一种盾构机盘形滚刀换刀机械手及其使用方法技术领域：
本发明涉及工程机械技术领域，具体涉及一种盾构机盘形滚刀换刀机械手及其使
用方法。
背景技术：
该设计是针对北方重工直径6.66m泥水平衡盾构机的盘形滚刀换刀机器人配合使
用，用于拆卸特定盘形滚刀的刀箱机构。目前，在城市地铁隧道和跨河隧道建设普遍采用盾
构法，大直径、长距离的盾构机开始大规模使用。大直径盾构机工作条件通常为不均匀复合
地层，在整个刀盘上部分区域的滚刀需要经常更换。盾构机换刀方式分为带压力换刀和常
压力换刀，常压换刀虽然有很多优点，换刀过程在泥水平衡盾构机的泥水舱(开挖舱)中操
作空间狭小而且随时有渗水的危险。
在压力条件下换刀操作人员处于高压、高湿度环境，此时如果出现泥水舱漏气会
导致其工作环境压力降低，压力降低会导致人体内的压缩空气进入血管，甚至有生命危险。
人工换刀的整个流程不仅操作繁琐，而且由于盘形滚刀本身较重，对操作人员体力消耗巨
大。换另一把盘形滚刀时需要操作人员全部撤离泥水舱，重新启动刀盘旋转到合适的位置。
然后操作人员重新进入泥水舱进行换刀作业。换刀机器人在对苛刻条件的适应性方面具有
很多优点，在带压力条件下进行换刀不会像换刀操作人员那样对压力特别敏感，同时也避
免了人员伤亡的可能性。拆装现有的盘形滚刀刀箱结构时需要设计复杂且灵活的机械手，
在回收和补给螺栓、压紧块等小零件时还需要设计辅助机构。因此，针对上述情况，提出使
用机器人进行换刀换刀操作，通过机械手和特定刀箱相适应操作来完成换刀作业。
因此设计一种结构简单、具有高可靠性和高适应性条件的机械手显得十分的必
要，可与特定刀箱机构相配合使用的，完成滚刀的更换。
发明内容：
本发明的目的是提供一种盾构机盘形滚刀换刀机械手及其使用方法，用于辅助盾
构机盘形滚刀的更换。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种盾构机盘形滚刀换刀机械手，包括：箱体，所述箱体上、下端面
设置有液压缸支撑座，箱体前端设置有机械手手指支撑座，机械手手指上下对称铰接在所
述机械手手指支撑座上，液压缸一端铰接在液压缸支撑座上，另一端铰接于所述机械手手
指，所述箱体前、后箱板开设通孔，盘形滚刀拆装块插设在所述通孔中，贯穿所述箱体，所述
盘形滚刀拆装块包括摆动液压缸，所述摆动液压缸一端安装有液压缸安装板，液压缸安装
板一侧设置有第一凸台，所述第一凸台插设于第一套筒，第二套筒插设于第一套筒中，且第
二套筒内部中空，第二套筒通过弹簧与第一套筒连接，用以使得第二套筒在第一套筒中滑
动，第二套筒端部设置有第二凸台。
所述第一凸台和第一套筒通过键连接。
所述第二套筒外壁开设第一凹槽，第一套筒内壁对应设置有第三凸台，所述第三
凸台插设在所述第一凹槽中。
所述机械手手指设置有两对，每对机械手手指之间设置连杆，机械手手指枢接于
连杆两端，所述液压缸一端套接于所述连杆上。
所述箱体上下端面均设置有第二凹槽，第二凹槽中设置有第四凸台，所述液压缸
支撑座焊接在所述第四凸台上。
所述机械手手指呈Y型结构，所述Y型结构分叉的两端分别铰接于所述机械手手指
支撑座和液压缸，Y型结构的直线段上间隔设置有第五凸台和第六凸台，且上下对称设置的
两机械手手指上的第五凸台和第六凸台朝向彼此设置。
所述第五凸台设置在Y型结构的直线端的端部。
所述Y型结构的直线端端部的另一侧设置有第一倾斜面，且所述第一倾斜面的倾
斜角为7.5°-15°。
所述第五凸台远离第六凸台的的一侧设置有第二倾斜面，且所述倾斜面的倾斜角
度为15°-20°。
一种盾构机盘形滚刀换刀机械手的使用方法，配合特定的刀箱机构使用，所述刀
箱机构包括箱体，所述箱体焊接于盾构机内，箱体内设有可与所述箱体分离的滚刀安装机
构，所述滚刀安装机构一侧固定有盘形滚刀，另一侧安装有旋转机构；其换刀过程的具体步
