CN109209413B - 机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机（Robot‑TBM），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，本发明包括刀盘刀具系统和主梁，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至少三个刀盘。本发明多刀盘力矩耦合的组合刀盘刀具系统结构，抵消工作时产生的应力，优化结构、降低成本。

Description

机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机

技术领域

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多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机（Robot-TBM）。

背景技术

岩石隧道掘进机（TBM）是一种集光、机、电、液等多学科技术于一体的隧道开挖装备，在水工隧洞、铁路隧道、城市轨道交通隧道以及综合管廊等工程设中发挥着极其重要作用

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，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(盾构、TBM)的刀盘均为固定式，刀盘只能做微小幅度的俯仰和摆动以调整掘进方向，但开挖面形状受限。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，断面开挖柔性差，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。如需开挖不同形状断面需重新定制设计一台新的掘进机，成本高、周期长且在复杂地质条件下缺少灵活性影响施工进度。目前掘进机为单刀盘工作，工作效率受限，且单刀盘结构在开挖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。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。现设计一种基于机器人支撑的多刀盘力矩耦合任意断面掘进机，在实现大断面任意形状开挖的同时利用多刀盘耦合力矩，减小关键部件应力。

发明内容

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，提供一种实现大断面任意形状开挖的同时利用多刀盘耦合力矩，减小关键部件应力的基于机器人支撑的多刀盘任意断面新型掘进机。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统和主梁，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至少三个刀盘。

所述的机器人前部设有抗刀盘扭矩撑靴系统。

所述的机器人包括刀盘姿态调整机构和机器人臂，所述的刀盘刀具系统并列设置在刀盘姿态调整机构上，刀盘姿态调整机构后部机器人臂与主梁连接，抗刀盘扭矩撑靴系统设置在刀盘姿态调整机构上。

所述的刀盘姿态调整机构包括连接座，连接座前端通过关节轴承分别与若干个子刀盘刀具系统活动连接，连接座外侧设有俯仰油缸和摆动油缸，子刀盘刀具系统与连接座之间均设有俯仰油缸和摆动油缸。

所述的抗刀盘扭矩撑靴系统包括撑靴、撑靴油缸和支撑座，所述的支撑座设置在刀盘姿态调整机构，撑靴通过撑靴油缸与支撑座连接。

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姿态调整机构连接。

所述的机器人包括并联机器人臂，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。

所述的刀盘刀具系统包括一个主刀盘和若干个个次刀盘，主刀盘的外径不小于次刀盘的外径，次刀盘设置在主刀盘外侧。

本发明配置硬岩开挖刀盘，通过控制智能串联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的开挖。

本发明基于机器人（串联、并联、串并联或其他形式）支撑的柔性刀盘开挖系统，可进行任意形状断面开挖；多刀盘力矩耦合的组合刀盘刀具系统结构，抵消工作时产生的应力，优化结构、降低成本；位于隧道底部的新型出渣系统（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。

本发明的柔臂掘进机（Robot-TBM）是指掘进机刀盘与支撑大梁之间采用若干组液压油缸弹性连接，刀盘与大梁之间的距离随着开挖位置的变化而变化。

附图说明

图1是本发明实施例1结构示意图；

图2是本发明实施例1带抗刀盘扭矩撑靴系统的刀盘姿态调整机构的结构示意图；

图3是本发明实施例1三刀盘排布结构示意图；

图4是本发明实施例1四刀盘排布结构示意图；

图5是本发明实施例1五刀盘排布结构示意图；

图6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7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8是本发明实施例3串并联机器人臂结构示意图。

图9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10是本发明图9的液压油缸组为四组、每组两个液压油缸时的B-B视图；

图11是本发明图9的液压油缸组为四组、每组两个液压油缸时的C-C视图；

图12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13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14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至图5所示，一种机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机（Robot-TBM），包括主梁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；其特征在于：所述的主梁6前部通过机器人4与刀盘刀具系统1柔性连接，所述的刀盘刀具系统1包括至少三个刀盘。

所述的机器人4前部设有抗刀盘扭矩撑靴系统3。

所述的机器人4包括刀盘姿态调整机构2和机器人臂，所述的刀盘刀具系统1并列设置在刀盘姿态调整机构2上，刀盘姿态调整机构2后部机器人臂与主梁6连接，抗刀盘扭矩撑靴系统3设置在刀盘姿态调整机构2上。若干个子刀盘刀具系统1形成组合刀盘系统，根据要求断面大小和工作扭矩调整组合刀盘中各刀盘的大小及功率，组合刀盘统一安装在刀盘支撑座上由机器人控制刀盘移动及姿态调整。图3-图5分别例举了三刀盘、四刀盘和五刀盘的布置方式和转动方向示意图，通过调整不同刀盘的转向抵消掘进过程中产生的反扭矩。按此扭矩相互耦合抵消的方式可扩展为多刀盘耦合形式的掘进机开挖刀盘。

所述的刀盘姿态调整机构2包括连接座204，连接座204前端通过关节轴承201分别与若干个子刀盘刀具系统1活动连接，连接座204外侧设有俯仰油缸202和摆动油缸203，子刀盘刀具系统1与连接座204之间均设有俯仰油缸202和摆动油缸203。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。

