障且换刀效率极低。传统的滚刀安装需要的部件多(15个左右)，并且装拆的动作非常复杂。据统计，人工带压更换一把滚刀需要的时间在3小时左右，滚刀更换时间约占整个施工时间的20％以上。“换刀难，换刀险”的国际性行业问题已经成为制约复杂地质条件下隧道施工安全与效率的瓶颈，以高效的“机器代人”已经成为解决该问题的主要途径，新型的滚刀刀座具有零部件集成化，拆装的动作简单等优点，并使“机器代人”换刀成为可能。因此，为了保障换刀工人的生命安全，提高换刀效率，缩短掘进工期，降低整个隧道工程的造价成本，迎合用机械手来换刀，发明这种集成化的全断面隧道掘进机刀座系统。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于机器人操作的集成化刀座系统，简化换刀流程，大幅度缩短换刀时间，降低换刀机械手设计的复杂性，更好的代替人工换刀作业。该刀座系统在破岩时可以很好地承受掌子面给滚刀的载荷，在刀具磨损或损坏后，可以方便的从刀盘中拆卸出来。
[0004] 本发明的技术方案：
[0005] 一种基于机器人操作的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座，主要由刀箱1、集成刀块系统2和滚刀3三部分组成，滚刀刀座结构总示意图如图1所示。
[0006] 所述的刀箱1为主要由两块刀箱侧面板1-1和两块刀箱焊接板1-2组成的内部呈中空的箱体；两块刀箱侧面板1-1左右侧上半部分分别开有卡槽，卡槽的轮廓和锁紧侧耳2-1的边轮廓匹配；两块刀箱侧面板1-1左右侧下半部分留有类V型槽，用于配合卡槽共同定位集成刀块系统2，同时承受滚刀3传来的较大冲击载荷；刀箱焊接板1-2为了降低刀箱侧面板1-1的工艺难度，同时起连接用，整体呈现矩形，两端凸起；刀箱1的外形和TBM刀盘上留下的刀座空间相一致，隧道掘进机工作过程中刀箱1焊接在刀盘上，刀箱结构如图2所示。
[0007] 所述的集成刀块系统2主要由锁紧侧耳2-1、锁紧连杆2-2、锁紧螺杆2-3、滑动螺母2-4、压紧螺母2-5、上端盖2-6、上轴瓦2-7、下轴瓦2-8、滚刀侧面板2-9和抓杆2-10组成；锁紧侧耳2-1形状轮廓类似耳朵，上端有开口槽，垂直开口槽方向开有通孔；锁紧侧耳2-1的一边上开有用于连接抓杆2-10的通孔，下端为阶梯圆弧柱体，台阶面起定位作用，绕滚刀侧面板2-9上的弧形槽转动；锁紧连杆2-2用来连接锁紧侧耳2-1和滑动螺母2-4，将滑动螺母2-4的移动转为锁紧侧耳2-1的转动，同时支撑锁紧侧耳2-1贴合在刀箱侧面板1-1上；滑动螺母
2-4为一个类螺母结构，中心开有螺纹孔，两端有开口槽，锁紧侧耳2-1上端的开口槽与滑动螺母2-4的开口槽用于实现锁紧侧耳2-1、锁紧连杆2-2和滑动螺母2-4三者的连接；锁紧螺杆2-3过滑动螺母2-4的中心螺纹孔，并进一步固定滚刀侧面板2-9；压紧螺母2-5套装于锁紧螺杆2-3上，位于滚刀侧面板2-9上表面，其与滑动螺母2-4同步随着锁紧螺杆2-3的转动而上下移动，两者共同作用起到双螺母锁紧的作用；上端盖2-6用于固定锁紧螺杆2-3的一端，使其只能绕自身旋转而不能上下移动；上轴瓦2-7和下轴瓦2-8限制锁紧螺杆2-3的径向移动，同时可在磨损后易于更换；滚刀侧面板2-9形状类似一个双耳吊钩，下轮廓面完整的贴合刀箱侧面板1-1的下端面，其作用类似机架，用来固定连接各个附属零部件；抓杆2-10连接在滚刀3左右两侧的锁紧侧耳2-1上，方便机械手将集成刀块系统2从刀箱1中取出；集成刀块系统和滚刀示意图如图3所示。
