基于路徑規(guī)劃的大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)研究

王清峰，陳 航

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

傳統(tǒng)的煤礦鉆機(jī)上、下鉆桿完全依靠人力，勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工效率低，存在較大的安全隱患[1-4]。近年來，隨著對(duì)自動(dòng)鉆機(jī)的研究和應(yīng)用不斷深入，作為其重要配套裝置的鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)也在不斷創(chuàng)新。國(guó)外智能化鑿巖臺(tái)車和礦山取芯鉆機(jī)領(lǐng)域率先出現(xiàn)了鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)。鑿巖臺(tái)車一般用于施工巖巷爆破炮眼，成孔直徑小、深度淺，攜帶長(zhǎng)度為20～30 m 的小直徑鉆桿即可滿足需求[5]。取芯鉆機(jī)雖然采用了較大直徑的取芯鉆桿，但一般鉆進(jìn)深度淺，通常采用單根鉆桿半自動(dòng)輸送的方式，即人工將單根鉆桿放入指定裝置，再由該裝置輸送給鉆機(jī)主機(jī)實(shí)施鉆進(jìn)。由于鑿巖臺(tái)車和取芯鉆機(jī)的工況條件與煤礦井下瓦斯抽放、防沖卸壓、探放水等工程鉆孔施工存在較大差異，因此鑿巖臺(tái)車和取芯鉆機(jī)的鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)無法應(yīng)用于煤礦自動(dòng)鉆機(jī)?，F(xiàn)有的煤礦鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)以開放框架式和旋轉(zhuǎn)式為主[6-10]，雖然較好地適應(yīng)了鉆桿直徑大和粉塵污染嚴(yán)重的現(xiàn)場(chǎng)工況條件，但是都存在著鉆桿容量小的明顯缺陷。在鉆孔施工過程中，需要人工多次添加鉆桿，限制了自動(dòng)鉆機(jī)減人提效作用的發(fā)揮，成為煤礦鉆機(jī)自動(dòng)化水平進(jìn)一步提升的瓶頸。

為解決現(xiàn)有煤礦鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)存在的問題，在分析、規(guī)劃與分解鉆桿輸送路徑的基礎(chǔ)上，研發(fā)了大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆桿大容量存儲(chǔ)和精確自動(dòng)輸送。

1 鉆桿輸送路徑規(guī)劃

1.1 單根鉆桿一般路徑規(guī)劃

根據(jù)自動(dòng)鉆機(jī)的工作特點(diǎn)，鉆桿輸送路徑的起點(diǎn)為鉆桿箱內(nèi)某一特定位置，終點(diǎn)必然與鉆機(jī)動(dòng)力頭、夾持器之間的鉆進(jìn)軸線重合。

由于鉆桿材質(zhì)密度的均勻性和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可取其重心作為起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)系的原點(diǎn)。因此，定義起點(diǎn)位置的鉆桿重心為基準(zhǔn)坐標(biāo)系{O}的原點(diǎn)，沿鉆桿軸線指向鉆進(jìn)方向?yàn)?x，垂直指向鉆機(jī)主機(jī)方向?yàn)?y，豎直向上為+z，且鉆桿的起點(diǎn)坐標(biāo)系{S}與基準(zhǔn)坐標(biāo)系重合。類似地，定義鉆桿終點(diǎn)位置的重心為終點(diǎn)坐標(biāo)系{E}的原點(diǎn)，+xE與+x同向，+zE與+z同向，+yE與+y反向。要實(shí)現(xiàn)鉆桿由鉆桿箱到鉆進(jìn)軸線的輸送，即在保持鉆桿姿態(tài)不變的情況下，在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中完成起點(diǎn)坐標(biāo)系原點(diǎn)到終點(diǎn)坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置變換，鉆桿的輸送路徑即為這兩點(diǎn)間的坐標(biāo)移動(dòng)軌跡。

