随着社会发展进步,城市交通逐渐向地下轨道及海底隧道等地下施工方向发展,盾构机作为地下掘进施工专用机械使用频率越来越高,随之而来的盾构机刀具更换问题变得日益突出,因此尝试使用机械设备代替传统人工安全高效的对盾构机刀具进行智能化更换显得极为迫切。本文主要工作如下:(1)本文以6.28米盾构机为换刀作业对象,结合国内外已有的理论及经验总结出智能化换刀存在的问题和难点;以此为基础,本文针对原有滚刀安装方式进行改进,主要提出一种以冗余自由度机械臂为基础的运刀装置设计方案,实现盾构机智能化刀具更换任务,并根据换刀流程从理论上验证可行性。(2)通过对圆滚刀工作受力状态研究与分析,对原有繁琐的圆滚刀安装结构进行改进,降低末端执行器作业难度提高智能化作业效率,并通过理论分析证明结构合理性;根据目标对象的空间任务指标对运刀装置机械臂的关节长度、结构选型、整体自由度、驱动方式确定以及机械臂材料选择进行详细设计,最终确定6+1+1冗余自由度运刀装置,并通过SolidWorks三维软件进行建模,根据负载重量和自身质量对关节驱动进行计算,确保可行性。(3)基于ANSYS、ADAMS等CAE软件对运刀装置进行静力学、模态、动力学模拟仿真,对主要部件进行强度刚度校核,验证结构设计和机械臂材料选择合理性,并求得极限状态下运刀装置固有频率以及相应频率下运刀装置的应力和形变量;通过刚体动力学求得运刀装置各活动关节的速度、加速度、力矩和力等矢量曲线,结合理论分析设计准确性。(4)根据原理建立运刀装置运动学数学模型,通过D-H方法建立坐标系统并通过正向运动学对末端执行器运动求解,基于MATLAB/Robotics Toolbox建立运刀装置机械臂模型,通过对比验证运动学方程正确性;基于蒙特卡洛方法运用MATLAB中rand函数对运刀装置机械臂作业空间进行仿真验证,求得点云图验证运刀装置符合空间作业要求。