本實(shí)用新型涉及巖土工程領(lǐng)域土工離心模型試驗(yàn)中所用到的離心機(jī)機(jī)器人，具體涉及一種離心機(jī)機(jī)器人工具快換系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在巖土工程領(lǐng)域，土工離心模型試驗(yàn)是將土工模型置于高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中，利用高于重力加速度的離心場(chǎng)作用，再現(xiàn)原形土體的應(yīng)力狀態(tài)。為了更真實(shí)的反映實(shí)際工程的工作情況，土工離心模型試驗(yàn)還要求能在試驗(yàn)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)過程模擬。離心機(jī)機(jī)器人作為各種動(dòng)態(tài)施工過程模擬的專用設(shè)備，由于其靈活高效、通用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在土工離心模型試驗(yàn)中備受青睞。

離心機(jī)機(jī)器人在離心模型試驗(yàn)過程中，為模擬完整的動(dòng)態(tài)施工過程并即時(shí)檢測(cè)，需要連續(xù)完成多種試驗(yàn)操作。在試驗(yàn)過程每完成一種不同操作，都得更換一個(gè)工具，這就要求離心機(jī)機(jī)器人須具備自動(dòng)更換工具功能。發(fā)明專利CN102778890A公開了一種四軸全電驅(qū)土工離心機(jī)器人，采用氣動(dòng)抓手實(shí)現(xiàn)離心機(jī)不停機(jī)狀態(tài)下自動(dòng)更換工具功能；香港科技大學(xué)使用的土工離心機(jī)機(jī)器人也采用了相同的工具快換系統(tǒng)(見《土工測(cè)試新技術(shù)-第25屆土工測(cè)試學(xué)時(shí)研討會(huì)論文集》：366-371，孔令剛、張利民撰寫的科技論文--土工離心機(jī)機(jī)器人發(fā)展概況與應(yīng)用實(shí)例)；法國(guó)艾科傳動(dòng)公司研制的土工離心機(jī)機(jī)器人，則采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)三爪卡盤的方式實(shí)現(xiàn)各類工具更換(見網(wǎng)頁www.actidyn.com)。

現(xiàn)有離心機(jī)機(jī)器人一般具有X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和繞Z軸旋轉(zhuǎn)四個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，利用X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)進(jìn)行空間定位，并通過抓手輔助完成工具更換操作。

現(xiàn)有離心機(jī)試驗(yàn)機(jī)器人工具快換系統(tǒng)存在以下缺陷：

1)由于現(xiàn)有離心機(jī)試驗(yàn)機(jī)器人工具快換系統(tǒng)所用抓手需采用電機(jī)或氣缸作為驅(qū)動(dòng)來鎖緊或放開工具，離心機(jī)機(jī)器人在高離心場(chǎng)下工作，工具更換所需驅(qū)動(dòng)電線或氣管保護(hù)將受到數(shù)倍于自身重力的離心力，容易發(fā)生破壞，因此現(xiàn)有工具快換系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電線或氣管保護(hù)難度大；

2)如果離心機(jī)機(jī)器人Z軸旋轉(zhuǎn)自由度過大，必然使線路或管路發(fā)生纏繞，進(jìn)而影響使用功能，因此其Z軸旋轉(zhuǎn)自由度一般不超過360度，但是這樣就無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換工具的狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)取土、打洞等功能，從而限制了離心機(jī)機(jī)器人的使用工況領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種離心機(jī)機(jī)器人工具快換系統(tǒng)。

本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：

一種離心機(jī)機(jī)器人工具快換系統(tǒng)，包括安裝在離心機(jī)機(jī)器人Z軸末端的Z向滑塊、微型電滑環(huán)、力矩電機(jī)和彈性鋼球鎖緊裝置；

所述力矩電機(jī)通過支架固定安裝于所述Z向滑塊上，所述力矩電機(jī)內(nèi)貫穿有中空軸，所述中空軸與所述力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子固定為一體；

所述微型電滑環(huán)通過滑環(huán)支架固定于所述力矩電機(jī)的頂部，所述中空軸的上端與所述微型電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子固定連接，所述彈性鋼球鎖緊裝置固定于所述中空軸的下端；

所述支架安裝有用于支撐所述中空軸的軸承，所述中空軸的下端穿過所述軸承后與所述彈性鋼球鎖緊裝置固定連接；

所述中空軸、所述力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子和所述彈性鋼球鎖緊裝置通過法蘭盤固定連接在一起；

所述彈性鋼球鎖緊裝置包括快速插頭和用于卡入工具的內(nèi)套，所述快速插頭固定于所述法蘭盤上，所述快速插頭的下信號(hào)連接端穿過所述法蘭盤并延伸至所述內(nèi)套中，所述快速插頭的上信號(hào)連接端與所述中空軸內(nèi)部相通。

