[發明專利]機器人支撐的單刀盤開挖任意斷面隧道的柔臂掘進機

在審

• 申請號: 201811257127.6
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN109236315A
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發明（設計）人: 姜禮杰;李建斌;賀飛;賈連輝;寧向可;齊志沖;張寧川;文勇亮
• 申請（專利權）人: 中鐵工程裝備集團有限公司
• 主分類號: E21D9/11
• 分類號: E21D9/11;E21D9/12
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張紹琳;李宣宣

本發明公開了一種機器人支撐的單刀盤開挖任意斷面隧道的柔臂掘進機，解決的技術問題是為了適應目前多元化隧道斷面的開挖需求，彌補現有隧道掘進機開掘斷面的單一的不足，本發明包括刀盤刀具系統、機器人支撐系統、出渣系統和主梁，所述的主梁后部通過推進油缸與后撐靴前部連接，后撐靴后部與后支撐連接；所述的刀盤刀具系統后部設有抗刀盤扭矩撐靴系統；所述的主梁前部通過機器人與刀盤刀具系統柔性連接。本發明安裝于刀盤上的抗刀盤扭矩撐靴系統與洞壁產生的摩擦力矩，用來抵消刀盤旋轉產生的反扭矩，可進一步優化系統結構、降低成本，增加系統強度與穩定性。

技術領域

本發明涉及隧道施工中的巖石隧道掘進機（TBM）領域，具體涉及一種在一定范圍內實現任意斷面形狀隧道開挖的基于機器人支撐的單刀盤開挖任意斷面隧道的柔臂掘進機。

背景技術

巖石隧道掘進機（TBM）是一種集機械、電子、液壓、激光等技術于一體的大型隧道開挖裝備，在山嶺隧道及城市地鐵工程建設中發揮著重要作用。目前該種掘進機主要利用刀盤的旋轉進行破巖開挖，其開挖斷面多為圓形，刀盤只能做輕微俯仰和擺動以調整掘進方向，但開挖面形狀受限，難以適應于目前馬蹄形、類矩形等多樣性斷面要求的隧道工程。雖然有少部分配合其他裝置聯合開挖可以完成矩形、馬蹄形等異形斷面的工程案例，但是這些異形斷面全部應用于軟土隧道開挖，在巖石隧道工程中的施工案例卻鮮見報道。

另外，隧道掘進機開挖斷面一旦確定，將難以再次改變，其斷面開挖形狀單一，應用范圍受限，難以滿足不同工程不同斷面以及甚至同一工程不同斷面的要求，工程結束后隧道掘進機進行閑置的狀態時有發生。目前在巖石隧道中，成形斷面采用雙圓形、類矩形、馬蹄形等異形斷面的公路、鐵路等交通隧道工程越來越多，如果采用傳統的圓形掘進機開挖，勢必增大了工程開挖量，同時超挖的部分還需進行二次回填，不僅提高了工程成本、浪費了人力物力，而且延長了工期。因此，設計一種可滿足不同開挖斷面工程需求的新型硬巖掘進機迫在眉睫。

智能機器人系統是一種通過重復編程和自動控制，能夠完成制造過程中某些操作任務的多功能、多自由度的機電一體化自動機械裝備和系統，具有高效率、高柔性的特點，廣泛應用于各種場合，但是隧道掘進支撐系統中尚未見報道。

發明內容

本發明為了適應目前多元化隧道斷面的開挖需求，彌補現有隧道掘進機開掘斷面的單一的不足，提供一種配置硬巖開挖刀盤，可通過控制智能機器人支撐刀盤的位置和姿態，實現結構靈活，斷面轉換范圍大，可以真正實現巖石隧道任意斷面開挖的基于機器人支撐的單刀盤開挖任意斷面隧道的柔臂掘進機。

為解決上述技術問題，本發明采用下述技術方案：一種機器人的單刀盤開挖任意斷面隧道的柔臂掘進機，包括刀盤刀具系統、機器人支撐系統、出渣系統和主梁，所述的主梁后部通過推進油缸與后撐靴前部連接，后撐靴后部與后支撐連接；所述的刀盤刀具系統后部設有抗刀盤扭矩撐靴系統；所述的主梁前部通過機器人與刀盤刀具系統柔性連接。

所述的機器人包括刀盤姿態調整機構和機器人臂，所述的盤調整機構設置在刀盤刀具系統后部，主梁前部通過機器人臂與刀盤姿態調整機構連接。

所述的刀盤姿態調整機構包括連接座，連接座前端通過關節軸承與刀盤刀具系統活動連接，連接座外側分別通過俯仰油缸和擺動油缸與刀盤刀具系統連接。

所述的抗刀盤扭矩撐靴系統包括撐靴、撐靴油缸和支撐座，所述的支撐座設置在刀盤姿態調整機構，撐靴通過撐靴油缸與支撐座連接。刀盤姿態調整機構的連接座上。

所述的機器人臂為串聯機器人臂，所述的串聯機器人臂包括機器大臂、機器小臂和回轉底座，回轉底座設置在主梁上，機器小臂前端與連接座固定連接，機器大臂后端通過運動關節與回轉底座鉸接連接，機器大臂和機器小臂鉸接連接；所述的回轉底座與機器大臂之間、機器大臂與機器小臂之間均設有設有伸縮油缸。