所述的抗刀盘扭矩撑靴系统3包括撑靴301、撑靴油缸302和支撑座303，所述的支撑座303设置在刀盘姿态调整机构2，撑靴301通过撑靴油缸302与支撑座303连接。支撑座303设置在刀盘姿态调整机构2的连接座204上。抗刀盘扭矩撑靴系统3为固定于刀盘内部的撑紧装置，对称布置于刀盘两侧，撑靴301可贴在洞壁上，撑靴油缸302为伸缩油缸，可控制撑靴的伸出和缩回，撑靴油缸302有两个，两个撑靴油缸302可独立控制，支撑座303为位于刀盘内部的油缸支撑座。当刀盘布置方式已定后，通过调整刀盘的转速和方向不能完全抵消不同刀盘掘进过程中产生的扭矩时，启用抗刀盘扭矩撑靴系统3。撑靴油缸302根据需要也可以设置多个，根据需要控制不同撑靴油缸302的伸出。

实施例2

如图6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。

实施例3

如图7和图8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与刀盘姿态调整机构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。

二号油缸427和四号油缸420通过连接座204与刀盘姿态调整机构2连接。串并联机器人臂42中，以刀盘姿态调整机构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。

实施例4

如图9-14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9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10和图11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12和图13，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14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1下方设有出渣系统5，出渣系统5前端伸至刀盘刀具系统1下方、后端与皮带机10连接。出渣系统5为皮带机出渣系统或螺旋输送机出渣系统，皮带机10设置在出渣系统尾部，出渣系统5将刀盘1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。

实施例5

本发明所述的刀盘刀具系统1包括一个主刀盘101和若干个个次刀盘102，主刀盘101的外径不小于次刀盘102的外径，次刀盘102设置在主刀盘101外侧。当刀盘刀具系统1有3个时，设置一个主刀盘和两个次刀盘，如图3所示，两个次刀盘设置在主刀盘外侧，通过调整次刀盘的转速和转向来抵消主刀盘产生的扭矩，当扭矩不能完全抵消时，启用抗刀盘扭矩撑靴系统3；当刀盘刀具系统1有4个时，如图4所示，主刀盘和次刀盘大小相同，调整不同刀盘的转速和方向体校各个刀盘的扭矩；当刀盘刀具系统1有5个时，设置一个主刀盘和四个次刀盘，如图5所示，四个次刀盘设置在主刀盘外侧，通过调整次刀盘的转速和转向来抵消主刀盘产生的扭矩，当扭矩不能完全抵消时，启用抗刀盘扭矩撑靴系统3。当刀盘刀具系统1有更多个时，原理同上，通过转速和转向的调节来达到抵消扭矩的目的。其它结构同实施例1。

本发明工作时，包括以下步骤：1、根据开挖扭矩需求等参数设计组合刀盘刀具系统中刀盘数量、大小、转向；2、根据施工断面形状要求，预先对智能机器人进行运动轨迹编程；3、使掘进机到机器人工作范围，机器人按照设定轨迹使刀盘到达指定位置；4、撑靴撑紧洞壁，推进油缸及主驱动工作；5、底部出渣系统工作，将坠落在洞底的渣石经皮带机运出；6、达到一定开挖量后，重复2-4步，进行下一个工位循环。

Claims (9)

1.一种机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统（1）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；其特征在于：所述的主梁（6）前部通过机器人（4）与刀盘刀具系统（1）柔性连接，所述的刀盘刀具系统（1）包括至少三个刀盘；

所述的机器人（4）包括刀盘姿态调整机构（2）和机器人臂，所述的刀盘刀具系统（1）并列设置在刀盘姿态调整机构（2）上，刀盘姿态调整机构（2）后部通过机器人臂与主梁（6）连接，抗刀盘扭矩撑靴系统（3）设置在刀盘姿态调整机构（2）上；

所述的机器人臂包括并联机器人臂（41），所述的并联机器人臂（41）包括并联连接的液压油缸组（415），液压油缸组（415）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；

所述的刀盘刀具系统（1）包括一个主刀盘（101）和若干个次刀盘（102），主刀盘（101）的外径不小于次刀盘（102）的外径，次刀盘（102）设置在主刀盘（101）外侧。

2.根据权利要求1所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的机器人（4）前部设有抗刀盘扭矩撑靴系统（3）。

3.根据权利要求1所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的刀盘姿态调整机构（2）包括连接座（204），连接座（204）前端通过关节轴承（201）分别与主刀盘和若干个次刀盘活动连接，连接座（204）外侧设有俯仰油缸（202）和摆动油缸（203），主刀盘和连接座之间及若干个次刀盘和连接座之间均设有俯仰油缸（202）和摆动油缸（203）。

4.根据权利要求2或3所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的抗刀盘扭矩撑靴系统（3）包括撑靴（301）、撑靴油缸（302）和支撑座（303），所述的支撑座（303）设置在刀盘姿态调整机构（2），撑靴（301）通过撑靴油缸（302）与支撑座（303）连接。

5.根据权利要求3所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：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）之间均设有伸缩油缸（404）。

6.根据权利要求3所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：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I（426）与二号油缸（427）串联连接，三号油缸（428）通过串联关节II（429）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）与刀盘姿态调整机构（2）连接。

7.根据权利要求1所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：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。

8.根据权利要求7所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的液压油缸组（415）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。

9.根据权利要求1所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的刀盘刀具系统（1）下方设有出渣系统（5），出渣系统（5）前端伸至刀盘刀具系统（1）下方、后端与皮带机（10）连接。