盾构机换刀机器人的多向偏摆关节及偏转机构的制作方法

1.本发明涉及盾构装备的技术领域，尤其涉及一种盾构机换刀机器人的多向偏摆关节及偏转机构。


背景技术：

2.回转马达可以用于驱使旋转件进行摆动。目前，盾构机换刀机器人中的回转马达，主要采用液压驱动控制，以实现比较大的输出力来完成执行动作，但是存在精度不高，且在输出力小且空间受限的场合难以适用的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种盾构机换刀机器人的多向偏摆关节及偏转机构，以解决盾构机换刀机器人执行动作的精度不高，适用的局限性比较大的技术问题。
4.本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
5.本发明提供一种盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，包括：连接臂、活动臂和第一偏转机构，所述第一偏转机构设置于所述活动臂与所述连接臂之间，所述第一偏转机构包括伺服电机、涡轮和蜗杆，所述涡轮与所述蜗杆相配合，所述涡轮分别与所述活动臂和所述连接臂连接，且所述涡轮能够相对于所述连接臂自转，所述伺服电机与所述蜗杆连接以驱使所述蜗杆旋转。
6.在优选的实施方式中，所述多向偏摆关节包括第二偏转机构，所述第二偏转机构设置于所述涡轮与所述活动臂之间，所述第二偏转机构的转动轴线与所述涡轮的轴线不相平行。
7.在优选的实施方式中，所述第二偏转机构的转动轴线与所述涡轮的轴线相垂直且相交。
8.在优选的实施方式中，所述蜗杆与所述涡轮的轴线相垂直。
9.在优选的实施方式中，所述蜗杆的轴线沿竖向布置。
10.在优选的实施方式中，所述伺服电机包括转动轴，所述蜗杆的端面设置有连接口，所述转动轴至少部分插接于所述连接口中且两者同步转动。
11.在优选的实施方式中，所述转动轴的外壁设置有花键，所述连接口的内壁设置有花键槽。
12.在优选的实施方式中，所述第一偏转机构包括安装座，所述蜗杆和所述涡轮均可转动地安装于所述安装座。
13.在优选的实施方式中，所述第一偏转机构包括编码控制器和旋转编码器，所述旋转编码器安装于所述伺服电机，所述编码控制器与所述旋转编码器电连接。
14.本发明提供一种偏转机构，应用于上述的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，所述偏转机构包括：伺服电机、涡轮和蜗杆，所述涡轮与所述蜗杆相配合，所述涡轮能够分别与所述活动臂和所述连接臂连接，且所述涡轮能够相对于所述连接臂自转，所述伺服电机
与所述蜗杆连接以驱使所述蜗杆旋转。
15.本发明的特点及优点是：
16.本发明提供的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，采用伺服电机来提供动力及控制，避免了因液压控制引起的流量、压力脉动等现象，能够实现及时停止且避免停顿，达到了高精度控制旋转件的目的，保障盾构机换刀机器人准确地执行换刀动作；而且有利于结构的简化，减少了结构件体积，实现了小型化设计下的大扭矩输出，保证换刀动作能够稳定可靠地执行。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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。
18.图1为本发明提供的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节的结构示意图；
19.图2为图1的局部放大图；
20.图3为图1的右视图；
21.图4-图5为本发明提供的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节中第一偏转机构的结构示意图；
22.图6-图8为图4所示的第一偏转机构中内部结构的连接示意图。
23.附图标号说明：
24.1、安装座；
25.2、伺服电机；21、转动轴；22、花键；
26.6、蜗杆；61、连接口；
27.62、涡轮；
28.3、动力源；4、旋转编码器；5、编码控制器；7、减震垫；
29.81、第一偏转机构；82、第二偏转机构；
30.91、连接臂；92、活动臂。
具体实施方式
31.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做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。
32.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
33.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。
34.方案一
35.由于液压控制输出力矩较大，通常情况下，盾构机换刀机器人中的回转马达，均是采用液压驱动控制，以实现比较大的输出力来完成执行动作。本发明的发明人经过大量实践和研究，发现盾构机换刀机器人上的该结构不需要输出太大的力，据此，本发明提供了一种盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，如图1-图8所示，该多向偏摆关节包括：连接臂91、活动臂92和第一偏转机构81，第一偏转机构81设置于活动臂92与连接臂91之间，第一偏转机构81包括伺服电机2、涡轮62和蜗杆6，涡轮62与蜗杆6相配合，涡轮62分别与活动臂92和连接臂91连接，且涡轮62能够相对于连接臂91自转，伺服电机2与蜗杆6连接以驱使蜗杆6旋转。
36.本发明提供的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，采用伺服电机2来提供动力及控制，避免了因液压控制引起的流量、压力脉动等现象，能够实现及时停止且避免停顿，达到了高精度控制旋转件的目的，保障盾构机换刀机器人准确地执行换刀动作；而且有利于结构的简化，减少了结构件体积，实现了小型化设计下的大扭矩输出，保证换刀动作能够稳定可靠地执行。
