計(jì)算機(jī)控制鑿巖臺車（隧道鑿巖機(jī)器人）簡介

范子正

（華東師范大學(xué)第一附屬中學(xué)，上海 200434）

1 緒論

開挖隧道與山洞的工作是交通建設(shè)、能源發(fā)展、建筑施工等各領(lǐng)域中十分重要的一項(xiàng)施工作業(yè)。先前的鑿巖臺車均是工人進(jìn)行手動操作的，不但工人的勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣，而且工作的精度和可靠性很大程度上依賴于操作工人的熟練度，其鑿巖精度也隨著斷面橫截面積的增大和道路彎曲程度而改變。

1.1 巖石破碎機(jī)理

鑿巖機(jī)械的工作目標(biāo)多為礦山中的巖石和礦石，而進(jìn)行隧道掘進(jìn)作業(yè)的目的就是為了破碎巖石。巖石由于其組成的礦物質(zhì)顆粒的形狀與尺寸、相互間的排列位置不同而形成不同的種類，根據(jù)其形成原因不同可大致分為三類：沉積巖、火山巖和變質(zhì)巖。巖石的某些工程特性，例如其構(gòu)造、硬度、磨蝕性、破碎性能等決定了巖石的破碎方式，即進(jìn)行爆破或鉆進(jìn)。不僅如此，這些參數(shù)也影響著開采方式的改變和鉆進(jìn)技術(shù)的提升。

巖石的固有工程特性以及相關(guān)鉆進(jìn)工藝、鉆具的選擇決定巖石是否可鉆，而其指標(biāo)一般可用鉆頭磨損指數(shù)和鉆速指數(shù)來表示；巖石的可爆破性是指巖石在爆破時受到阻力的大小，該指標(biāo)受巖石的均質(zhì)性、硬度、韌性以及破碎性能所影響。

目前巖石的鉆進(jìn)方式大都為機(jī)械鉆進(jìn)式，根據(jù)鉆機(jī)的工作原理不同可以大致分為三類：旋轉(zhuǎn)式、旋轉(zhuǎn)沖擊式和沖擊旋轉(zhuǎn)式，針對不同硬度的巖石可選擇不同種類的鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。

1.2 鉆車的分類

液壓鑿巖臺車屬于地下工程施工機(jī)械，其分類方式各有不同，按行走機(jī)構(gòu)的差別可分為軌道式、履帶式、輪胎式；根據(jù)工作的功能可分為錨桿臺車、裝藥臺車、鑿巖臺車、噴漿臺車、采礦臺車；根據(jù)工作原理的差別可分為沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，包括露天鉆機(jī)、鑿巖臺車、潛孔鉆機(jī)；連續(xù)旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，如切削鉆機(jī)；旋轉(zhuǎn)沖擊式鉆機(jī)，如牙輪鉆機(jī)。

2 鑿巖機(jī)器人詳述

鑿巖機(jī)器人是一種用于隧道和地下工程建設(shè)的鑿巖設(shè)備，采用鉆進(jìn)和爆破的方式進(jìn)行作業(yè)，其特點(diǎn)是可以進(jìn)行移動，并且在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的作用下，支持多臺鉆機(jī)同時進(jìn)行作業(yè)。

2.1 鑿巖機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)

鑿巖臺車的主要作用是在進(jìn)行移動的尋找爆破孔并定位之后，進(jìn)行炮孔的鉆鑿，同時也集填裝炸藥、穩(wěn)定車體、移動行走、收放電纜、補(bǔ)充液壓油等輔助功能于一體。我國自主研發(fā)的第一臺鑿巖機(jī)器人采用龍門架式車體，由鉆臂及安裝在其上的鑿巖機(jī)和推進(jìn)器、輔助臂、伸縮式龍門架、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、輔助功能系統(tǒng)組成鑿巖臺車本體；由操作裝置、傳感器組、計(jì)算機(jī)控制器、監(jiān)控檢測系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)；鉆臂在進(jìn)行炮孔定位及鉆鑿過程中均采用電液比例控制的方式進(jìn)行工作。

