大扭矩卸壓鉆機(jī)鉆桿換接機(jī)械手的設(shè)計(jì)

張祿洲 程舒燕 羅江南

（1.山東東山古城煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272100；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

生產(chǎn)實(shí)踐表明，隨著采深的增加，沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度均顯著增加，嚴(yán)重制約著深部煤炭資源的安全高效開采。防治措施主要有煤層鉆孔卸壓、煤層爆破卸壓、煤層注水、頂板爆破預(yù)裂、頂板水力致裂、底板鉆孔或爆破卸壓、弱化斷層煤柱等，而煤層大直徑鉆孔以其低擾動(dòng)、快捷、方便等優(yōu)點(diǎn)已成為我國(guó)絕大多數(shù)沖擊地壓礦井采用的常規(guī)防沖手段。為了解決山東古城煤礦的沖擊地壓?jiǎn)栴}，山東古城煤礦和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制了一種可以遠(yuǎn)距離遙控的大扭矩自動(dòng)化卸壓鉆機(jī)，該鉆機(jī)鉆桿的拆卸和安裝是自動(dòng)化鉆進(jìn)的重要環(huán)節(jié)。目前，井下鉆孔設(shè)備更換鉆桿主要依靠工人或者單軌吊方式來(lái)?yè)Q鉆，換鉆效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。基于上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種控制簡(jiǎn)單、工作可靠的鉆桿換接機(jī)械手。

1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)

大扭矩卸壓鉆機(jī)由監(jiān)控系統(tǒng)、移動(dòng)泵站、主機(jī)、機(jī)械手、鉆桿庫(kù)組成，各部分動(dòng)作由監(jiān)控系統(tǒng)完成。主機(jī)、機(jī)械手、鉆桿庫(kù)、移動(dòng)泵站采用剛性連接一起移動(dòng)，所有動(dòng)力均采用移動(dòng)泵站的液壓力，操作臺(tái)和PLC 控制箱設(shè)置在100 m 以外的非工作區(qū)。鉆機(jī)可以通過(guò)遠(yuǎn)距離遙控，控制機(jī)械手自動(dòng)換接鉆桿，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)離鉆場(chǎng)，安全高效完成鉆孔任務(wù)。

鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：

鉆頭直徑 245 mm

鉆桿直徑 240 mm

鉆桿長(zhǎng)度 1600 mm

煤層傾角 +15°～ -15°

鉆桿轉(zhuǎn)速 0～60 r/min

鉆桿推進(jìn)速度 0～1.2 m/min

截割扭矩 23 000 N·m

進(jìn)給/回拖力 320 kN

液壓系統(tǒng)壓力 ≤25 MPa

總功率 280 kW

2 鉆桿換接機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆桿連接裝置主要由五個(gè)組成部分：回轉(zhuǎn)裝置、升降裝置、平移裝置、擺動(dòng)裝置和夾緊裝置。

圖1 鉆桿換接機(jī)械手三維圖

如圖1 所示，回轉(zhuǎn)裝置1 采用回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鉆桿換接機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。升降裝置2 下端與回轉(zhuǎn)裝置1 固定。升降裝置2 通過(guò)安裝在內(nèi)部的升降油缸實(shí)現(xiàn)升降動(dòng)作。升降油缸一端固定在回轉(zhuǎn)裝置1 上，另一端與升降裝置2 上的外套筒鉸接。平移裝置3 采用與升降裝置2 類似的結(jié)構(gòu)，但平移裝置3 采用水平布置的方式，后端固定在升降裝置2 的頂部。平移裝置3 的伸出端與擺動(dòng)裝置4 相連，擺動(dòng)裝置4 的伸出端與夾緊裝置5 固定。夾緊裝置5負(fù)責(zé)穩(wěn)定地夾緊鉆桿，避免鉆桿在搬運(yùn)過(guò)程中晃動(dòng)。

鉆桿換接機(jī)械手的夾緊裝置所能到達(dá)的空間點(diǎn)的集合是鉆桿換接機(jī)械手的工作空間，豎直方向的工作范圍由升降裝置2 的行程決定，水平方向的工作范圍取決于平移裝置3 的行程。這種結(jié)構(gòu)的鉆桿換接機(jī)械手控制簡(jiǎn)單，工作可靠。工人根據(jù)夾緊裝置4與鉆桿的相對(duì)位置，通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)鉆桿的換接工作。鉆桿換接機(jī)械手最大工作位置如圖2 所示。