為使鉆桿輸送路徑的規(guī)劃具有一般性，假設(shè)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系{O}中，起點(diǎn)坐標(biāo)系原點(diǎn)OS(xSO,ySO,zSO)與終點(diǎn)坐標(biāo)系原點(diǎn)OE(xEO,yEO,zEO)的3個(gè)分量均不相同[11-16]。單根鉆桿坐標(biāo)系建立與一般輸送路徑如圖1所示。

1—鉆桿；2—機(jī)架；3—?jiǎng)恿︻^；4—鉆進(jìn)軸線；5—夾持器。

(1)

即鉆桿在直角坐標(biāo)系中3個(gè)方向的位移分別為：

(2)

1.2 多列多層鉆桿起點(diǎn)歸一化方法

為滿足煤礦井下深孔鉆進(jìn)的需求，鉆桿箱內(nèi)需存儲(chǔ)多根鉆桿。按照易取出、易回收、大容量的原則，設(shè)計(jì)鉆桿擺放方式為多列多層方式，并按列豎直向上取出，如圖2所示。

圖2 多列多層鉆桿起點(diǎn)歸一化示意圖

(3)

式中：p為鉆桿列代碼，1≤p≤n；q為鉆桿行代碼，1≤q≤m。

此時(shí)x方向無移動(dòng)，并假設(shè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系與g(1,1)的起點(diǎn)坐標(biāo)系重合。結(jié)合圖2可得，3個(gè)方向的分量為：

(4)

1.3 輸送路徑方案設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆桿路徑一般性的假設(shè)，以及多列多層的擺放方式，制訂了鉆桿頂部輸送和升降輸送2套路徑總體規(guī)劃方案。

1.3.1 頂部輸送路徑方案

鉆桿頂部輸送路徑方案如圖3所示。該方案可分解為起點(diǎn)歸一化、對(duì)正調(diào)節(jié)、平移輸送3個(gè)階段，共有A1～A55段子路徑：

2)對(duì)正調(diào)節(jié)：經(jīng)過子路徑A3和A4，分別使鉆桿g(p,q)在z軸和x軸方向上與鉆進(jìn)軸線對(duì)齊；

3)平移輸送：經(jīng)過子路徑A5，使鉆桿g(p,q)沿y軸向鉆進(jìn)軸線移動(dòng)，并最終與之重合。

圖3 鉆桿頂部輸送路徑方案

該方案非常接近單根鉆桿一般路徑，路徑較為簡(jiǎn)單，充分利用了鉆桿存儲(chǔ)設(shè)備上方的空間，有助于減小鉆桿輸送裝置在水平面內(nèi)沿x、y軸方向的尺寸。但是，該方案對(duì)z軸方向(即鉆機(jī)高度方向)的空間需求較大，可能會(huì)增加鉆機(jī)整體高度，減弱鉆機(jī)的通過性。

1.3.2 升降輸送路徑方案

鉆桿升降輸送路徑方案如圖4所示。該方案可分解為起點(diǎn)歸一化、下降移動(dòng)、對(duì)正調(diào)節(jié)、平移輸送4個(gè)階段，共有B1～B66段子路徑：

1)起點(diǎn)歸一化：經(jīng)過子路徑B1和B2，將任意待輸送鉆桿g(p,q)的起點(diǎn)移動(dòng)至g(1,1)的起點(diǎn)OS(1,1)；

2)下降移動(dòng)：經(jīng)過子路徑B3，將鉆桿移動(dòng)至鉆桿箱側(cè)面下方；

3)對(duì)正調(diào)節(jié)：經(jīng)過子路徑B4和B5，分別使鉆桿g(p,q)在x軸和z軸方向上與鉆進(jìn)軸線對(duì)齊；

4)平移輸送：經(jīng)過子路徑B6，使鉆桿g(p,q)沿y軸向鉆進(jìn)軸線移動(dòng)，并最終與之重合。

圖4 鉆桿升降輸送路徑方案

該方案在一般路徑的基礎(chǔ)上，通過一個(gè)升降往返路徑(B3和B5)，將鉆桿沿x軸方向的移動(dòng)調(diào)整到鉆桿箱的側(cè)下方，有助于降低鉆桿輸送裝置和鉆機(jī)整機(jī)的高度，但有可能增加輸送系統(tǒng)的執(zhí)行動(dòng)作數(shù)量。

