盾构机的换刀作业耗资巨大、周期长、作业环境恶劣,操作人员将承受极大的安全风险。如何经济合理地更换盾构机刀具,并保证人员安全是盾构施工中一个重要的研究方向。为此,尝试研发盾构机换刀机器人代替人工进行换刀作业,这将是盾构机换刀技术的一大进步。盾构机换刀机器人的研究国内几乎空白,国外亦鲜有报告。本文围绕盾构机换刀机器人的设计与分析展开,主要工作包括:(1)盾构机换刀机器人系统设计方案的提出。从泥水平衡盾构机的结构、工作原理、人工换刀的环境及方法出发,总结出了盾构机换刀机器人在研发上面临的困难及主要任务;以此为基础,提出了一种换刀臂与部署臂协同作业的设计思路,以及一种新型的滚刀安装方式,并对该换刀机器人系统的作业区域及作业流程作出了规划,从理论上验证了应用机器人来进行换刀作业的可行性。(2)换刀机器人系统所需换刀臂的设计。明确了换刀臂的技术要求,并对换刀臂进行构型及自由度选择、驱动及控制方式选择、材料的选择等;应用SolidWorks软件完成了换刀臂机械本体结构的设计,并通过建立力学模型对各执行器驱动力进行估算及设计;最后给出了所设计的换刀臂的主要性能参数。(3)换换刀臂运动学及工作空间的分析。采用D-H法建立换刀臂的连杆坐标系及运动学方程,并对其进行逆运动学求解,通过建立数学模型确定了液压缸长度与各关节转角的函数关系;应用MonteCarlo法对换刀臂的工作空间进行求解,并基于MATLAB的Robotics Toolbox完成了工作空间的仿真验证。(4)基于ANSYS Workbench平台的换刀臂有限元分析及结构优化。应用Workbench对处理后的换刀臂模型进行了整机静力学分析,验证其强度及刚度是否满足设计要求;通过有限元分析结果发现了设计的缺陷及不足,并应用Design Exploration对结构进行优化,优化后的换刀臂能很好地满足技术要求。