骤如下：
步骤一：对机械手进行调试，并将需要进行更换的滚刀准备好；
步骤二：控制机械手手指的液压缸收缩，使得机械手手指张开，然后机械手手指运
动至滚刀安装块处；
步骤三：控制液压缸伸长，使得机械手手指合拢，抓取滚刀安装机构，同时，调整第
二凸台，使得第二凸台插设于旋转机构；
步骤四：调整摆动液压缸，通过第二凸台带动旋转机构转动，使得滚刀安装机构从
箱体上解锁，机械手将滚刀安装机构连同旧的滚刀一起送出盾构机；
步骤五：控制液压缸收缩，使得机械手手指张开，松开滚刀安装机构，然后将旧滚
刀从滚刀安装机构上卸下；
步骤六：控制液压缸伸长，使得机械手手指合拢，抓取另一个已经安装有盘形滚刀
的滚刀安装块；
步骤七：调整第二凸台，使得第二凸台插设于旋转机构，机械手将滚刀安装机构送
入盾构机；
步骤八：调整摆动液压缸，通过第二凸台带动旋转机构转动，使得滚刀安装机构锁
死在箱体上；
步骤九：控制液压缸收缩，使得机械手手指张开，松开滚刀安装机构，机械手退出
盾构机，完成盾构机滚刀的更换。
本发明一种盾构机盘形滚刀换刀机械手及其使用方法的有益效果：
1.成对的机械手手指采用一个液压缸驱动，保证机械手手指运动时良好的同步
性；
2.机械手手指结构简单，容易加工，实用性强，且强度满足应用要求；
3.箱体设计为工字型，具有良好力学性能，同时给驱动机械手手指的液压缸预留
足够活动空间；
4.本装置结构简单，体积小巧，不仅能适应恶劣工况，还具有良好工程应用价值，
实用性强；
5.机械手的盘形滚刀拆装块具有伸缩功能和旋转机构，在定位精度不高时能够自
动调整对准，适应较宽泛机械手精度区间。
附图说明：
图1为本发明一种盾构机盘形滚刀换刀机械手的结构示意图；
图2为箱体的结构示意图；
图3为箱体的内部结构示意图；
图4为机械手手指的结构示意图；
图5为图4中A处的局部放大图；
图6为盘形滚刀拆装块的结构示意图；
图7为图6的剖视图；
1-箱体，2-液压缸支撑座，3-机械手手指支撑座，4-机械手手指，5-液压缸，6-通
孔，7-盘形滚刀拆装块，8-摆动液压缸，9-液压缸安装板，10-第一凸台，11-第一套筒，12-第
二套筒，13-弹簧，14-第二凸台，15-键，16-第一凹槽，17-第三凸台，18-连杆，19-第二凹槽，
20-第四凸台，21-第五凸台，22-第六凸台，23-第一倾斜面，24-第二倾斜面，25-快接接头。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
根据图1～图7所示，本发明提供的一种盾构机盘形滚刀换刀机械手，包括：箱体1，
所述箱体1上、下端面设置有液压缸支撑座2，箱体1前端设置有机械手手指支撑座3，机械手
手指4上下对称铰接在所述机械手手指支撑座3上，液压缸5一端铰接在液压缸支撑座2上，
另一端铰接于所述机械手手指4，在箱体1的后箱板上设置有快接接头25，用于连接机械臂，
实现机械手和机械臂的快速拆卸和安装，在本实施例中，所述箱体1上下端面均设置有第二
凹槽19，第二凹槽19中设置有第四凸台20，所述液压缸支撑座2焊接在所述第四凸台20上，
将箱体1设计为工字型，具有良好力学性能，同时给驱动机械手手指4的液压缸5预留足够活
动空间，避免机构之间产生干涉，所述箱体1前、后箱板开设通孔6，盘形滚刀拆装块7插设在
所述通孔6中，贯穿所述箱体1，所述盘形滚刀拆装块7包括摆动液压缸8，摆动液压缸8摆动
的角度范围为0°～240°，所述摆动液压缸8一端安装有液压缸安装板9，通过摆动液压缸8的
运动，带动液压缸安装板9正向或逆向旋转180°，液压缸安装板9一侧设置有第一凸台10，所
述第一凸台10插设于第一套筒11，且第一凸台10和第一套筒11通过键15连接，第二套筒12