1.3.3 方案選擇分析

具體鉆桿輸送路徑的選擇應(yīng)充分結(jié)合鉆機(jī)總體設(shè)計(jì)方案及適用工況條件。ZYWL全方位自動(dòng)鉆機(jī)總體布局方案如圖5所示。

1—控制系統(tǒng)；2—履帶車；3—姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置；4—?jiǎng)恿︻^；5—機(jī)架；6—雙夾持器。

該方案的最大特點(diǎn)是將機(jī)架橫向外置，大幅降低了鉆機(jī)開孔高度和整機(jī)高度，同時(shí)擴(kuò)展了鉆孔傾角和方位角范圍，可同時(shí)滿足工作面端頭與兩幫大傾角鉆孔需求。因此，根據(jù)降低鉆機(jī)高度的整體設(shè)計(jì)理念，采用升降輸送路徑方案。

2 大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

根據(jù)升降輸送路徑方案，擬設(shè)計(jì)與鉆機(jī)主機(jī)相對(duì)固定的鉆桿箱；子路徑B1～B3由同一執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成，且B1、B3應(yīng)由同一個(gè)移動(dòng)副往復(fù)執(zhí)行；B4由另一個(gè)移動(dòng)副完成；B5、B6由同一執(zhí)行機(jī)構(gòu)的2個(gè)移動(dòng)副完成，且該執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)同時(shí)具備隨機(jī)架調(diào)整傾角的轉(zhuǎn)動(dòng)副。所設(shè)計(jì)的大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)如圖6所示。

1—副機(jī)械手；2—鉆桿箱；3—轉(zhuǎn)運(yùn)器；4—主機(jī)械手。

該系統(tǒng)由鉆桿箱、轉(zhuǎn)運(yùn)器、主機(jī)械手和副機(jī)械手組成。鉆桿箱是存儲(chǔ)鉆桿的設(shè)備，根據(jù)需要最多可存儲(chǔ)近100根鉆桿；轉(zhuǎn)運(yùn)器實(shí)現(xiàn)鉆桿與鉆機(jī)沿x軸對(duì)齊，即執(zhí)行子路徑B4；副機(jī)械手實(shí)現(xiàn)鉆桿從鉆桿箱到轉(zhuǎn)運(yùn)器的輸送，即執(zhí)行子路徑B1～B3；主機(jī)械手實(shí)現(xiàn)鉆桿從轉(zhuǎn)運(yùn)器到鉆進(jìn)軸線的輸送，即執(zhí)行子路徑B5、B6。

2.2 鉆桿箱

鉆桿箱主體為豎直多列、頂部開口的框架式箱體，所有鉆桿均從頂部開口取出，保持了鉆桿輸送路徑的一致性?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)需求通過增減列數(shù)或高度，調(diào)整鉆桿箱容量，樣機(jī)設(shè)計(jì)為9列8行，容量為72根鉆桿。為便于全方位自動(dòng)鉆機(jī)方位角調(diào)整，鉆桿箱與回轉(zhuǎn)平臺(tái)固定連接，相對(duì)鉆機(jī)主機(jī)始終水平固定放置。鉆桿箱結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1—箱體；2—齒條。

2.3 副機(jī)械手

副機(jī)械手具有2個(gè)伸縮和1個(gè)平移共計(jì)3個(gè)自由度，由手爪、伸縮關(guān)節(jié)Ⅰ、伸縮關(guān)節(jié)Ⅱ和平移關(guān)節(jié)等構(gòu)成，如圖8所示。手爪為油缸驅(qū)動(dòng)的單邊鉗式結(jié)構(gòu)，執(zhí)行鉆桿夾持動(dòng)作；平移關(guān)節(jié)為液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)鉆桿沿y軸平移，執(zhí)行子路徑B2；伸縮關(guān)節(jié)Ⅰ和Ⅱ均為油缸驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)副，組合執(zhí)行子路徑B1、B3。伸縮關(guān)節(jié)Ⅰ使鉆桿沿y軸移動(dòng)時(shí)高于鉆桿箱，避免被干擾；伸縮關(guān)節(jié)Ⅱ帶動(dòng)鉆桿在鉆桿箱內(nèi)沿z軸升降。

