2020年12月
第49卷第12期
Dcc. 2020Vol. 49 No. 12
机械设计与制造工程
Machine Desion and Manufacturing Engineering
DOI ： 10. 3969/j. issn. 2095 - 509X. 2020.12.004
盾构机换刀重载机械臂结构设计与动力学分析
吴青考S 李庆党1>2，李 超1
（1.青岛科技大学机电工程学院
，山东青岛266100）（
2.青岛科技大学中德科技学院
，
山东青岛266100
）
摘要：为解决盾构机磨损滚刀的自动化更换难题，设计了一种七自由度重载机械臂，该机械臂可 用于直径为6.28 m 的土压平衡式盾构机的自动化换刀系统。通过分析机械臂的设计依据，利用
UG 设计了七自由度机械臂的三维结构，完成了对机械臂主要动力部件的设计与选型，并通过对
处于盾构机三维模型内部极限换刀位姿下的机械臂进行空间装配验证，确定了机械臂的工作范 围。利用ADAMS 软件创建了机械臂的虚拟样机模型，对机械臂于刀箱中抽取滚刀的动作过程进 行运动学仿真，得到机械臂的运动特性参数，验证了机械臂结构设计的可行性和合理性$
关键词：盾构机；重载机械臂；自动化换刀；运动学仿真
中图分类号:TH112
文献标识码:A
文章编号：2095 -509X （2020）12 -0016 -05
近年来，在城市地下铁道的建设中,
盾构施工 法以其良好的防渗漏水性能、施工安全快速、对周
围环境影响小等优点，已经成为地铁施工的主要方
法之一，并给实际工程带来极大的便利［1］（盾构 机作为一种地下掘进施工的专用工程机械，在掘进
过程中安装在刀盘上的刀具不可避免地会发生磨
损，而换刀作业是一项费时费力且风险系数极高的
系统工程。目前，盾构机换刀作业仍以人工换刀方
式为主。人工换刀时，土仓内封闭、高温、
高压的恶
劣环境会对施工人员造成极大的影响，并且地下工 作空间狭小会增加工作人员逃生难度、增大换刀危
险性，无法保障换刀人员的生命安全［2］（设计一
套盾构机智能换刀系统是当前相关研究的重点，
由 于盾构机内部舱室结构复杂且空间紧凑，各类自动
化换刀方案都对盾构机本体或刀盘进行了二次设 计改造，使得自动换刀系统的研究成本过高［3-4］（
而以重载机械臂作为换刀系统核心装备的方案能
有效避免上述问题，因此对重载机械臂换刀作业的 研究有重要意义与价值
（
1重载机械臂设计依据及性能要求
本文以开挖直径为6.28 m 的土压平衡式盾构
机的17英寸单刃滚刀为换刀作业对象,
其换刀作
业流程主要包括刀盘清洗、刀具磨损检测、刀具拆
卸和刀具搬运吊装等。其中，滚刀的搬运作业是换
刀过程中机械臂的最大载荷作业状态
（
根据对盾构机各舱室内部空间尺寸及盾构机 刀盘上滚刀布局的分析，结合换刀作业时机械臂的 动作及功能要求，确定机械臂的性能要求如下：
1
未冠） 机械臂本体的最大臂展小于1.5 m ，活动跨
度 2. 8 m
;2
） 机械臂作业 程 与直 为 0.6 m 的
盾构机土仓门产生干涉，机械臂运动处于低速平稳
;3
两字组词
） 机械臂负载能力达250 kg ；4
） 机械臂具备快换接头
（2重载机械臂的结构设计
设计
， 设计的重载机械臂 由
带行走机构的六自由度机械臂本体和快换接头两
部分组成，采用液压驱动。其中，快换接头安装于 机械臂本体末端，实现几类拆卸模块的快速更换
；
行走机构配合六自由度机械臂本体，主要用于调整
不同末端工具头的位姿来完成整个工作空间内各
收稿日期:2019 -05 -10
基金项目：山东省科技创新工程资助项目（2017CXGC0607）
作者简介：吴青考（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为智能制造,1576177295@ qq. com. 通讯作者：李庆党，男，教授,lqd@ qui. edu. cn.