插设于第一套筒11中，在所述第二套筒12外壁开设第一凹槽16，第一套筒11内壁对应设置
有第三凸台17，所述第三凸台17插设在所述第一凹槽16中，且所述第二套筒12内部中空，第
二套筒12通过弹簧13与第一套筒11连接，用以使得第二套筒12在第一套筒11中滑动，第二
套筒12端部设置有第二凸台14，在不工作的情况下，弹簧13处于伸长状态，在将第二凸台14
插设到刀箱机构中时，弹簧13被压缩，提供预紧力，摆动液压缸8顺时针或者逆时针旋转，带
动第一套筒11和第二套筒12转动，进而带动第二凸台14旋转。
所述机械手手指4设置有两对，每对机械手手指4之间设置连杆18，机械手手指4枢
接于连杆18两端，所述液压缸5一端套接于所述连杆18上，机械手手指4在液压缸5驱动下绕
连杆18摆动，两对机械手手指4的摆动角度为55°，可以做出夹紧和放开的动作，液压缸5的
行程为120mm，液压缸5伸长时，机械手手指4末端夹紧，液压缸5收缩时，机械手手指4末端放
开，在本实施例中，所述机械手手指4呈Y型结构，所述Y型结构分叉的两端分别铰接于所述
机械手手指支撑座3和液压缸5，所述Y型结构的直线端端部的另一侧设置有第一倾斜面23，
且所述第一倾斜面23的倾斜角为10°，在机械手手指4伸入刀箱机构时，斜面结构的设置用
以避免机构之间产生干涉，Y型结构的直线段上间隔设置有第五凸台21和第六凸台22，还可
进一步地，将所述第五凸台21设置在Y型结构的直线端的端部，所述第五凸台21和第六凸台
22之间形成的间隙，用于配合刀箱机构的抓取，且上下对称设置的两机械手手指4上的第五
凸台21和第六凸台22朝向彼此设置，需要特别说明的是，在所述第五凸台21远离第六凸台
22的的一侧设置有第二倾斜面24，使得第五凸台21的端面为水平面和倾斜面相交形成的一
个脊，在抓取时增大接触面积，且在本实施例中，所述倾斜面的倾斜角度选用的是20°。
一种盾构机盘形滚刀换刀机械手的使用方法，配合特定的刀箱机构使用，所述刀
箱机构包括箱体1，所述箱体1焊接于盾构机内，箱体1内设有可与所述箱体1分离的滚刀安
装机构，所述滚刀安装机构一侧固定有盘形滚刀，另一侧安装有旋转机构；其换刀过程的具
体步骤如下：
步骤一：对机械手进行调试，并将需要进行更换的滚刀准备好；
步骤二：控制机械手手指4的液压缸5收缩，使得机械手手指4张开，然后机械手手
指4运动至滚刀安装块处；
步骤三：控制液压缸5伸长，使得机械手手指4合拢，抓取滚刀安装机构，同时，调整
第二凸台14，使得第二凸台14插设于旋转机构；
步骤四：调整摆动液压缸8，通过第二凸台14带动旋转机构转动，使得滚刀安装机
构从箱体1上解锁，机械手将滚刀安装机构连同旧的滚刀一起送出盾构机；
步骤五：控制液压缸5收缩，使得机械手手指4张开，松开滚刀安装机构，然后将旧
滚刀从滚刀安装机构上卸下；
步骤六：控制液压缸5伸长，使得机械手手指4合拢，抓取另一个已经安装有盘形滚
刀的滚刀安装块；
步骤七：调整第二凸台14，使得第二凸台14插设于旋转机构，机械手将滚刀安装机
构送入盾构机；
步骤八：调整摆动液压缸8，通过第二凸台14带动旋转机构转动，使得滚刀安装机
构锁死在箱体1上；
步骤九：控制液压缸5收缩，使得机械手手指4张开，松开滚刀安装机构，机械手退
出盾构机，完成盾构机滚刀的更换。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽
管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可
以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修
改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。