【《盾构机换刀装置结构设计案例》2600字】

盾构机换刀装置结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u19655盾构机换刀装置结构设计案例 1264881.1机械臂关节选型及自由度的确定 1160381.2末端夹取器的结构设计 3286191.3腕关节的结构设计 4294401.4小臂结构设计 6136691.5大臂及底座结构设计 91.1机械臂关节选型及自由度的确定1.1.1机械臂关节的类型选择1.平动型机械臂如图1.1所示，由导轨作为机械臂的各个关节，分别设在x轴、y轴和z轴[24]，上故各个关节其只能进行平移线性运动，不能转动，其运动是由步进电机带动齿轮齿条或者滚珠丝杠进行直线运动，x轴、y轴和z轴的伺服电机都可以分别控制其运动轨迹，故其运动精度很高，路径规划容易，而且其三个滑轨可以使用龙门吊形式进行支撑，故其可承受载荷较大，结构稳定常见的平动机械臂有3D打印机等。但是，由于自由度受限且只能进行平移运动，故其作业空间较小，且各个关节活动范围较大。图1.1平动型机械臂关节型机械臂关节型机械臂是模仿人的手臂制造的一种机械臂，如图1.2所示，其各个关节由电机驱动减速器，进行转动，较常见的关节型机械臂有六个自由度，配合实现绕x，y，z轴的平动和转动[25]，其优点为运动灵活，在与平动机械臂相同的臂长情况下，作业范围更广，机械臂各个关节更加灵活，而且为了特定的作业需要，还可以增加自由度，从而实现各种作业操作。图1.2关节型机械臂根据第二章对盾构机换刀装置操作空间的的任务分析，操作空间狭小，关节的移动受限，故选用关节型的机械臂，但普通的关节型机械臂无法满足换刀装置须跨过狭窄的前盾舱门，执行换刀操作，同时无法自动行进至操作点的任务，因此，须分别在底座增加一滑动导轨，实现换刀装置的自动行进，在小臂处增加一伸缩杆，方便更好的穿过前盾舱门，进行换刀任务，因此，换刀装置应采用6+1+1型冗余自由度机械臂，其结构如图1.3所示：图1.3换刀装置机械臂自由度选型由第二章对换刀装置运行要求的分析可知，换刀装置的运行主要需要考虑两个方面的要求：负载要求：换刀装置需要足够的扭矩将滚刀头夹起，因此其末端夹取器承受的最大载荷不小于盾构机滚刀头的最大质量（250kg）；空间要求：换刀装置的运动轨迹能够完成运行到滚刀头位置，并且各个关节的运行不会超出人匣仓及前盾舱门的空间限制；为满足这些需求，指定换刀结构设计的流程图如图1.4所示：图1.4机械臂设计流程图1.2末端夹取器的结构设计查阅盾构机滚刀头型号表可得的参数如表1.1所示：表1.117英寸滚刀头相关参数表刀圈外径刀圈内径刃角厚度刀圈厚度重量432mm285.75mm20-30mm76mm250kg据此，设计末端执行器手爪最大夹取半径应在285.75mm-432mm之间，取整得300mm，为保证刀具可以被完全放开，其最大开合半径r=432mm−300mm=132mm四舍五入取整得rmax=150mm，两爪之间距离应在30mm-76mm之间，据此设计末端执行器如图所示：图1.5末端夹取器建模分析根据开合半径及滚刀头的重量确定液压杆的相关参数：液压杆可提供最大负载应为盾构机滚刀头的最大质量，即F=mg=250kg∗9.8m/使用UGNX12.0测量体--关联功能显示末端执行器的质心，测量可知手爪的张开半径与液压伸缩杆的相对与质心的力臂比为3：1，据此可知，液压杆的伸缩距离应为最大伸长半径的1/3，则液压杆伸出长度应为l=150mm/3=50mm据此应选择液压缸的型号为MOB-B-40-50-CB。