1—滑塊；2—齒輪；3—液壓馬達(dá)；4—伸縮關(guān)節(jié)Ⅰ；5—伸縮關(guān)節(jié)Ⅱ；6—手爪。

2.4 轉(zhuǎn)運(yùn)器

轉(zhuǎn)運(yùn)器由盒體、調(diào)寬機(jī)構(gòu)、對(duì)正油缸和導(dǎo)軌等組成，如圖9所示。盒體為鉆桿輸送容器，在對(duì)正油缸的驅(qū)動(dòng)下沿導(dǎo)軌在x軸方向來回運(yùn)動(dòng)，使鉆桿對(duì)齊鉆進(jìn)軸線或鉆桿箱，執(zhí)行子路徑B4。調(diào)寬機(jī)構(gòu)由油缸驅(qū)動(dòng)，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)器的鉆桿放置寬度，提高鉆桿對(duì)正精度，并使轉(zhuǎn)運(yùn)器可適應(yīng)不同長(zhǎng)度的鉆桿。

1—盒體；2—調(diào)寬機(jī)構(gòu)；3—安裝座；4—導(dǎo)軌；5—對(duì)正油缸。

2.5 主機(jī)械手

主機(jī)械手具有傾角調(diào)節(jié)、回轉(zhuǎn)和伸縮3個(gè)自由度，由傾角關(guān)節(jié)、翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伸縮關(guān)節(jié)和手爪等構(gòu)成，如圖10所示。傾角關(guān)節(jié)以液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)式減速器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)械手-90°～+90°傾角調(diào)節(jié)，保持鉆桿與鉆機(jī)主機(jī)傾角同步。翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用液壓馬達(dá)直驅(qū)的回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，以回轉(zhuǎn)方式實(shí)現(xiàn)鉆桿沿z軸移動(dòng)(即子路徑B5)，同時(shí)完成到子路徑B6的過渡。該關(guān)節(jié)的最大優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)利用轉(zhuǎn)運(yùn)器上方的空間，減小鉆機(jī)x、y方向的尺寸，同時(shí)避免鉆桿與機(jī)架、姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置發(fā)生干涉。手爪、伸縮關(guān)節(jié)的功能和結(jié)構(gòu)均與副機(jī)械手類似，通過伸縮關(guān)節(jié)的帶動(dòng)，鉆桿沿子路徑B6靠近或遠(yuǎn)離鉆進(jìn)軸線。

3 理論驗(yàn)算與樣機(jī)試制

3.1 理論驗(yàn)算

3.1.1 鉆桿實(shí)際輸送路徑

鉆桿的實(shí)際輸送路徑如圖11所示。

圖11 鉆桿實(shí)際輸送路徑示意圖

鉆桿實(shí)際輸送路徑的子路徑T1～T4與設(shè)計(jì)方案的子路徑B1～B4相同，考慮到鉆機(jī)布局、避免干涉等方面的原因，實(shí)際輸送路徑與設(shè)計(jì)方案存在以下差異：

1)起點(diǎn)歸一化時(shí)，鉆桿實(shí)際起點(diǎn)OS(1,1)位于鉆桿g(1,1)正上方，確保鉆桿從鉆桿箱內(nèi)取出；

2)采用翻轉(zhuǎn)子路徑T5實(shí)現(xiàn)鉆桿沿z軸移動(dòng)，同時(shí)完成到子路徑T6的過渡。實(shí)際執(zhí)行中，T5、T6可同時(shí)執(zhí)行，以提高輸送效率。

