大扭矩卸壓鉆機鉆桿換接機械手的設(shè)計

張祿洲 程舒燕 羅江南

（1.山東東山古城煤礦有限公司，山東 濟寧 272100；2.中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

生產(chǎn)實踐表明，隨著采深的增加，沖擊地壓等動力災(zāi)害發(fā)生的頻率和強度均顯著增加，嚴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、快捷、方便等優(yōu)點已成為我國絕大多數(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問題，山東古城煤礦和中國礦業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制了一種可以遠距離遙控的大扭矩自動化卸壓鉆機，該鉆機鉆桿的拆卸和安裝是自動化鉆進的重要環(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換鉆，換鉆效率低，工人勞動強度大。基于上述問題，本文設(shè)計了一種控制簡單、工作可靠的鉆桿換接機械手。

1 鉆機結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)

大扭矩卸壓鉆機由監(jiān)控系統(tǒng)、移動泵站、主機、機械手、鉆桿庫組成，各部分動作由監(jiān)控系統(tǒng)完成。主機、機械手、鉆桿庫、移動泵站采用剛性連接一起移動，所有動力均采用移動泵站的液壓力，操作臺和PLC 控制箱設(shè)置在100 m 以外的非工作區(qū)。鉆機可以通過遠距離遙控，控制機械手自動換接鉆桿，并進行遠程監(jiān)控，遠離鉆場，安全高效完成鉆孔任務(wù)。

鉆機主要技術(shù)參數(shù)如下：

鉆頭直徑 245 mm

鉆桿直徑 240 mm

鉆桿長度 1600 mm

煤層傾角 +15°～ -15°

鉆桿轉(zhuǎn)速 0～60 r/min

鉆桿推進速度 0～1.2 m/min

截割扭矩 23 000 N·m

進給/回拖力 320 kN

液壓系統(tǒng)壓力 ≤25 MPa

總功率 280 kW

2 鉆桿換接機械手的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

圖1 鉆桿換接機械手三維圖

如圖1 所示，回轉(zhuǎn)裝置1 采用回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)鉆桿換接機械手的回轉(zhuǎn)運動。升降裝置2 下端與回轉(zhuǎn)裝置1 固定。升降裝置2 通過安裝在內(nèi)部的升降油缸實現(xiàn)升降動作。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 的伸出端與擺動裝置4 相連，擺動裝置4 的伸出端與夾緊裝置5 固定。夾緊裝置5負責(zé)穩(wěn)定地夾緊鉆桿，避免鉆桿在搬運過程中晃動。

鉆桿換接機械手的夾緊裝置所能到達的空間點的集合是鉆桿換接機械手的工作空間，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)的鉆桿換接機械手控制簡單，工作可靠。工人根據(jù)夾緊裝置4與鉆桿的相對位置，通過遠程控制實現(xiàn)鉆桿的換接工作。鉆桿換接機械手最大工作位置如圖2 所示。

圖2 鉆桿換接機械手最大工作位置

（2）自由度分析

空間機械手自由度計算公式：

式中：M 為自由度，n 為機構(gòu)構(gòu)件數(shù)，g 為手臂機構(gòu)的運動副數(shù)，fi為第i 個運動副自由度數(shù)。

通過三維圖可以得到，機構(gòu)構(gòu)件n 為5，手臂結(jié)構(gòu)運動副數(shù)g 為4，因為鉆桿換接機械手的4 個運動副均為低副，所以為4，計算得到該機械手具有4 個自由度。值得注意的是，機械手的自由度并不包括夾緊裝置的開合自由度。圖3 為機械手的運動簡圖，其中，A、D 為轉(zhuǎn)動自由度，B、C 為移動自由度。

圖3 機械手運動簡圖

（3）鉆桿換接機械手運動學(xué)分析

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

圖4 鉆桿換接機械手連桿坐標系

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

表1 鉆桿換接機械手D-H 參數(shù)

通過測量得到鉆桿換接機械手的D-H 參數(shù)，并利用matlab robotic 工具箱建立機械手的運動模型。圖5 為Matlab Robotics 中鉆桿換接機械手模型。

圖5 鉆桿換接機械手模型

3 工業(yè)應(yīng)用

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

圖6 鉆桿換接機械手工作圖

（1）試驗結(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

擺動轉(zhuǎn)速 3 r/min

換接鉆桿時間 2 min

遠程監(jiān)控系統(tǒng)工作狀況 良好

（2）結(jié)果分析

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

鉆機試驗結(jié)果表明，鉆桿換接機械手的使用大大提高換鉆效率，保證工人的人身安全。但在啟動和停車階段，由于鉆桿質(zhì)量較大和加速度變化，機械手存在較大的振動。為解決振動問題，可以對機械臂的運動進行合理的軌跡規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃的結(jié)果調(diào)整比例閥開口大小，使機械手平穩(wěn)運行。

4 結(jié)論

（1）鉆桿換接機械手工作空間廣，控制簡單，運行可靠，可以通過遠距離監(jiān)控的方式完成鉆桿的換接工作，操作安全。

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

（3）鉆桿換接機械手存在4 個自由度，不但可以搬運鉆桿，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，以進一步提高鉆桿換接機械手的適用范圍。