隧道掘进机（TBM）被誉为“世界工程机械之王”,广泛应用在国家基础建设中,通常采用人工更换滚刀的作业方式,其换刀过程中存在效率低、成本高、事故多等问题,直接制约掘进机高效安全施工,换刀作业的智能化及无人化势在必行,但由于传统刀具系统拆卸步骤冗杂,导致机器人难以在狭小空间对滚刀进行更换,因此需要设计适用于机器操作的新型刀具系统,以降低机器人拆装难度,实现机器人快速拆装滚刀刀具系统。本文主要工作内容如下:（1）针对掘进机传统刀具系统不适用于机器操作的问题,应用TRIZ理论对其原因进行系统分析,采用TRIZ创新理论中剪裁、技术矛盾及40个发明原理提出了4种适用于机器操作的TBM新型刀具系统。从多个角度构建评价指标体系,基于AHP法建立方案筛选的决策模型,据此选出满足机器人快速拆装的最佳新型刀具系统方案。（2）针对所选方案进行多层次轻量化设计,首先基于子模型法对装配体中大型承力零件进行拓扑优化,其次基于灵敏度分析对装配体进行多目标尺寸优化,最终使其最大应力、最大变形及抓取质量分别降低了16.20%、9.39%、8.09%。基于相似理论确定缩尺样件等效外载,进行加载实验并测量不同工况下关键部位的应力,原尺寸有限元模型与缩尺样件相同部位法向应力误差在10%以内,证明所使用有限元模型的正确性。（3）对紧固机构进行力学分析,将影响紧固性能的关键结构参数进行优化,基于预紧力单元法对参数优化前后紧固件松弛过程进行仿真,优化后系统紧固性能提升4.49倍,提高了其在恶劣环境中服役的可靠性。采用横向振动方法对缩尺样件进行紧固性能评价实验,振动20小时后,传统刀具系统预紧力比值最终平均降幅是新型刀具系统的1.20倍,结果表明新型刀具系统紧固性能优于传统刀具系统。（4）采用集中质量法,建立TBM新型刀具系统多自由度耦合动力学模型,结合公式法和FEA法计算各质量节点的等效刚度和阻尼。将正弦规律载荷作为外部激励,利用Newmark法对系统各构件响应进行求解,通过相似理论获得缩尺样件的理论垂向振动位移。利用液压加载实验台对缩尺样件进行振动实验,获得在正弦载荷作用下滚刀和刀箱实测垂向振动位移,理论与实测振动位移均值相对误差均在10%以内,验证了所建立理论模型的正确性。将滚刀线切割实验所获得的载荷作为外激励,研究系统各构件动力学响应规律,为预测系统在实际破岩时的动力学行为提供理论依据,最后完成原尺寸TBM新型刀具系统的装配与调试。