圖2 鉆桿換接機(jī)械手最大工作位置

（2）自由度分析

空間機(jī)械手自由度計(jì)算公式：

式中：M 為自由度，n 為機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)，g 為手臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副數(shù)，fi為第i 個(gè)運(yùn)動(dòng)副自由度數(shù)。

通過(guò)三維圖可以得到，機(jī)構(gòu)構(gòu)件n 為5，手臂結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副數(shù)g 為4，因?yàn)殂@桿換接機(jī)械手的4 個(gè)運(yùn)動(dòng)副均為低副，所以為4，計(jì)算得到該機(jī)械手具有4 個(gè)自由度。值得注意的是，機(jī)械手的自由度并不包括夾緊裝置的開合自由度。圖3 為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，其中，A、D 為轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，B、C 為移動(dòng)自由度。

圖3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

（3）鉆桿換接機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)是利用各關(guān)節(jié)的角度信息，得到末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置和姿態(tài)。針對(duì)本文的鉆桿換接機(jī)械手，擬采用改進(jìn)D-H 法建立鉆桿換接機(jī)械手的連桿坐標(biāo)系。圖4 為鉆桿換接機(jī)械手的連桿坐標(biāo)系，其中，X0Z0為基礎(chǔ)坐標(biāo)系，X1Z2是第一個(gè)連桿的坐標(biāo)系，X2Z3是第二個(gè)連桿的坐標(biāo)系，X3Z3是第三個(gè)連桿的坐標(biāo)系，X4Z4是末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系。

圖4 鉆桿換接機(jī)械手連桿坐標(biāo)系

基于改進(jìn)D-H 法連桿坐標(biāo)系的建立及連桿參數(shù)，量取實(shí)際鉆桿換接機(jī)械手的連桿長(zhǎng)度及扭腳，得到鉆桿換接機(jī)械手D-H 參數(shù)如表1 所示。

表1 鉆桿換接機(jī)械手D-H 參數(shù)

通過(guò)測(cè)量得到鉆桿換接機(jī)械手的D-H 參數(shù)，并利用matlab robotic 工具箱建立機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)模型。圖5 為Matlab Robotics 中鉆桿換接機(jī)械手模型。

圖5 鉆桿換接機(jī)械手模型

3 工業(yè)應(yīng)用

2019 年 12 月至 2020 年 1 月，樣機(jī)在山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)古城煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為古城煤礦31 采區(qū)集中軌道巷。該采區(qū)工作面標(biāo)高-1100～ -1142 m，煤層厚度8.4 m，煤層傾角0～18°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受沖擊地壓較明顯。圖6為鉆桿換接機(jī)械手工作圖。

圖6 鉆桿換接機(jī)械手工作圖

（1）試驗(yàn)結(jié)果

鉆桿質(zhì)量 100 kg

液壓系統(tǒng)壓力 8 MPa

手爪夾緊力 6.4 kN

手爪張開范圍 220～320 mm

回轉(zhuǎn)速度 12 r/min

升降速度 100 mm/s

平移速度 150 mm/s

擺動(dòng)轉(zhuǎn)速 3 r/min

換接鉆桿時(shí)間 2 min

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工作狀況 良好

（2）結(jié)果分析

鉆桿換接過(guò)程中，鉆桿換接機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，工作高度可達(dá)1.2 m，伸出水平距離可達(dá)1 m，利用擺動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)鉆桿安放角度的調(diào)整，調(diào)整角度0～180°整體運(yùn)行平穩(wěn)，可以滿足工作需求。

鉆機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆桿換接機(jī)械手的使用大大提高換鉆效率，保證工人的人身安全。但在啟動(dòng)和停車階段，由于鉆桿質(zhì)量較大和加速度變化，機(jī)械手存在較大的振動(dòng)。為解決振動(dòng)問(wèn)題，可以對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃的結(jié)果調(diào)整比例閥開口大小，使機(jī)械手平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)論

（1）鉆桿換接機(jī)械手工作空間廣，控制簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，可以通過(guò)遠(yuǎn)距離監(jiān)控的方式完成鉆桿的換接工作，操作安全。

（2）鉆桿換接機(jī)械手利用液壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力大，抓取牢固，抓取直徑范圍大，可完成對(duì)鉆桿和鉆頭的抓取。

（3）鉆桿換接機(jī)械手存在4 個(gè)自由度，不但可以搬運(yùn)鉆桿，還可以調(diào)整鉆桿擺放角度，但不可以調(diào)整鉆桿擺放傾角。在功能方面可以增加旋轉(zhuǎn)自由度，以進(jìn)一步提高鉆桿換接機(jī)械手的適用范圍。