[發(fā)明專利]一種基于機器操作的全斷面巖石掘進機刀具系統(tǒng)引導(dǎo)性定位接口的設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110285881.6
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN112963165B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 霍軍周;李豪;蘭天;孟智超;李高瑞
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: E21D9/11
• 分類號: E21D9/11
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

1.一種基于機器操作的全斷面巖石掘進機刀具系統(tǒng)引導(dǎo)性定位接口的設(shè)計方法，其特征在于，該全斷面巖石掘進機刀具系統(tǒng)引導(dǎo)性定位接口主要由引導(dǎo)錐結(jié)構(gòu)(1)、萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)和活動連接結(jié)構(gòu)(3)組成；

拆裝刀具系統(tǒng)引導(dǎo)對接理想情況下，刀具系統(tǒng)緊固螺栓軸線與全斷面巖石掘進機刀具系統(tǒng)引導(dǎo)性定位接口軸線共線；實際情況下，兩軸線之間存在相對位移，即徑向誤差和角度誤差，由于刀具系統(tǒng)緊固螺栓六角頭和六角套筒之間存在相對相位，因而存在相位誤差；設(shè)實際情況下刀具系統(tǒng)綜合誤差旋量模型為D，式中u、v、w為沿x、y、z軸的平移矢量參數(shù)，α、β、δ分別為繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)矢量參數(shù)：

刀具系統(tǒng)誤差中，刀具側(cè)面板與滾刀安裝的孔的深度和軸的長度加工裝配誤差M具有方向性：

式中，m為刀具側(cè)面板與滾刀安裝的孔的深度和軸的長度加工裝配誤差M誤差分量；

刀具系統(tǒng)緊固螺栓六角頭外接圓半徑為R₁；

引導(dǎo)錐結(jié)構(gòu)(1)配合活動連接結(jié)構(gòu)(3)容納刀具系統(tǒng)實際存在的徑向誤差和角度誤差，實現(xiàn)全斷面巖石掘進機刀具系統(tǒng)引導(dǎo)性定位接口偏心轉(zhuǎn)動，萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)容納其相位誤差；

所述的引導(dǎo)錐結(jié)構(gòu)(1)為外部為圓臺型直徑漸變的空心結(jié)構(gòu)(1-1)和引導(dǎo)錐連接部分結(jié)構(gòu)(1-2)組成的一體結(jié)構(gòu)，外部為圓臺型直徑漸變的空心結(jié)構(gòu)(1-1)兩端內(nèi)孔形狀不同，外部為圓臺型直徑漸變的空心結(jié)構(gòu)(1-1)大端面內(nèi)孔為圓形，外部為圓臺型直徑漸變的空心結(jié)構(gòu)(1-1)小端面內(nèi)孔為六邊形；引導(dǎo)錐連接部分結(jié)構(gòu)(1-2)通過螺紋與套筒殼體(2-1)連接，引導(dǎo)錐結(jié)構(gòu)(1)參數(shù)最大外包絡(luò)圓直徑a大于刀具系統(tǒng)緊固螺栓的誤差位置區(qū)域包絡(luò)圓直徑，在徑向誤差下，將其引導(dǎo)進入全斷面巖石掘進機刀具系統(tǒng)引導(dǎo)性定位接口，進行對接；最大外包絡(luò)圓直徑a需滿足：

a＝2.4×(m+max{u，v-m}+R₁) (3)

式中，m為刀具側(cè)面板與滾刀安裝的孔的深度和軸的長度加工裝配誤差M誤差分量；

刀具系統(tǒng)緊固螺栓六角頭進入引導(dǎo)錐結(jié)構(gòu)(1)到達最小外包絡(luò)直徑時，即將進入萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)，由于刀具焊接在刀盤上，刀具系統(tǒng)緊固螺栓位置固定，因而在存在徑向誤差時，全斷面巖石掘進機刀具系統(tǒng)引導(dǎo)性定位接口與刀具系統(tǒng)緊固螺栓對接后存在的徑向誤差要求萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)繞著刀具系統(tǒng)緊固螺栓偏心轉(zhuǎn)動，故應(yīng)使徑向誤差在進入萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)時盡可能小，b設(shè)計為以刀具系統(tǒng)緊固螺栓六角頭外接圓為內(nèi)切圓的正六邊形的外接圓直徑：