37.如图1-图3所示，多向偏摆关节包括第二偏转机构82，第二偏转机构82设置于涡轮62与活动臂92之间，第二偏转机构82的转动轴21线与涡轮62的轴线不相平行，涡轮62带动第二偏转机构82转动，第二偏转机构82带动活动臂92转动，实现活动臂92相对于连接臂91多向旋转。
38.在一实施方式中，第二偏转机构82的转动轴21线与涡轮62的轴线相垂直且相交，第一偏转机构81和第二偏转机构82分别带动活动臂92旋转，便于更灵活地执行换刀动作。进一步地，蜗杆6与涡轮62的轴线相垂直，优选地，蜗杆6的轴线沿竖向布置，如图1和图2所示，蜗杆6的轴线与连接臂91的纵向相垂直。
39.第二偏转机构82可以采用液压马达。第一偏转机构81机构带动第二偏转机构82和活动臂92旋转，旋转角度范围为360度。第二偏转机构82为主臂摆动机构，通过结构件上的螺栓与第一偏转机构81连接，第二偏转机构82可以实现活动臂92的上下摆动，通过第二偏转机构82的上下摆动，实现了盾构机换刀机器人的大范围运行，并能实现长时间保压，使得在液压马达的液压系统没给油时，通过液压系统自身的平衡阀，可以将平衡阀与执行机构的油压保住，进而执行元件可以保持在一定状态；并保压情况下可实现300公斤重物的保持，保证了盾构机换刀机器人在狭小空间极端工况下的正常运转。优选地，第二偏转机构82的摆动幅度为上下各90度，具体地，图1所示的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节的状态为：其中的第二偏转机构82正处于向上摆动至20度的位置。
40.在一实施方式中，伺服电机2包括转动轴21，蜗杆6的端面设置有连接口61，转动轴21至少部分插接于连接口61中且两者同步转动，有利于简化第一偏转机构81的结构，减小其体积。
41.进一步地，转动轴21的外壁设置有花键22，连接口61的内壁设置有花键槽，如图6-图8所示，伺服电机2与蜗杆6通过花键22轴相连，电机轴插在蜗杆6内部，通过花键22相啮合，伺服电机2的转动轴21集成于蜗杆内部，此结构方式更加稳固，传动更加稳定。优选地，伺服电机2设置在蜗杆6上方。
42.伺服电机2和蜗杆可以通过螺栓相连，在一实施例中，伺服电机2与蜗杆间设置有减震垫7，起到缓冲减震作用。具体地，减震垫安装在伺服电机与蜗杆的端面连接处，用于在传递力时，减震垫处做缓冲，进而减少传递给蜗杆的振动。减震垫材质优选为橡胶。
43.活动臂92作为旋转件，用以带动换刀机构运转。第一偏转机构81包括安装座1，蜗杆6和涡轮62均可转动地安装于安装座1。如图4和图5所示，安装座的端面具有螺栓固定孔，可与连接臂相连，第二偏转机构82与涡轮62相连。
44.进一步地，活动臂92为副臂伸缩机构，通过螺栓与第二偏转机构82相连，活动臂92可以带动连接于其前端的结构进行伸缩。优选地，活动臂92包括副臂油缸，以实现伸缩动作，驱使其前端的结构伸出或者退回。活动臂92的行程可以为700mm，考虑到盾构机换刀机器人的结整体结构，活动臂92前端的结构件重量较低，活动臂92中的副臂油缸的行程也可相应地设定为700mm，副臂油缸行程可实现完全伸出。
45.进一步地，连接臂91可以为主臂伸缩机构，以实现推动盾构机换刀机器人向前运动及向后回程。具体地，连接臂91与第一偏转机构81通过圆周分布的螺栓相连，连接臂91带着第一偏转机构81机构向前或向后运动。优选地，连接臂91包括主臂油缸，通过主臂油缸，驱使第一偏转机构81、第二偏转机构82和活动臂92伸出或者退回。连接臂91行程可以为800mm，考虑到盾构机换刀机器人的结整体结构，连接臂91前端的结构件重量较大，需使主臂油缸尽量不出现行程完全伸出的情况，避免因主臂油缸伸缩太长，而前端重量又太大，造成力矩变大而致使结构件损坏。
46.在一实施方式中，第一偏转机构81包括编码控制器5和旋转编码器4，旋转编码器4安装于伺服电机2，编码控制器5与旋转编码器4电连接。伺服电机上装有旋转编码器，通过与编码控制器相连，实时反馈、实施纠偏执行元件的转速。
47.动力源3给伺服电机2提供电源动力，旋转编码器可通过外部线与编码控制器相连，编码控制器给伺服电机2提供控制信号，旋转编码器实时检测伺服电机的转速，然后将转速实时反馈给编码控制器5，与编码控制器5的输入值不断比较，实时纠偏。
48.本发明提供的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节采用伺服电机控制方式，能满足工况需求，具有以下优点：尺寸小、运行声音小，相比于液压控制更干净、更简单；相比于液压控制，伺服电机的低速稳定性更好；矩频特性好，即无论是低速运行，还是高速运行，力矩输出不变。
49.方案二
50.本发明提供了一种偏转机构，应用于上述的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，偏转机构包括：伺服电机2、涡轮62和蜗杆6，涡轮62与蜗杆6相配合，涡轮62能够分别与活动臂92和连接臂91连接，且涡轮62能够相对于连接臂91自转，伺服电机2与蜗杆6连接以驱使蜗杆6旋转。
51.该偏转机构具有上述第一偏转机构81的技术特征和有益效果，通过该偏转机构，可以使盾构机换刀机器人的多向偏摆关节实现上述的技术效果，在此不再赘述。
52.该偏转机构可以应用于输出力矩较大、空间较狭小且对精度要求较高的回转摆动场合及高端机器人，且能够避免液压系统连接管路的脏乱差等问题。
53.需要说明的是，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在
本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
54.多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
55.以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

