盾構(gòu)機(jī)換刀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u19655盾構(gòu)機(jī)換刀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例 1264881.1機(jī)械臂關(guān)節(jié)選型及自由度的確定 1160381.2末端夾取器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3286191.3腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4294401.4小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6136691.5大臂及底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 91.1機(jī)械臂關(guān)節(jié)選型及自由度的確定1.1.1機(jī)械臂關(guān)節(jié)的類型選擇1.平動(dòng)型機(jī)械臂如圖1.1所示，由導(dǎo)軌作為機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)，分別設(shè)在x軸、y軸和z軸[24]，上故各個(gè)關(guān)節(jié)其只能進(jìn)行平移線性運(yùn)動(dòng)，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)是由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條或者滾珠絲杠進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，x軸、y軸和z軸的伺服電機(jī)都可以分別控制其運(yùn)動(dòng)軌跡，故其運(yùn)動(dòng)精度很高，路徑規(guī)劃容易，而且其三個(gè)滑軌可以使用龍門吊形式進(jìn)行支撐，故其可承受載荷較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定常見(jiàn)的平動(dòng)機(jī)械臂有3D打印機(jī)等。但是，由于自由度受限且只能進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)，故其作業(yè)空間較小，且各個(gè)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍較大。圖1.1平動(dòng)型機(jī)械臂關(guān)節(jié)型機(jī)械臂關(guān)節(jié)型機(jī)械臂是模仿人的手臂制造的一種機(jī)械臂，如圖1.2所示，其各個(gè)關(guān)節(jié)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器，進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，較常見(jiàn)的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂有六個(gè)自由度，配合實(shí)現(xiàn)繞x，y，z軸的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)[25]，其優(yōu)點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)靈活，在與平動(dòng)機(jī)械臂相同的臂長(zhǎng)情況下，作業(yè)范圍更廣，機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)更加靈活，而且為了特定的作業(yè)需要，還可以增加自由度，從而實(shí)現(xiàn)各種作業(yè)操作。圖1.2關(guān)節(jié)型機(jī)械臂根據(jù)第二章對(duì)盾構(gòu)機(jī)換刀裝置操作空間的的任務(wù)分析，操作空間狹小，關(guān)節(jié)的移動(dòng)受限，故選用關(guān)節(jié)型的機(jī)械臂，但普通的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂無(wú)法滿足換刀裝置須跨過(guò)狹窄的前盾艙門，執(zhí)行換刀操作，同時(shí)無(wú)法自動(dòng)行進(jìn)至操作點(diǎn)的任務(wù)，因此，須分別在底座增加一滑動(dòng)導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)換刀裝置的自動(dòng)行進(jìn)，在小臂處增加一伸縮桿，方便更好的穿過(guò)前盾艙門，進(jìn)行換刀任務(wù)，因此，換刀裝置應(yīng)采用6+1+1型冗余自由度機(jī)械臂，其結(jié)構(gòu)如圖1.3所示：圖1.3換刀裝置機(jī)械臂自由度選型由第二章對(duì)換刀裝置運(yùn)行要求的分析可知，換刀裝置的運(yùn)行主要需要考慮兩個(gè)方面的要求：負(fù)載要求：換刀裝置需要足夠的扭矩將滾刀頭夾起，因此其末端夾取器承受的最大載荷不小于盾構(gòu)機(jī)滾刀頭的最大質(zhì)量（250kg）；空間要求：換刀裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡能夠完成運(yùn)行到滾刀頭位置，并且各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)行不會(huì)超出人匣倉(cāng)及前盾艙門的空間限制；為滿足這些需求，指定換刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程圖如圖1.4所示：圖1.4機(jī)械臂設(shè)計(jì)流程圖1.2末端夾取器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)查閱盾構(gòu)機(jī)滾刀頭型號(hào)表可得的參數(shù)如表1.1所示：表1.117英寸滾刀頭相關(guān)參數(shù)表刀圈外徑刀圈內(nèi)徑刃角厚度刀圈厚度重量432mm285.75mm20-30mm76mm250kg據(jù)此，設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器手爪最大夾取半徑應(yīng)在285.75mm-432mm之間，取整得300mm，為保證刀具可以被完全放開，其最大開合半徑r=432mm?300mm=132mm四舍五入取整得rmax=150mm，兩爪之間距離應(yīng)在30mm-76mm之間，據(jù)此設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器如圖所示：圖1.5末端夾取器建模分析根據(jù)開合半徑及滾刀頭的重量確定液壓桿的相關(guān)參數(shù)：液壓桿可提供最大負(fù)載應(yīng)為盾構(gòu)機(jī)滾刀頭的最大質(zhì)量，即F=mg=250kg?9.8m/使用UGNX12.0測(cè)量體--關(guān)聯(lián)功能顯示末端執(zhí)行器的質(zhì)心，測(cè)量可知手爪的張開半徑與液壓伸縮桿的相對(duì)與質(zhì)心的力臂比為3：1，據(jù)此可知，液壓桿的伸縮距離應(yīng)為最大伸長(zhǎng)半徑的1/3，則液壓桿伸出長(zhǎng)度應(yīng)為l=150mm/3=50mm據(jù)此應(yīng)選擇液壓缸的型號(hào)為MOB-B-40-50-CB。