・16
・
2020年第12期吴青考：盾构机换刀重载机械臂结构设计与动力学分析
类换刀动作。
2.1快换接头的设计
快换接接的锁紧机构，根锁紧机构动力形式的一般将快换接头分为动式、液压式、电磁式和机械式等&5'。力
快换接头具有结构紧凑以及的特点，因此结合机械式和式快换接头的势，创新设计了一种式快换接头，其结构及与连接时的装配1所示。
1—安装法兰;2—驱动油缸；3—插销滑块;4—壳体
图1快换接头结构及装配图
如图1(a)所示，快换接头主要包括安装法兰、
、驱动和等结构。快换接头通过
法兰固定于机械臂末端关节，并通过工具侧的结构件与工具头进行对接；具有液控单向阀的双作用作为动力部件部，带动滑沿接头锁紧。工具头的部位结构都采用与快换接头工具侧配合的形式快速更换。
2.2机械臂主体设计
设计，重载机械臂本体的关节较多%臂展较短且负载高。因此对机械臂关节的动力部件选型时考虑螺旋摆动，它采用大升角旋的传动，较小空间内将转化为极高的力矩输出，并且可以通过电液控制达到较高的转动精度&6'。
对关节进行设计选型时，将机械臂以最大臂配，利用UG NX10.0软件对已知模型的质心位置及质量进行测量，第i个关节的受力示意2(
T~~—1
图2机械臂关节受力示意图
66第i关节的最大负载力为:
@i$
(厶$A负载:&5i(1)式中:@为第i个关节的最大负载力矩，对腰部回转关节、行走导，的是最大力矩；
F i
为第i个关节后的所有负载对关节的总作用力；厶为第i个关节后的所有负载对关节的力臂;A负载，为机械臂最大臂第关节的有负载的质量之和；&为重力加速度。
机械臂设计过程就是关节选型与对应臂杆的设计进行、反复验证的过程。弟
型的计算结果对型的关节驱动器建模，最UGNX10.0三维软件中完成重载机械臂的三维模型整机装配图，3(
1—行走机构;2—回转驱动；3一第一俯仰关节；
4—第二俯仰关节;5—及滚刀(总负载);6—快换接头；
7—腕部旋转摆动油缸;8—腕部摆动关节
图3重载机械臂的整机装配图
66结构设计结果，机械臂最大臂
为1.423m，在导和快换接头的装配最大度为1.845m，盾构机舱室空间内的安作业。
关节驱动选型的结果可得，机械臂的末端负载可达280kg，腕部旋转和俯仰关节的驱动器为德国HKS的TR20旋转摆动缸，其
动力矩达1700N・m，最大转角为140。，旋转力矩为810N・m，可以进行360。制旋转；腕部动关节由双作用直驱动，关节转角为土15。；第一、第二俯仰关节的驱动器为螺旋摆动，最大转角均为180。，力分别为7345 N・m和4746N・m；设计选型的回转支承及导轨
17
・
2020年第49卷机械设计与制造工程
的倾覆力矩均远高于最大负载要求，本文不做验证。
2.3换刀机械臂的工作空间验证
换刀机械臂模型装配于盾构机的三维模型中，通UG的干涉检验验证机械臂在盾构机内的作业能力。
