一种快速准确实现凿岩钻机断面平行孔自动定位的方法
【专利摘要】本发明公开了一种快速准确实现凿岩钻机断面平行孔自动定位的方法，其内容是：分析液压凿岩钻机钻臂定位机构结构组成及各机构动作，根据液压凿岩钻机钻臂系统结构模型，利用D-H法建立液压凿岩钻机钻臂机构关节坐标系，对钻臂定位系统坐标系及连杆参数进行分析，计算出定位末端在基坐标系中的坐标与全部关节变量的函数关系；液压凿岩钻机断面平行孔区域规划：对全部关节变量进行求解：确定凿岩钻机在钻孔过程中定位末端的预定位位置，并计算出在基坐标系中定位末端的预定位坐标和全部目标关节变量，通过闭环实时驱动控制模块调节各个液压缸，判断定位末端是否达预定位位置。本发明大大降低了液压凿岩钻机钻臂系统关节变量的求解难度。
【专利说明】一种快速准确实现凿岩钻机断面平行孔自动定位的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及液压凿岩钻机智能控制【技术领域】，尤其涉及一种快速准确的实现断面 平行孔自动定位的方法。
【背景技术】
[0002] 随着石方开挖施工技术及先进生产工艺的日趋成熟和推广应用，液压凿岩钻机 技术取得了很大的发展，如在深孔梯段爆破、大孔径深孔预裂爆破、光面爆破、矿山削顶及 开采、交通建设的修边护坡、锚索孔及灌浆孔等的凿岩作业中，都得到了广泛的应用。目前 在凿岩开采过程中，隧道断面钻平行孔进行爆破应用最为广泛。然而，在钻平行孔的过程 中，钻孔位置的准确定位是整个凿岩钻孔施工的关键，现在普遍采用的方法是通过人工遥 控钻臂的运动，实现孔眼的定位，这种方法孔眼定位不准确，效率低，从而严重影响了爆破 效果。
[0003] 为了解决人工定位的不足，智能化自动定位已经成为凿岩钻机智能控制领域的发 展趋势。然而由于液压凿岩钻机工作环境复杂，更由于钻臂系统是一组多自由度度机构，对 钻臂末端定位时，需要对凿岩钻机钻臂系统进行运动学正解和逆解分析。然而，对于多自由 度串联机构而言，运动学正解较为容易，逆解一直是机器人领域研究的难点，目前所采用的 方法大都需要求解大量的非线性超越方程，因而求解速度缓慢、过程复杂，不适应于工程机 械通用控制器的要求。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种快速准确实现液压凿岩钻机 断面平行孔自动定位的方法，该方法适应于通用的工程机械控制器，并具有计算过程简 单、结果准确、利于控制、实时性高等优点。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] -种快速准确实现凿岩钻机断面平行孔自动定位的方法，其具体步骤如下：
[0007] 步骤 1 :
[0008] 分析液压凿岩钻机钻臂定位机构结构组成及各机构动作；
[0009] 步骤 2 :
[0010] 根据液压凿岩钻机钻臂系统结构模型，利用D-H法建立液压凿岩钻机钻臂机构关 节坐标系；
[0011] 步骤 3:
[0012] 对钻臂定位系统坐标系及连杆参数进行分析，计算出定位末端在基坐标系中的坐 标与全部关节变量的函数关系；
[0013] 步骤 4:
[0014] 液压凿岩钻机断面平行孔区域规划；钻机的钻臂运动在断面区域内形成一个无规 则的平面定位区域，由于推进器的移动，最终形成是一个立体空间；依次将钻臂与推进器协 调摆动到最大值，可知断面平行孔定位区域，并确定区域边界范围；断面的平行孔定位区域 通常是无规则的，在确定钻臂定位末端位置坐标时，为了便于判断，将无规则的边界进行线 性化修正处理，使得修正区域最大限度满足实际区域；
[0015]步骤5:
[0016] 对全部关节变量进行求解；依据平行孔钻孔原则，在自动定位的过程中，为了使定 位平稳，利于自动控制，尽量不让臂架作±180°运动，由于此限制减少了臂架运动的自由 度个数，从而减少了求解关节变量的数目；自动定位的过程中，只考虑臂架的定位，不考虑 推进器的钻孔过程，也就是钎杆的运动末端不考虑，所以可将钻进运动形成的关节变量看 作固定量；在钻凿平行孔时，臂架的摆动和俯仰运动与推进器的摆动和俯仰运动是成对存 在的，才能保证凿岩钻孔为平行孔，因此，将对称变化的关节变量进行归纳为一个变量；通 过上述限制将求解关节变量的个数限制为三个，在已知定位末端坐标的情况下，由步骤3 所得的函数关系，反解求出剩余三个关节变量，并导出其他关节变量；
[0017] 步骤 6 :
[0018] 确定凿岩钻机在钻孔过程中定位末端的预定位位置，并计算出在基坐标系中定位 末端的预定位坐标，判断定位末端的预定位坐标是否在断面平行孔区域内，若在此区域内， 则进行下一步，若不在此区域内，则调整车体位置，使得定位末端的预定位坐标移动到断面 平行孔区域内；
[0019]步骤7:
[0020] 由步骤5所得的关节变量之间的数学关系，利用步骤3所得的函数表达式，求解出 预定位坐标的全部目标关节变量；
[0021] 步骤 8:
[0022] 通过闭环实时驱动控制模块调节各个液压缸，使全部关节变量达到预设定目标 值，并由传感器检测各个关节变量是否达到目标值，若没有达到目标值则继续驱动进行调 节，若达到目标值则停止驱动；
[0023]步骤9 :
[0024] 判断定位末端是否达预定位位置，若达到预定位位置，则驱动钻进机构进行凿岩 钻孔，若未达到预定位位置，返回步骤6重新调节，直到达到预定位位置为止；
[0025]步骤10 :
[0026] 完成凿岩钻孔后，调整钻进机构回到初始位置，确定定位末端的下一个目标位 置，返回步骤6,进行重复定位、钻孔；
[0027]步骤11:
[0028] 完成全部预确定的钻孔后，收回钻臂。
[0029] 通过以上方法，可实现液压凿岩钻机断面平行孔自动定位。
[0030] 本发明的实施对象至少应具备一台液压凿岩钻机、通用控制器、以及安装在液压 凿岩钻机钻臂机构上的角度传感器和位移传感器。控制器向多路阀组发出控制信号，实时 驱动液压缸使得钻臂各机构动作，并检测各角度或位移传感器反馈值，调整控制信号，驱动 钻臂各机构达到目标关节变量，从而完成凿岩钻机钻臂自动定位。
[0031] 本发明的有益效果是：该发明具有计算过程简单、快速、准确、实时性强、易实现等 优点，适用于液压凿岩钻机断面平行孔区域的自动定位，有利于液压凿岩钻机的智能控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 图1是液压凿岩钻机钻臂定位机构结构组成图；
[0033] 图2是液压凿岩钻机钻臂定位机构关节坐标系；
[0034] 图3是液压凿岩钻机断面平行孔定位工作空间；
[0035] 图4是液压凿岩钻机断面平行孔区域边界线性化。
[0036] 在上述附图中，1.动力头，2.推进器，3.推进器补偿油缸，4.钎杆，5.推进器摆动 油缸，6.推进器俯仰油缸，7.臂架，8.推进器翻转油缸，9.钻臂左右变幅油缸。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图并以某型液压凿岩钻机为例，对本发明进行更详细的说明。
[0038]实施例：某型液压凿岩钻机
[0039] 使用该型液压凿岩钻机进行快速准确实现凿岩钻机断面平行孔自动定位的方法， 其具体步骤如下：
[0040]步骤1 :
