CN111271073B - 一种基于换刀机器人的环形轨道运刀装置及运刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于换刀机器人的环形轨道运刀装置及运刀方法，解决了现有技术中机器人换刀过程中运刀效率不高的问题。本发明包括固定在机器人舱内的环形轨道，环形轨道上设有用于吊装滚刀的运刀装置，所述运刀装置通过传动机构沿环形轨道运动。所述传动机构包括驱动装置和传动装置；传动装置分别与驱动装置、运刀装置相连接，驱动装置通过传动装置带动运刀装置沿环形轨道运动。本发明设计巧妙，结构紧凑，实现高效快速的机器人换刀，减少人工作业，提高换刀效率，是机器人换刀的一大创新，具有较高的实用性和推广价值。

Description

一种基于换刀机器人的环形轨道运刀装置及运刀方法

技术领域

本发明涉及掘进机技术领域，特别是指一种基于换刀机器人的环形轨道运刀装置及运刀方法。

背景技术

全断面掘进机施工过程中滚刀消耗大、更换频繁，滚刀换刀作业时间占隧道施工周期的10%以上，现有滚刀换刀工作主要依赖人工作业，大埋深、高水压等施工环境下作业安全隐患大，易出现人员伤亡等重大安全事故。据统计，国内近70%的隧道施工安全事故都与人工换刀作业直接相关。为实现高效快速换刀，减少人工作业，提高换刀效率，机器人换刀成为掘进机施工的趋势。但是随之而来的是基于换刀机器人的运刀问题。如何配合换刀机器人实现滚刀的快速运输，是机器人换刀要解决的技术问题。申请号为201821053898.9的伸缩梁式滚刀运输装置虽然是一种运输方式，但是不适用于灵活换刀的机器人，与换刀机器人融合性差，导致换刀效率低。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种基于换刀机器人的环形轨道运刀装置及运刀方法，解决了现有技术中机器人换刀过程中运刀效率不高的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于换刀机器人的环形轨道运刀装置，包括固定在机器人舱内的环形轨道，环形轨道上设有用于吊装滚刀的运刀装置，所述运刀装置通过传动机构沿环形轨道运动。

所述传动机构包括驱动装置和传动装置；传动装置分别与驱动装置、运刀装置相连接，驱动装置通过传动装置带动运刀装置沿环形轨道运动。

所述传动装置包括同步带轮和同步带，同步带轮的上部固定在机器人舱的顶板上，同步带轮的下部伸进环形轨道内且与同步带相配合，同步带与运刀装置相连接。

所述驱动装置包括固定在机器人舱的顶板上的步进电机，步进电机通过齿轮副与同步带轮相连接。

所述运刀装置包括连接板座，连接板座的上部通过滚轮组件与环形轨道相连接，连接板座的下部设有伸缩件，伸缩件的下部连接有滚刀架。

所述滚轮组件包括行走滚轮和平衡滚轮，行走滚轮对称设置在连接板座上，平衡滚轮位于行走滚轮的下方，行走滚轮位于环形轨道的环形滑槽内，平衡滚轮位于环形滑槽的下部。

所述滚刀架为框形板架，框型板架的内壁上电磁铁定位座。

所述框形板架包括横梁座和对称设置的臂板，臂板与横梁座铰接，且通过开合伸缩件与横梁座相连接。

一种基于换刀机器人换刀的掘进机，包括上述的环形轨道换运装置。

一种基于换刀机器人的环形轨道运刀装置的运刀方法，步骤如下：S1将环形轨道、驱动装置和传动装置固定在机器人舱的顶板上，环形轨道上设置至少两个运刀装置，传动装置的同步带与运刀装置连接，驱动装置通过传动装置带动运刀装置沿环形轨道运动；

S2：换刀时，换刀机器人伸出舱门，把旧滚刀从刀盘上取下，退回机器人舱内，控制驱动装置转动，在同步带的驱动下，将运刀装置中空的滚刀架停止到指定位置，然后驱动装置停止，空的滚刀架在伸缩件的作用下向下运动至指定位置，然后换刀机器人将旧滚刀放置在空的滚刀架中；

S3：伸缩件收回，驱动装置再次启动，将带有旧滚刀的运刀装置停在指定位置后，驱动装置停止；

S4：伸缩件启动，把装有新滚刀的运刀装置停在指定位置，由换刀机器人夹取新滚刀，然后伸缩件收回；

S5：换刀机器人将新滚刀运到机器人舱外部进行滚刀安装，完成整个换刀工作。

本发明通过设置在机器人舱内的环形轨道运刀装置，与换刀机器人配合，实现换刀；环形轨道上设置至少两个运刀装置，一部分用于将新滚刀运至机器人上方，一部分用于将机器人换下的旧轨道运出，实现与换刀机器人的高度配合，同时实现高效运刀。本发明设计巧妙，结构紧凑，实现高效快速的机器人换刀，减少人工作业，提高换刀效率，是机器人换刀的一大创新，具有较高的实用性和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意。