2.2 電腦控制鑿巖臺車的優(yōu)越性

隧道鑿巖工作的效率取決于斷面爆破的效率，而斷面爆破是否滿足預(yù)期的要求，很大程度上取決于鑿巖爆破孔的鉆孔精度。傳統(tǒng)鑿巖臺車的工作效率很大程度上依賴于操作工人的操作熟練度，而僅由于工人操作熟練度的不同，鑿巖效率最大就能相差高達(dá)30%。與傳統(tǒng)鑿巖臺車相比，計(jì)算機(jī)控制鑿巖臺車具有以下優(yōu)越性：首先鉆臂由計(jì)算機(jī)自動控制，不需要進(jìn)行人工作業(yè)，大大改善了作業(yè)環(huán)境；其次，鉆臂會按照預(yù)先在控制器中輸入的程序進(jìn)行軌跡的規(guī)劃及尋找爆破孔的位置，無需在工作斷面畫爆破孔；再者，由于不需要工人進(jìn)行施工作業(yè)，因此不需要操作工人具備很高的操作熟練度；由于采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和規(guī)劃，可以很精確的控制鉆進(jìn)炮孔的角度、直徑和深度，同時能智能尋找出最優(yōu)的鉆孔路徑，與此同時，避免鉆臂干涉，大大減少了工作成本；計(jì)算機(jī)在鑿巖的過程中能自動記錄各項(xiàng)工作數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)，從而利于工作人員發(fā)現(xiàn)工作工程中的有關(guān)問題，改進(jìn)鉆進(jìn)技術(shù)，制定合理的維修方案、設(shè)備維護(hù)周期等，減少設(shè)備的損耗。

根據(jù)有關(guān)施工現(xiàn)場提供的數(shù)據(jù)表明，采用計(jì)算機(jī)控制的鑿巖臺車，其工作時的不必要開采量可減少10%以上，單次爆破深度能提高10%以上，設(shè)備壽命尤其是鉆頭使用壽命提高20%以上，總生產(chǎn)效率提高約20%。以上各種數(shù)據(jù)充分表明，相對于傳統(tǒng)的鑿巖臺車，使用計(jì)算機(jī)控制鑿巖臺車，其經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

2.3 鑿巖機(jī)器人的發(fā)展

國內(nèi)對液壓鑿巖設(shè)備的研究幾乎與國外同步,在國家863計(jì)劃的資助下，中南大學(xué)在2000年前后成功開發(fā)出國內(nèi)第一臺計(jì)算機(jī)控制鑿巖鉆車樣機(jī)，并達(dá)到1998年前的國際先進(jìn)水平。該樣機(jī)具備計(jì)算機(jī)控制導(dǎo)向、自動防卡釬等功能，在簡單工況下能夠可以實(shí)現(xiàn)鉆孔的自動定位和自動鉆孔功能。該樣機(jī)在自動化功能方面做了深入研究，如激光車體定位、運(yùn)動學(xué)求解、工作空間求解、孔序動態(tài)規(guī)劃、雙三角平行聯(lián)動機(jī)構(gòu)各油缸的負(fù)載分析與運(yùn)動速度比例控制等。同時，中南大學(xué)還依據(jù)鐵路隧道國標(biāo)開發(fā)了一套與之配套的適合我國國情的隧道斷面與布孔設(shè)計(jì)軟件。此外，中南大學(xué)還對鑿巖鉆車機(jī)械臂的運(yùn)作進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)研究，開發(fā)了一套虛擬現(xiàn)實(shí)軟件。該鉆車樣機(jī)本體接近世界先進(jìn)水平，其自主開發(fā)的控制系統(tǒng)已達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

為了進(jìn)一步在該領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平，湖南山河智能機(jī)械股份有限公司聯(lián)合中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，在國家 863計(jì)劃引導(dǎo)項(xiàng)目資金的資助下，正在全面推進(jìn)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，并加快控制系統(tǒng)的研究，著力開發(fā)計(jì)算機(jī)控制的多鉆臂液壓鑿巖鉆車，為盡早實(shí)現(xiàn)全自動化與智能化做準(zhǔn)備。

3 隧道鑿巖機(jī)器人的定位及工作原理

3.1 定位原理

鑿巖機(jī)器人在開始鉆孔前，必須有一套簡單而可行的定位方案來確定隧道斷面與鑿巖機(jī)器人車體以及鉆臂之間的相互位置關(guān)系。

3.1.1 車體定位原理

首先將鑿巖臺車的車體停放在裝有激光發(fā)生器的隧道斷面前，激光發(fā)生器發(fā)射出的激光在大地坐標(biāo)系(固定坐標(biāo)系)中的坐標(biāo)得以確定，將鉆車的鉆臂、釬桿全部收縮至極限位置，調(diào)節(jié)鉆臂的位置使得激光發(fā)生器發(fā)射出的激光恰好通過位于鉆臂后方推進(jìn)器上的激光靶，由PLC采集此時鑿巖機(jī)器人鉆臂各個關(guān)節(jié)的角度和位移并將這些數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)進(jìn)行分析，求出車體坐標(biāo)至固定坐標(biāo)系的變換矩陣，以此來確定需要鉆進(jìn)的炮孔相對于車體的方位。

3.1.2 鉆臂定位原理

根據(jù)炮孔布置圖每個炮孔相對于車體坐標(biāo)的位姿矩陣，由鉆臂運(yùn)動學(xué)方程的逆解求出每個關(guān)節(jié)應(yīng)轉(zhuǎn)動（或移動）的角度（距離），再由控制系統(tǒng)控制鉆臂運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)定位。