相关参数如表1.2所示：表1.2MOB-B-40-50-CB液压缸相关参数缸径最大拉力最大推力行程安装方法40mm70kg/cm²140kg/cm²50mm双耳式1.3腕关节的结构设计腕关节是连接末端执行器于机械臂小臂的重要零部件，本文设计的腕关节如图1.2所示，其通过法兰与执行器连接，通过电机减速器与小臂连接，腕关节应在充分连接的基础上进可能短小，以保证末端执行器的灵活性和俯仰角的精度，同时减小腕部电机所承受载荷。图1.6腕关节模型图为提高机械臂的整体稳定性，腕部关节的电机应仅可能选用轻型、负载小的类型，其最大受力方向为水平方向，示意图如图所示：图1.7腕关节受力分析图其中m1为末端执行器和负载以及腕关节的质量和，a为电机可提供的最大加速度，因本文对换刀装置的操作时间没有要求，加速度取一较小量a=0.01m/s2同样使用UGNX12.0“分析——测量体”功能得m1=293.5kg，并得到其质心位置，通过测量电机轴心与质心距离得其力臂长L=482.7mm，取整得m1=300kg，L=500mm，则其最大受力为：F=电机应提供的最小转矩为：M=FL=2943∗0.5=1471.5N完成换刀操作腕关节的活动范围为需到达90°，假设整个过程在10s内完成，则电动机的角速度为：ω则电动机的转速为：n=由此可得电动机额定功率为：P=M根据上述数据查阅电机选型表，选定电机型号为：JSF-60-40-30-DF-1000，其各项参数如表1.3所示：表1.3JSF-60-40-30-DF-1000电机相关参数额定功率许用扭矩额定转速额定电压电机重量400W1.3N·m3000r/min72V1.8kg配合使用NHSG-Ⅲ-40型减速器，其参数如表1.4所示：表1.4NHSG-Ⅲ-40型减速器相关参数减速比容许输入最高转速容许输入平均转速最大转矩1204000r/min3000r/min1500N·m1.4小臂结构设计换刀装置的小臂包括径向旋转关节和伸缩臂部分，需分别进行设计，因伸缩臂在旋转关节前，其质量会对旋转电机的选型产生影响，因此要先对其进行设计。①伸缩臂的设计伸缩臂的主要作用是为了使机械臂在不碰到前盾舱门的同时，使末端执行器能够运行到磨损的滚刀头处，完成换刀操作。假设小臂前端固定长度为200mm，则其伸缩长度与末端执行器、腕关节、小臂长度相加不小于前盾舱门的长度，故L=900-200-300=600mm。选用具有高载荷、高刚性高精度的HG系列导轨，其受力示意图如图所示：图1.8小臂伸缩杆受力分析图其中Fn1为固定部分对导轨向下作用力。Fn2固定部分下端对导轨向上的作用力，G为导轨自身的重力，G负载为小臂固定端与末端执行器腕关节等为伸缩臂提供的负载；运用力学知识对其进行分析：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建立模型如图1.9所示：图1.9伸缩臂负载部分模型图再通过UGNX12.0指派材料并测量体可得如图5.0所示：图1.10负载模型分析图m负载=500kg，带入数据解得Fn1=5957.85N,Fn2=8083.50N;分析可得Fn1处所受静力矩最大，其值为：M据此选用HBGW45CB型号导轨，其相关参数如表1.5所示：表1.5HBGW45CB型号导轨相关参数许用静力矩导轨重量滑块重量滑块长度静载荷1.55KN·m10.4kg/m2.79kg139.4mm102.7KN 该轨道满足各项载荷要求，且使用恰当长度时质量较小，不会增加过多负载。②小臂旋转电机选型小臂旋转电机主要承受来自负载、末端执行器和小臂自重，其电机计算选型方法与腕关节相同，不再重复叙述。1.5大臂及底座结构设计大臂的结构简图如图1.11所示：图1.11大臂结构简图从操作空间的角度分析，要实现换刀操作，大臂的长