所述的萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)主要由套筒殼體(2-1)、活動鋼棒(2-2)、活動鋼棒限位底座(2-3)、活動鋼棒固定內(nèi)襯套(2-4)組成；活動鋼棒(2-2)主要由活動鋼棒卡緊前端(2-2-1)、活動鋼棒伸縮中部(2-2-2)、活動鋼棒固定底部(2-2-3)組成；活動鋼棒(2-2)中活動鋼棒伸縮中部(2-2-2)套有彈簧，活動鋼棒(2-2)安裝在活動鋼棒固定內(nèi)襯套(2-4)上，活動鋼棒伸縮中部(2-2-2)套有的彈簧一端抵在活動鋼棒卡緊前端(2-2-1)臺肩上，另一端抵在活動鋼棒固定內(nèi)襯套(2-4)上端面，活動鋼棒(2-2)可壓縮活動鋼棒伸縮中部(2-2-2)套有的彈簧相對活動鋼棒固定內(nèi)襯套(2-4)活動；活動鋼棒限位底座(2-3)和活動鋼棒固定內(nèi)襯套(2-4)通過螺紋安裝在套筒殼體(2-1)上，對接完成后刀具系統(tǒng)緊固螺栓推動活動鋼棒(2-2)到達活動極限位置之前，活動鋼棒固定底部(2-2-3)底部抵在活動鋼棒限位底座(2-3)上；萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)通過活動鋼棒(2-2)容納刀具系統(tǒng)緊固螺栓六角頭和六角套筒之間存在的相位誤差，使得引導(dǎo)對接性能能容納任意的相位誤差；

所述的萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)中套筒殼體(2-1)六邊形內(nèi)孔外接圓直徑c在保證能夠容納相位誤差的前提下使得進入萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)的徑向誤差盡可能小，保證偏心距盡可能小，結(jié)構(gòu)運動幅度小，設(shè)計時萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)中套筒殼體(2-1)六邊形內(nèi)孔外接圓直徑c等于刀具系統(tǒng)緊固螺栓六角頭外接圓為內(nèi)切圓的正六邊形的外接圓直徑：

式中，m為刀具側(cè)面板與滾刀安裝的孔的深度和軸的長度加工裝配誤差M誤差分量；

所述的萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)中活動鋼棒(2-2)直徑e設(shè)計為無限相位下，最小六邊形內(nèi)孔能卡緊刀具系統(tǒng)緊固螺栓的直徑：

所述的萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)中活動鋼棒(2-2)的可伸縮距離h大于活動鋼棒工作深度f，使得活動鋼棒(2-2)在到達極限位置前，活動鋼棒(2-2)底部抵在活動鋼棒限位底座(2-3)上：

h＝f+2 (7)

所述的萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)中活動鋼棒(2-2)的鋼棒長度g包括長于活動鋼棒工作深度f的兩倍、活動鋼棒(2-2)固定內(nèi)襯套(2-4)鋼棒安裝厚度p和活動鋼棒固定底部g₁的長度：

g＝2f+p+4+g₁ (8)

所述的萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)中套筒殼體(2-1)總長L包括活動鋼棒(2-2)的鋼棒長度g、活動鋼棒工作深度f、活動鋼棒限位底座(2-3)高度i和活動連接結(jié)構(gòu)(3)萬向節(jié)安裝深度q：

L＝g+f+i+q (9)

所述的活動連接結(jié)構(gòu)(3)設(shè)有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，主要由第一活動連接桿(3-1)、第一活動連接中心轉(zhuǎn)動塊(3-2)、第二活動連接桿(3-3)、第二活動連接中心轉(zhuǎn)動塊(3-4)、第三活動連接桿(3-5)組成和彈簧(3-6)組成；第一活動連接桿(3-1)通過螺紋與套筒殼體(2-1)和活動鋼棒限位底座(2-3)連接；第一活動連接桿(3-1)、第一活動連接中心轉(zhuǎn)動塊(3-2)和第二活動連接桿(3-3)組成第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，第一活動連接中心轉(zhuǎn)動塊(3-2)作為第一活動連接桿(3-1)和第二活動連接桿(3-3)的轉(zhuǎn)動樞軸，使得第一活動連接桿(3-1)和第二活動連接桿(3-3)兩軸存在角度偏差時可進行傳動；第二活動連接桿(3-3)、第二活動連接中心轉(zhuǎn)動塊(3-4)、第三活動連接桿(3-5)組成第二轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，第二活動連接中心轉(zhuǎn)動塊(3-4)作為第二活動連接桿(3-3)和第三活動連接桿(3-5)的轉(zhuǎn)動樞軸，使得第二活動連接桿(3-3)和第三活動連接桿(3-5)兩軸存在角度偏差時可進行傳動；第三活動連接桿(3-5)通過螺紋與換刀機器人末端執(zhí)行器連接；萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)和活動連接結(jié)構(gòu)(3)在換刀機器人末端與刀具系統(tǒng)緊固刀具系統(tǒng)緊固螺栓之間存在徑向誤差和角度誤差的綜合誤差下，實現(xiàn)刀具系統(tǒng)的引導(dǎo)對接，為保證徑向誤差下全斷面巖石掘進機刀具系統(tǒng)引導(dǎo)性定位接口的偏心轉(zhuǎn)動，第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度ε應(yīng)設(shè)計為：

第二轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度μ應(yīng)設(shè)計為：

彈簧(3-6)一端固定在第三活動連接桿(3-5)上，另一端固定在萬能套筒結(jié)構(gòu)(2)中套筒殼體(2-1)上，通過彈簧力將整個全斷面巖石掘進機刀具系統(tǒng)引導(dǎo)性定位接口保持非引導(dǎo)對接階段時的姿態(tài)。