具體地，所述彈性鋼球鎖緊裝置包括所述內(nèi)套、所述快速插頭、外套、解鎖螺母和兩個(gè)滾珠軸環(huán)，所述內(nèi)套與所述法蘭盤固定連接，所述外套、兩個(gè)所述滾珠軸環(huán)和所述解鎖螺母由上至下依次套在所述內(nèi)套上，所述內(nèi)套與所述外套之間設(shè)置有彈簧和若干鋼球，所述內(nèi)套的側(cè)壁設(shè)置有若干球形孔，所述球形孔貫穿所述內(nèi)套的側(cè)壁，若干所述鋼球一一對(duì)應(yīng)卡裝于若干所述球形孔內(nèi)，所述外套的上內(nèi)壁面為與若干所述鋼球貼合在一起的錐面結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)套和所述外套分別設(shè)置有上、下軸肩，所述彈簧卡裝于上、下所述軸肩之間，所述球形孔位于所述內(nèi)套的軸肩上方，兩個(gè)所述滾珠軸環(huán)均套在所述內(nèi)套上并位于所述外套下方，上、下兩個(gè)所述滾珠軸環(huán)之間為可滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)，所述解鎖螺母與所述內(nèi)套為螺紋連接結(jié)構(gòu)，所述解鎖螺母通過螺釘與下方的所述滾珠軸環(huán)固定連接，所述解鎖螺母的外環(huán)面設(shè)置有與工具架卡槽相對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)。

進(jìn)一步地，所述法蘭盤的下端面設(shè)置有兩個(gè)用于工具徑向定位的銷柱，所述銷柱延伸至所述內(nèi)套中。

進(jìn)一步地，所述內(nèi)套設(shè)置有用于與法蘭盤固定連接的螺釘孔、用于插入所述快速插頭的快插接口和用于連接所述解鎖螺母的螺紋。

進(jìn)一步地，所述外套為由螺釘和銷釘連接在一起的兩半式結(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

本實(shí)用新型通過彈性鋼球鎖緊裝置實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)機(jī)器人工具的鎖緊和解鎖，并設(shè)置微型電滑環(huán)和帶中空軸的力矩電機(jī)，使離心機(jī)機(jī)器人工具端沒有與上端直連的管線，進(jìn)而不會(huì)限制工具端的自由旋轉(zhuǎn)，增加了離心機(jī)機(jī)器人的使用工況領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型所述離心機(jī)機(jī)器人工具快換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2是本實(shí)用新型所述離心機(jī)機(jī)器人工具快換系統(tǒng)的剖視圖；

圖3是圖2中A處的局部放大圖，主要體現(xiàn)出了鎖緊裝置的剖視結(jié)構(gòu)；

圖4是本實(shí)用新型所述內(nèi)套的第一視角示意圖；

圖5是本實(shí)用新型所述內(nèi)套的第二視角示意圖；

圖6是本實(shí)用新型所述解鎖螺母的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1-微型電滑環(huán)，2-滑環(huán)支架，3-力矩電機(jī)，4-法蘭盤，5-彈性鋼球鎖緊裝置，6-工具，7-工具架，8-Z向滑塊，9-中空軸，10-軸承，11-外套，12-彈簧，13-滾珠軸環(huán)，14-解鎖螺母，15-快插，16-鋼球，17-內(nèi)套，18-支架，19-快插接口，20-螺釘孔，21-軸肩，22-球形孔，23-螺紋，24-銷柱，25-凸臺(tái)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明：

如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示，本實(shí)用新型包括安裝在離心機(jī)機(jī)器人Z軸末端的Z向滑塊8、微型電滑環(huán)1、力矩電機(jī)3和彈性鋼球鎖緊裝置5；

力矩電機(jī)3通過支架18固定安裝于Z向滑塊8上，力矩電機(jī)3內(nèi)貫穿有中空軸9，中空軸9與力矩電機(jī)3的轉(zhuǎn)子固定為一體(圖中力矩電機(jī)3的轉(zhuǎn)子沒有表示出來)，中空軸9中間設(shè)有通孔以便測(cè)試線路穿過；微型電滑環(huán)1通過滑環(huán)支架2固定于力矩電機(jī)3的頂部，滑環(huán)支架2通過螺釘固連在力矩電機(jī)3外殼上，微型電滑環(huán)1只有弱電信號(hào)傳輸所需的電路，避免了高離心場(chǎng)下氣路或液路密封難度大的問題，中空軸9的上端與微型電滑環(huán)1的轉(zhuǎn)子固定連接，彈性鋼球鎖緊裝置5固定于中空軸9的下端；支架18安裝有用于支撐中空軸9的軸承10，軸承10可實(shí)現(xiàn)與Z向滑塊8可旋轉(zhuǎn)連接，中空軸9的下端穿過軸承10后與彈性鋼球鎖緊裝置5固定連接；中空軸9、力矩電機(jī)3的轉(zhuǎn)子和彈性鋼球鎖緊裝置5通過法蘭盤4固定連接在一起；彈性鋼球鎖緊裝置5包括快速插頭15和用于卡入工具6的內(nèi)套17，快速插頭15固定于法蘭盤4上，快速插頭15的下信號(hào)連接端穿過法蘭盤4并延伸至內(nèi)套17中，快速插頭15的上信號(hào)連接端與中空軸9內(nèi)部相通。