4(a)、( b)所示，选择盾构机刀盘辐条外缘径向分布差异最大的刀来模拟换刀的极工位，同时对机械臂
渔寮
抓紧滚刀与抽刀(滚刀刚好完刀盘)的姿态进行涉位姿调节，验刀搬运过程中机械臂是否与盾构机土仓门生碰撞。
(b)最低位置滚刀抓紧及抽取的位姿
(a)最高位置滚刀抓紧及抽取的位姿
图4重载机械臂作业的无干涉装配验证通过装配验证后，盾构机刀盘外缘也进行了同样的装配验证，最设计的重载机械臂盾构机共18刀的换刀动作，包括部分刀盘之间的斜置滚刀。这基
了75%最易发生磨损的滚刀的换刀作业，能有效完成此类盾构机的自动化换刀。
3机械臂机的创建
设计的盾构机换刀重载机械臂是七自由度的多关节机械臂，由于臂杆多为结构，且动作低速，因此在动力学建模时，为冈」体系统建模&7'(利用ADAMS动力学仿真软件建立机械臂的动力学模型，模拟机械臂最高置滚刀的运动过程，分析各关节组合运动下机械臂末端的运动特性以及运动过程运动关节的力，验重载机械臂结构设计的性。
3.1机械臂的多刚体动力学模型
4(a),UG中重载机械臂的最高姿的装配模型以Parasolid格式导入
ADAMS中，设置好系统的单位制及重力方向，合并多余的运动部件，并马达和螺
等对运动副没有影响的部件，他部件真实材料属性，得到重载机械臂的简化虚拟样机模型，如图5。根据重载机械臂各部件间的作用关系定义各部件间的关系，部件的关系见表1。
图5重载机械臂的虚拟样机模型
名人诚信小故事
表1仿真模型的约束关系
部件副
大地-导轨固定副
行走机构基座-导轨移动副
回转安装座-回转驱动旋转副
臂杆一-俯仰关节一旋转副
臂杆二-俯仰关节二旋转副
语文怎么学好
液压缸缸筒-臂杆二旋转副
液压缸缸筒-活塞杆移动副
臂杆三-臂杆二旋转副
液压缸活塞杆-臂杆三旋转副
部俯仰关节-臂杆三
旋转副
快换接头-腕部旋转关节固副
快换接头-机械手爪固副
运动过程中在主要动作的运动副上添加的位移驱动见表2(
表2仿真模型的驱动函数
驱动名称驱动
导移动副STEP"time,0,0,10,-0.48)
臂杆一转动副STEP"time,0,0,10,-30.0d)
臂杆二转动副STEP"time,0,0,10,45.0d)
部俯仰转动副STEP"time,0,0,10,-18.0d)
・18
・
2020年第12期吴青考：盾构机换刀重载机械臂结构设计与动力学分析
3.2仿真结果分析步长为0.1，求解结，进入ADAMS/Post proces-
模型验，设置分析类型为运动学和soo中绘制换刀机械臂的特性曲线，6所动力学同时进行分析，设置仿真时间为10s、仿真示。
GSUI)/
超瞰眉
0.025
0.015
0.005
-0.005
-0.015
-0.025
-0.035
图6仿真过程刀具的Z向运动曲线
经过逆向动力学求解得到的主要运动关节的受力变化7(
S
.