[0041] 分析液压凿岩钻机钻臂定位机构结构组成及各机构动作。如图1所示，钻臂定位 机构包括动力头1、推进器2、推进器补偿油缸3、钎杆4、推进器摆动油缸5、推进器俯仰油缸 6、臂架7、推进器翻转油缸8和钻臂左右变幅油缸9;钻臂的升降、摆动动作由对称布置在钻 臂体上的钻臂左右变幅油缸9联合驱动完成；推进器2的俯仰、摆动和翻转动作分别由推进 器摆动油缸5、推进器俯仰油缸6和推进器翻转油缸8驱动完成。
[0042]步骤 2 :
[0043] 建立液压凿岩钻机钻臂系统坐标系模型。根据液压凿岩钻机钻臂系统结构模型， 建立液压凿岩钻机钻臂机构关节坐标系，如图2所示，共建立七个关节坐标系，钻臂定位末 端用P点标记，其坐标为（x7，y7,Z7)。测量钻臂结构尺寸，得到D-H矩阵的连杆参数，如表1 所示。
[0044] 表1液压凿岩钻机钻臂定位系统连杆参数
【权利要求】
1. 一种快速准确实现凿岩钻机断面平行孔自动定位的方法，其特征在于该方法具体步 骤如下： 步骤1 : 分析液压凿岩钻机钻臂定位机构结构组成及各机构动作； 步骤2 : 根据液压凿岩钻机钻臂系统结构模型，利用D-Η法建立液压凿岩钻机钻臂机构关节坐 标系； 步骤3 : 对钻臂定位系统坐标系及连杆参数进行分析，计算出定位末端在基坐标系中的坐标与 全部关节变量的函数关系； 步骤4 : 液压凿岩钻机断面平行孔区域规划；钻机的钻臂运动在断面区域内形成一个无规则的 平面定位区域，由于推进器的移动，最终形成是一个立体空间；依次将钻臂与推进器协调摆 动到最大值，可知断面平行孔定位区域，并确定区域边界范围；断面的平行孔定位区域通常 是无规则的，在确定钻臂定位末端位置坐标时，为了便于判断，将无规则的边界进行线性化 修正处理，使得修正区域最大限度满足实际区域； 步骤5 : 对全部关节变量进行求解；依据平行孔钻孔原则，在自动定位的过程中，为了使定位平 稳，利于自动控制，尽量不让臂架作±180°运动，由于此限制减少了臂架运动的自由度个 数，从而减少了求解关节变量的数目；自动定位的过程中，只考虑臂架的定位，不考虑推进 器的钻孔过程，也就是钎杆的运动末端不考虑，所以可将钻进运动形成的关节变量看作固 定量；在钻凿平行孔时，臂架的摆动和俯仰运动与推进器的摆动和俯仰运动是成对存在的， 才能保证凿岩钻孔为平行孔，因此，将对称变化的关节变量进行归纳为一个变量；通过上述 限制将求解关节变量的个数限制为三个，在已知定位末端坐标的情况下，由步骤3所得的 函数关系，反解求出剩余三个关节变量，并导出其他关节变量； 步骤6 : 确定凿岩钻机在钻孔过程中定位末端的预定位位置，并计算出在基坐标系中定位末端 的预定位坐标，判断定位末端的预定位坐标是否在断面平行孔区域内，若在此区域内，则进 行下一步，若不在此区域内，则调整车体位置，使得定位末端的预定位坐标移动到断面平行 孔区域内； 步骤7 : 由步骤5所得的关节变量之间的数学关系，利用步骤3所得的函数表达式，求解出预定 位坐标的全部目标关节变量； 步骤8 : 通过闭环实时驱动控制模块调节各个液压缸，使全部关节变量达到预设定目标值，并 由传感器检测各个关节变量是否达到目标值，若没有达到目标值则继续驱动进行调节，若 达到目标值则停止驱动； 步骤9 : 判断定位末端是否达预定位位置，若达到预定位位置，则驱动钻进机构进行凿岩钻孔， 若未达到预定位位置，返回步骤6重新调节，直到达到预定位位置为止； 步骤10 : 完成凿岩钻孔后，调整钻进机构回到初始位置，确定定位末端的下一个目标位置，返回 步骤6,进行重复定位、钻孔； 步骤11 : 完成全部预确定的钻孔后，收回钻臂。
【文档编号】E21B47/09GK104265274SQ201410452146
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】高英杰, 刘凯磊, 涂朝辉, 高大伟 申请人:燕山大学