彈性鋼球鎖緊裝置5包括內(nèi)套17、快速插頭15、外套11、解鎖螺母14和兩個(gè)滾珠軸環(huán)13，內(nèi)套17與法蘭盤4固定連接，外套11、兩個(gè)滾珠軸環(huán)13和解鎖螺母14由上至下依次套在內(nèi)套17上，內(nèi)套17與外套11之間設(shè)置有彈簧12和若干鋼球16，內(nèi)套17的側(cè)壁設(shè)置有若干球形孔22，球形孔22貫穿內(nèi)套17的側(cè)壁，若干鋼球16一一對(duì)應(yīng)卡裝于若干球形孔22內(nèi)，外套11的上內(nèi)壁面為與若干鋼球16貼合在一起的錐面結(jié)構(gòu)，錐面用于卡緊鋼球16，錐面的角度能夠保證鋼球16自鎖。內(nèi)套17和外套11分別設(shè)置有上、下軸肩21，彈簧12卡裝于上、下軸肩21之間，彈簧12處于壓縮狀態(tài)，使外套11始終保持相對(duì)于內(nèi)套17有一個(gè)向下的力，加之外套11還受一個(gè)向下的離心力，這兩個(gè)力促使外套11的內(nèi)錐面把鋼球16壓向工具6側(cè)，產(chǎn)生可保持的壓緊力，工具6端頭設(shè)有相應(yīng)的球形環(huán)槽，從而完成了工具6的軸向鎖緊。球形孔22位于內(nèi)套17的軸肩21上方，兩個(gè)滾珠軸環(huán)13均套在內(nèi)套17上并位于外套11下方，上、下兩個(gè)滾珠軸環(huán)13之間為可滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)，從而防止外套11被解鎖螺母14與內(nèi)套17的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)影響。解鎖螺母14與內(nèi)套17為螺紋連接結(jié)構(gòu)，解鎖螺母14通過螺釘與下方的滾珠軸環(huán)13固定連接，解鎖螺母14的外環(huán)面設(shè)置有與工具架7卡槽相對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)25，工具架7固定在土工試驗(yàn)離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞撞?，其?shù)量可根據(jù)實(shí)際需要安裝，工具架7用于存放各類具備相同接口的工具6，解鎖螺母14用于鎖緊裝置的解鎖操作，凸臺(tái)25便于實(shí)現(xiàn)解鎖螺母14與內(nèi)套17的相對(duì)移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)外套11的移動(dòng)。當(dāng)工具6鎖緊時(shí)，滾珠軸環(huán)13與外套11不接觸；需要解鎖時(shí)，解鎖螺母14被工具架7卡住，力矩電機(jī)3帶動(dòng)工具6旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)動(dòng)螺母和滾珠軸環(huán)13壓向外套11，使外套11錐面離開鋼球16，實(shí)現(xiàn)了工具6的軸向解鎖。

法蘭盤4的下端面設(shè)置有兩個(gè)用于工具6徑向定位的銷柱24，銷柱24延伸至內(nèi)套17中。

內(nèi)套17設(shè)置有用于與法蘭盤4固定連接的螺釘孔20、用于插入快速插頭15的快插接口19和用于連接解鎖螺母14的螺紋23。

為便于加工和安裝，外套11為由螺釘和銷釘連接在一起的兩半式結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)彈性鋼球鎖緊裝置無驅(qū)動(dòng)管線，避免了管線在離心場(chǎng)下發(fā)生破壞；

2)離心機(jī)機(jī)器人工具快換系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人工具端旋轉(zhuǎn)不會(huì)有限制，從而使離心機(jī)機(jī)器人的使用工況領(lǐng)域更廣；

3)彈性鋼球鎖緊裝置利用彈簧彈力和外套離心力雙重鎖緊，且結(jié)構(gòu)具備自鎖功能，鎖緊結(jié)構(gòu)牢固可靠；

4)彈性鋼球鎖緊裝置利用離心機(jī)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)解鎖，無外加解鎖裝置，使快換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單緊湊；

5)集成微型電滑環(huán)，在工具和鎖緊裝置上設(shè)置快插，方便信號(hào)線路的連通，使離心機(jī)機(jī)器人通用性更強(qiáng)。

以上僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。