图2为本发明在掘进机中布置状态示意图。

图3为本发明传动机构结构示意。

图4为本发明运刀装置第一种结构状态示意图。

图5为本发明运刀装置第二种结构状态示意图。

图6为本发明U型连接件布置状态示意图。

图7为本发明运刀装置结构主视示意图。

图8为换刀机器人取刀状态示意图。

图9为换刀机器人放刀状态示意图。

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。

如图1所示，实施例1，一种基于换刀机器人的环形轨道运刀装置，包括固定在机器人舱301内的环形轨道101，环形轨道101水平设置在机器人舱的顶板上，换刀机器人位于机器人舱内，环形轨道位于换刀机器人3上方，机器人舱位于刀盘2的后方，换刀机器人伸出可对刀盘上的滚刀进行更换。环形轨道101上设有用于吊装滚刀105的运刀装置103，所述运刀装置103通过传动机构沿环形轨道101运动。环形轨道上设置至少两个运刀装置，一部分用于将新滚刀运至机器人上方，一部分用于将机器人换下的旧轨道运出。如此实现与机器人的高度配合，同时实现高效运刀。

进一步，所述传动机构包括驱动装置104和传动装置102；传动装置102分别与驱动装置104、运刀装置103相连接，驱动装置104通过传动装置102带动运刀装置103沿环形轨道101运动。

进一步，如图3、4所示，所述传动装置102包括同步带轮1021和同步带1022，同步带轮1021的上部通过带轮固定杆1023固定在机器人舱301的顶板上，带轮固定杆1023与机器人舱顶板螺栓连接，同步带轮1021的下部伸进环形轨道101内且与同步带1022相配合，同步带轮根据需要设置多个，用于同步带的转向和支撑，同步带1022与运刀装置103相连接，运刀装置与同步带进行同步运动，同步带带动运刀装置沿环形轨道运动。优选地，所述驱动装置104包括固定在机器人舱301的顶板上的步进电机1041，步进电机通过固定座1043螺栓连接在机器人舱的顶板上，步进电机1041通过齿轮副1042与同步带轮1021相连接。齿轮副的主动锥齿轮固定在步进电机的输出轴上，齿轮副的从动锥齿轮安装在一个同步带轮的上部，步进电机通过齿轮副带动，齿轮副将步进电机的转动转化为同步带轮的转动，从而带动同步带转动。

如图5、6所示，实施例2，一种基于换刀机器人的环形轨道运刀装置，所述运刀装置103包括连接板座1032，连接板座1032的上部通过滚轮组件与环形轨道101相连接，实现连接板座与环形轨道的滚动连接，连接板座1032的下部设有伸缩件1033，伸缩件采用伸缩油缸，伸缩件1033的下部连接有用于盛放滚刀的滚刀架1034。在伸缩油缸的作用下，滚刀架带动滚刀上下运动，便于与换刀机器人的配合，同时便于换刀机器人能快速取放滚刀。连接板座1032的内侧设有U型连接件1024，U型连接件1024与同步带螺栓连接，实现连接板座与同步带的连接，与同步带进行同步运动。

进一步，所述滚轮组件包括行走滚轮1031和平衡滚轮1035，行走滚轮1031有两个且对称设置在连接板座1032上，平衡滚轮1035位于行走滚轮1031的下方，用于平衡连接板座1032，防止其出现倾斜或晃动。行走滚轮1031位于环形轨道101的环形滑槽1011内，平衡滚轮1035位于环形滑槽1011的下部，形成与环形滑槽的三面接触，提高运刀装置的稳定性，实现平稳运刀。

进一步，所述滚刀架1034为下部开口的框形板架，用于滚刀的装卸。框型板架的内壁上电磁铁定位座1036，即电磁铁定位座上设有用于定位滚刀的凹槽，凹槽内安装有电磁铁，电磁铁能紧紧吸附滚刀，使滚刀在运刀装置的运行过程中即使在强振动状态下依然可以保持稳定不脱离凹槽。

优选地，所述框形板架包括横梁座34-1和对称设置的臂板34-2，臂板34-2与横梁座34-1铰接，且通过开合伸缩件34-3与横梁座34-1相连接。开合伸缩件可采用油缸，在油缸的作用下实现臂板相对横梁座摆动，实现框形板架的开始，实现对滚刀的快速夹装与否。其他结构与实施例1相同。

如图2所示，实施例3：一种基于换刀机器人换刀的掘进机，包括实施例2中的环形轨道换运装置。环形轨道换运装置与设置在掘进机内的换刀机器人相配合，实现对刀盘2上的滚刀的快速更换。

如图7、8所示，实施例4：一种基于换刀机器人的环形轨道运刀装置的运刀方法，步骤如下：S1将环形轨道101、驱动装置104和传动装置102固定在机器人舱1031的顶板上，环形轨道101上设置至少两个运刀装置103，传动装置102的同步带1022与运刀装置103连接，驱动装置104通过传动装置102带动运刀装置103沿环形轨道101运动；