[0008] 所述的滚刀3的刀轴主要靠12根螺栓固定在滚刀侧面板2-9的刀轴槽内，通过两个相对的集成刀块系统2固定；滚刀3更换中随集成刀块系统2同步从刀箱1中提出。
[0009] 同时，新型全断面掘进机集成刀块系统的锁紧螺杆2-3需要自锁，其螺纹副配合应满足以下关系：
[0010]
[0011] 其中：为螺纹升角；α为螺纹的当量摩擦角。
[0012] 工作原理：机械手通过滚刀抓杆2-10将集成的刀块系统2送至刀箱1口，此时四个锁紧侧耳2-1处于闭合状态，然后将集成刀块系统2送至刀箱1内，通过旋转锁紧螺杆2-3，从而带动四个锁紧侧耳2-1打开，卡在刀箱1侧面板的卡槽内。其中锁紧机构可实现曲柄滑块的功能，将滑动螺母2-4的上下平动转化为四个锁紧侧耳2-1的转动和平动。
[0013] 本发明的有益效果：本发明将滚刀及各种安装部件集成为一体，能够有效降低滚刀更换的繁琐性和换刀机械手设计的复杂性。同时，保障操作工人的人身安全，大幅度提高滚刀更换的效率，从而加快隧道施工的进度，节约经济成本。
附图说明
[0014] 图1是滚刀刀座总示意图。
[0015] 图2是刀箱示意图。
[0016] 图3是集成的刀块系统示意图。
[0017] 图4是集成的刀块系统剖视图。
[0018] 图5是锁紧侧耳示意图。
[0019] 图6是滑动螺母示意图。
[0020] 图7是滚刀侧面板示意图
[0021] 图8是集成刀座系统装入刀箱时的状态示意图。
[0022] 图9是集成刀座系统装入刀箱时的状态剖视图。
[0023] 图10是集成刀座系统卡紧在刀箱时的状态示意图。
[0024] 图11是集成刀座系统卡紧在刀箱时的状态剖视图。
[0025] 图中：1刀箱；2集成刀块系统；3滚刀；1-1刀箱侧面板；1-2刀箱焊接板；2-1锁紧侧耳；2-2锁紧连杆；2-3锁紧螺杆；2-4滑动螺母；2-5压紧螺母；2-6上端盖；2-7上轴瓦；2-8下轴瓦；2-9滚刀侧面板；2-10抓杆。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
[0027] 当全断面隧道掘进机停机时，用机械手进行集成刀座系统的更换，整个机构一次装拆的动作如下：
[0028] 步骤一：机械手通过抓取滚刀抓杆2-10，将整个集成刀块系统送入刀箱1中，此时锁紧侧耳2-1处于闭合状态。集成的刀块系统装入刀箱时的状态示意图和剖视图如图8、9所示。
[0029] 步骤二：机械手旋转锁紧螺杆2-3，通过螺纹传动带动滑动螺母2-4向下移动，同时锁紧连杆2-2带动四个锁紧侧耳2-1转动，从而旋至刀箱侧面板1-1的卡槽内。集成刀座系统卡紧在刀箱时的状态示意图和剖视图如图10、11所示。
[0030] 步骤三：机械手旋转锁紧螺杆2-3，通过螺纹传动带动滑动螺母2-4向上移动，同时锁紧连杆2-2带动四个锁紧侧耳2-1转动，从而旋出刀箱侧面板1-1的卡槽内。
[0031] 步骤四：机械手通过抓取滚刀抓杆2-10，将整个刀块系统从刀箱1提出，此时锁紧侧耳2-1处于闭合状态。