相關(guān)參數(shù)如表1.2所示：表1.2MOB-B-40-50-CB液壓缸相關(guān)參數(shù)缸徑最大拉力最大推力行程安裝方法40mm70kg/cm2140kg/cm250mm雙耳式1.3腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腕關(guān)節(jié)是連接末端執(zhí)行器于機(jī)械臂小臂的重要零部件，本文設(shè)計(jì)的腕關(guān)節(jié)如圖1.2所示，其通過(guò)法蘭與執(zhí)行器連接，通過(guò)電機(jī)減速器與小臂連接，腕關(guān)節(jié)應(yīng)在充分連接的基礎(chǔ)上進(jìn)可能短小，以保證末端執(zhí)行器的靈活性和俯仰角的精度，同時(shí)減小腕部電機(jī)所承受載荷。圖1.6腕關(guān)節(jié)模型圖為提高機(jī)械臂的整體穩(wěn)定性，腕部關(guān)節(jié)的電機(jī)應(yīng)僅可能選用輕型、負(fù)載小的類型，其最大受力方向?yàn)樗椒较颍疽鈭D如圖所示：圖1.7腕關(guān)節(jié)受力分析圖其中m1為末端執(zhí)行器和負(fù)載以及腕關(guān)節(jié)的質(zhì)量和，a為電機(jī)可提供的最大加速度，因本文對(duì)換刀裝置的操作時(shí)間沒(méi)有要求，加速度取一較小量a=0.01m/s2同樣使用UGNX12.0“分析——測(cè)量體”功能得m1=293.5kg，并得到其質(zhì)心位置，通過(guò)測(cè)量電機(jī)軸心與質(zhì)心距離得其力臂長(zhǎng)L=482.7mm，取整得m1=300kg，L=500mm，則其最大受力為：F=電機(jī)應(yīng)提供的最小轉(zhuǎn)矩為：M=FL=2943?0.5=1471.5N完成換刀操作腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍為需到達(dá)90°，假設(shè)整個(gè)過(guò)程在10s內(nèi)完成，則電動(dòng)機(jī)的角速度為：ω則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：n=由此可得電動(dòng)機(jī)額定功率為：P=M根據(jù)上述數(shù)據(jù)查閱電機(jī)選型表，選定電機(jī)型號(hào)為：JSF-60-40-30-DF-1000，其各項(xiàng)參數(shù)如表1.3所示：表1.3JSF-60-40-30-DF-1000電機(jī)相關(guān)參數(shù)額定功率許用扭矩額定轉(zhuǎn)速額定電壓電機(jī)重量400W1.3N·m3000r/min72V1.8kg配合使用NHSG-Ⅲ-40型減速器，其參數(shù)如表1.4所示：表1.4NHSG-Ⅲ-40型減速器相關(guān)參數(shù)減速比容許輸入最高轉(zhuǎn)速容許輸入平均轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)矩1204000r/min3000r/min1500N·m1.4小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)換刀裝置的小臂包括徑向旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和伸縮臂部分，需分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，因伸縮臂在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)前，其質(zhì)量會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選型產(chǎn)生影響，因此要先對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。①伸縮臂的設(shè)計(jì)伸縮臂的主要作用是為了使機(jī)械臂在不碰到前盾艙門的同時(shí)，使末端執(zhí)行器能夠運(yùn)行到磨損的滾刀頭處，完成換刀操作。假設(shè)小臂前端固定長(zhǎng)度為200mm，則其伸縮長(zhǎng)度與末端執(zhí)行器、腕關(guān)節(jié)、小臂長(zhǎng)度相加不小于前盾艙門的長(zhǎng)度，故L=900-200-300=600mm。選用具有高載荷、高剛性高精度的HG系列導(dǎo)軌，其受力示意圖如圖所示：圖1.8小臂伸縮桿受力分析圖其中Fn1為固定部分對(duì)導(dǎo)軌向下作用力。Fn2固定部分下端對(duì)導(dǎo)軌向上的作用力，G為導(dǎo)軌自身的重力，G負(fù)載為小臂固定端與末端執(zhí)行器腕關(guān)節(jié)等為伸縮臂提供的負(fù)載；運(yùn)用力學(xué)知識(shí)對(duì)其進(jìn)行分析：由力矩平衡ΣM=0可得：F由受力平衡公式ΣF=0可得：F在UGNX12.0建立模型如圖1.9所示：圖1.9伸縮臂負(fù)載部分模型圖再通過(guò)UGNX12.0指派材料并測(cè)量體可得如圖5.0所示：圖1.10負(fù)載模型分析圖m負(fù)載=500kg，帶入數(shù)據(jù)解得Fn1=5957.85N,Fn2=8083.50N;分析可得Fn1處所受靜力矩最大，其值為：M據(jù)此選用HBGW45CB型號(hào)導(dǎo)軌，其相關(guān)參數(shù)如表1.5所示：表1.5HBGW45CB型號(hào)導(dǎo)軌相關(guān)參數(shù)許用靜力矩導(dǎo)軌重量滑塊重量滑塊長(zhǎng)度靜載荷1.55KN·m10.4kg/m2.79kg139.4mm102.7KN 該軌道滿足各項(xiàng)載荷要求，且使用恰當(dāng)長(zhǎng)度時(shí)質(zhì)量較小，不會(huì)增加過(guò)多負(fù)載。②小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)選型小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)主要承受來(lái)自負(fù)載、末端執(zhí)行器和小臂自重，其電機(jī)計(jì)算選型方法與腕關(guān)節(jié)相同，不再重復(fù)敘述。1.5大臂及底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1.11所示：圖1.11大臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖從操作空間的角度分析，要實(shí)現(xiàn)換刀操作，大臂的長(zhǎng)