S2：换刀时，换刀机器人3伸出舱门，把旧滚刀从刀盘上取下，退回机器人舱1031内，控制驱动装置104转动，在同步带1022的驱动下，将运刀装置中空的滚刀架1034停止到指定位置，然后驱动装置104停止，空的滚刀架1034在伸缩件1033的作用下向下运动至指定位置，然后换刀机器人3将旧滚刀放置在空的滚刀架1034中；

S3：伸缩件1033收回，驱动装置104再次启动，将带有旧滚刀的运刀装置停在指定位置后，驱动装置104停止；

S4：伸缩件1033启动，把装有新滚刀的运刀装置停在指定位置，由换刀机器人3夹取新滚刀，然后伸缩件1033收回；

S5：换刀机器人3将新滚刀运到机器人舱外部进行滚刀安装，完成整个换刀工作。

其他结构与实施例2或实施例3相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于换刀机器人的环形轨道运刀装置，其特征在于：包括固定在机器人舱（301）内的环形轨道（101），环形轨道（101）上设有用于吊装滚刀（105）的运刀装置（103），所述运刀装置（103）通过传动机构沿环形轨道（101）运动；

所述传动机构包括驱动装置（104）和传动装置（102）；传动装置（102）分别与驱动装置（104）、运刀装置（103）相连接，驱动装置（104）通过传动装置（102）带动运刀装置（103）沿环形轨道（101）运动；

所述传动装置（102）包括同步带轮（1021）和同步带（1022），同步带轮（1021）的上部固定在机器人舱（301）的顶板上，同步带轮（1021）的下部伸进环形轨道（101）内且与同步带（1022）相配合，同步带（1022）与运刀装置（103）相连接；

所述运刀装置（103）包括连接板座（1032），连接板座（1032）的上部通过滚轮组件与环形轨道（101）相连接，连接板座（1032）的下部设有伸缩件（1033），伸缩件（1033）的下部连接有滚刀架（1034）；所述滚刀架（1034）为框形板架，框型板架的内壁上设有电磁铁定位座（1036）；

环形轨道上设置至少两个运刀装置，一部分用于将新滚刀运至机器人上方，一部分用于将机器人换下的旧轨道运出；换刀时，换刀机器人（3）伸出舱门，把旧滚刀从刀盘上取下，退回机器人舱（301）内，控制驱动装置（104）转动，在同步带（1022）的驱动下，将运刀装置中空的滚刀架（1034）停止到指定位置，换刀机器人（3）将旧滚刀放置在空的滚刀架（1034）中；然后再把装有新滚刀的运刀装置停在指定位置，由换刀机器人（3）夹取新滚刀。

2.根据权利要求1所述的基于换刀机器人的环形轨道运刀装置，其特征在于：所述驱动装置（104）包括固定在机器人舱（301）的顶板上的步进电机（1041），步进电机（1041）通过齿轮副（1042）与同步带轮（1021）相连接。

3.根据权利要求1所述的基于换刀机器人的环形轨道运刀装置，其特征在于：所述滚轮组件包括行走滚轮（1031）和平衡滚轮（1035），行走滚轮（1031）对称设置在连接板座（1032）上，平衡滚轮（1035）位于行走滚轮（1031）的下方，行走滚轮（1031）位于环形轨道（101）的环形滑槽（1011）内，平衡滚轮（1035）位于环形滑槽（1011）的下部。

4.根据权利要求3所述的基于换刀机器人的环形轨道运刀装置，其特征在于：所述框形板架包括横梁座（34-1）和对称设置的臂板（34-2），臂板（34-2）与横梁座（34-1）铰接，且通过开合伸缩件（34-3）与横梁座（34-1）相连接。

5.一种基于换刀机器人换刀的掘进机，其特征在于：包括如权利要求1或4所述的环形轨道运刀装置。

6.一种如权利要求1~4任一项所述基于换刀机器人的环形轨道运刀装置的运刀方法，其特征在于：步骤如下：S1将环形轨道（101）、驱动装置（104）和传动装置（102）固定在机器人舱（301）的顶板上，环形轨道（101）上设置至少两个运刀装置（103），传动装置（102）的同步带（1022）与运刀装置（103）连接，驱动装置（104）通过传动装置（102）带动运刀装置（103）沿环形轨道（101）运动；

S2：换刀时，换刀机器人（3）伸出舱门，把旧滚刀从刀盘上取下，退回机器人舱（301）内，控制驱动装置（104）转动，在同步带（1022）的驱动下，将运刀装置中空的滚刀架（1034）停止到指定位置，然后驱动装置（104）停止，空的滚刀架（1034）在伸缩件（1033）的作用下向下运动至指定位置，然后换刀机器人（3）将旧滚刀放置在空的滚刀架（1034）中；

S3：伸缩件（1033）收回，驱动装置（104）再次启动，将带有旧滚刀的运刀装置停在指定位置后，驱动装置（104）停止；

S4：伸缩件（1033）启动，把装有新滚刀的运刀装置停在指定位置，由换刀机器人（3）夹取新滚刀，然后伸缩件（1033）收回；

S5：换刀机器人（3）将新滚刀运到机器人舱外部进行滚刀安装，完成整个换刀工作。