3.1.2 起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)驗(yàn)算

以鉆桿實(shí)際起點(diǎn)OS(1,1)為基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點(diǎn)，以輸送路徑最遠(yuǎn)的鉆桿g(9,8)為例進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)得鉆桿起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)為：

(5)

鉆桿輸送過程各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作及參數(shù)如表1所示，僅列出與鉆桿輸送路徑相關(guān)動(dòng)作的參數(shù)值。

表1 鉆桿輸送過程動(dòng)作參數(shù)

將表1中沿相同坐標(biāo)軸移動(dòng)的參數(shù)值與鉆桿起點(diǎn)坐標(biāo)相加，正向取“+”號(hào)，負(fù)向取“-”號(hào)，可得：

(6)

對(duì)比式(5)和式(6)可知，所規(guī)劃的路徑實(shí)現(xiàn)了鉆桿起點(diǎn)與終點(diǎn)的重合。

3.2 虛擬樣機(jī)干涉檢查

采用Inventor的干涉檢查功能，分別對(duì)副機(jī)械手與鉆桿箱、副機(jī)械手與轉(zhuǎn)運(yùn)器、主機(jī)械手與轉(zhuǎn)運(yùn)器、主機(jī)械手與姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行檢查，結(jié)果均為無干涉，表明各機(jī)構(gòu)可在給定行程內(nèi)任意運(yùn)動(dòng)，完成整箱鉆桿的輸送與回收。

3.3 樣機(jī)試制

根據(jù)鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和鉆桿輸送路徑方案進(jìn)行加工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，試制了采用大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)的ZYWL-2000Y型全方位自動(dòng)鉆機(jī)樣機(jī)，并對(duì)鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)調(diào)試。調(diào)試過程中，鉆桿輸送路徑與設(shè)計(jì)路徑一致；輸送系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作執(zhí)行到位，運(yùn)動(dòng)過程無干涉，且留有適當(dāng)空間距離，可設(shè)計(jì)并行動(dòng)作提高輸送效率。樣機(jī)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

圖12 樣機(jī)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

從2019年10月開始，采用大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)的ZYWL-2000Y型全方位自動(dòng)鉆機(jī)，在神東錦界礦進(jìn)行了探放水鉆孔施工，鉆孔設(shè)計(jì)傾角60°～80°，深度120～140 m。之前采用傳統(tǒng)鉆機(jī)施工鉆孔，勞動(dòng)強(qiáng)度大，每臺(tái)鉆機(jī)單班需配備4人；操作人員在近孔口位置，勞動(dòng)環(huán)境較差。

采用自動(dòng)鉆機(jī)后，鉆孔施工全過程為全自動(dòng)鉆進(jìn)、全自動(dòng)上下鉆桿，人員只需向鉆桿箱內(nèi)添加2～3次鉆桿。因此，單班只需配備2人，且操作人員可遠(yuǎn)距離遙控鉆機(jī)，大幅減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)環(huán)境。

5 結(jié)論

1)借鑒矩陣原理對(duì)鉆桿輸送路徑進(jìn)行歸一化處理，使得全部鉆桿路徑可進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，有利于簡(jiǎn)化輸送路徑方案和輸送機(jī)構(gòu)設(shè)置；

2)升降輸送路徑方案將鉆桿沿x軸方向的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(轉(zhuǎn)運(yùn)器)設(shè)于鉆桿箱側(cè)下方，滿足了全方位自動(dòng)鉆機(jī)降高度的整體要求；

3)按照路徑與運(yùn)動(dòng)副對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)了由鉆桿箱、轉(zhuǎn)運(yùn)器、主機(jī)械手和副機(jī)械手等組成的大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并根據(jù)結(jié)構(gòu)方案對(duì)輸送路徑進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整，使其更加符合鉆機(jī)總體布局需求，避免結(jié)構(gòu)干涉；

4)理論驗(yàn)算與樣機(jī)試驗(yàn)表明，大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)的路徑簡(jiǎn)單合理，各機(jī)構(gòu)執(zhí)行準(zhǔn)確可靠，自動(dòng)輸送鉆桿高效安全。