预计至2022年,我国地铁、公路、铁路等隧道总长度将超过10000公里,隧道掘进机是其重要施工设备。掘进机通过刀盘上的滚刀进行破岩掘进。施工过程中刀具频繁检测更换制约掘进机施工效率以及危害换刀人员安全,实现换刀作业“机器换人”的高效安全作业模式势在必行。传统滚刀紧固件多且离散,并且形状大小不一,针对此种结构设计自动化换刀执行器,换刀动作将非常繁琐,执行器设计难度将非常大。在设计换刀机器人之前,设计一套适用于便于机器操作的一体化刀具系统及其换刀执行器是必不可少的工作。针对以上问题,本文主要工作内容如下:(1)分析了目前市场上应用的四种传统滚刀结构的特点,根据将滚刀、锁紧块、螺栓集成的思想提出三种不同结构的一体式刀具系统方案。针对机器换刀操作提出一体式刀具评价的7项性能指标:静刚度、静强度、重量、三维尺寸、抽出尺寸、拆卸动作及预紧力。对比分析三种一体式结构方案、传统刀具方案以及BOUYGUES公司方案的各项指标,得到一种针对机器换刀的最优刀具方案。通过3D打印技术加工缩尺方案,针对实物模型再次优化其结构,并加工出最终方案的缩尺样件。(2)在设计完成一体式刀具系统结构基础上,对其振动条件下,结构的预紧力变化进行了实验研究,设计了针对刀具结构的振动紧固性实验。在20小时振动后,振动加速度为3g时,传统刀具残余预紧力百分比下降幅度是新型刀具的1.76倍;振动加速度为10g时,传统刀具残余预紧力百分比下降幅度是新型刀具的2.69倍,即新型刀具系统在长时间内抵抗预紧力下降能力优于传统刀座。(3)针对设计的一体式刀具系统结构,结合TBM空间限制,设计了换刀机器人的末端操作执行器。执行器结构包括:抓取、螺栓松紧、伸缩和旋转自由度。通过有限元软件对结构及关键零部件进行静力学校核,执行器在恶劣工况下最大变形为1.2738mm,最大应力为103.97Mpa。基于拉格朗日建立了执行器的动力学方程,与Adams仿真软件运动响应进行对比,得到推导的动力学方程求解结果与Adams虚拟仿真结果最大相对误差0.11%。(4)针对TBM换刀机器人以及执行器设计了验证其功能的缩尺实验台。以某型号TBM为缩尺对象,保留换刀时的主要空间限制条件,以单把可调节极角、极径、俯仰角的滚刀刀箱模拟整个换刀范围的滚刀,设计的实验台结构包括极角调节、极径调节以及俯仰角调节。在搭建完成实验台样机后,对主要设计参数进行了测量验证,除整体设计尺寸有所增大外,主要参数调节指标均在设计范围内。