3.1.3 工作方式

鑿巖機(jī)器人的工作方式，根據(jù)其自動化程度由高至低可分為全自動鑿巖、計(jì)算機(jī)控制鑿巖以及人工控制鑿巖，其工作模式的切換可根據(jù)實(shí)際工作情況與隧道斷面的性質(zhì)，通過控制面板上的工作模式按鍵進(jìn)行選擇。

目前最為常見的鑿巖機(jī)器人工作方式即計(jì)算機(jī)控制鑿巖，該模式是由操作人員將預(yù)先設(shè)計(jì)規(guī)劃好的鑿巖炮孔布置圖存入鑿巖機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制器內(nèi)，在工作時根據(jù)實(shí)際的工作情況，由操作人員選擇最佳的鉆孔軌跡，作為鑿巖的真實(shí)目標(biāo)。

3.2 工作原理

當(dāng)車體定位完成后，操作工人將預(yù)先設(shè)計(jì)布置好的炮孔圖調(diào)出，此時如果選擇全自動鑿巖方試，則只需按下“自動”按鈕，鉆臂將會自動完成定位，同時開始按照預(yù)先確定的鉆孔軌跡和鉆孔深度開始自動鑿巖；如果選擇計(jì)算機(jī)控制鑿巖模式，則需要手動操作將顯示器上鉆臂的位置與鉆孔的位置重合，再按下“鉆進(jìn)”按鈕開始鉆孔，同時，在使用該模式時，需要隨時根據(jù)鉆孔情況和鉆臂位置選擇最優(yōu)的鉆孔軌跡。

若由于鉆臂打滑或者控制系統(tǒng)故障等原因而出現(xiàn)未鉆進(jìn)的炮孔，則需要采用人工控制模式，由工人手動操作進(jìn)行鉆進(jìn)。

3.2.1 液壓系統(tǒng)的工作原理

鑿巖臺車的液壓系統(tǒng)主要由定位控制回路、鉆臂控制回路、輔助臂控制回路等主回路以及行走、升降、穩(wěn)車等輔助回路而構(gòu)成。鉆臂控制回路一般為相互獨(dú)立的兩個鉆臂，且兩個鉆臂與輔助臂不能同時工作。液壓系統(tǒng)的液壓動力源為兩臺串聯(lián)的恒壓變量泵(一臺主泵一臺輔泵)，恒壓變量泵是指在工作壓力已經(jīng)給定并設(shè)置完成后，泵的排量能根據(jù)工作負(fù)載的變化自動進(jìn)行調(diào)節(jié)。

定位控制回路通過主泵進(jìn)行供油，通過若干換向閥和比例閥進(jìn)行控制，加以集成的插裝閥來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成多個定位時的位移動作，包括鉆臂平移、鉆臂升降與俯仰、位移速度控制等。

鑿巖控制回路仍然通過主泵進(jìn)行供油，包括鑿巖沖擊回路與推進(jìn)回路，通過比例控制來實(shí)現(xiàn)不同工況下沖擊與推進(jìn)的匹配。推進(jìn)器與鉆臂的回轉(zhuǎn)由輔助泵單獨(dú)進(jìn)行供油。

輔助臂控制回路由主泵進(jìn)行供油，采用比例閥分別驅(qū)動各個執(zhí)行液壓缸，實(shí)現(xiàn)司機(jī)室的升降、輔助臂的升降與俯仰、輔助臂吊籃的上下平移等動作。

3.2.2 控制系統(tǒng)的工作原理

鑿巖臺車為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的功能，首先必須將隧道斷面上的鑿巖炮孔的位置進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)完成后將設(shè)計(jì)圖存入臺車的控制系統(tǒng)內(nèi)，通過激光定位原理確定車體坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系(即隧道斷面坐標(biāo)系)的聯(lián)系，確定鉆臂需要進(jìn)行鉆進(jìn)的位置、深度、角度等參數(shù)，并將這些信息反饋給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)根據(jù)這些信息控制臺車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)，以達(dá)到快速、準(zhǔn)確、可靠地進(jìn)行鉆孔作業(yè)的目的。

4 結(jié)語

本文對目前國內(nèi)先進(jìn)的隧道鑿巖機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)地?cái)⑹觯榻B了其基本的結(jié)構(gòu)組成及發(fā)展情況，并且對該產(chǎn)品最為核心的定位原理和工作方式有了充分的了解和認(rèn)識。計(jì)算機(jī)控制的鑿巖機(jī)器人與傳統(tǒng)的鑿巖工具相比，不僅對操作者而言，減少了其工作強(qiáng)度、改善了工作條件、降低了操作門檻，而且對公司、企業(yè)而言，減少了工作成本、提高了工作效率、增加了工作的精度和可靠性，其優(yōu)點(diǎn)十分顯著。近年來，我國在隧道鑿巖機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，取得了不少突出的成果，在某些技術(shù)方面已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

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