技术特征：
1.一种盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，其特征在于，包括：连接臂、活动臂和第一偏转机构，所述第一偏转机构设置于所述活动臂与所述连接臂之间，所述第一偏转机构包括伺服电机、涡轮和蜗杆，所述涡轮与所述蜗杆相配合，所述涡轮分别与所述活动臂和所述连接臂连接，且所述涡轮能够相对于所述连接臂自转，所述伺服电机与所述蜗杆连接以驱使所述蜗杆旋转。2.根据权利要求1所述的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，其特征在于，所述多向偏摆关节包括第二偏转机构，所述第二偏转机构设置于所述涡轮与所述活动臂之间，所述第二偏转机构的转动轴线与所述涡轮的轴线不相平行。3.根据权利要求2所述的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，其特征在于，所述第二偏转机构的转动轴线与所述涡轮的轴线相垂直且相交。4.根据权利要求3所述的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，其特征在于，所述蜗杆与所述涡轮的轴线相垂直。5.根据权利要求4所述的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，其特征在于，所述蜗杆的轴线沿竖向布置。6.根据权利要求1所述的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，其特征在于，所述伺服电机包括转动轴，所述蜗杆的端面设置有连接口，所述转动轴至少部分插接于所述连接口中且两者同步转动。7.根据权利要求6所述的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，其特征在于，所述转动轴的外壁设置有花键，所述连接口的内壁设置有花键槽。8.根据权利要求1所述的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，其特征在于，所述第一偏转机构包括安装座，所述蜗杆和所述涡轮均可转动地安装于所述安装座。9.根据权利要求1所述的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，其特征在于，所述第一偏转机构包括编码控制器和旋转编码器，所述旋转编码器安装于所述伺服电机，所述编码控制器与所述旋转编码器电连接。10.一种偏转机构，其特征在于，应用于权利要求1-9中任一项所述的盾构机换刀机器人的多向偏摆关节，所述偏转机构包括：伺服电机、涡轮和蜗杆，所述涡轮与所述蜗杆相配合，所述涡轮能够分别与所述活动臂和所述连接臂连接，且所述涡轮能够相对于所述连接臂自转，所述伺服电机与所述蜗杆连接以驱使所述蜗杆旋转。

技术总结
本发明提供了一种盾构机换刀机器人的多向偏摆关节及偏转机构，该多向偏摆关节包括：连接臂、活动臂和第一偏转机构，所述第一偏转机构设置于所述活动臂与所述连接臂之间，所述第一偏转机构包括伺服电机、涡轮和蜗杆，所述涡轮与所述蜗杆相配合，所述涡轮分别与所述活动臂和所述连接臂连接，且所述涡轮能够相对于所述连接臂自转，所述伺服电机与所述蜗杆连接以驱使所述蜗杆旋转，解决了盾构机换刀机器人执行动作的精度不高，适用的局限性比较大的技术问题。术问题。术问题。


技术研发人员：刘尚 许顺海 王一博 张鹏 呼瑞红 白林迎 李泽魁
受保护的技术使用者：中铁工程装备集团有限公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/25