N
)
/
衆
-R
O N ) /衆W 4000.0
373U.U
3900.0
3850.0
3800.0
3750.0
下片0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.07.08.09.010.0
时间/s
(b)第二俯仰关节力矩变化曲线
S . N ) /
奚1471.5
1471.0
1470.5
i q/u.u
1469.5
1/IRQ A
14OV.U
1叶UO・J楹联
0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.07.08.09.010.0
时间/s
(c)腕部俯仰关节力矩变化曲线
图7俯仰关节的力矩变化曲线
由图6可知，在4个主要运动关节的协调动作
下，刀具在抽取方向位移约为450mm，行程能够使滚刀完全脱离刀座，运动过程中刀具速度变化平缓，最大平移速度约0.074m/s，加速度亦无明波动，基换刀动作低速的运动。由图7，运动过程中三大俯仰关节的力矩变化平稳且改变量较小，这与运动过程中机械臂的姿变化有关，是腕部俯仰关节的力矩变化微小，了及滚刀真过程向置变化很小，基本沿直移；同时，运动过程中关节的最大力矩分别约为5815N・m、3950
N・m和1471N・m，超设计时所选的摆动的额定工作力矩，且的，进
一了关节选型的。，盾构
机换刀重载机械臂的结构设计是的。
4结束语
由于条件限制，动力学仿真所涉及的重
载机械臂、快换接头及机械并没有验支
撑，因更倾向于模型方面的。盾构
机重载机械臂换刀方案是对已有人工换刀及半自
动化换刀方式的技术，重点了自动化换刀
方案中盾构机大的技术，其设计结
构和真对重载换刀机械臂的有一的
导作用；但动力学仿真过程忽略了机械臂驱动关
节螺旋摆动的动力学特性，进一究
考虑所有驱动机构的动力学特性，进
系统动力学模型进行仿真或验证。因
工作将尽和相关企业联合，通关试验进一
验重载机械臂盾构机自动化换刀系统的
行性。
19
・
2020年第49卷机械设计与制造工程
参考文献：
[1]刘宣宇.盾构技术的发展与展望& J]•施工技术#2013#42
(1)：20-23,82.
[2]朱伟#闵凡路#姚占虎#等•盾构隧道开舱技术现状及实例
&J] •现代隧道技术,2015,52(1)：9-18.
[3]李小永•基于专利角度的盾构机换刀技术发展研究&J] •中国
高新科技#2018(7)：70-72.
[4]陈健#刘红军#闵凡路#等•盾构隧道刀具更换技术综述[B].
中国公路学报,2018,31(10)：36-46.
[5]陈有权•机器人作业工具快速更换技术&D]•哈尔滨：哈尔滨
工业大学#2008.
[6]金志民•动力与精确的天合之作—
—HKS摆动液压缸[J].
现代零部件#2004(8)：40-41.
[7]王鑫•四自由度高速重载工业机器人动态特性的研究&D].
秦皇岛：燕山大学#2014.
Structural design and dynamic analysis of heavy-duty
manipulator for shield machins tool changing
Wu Qingkao1,Li Qingdang「2,Li Chao1
(1.College of Electromechanicol Engineeang,
Qingdao University of Scmnco and Tehnology,Shandong Qingdao,266100,China)
(2.Coiage of Chine-German Technology,
Qingdao University of Scmnco and Technology,Shandong Qingdao,266100,China)
Abstract:In ordea to solve the probkm of automatic replacement of wees hobi of shield machine,a
ven-degrer-oWaeedom heavyWduoymanipulaooaiideiigned.Themanipulaooacan beuied in auoomaoicooolchangeiyioem oM eaath paeiuaebalanced ihield machinewith diameteaoM6.28m.Baied on theanalyiiioMthedeiign baiiioMthe
manipulatoa,the thaeeWdimen iionalitauctuae oMthe ievenWdegaeeWo Waeedom manipulatoai ide iigned byUG.The deiign and ielection oMthemain poweacomponentioMthemanipulatoaaaecompleted.ThewoakingaangeoMthe
manipulatoaiideteamined bytheipaceaiemblyveaiication oMthemanipulatoaundeatheeBtaemetoolchanging poiition and poituaein thethaeeWdimeniionalmodeloMtheihield machine.TheviatualpaototypemodeloMthemaW nipulatoaiicaeated byADAMS iotwaae.Thekinematiciiimulation oMthemanipulatoaeBtaactingthehob aom
助理医师资格证报考条件
thecu teaboBiicaaied out,and themotion chaaacteai itic paaameteaioMthe manipulatoaaae obtained,which veaiieithe eaiibilityand aationalityoMtheitauctuaedeiign oMthemanipulatoa.
Key worUs:shield machine；heyy-duty manipulatoc；automatic toco change；kinermaics simulation ・20
・
