本发明涉及钻杆钻孔，具体涉及一种钻杆钻头自动对孔系统、对孔方法及钻机。
背景技术：
1、在隧道开挖、矿山开采、地质勘探及建筑施工等领域，钻机设备广泛应用于钻孔作业。钻孔作业的首要步骤是将钻杆准确对准预设孔位（即“对孔”），其对孔精度和效率直接影响到后续钻孔质量、设备损耗及整体施工进度。然而，现有钻机的对孔控制方法仍存在显著不足，主要依赖操作人员经验或简单的电液伺服控制，难以满足高效、高精度钻孔的现代化需求。
2、具体而言，现有技术的对孔作业存在一些技术缺陷：
3、（1）对孔精度低：现有钻机多采用人工操作方式，通过操作员目视判断钻杆与孔位的相对位置，并手动调整钻臂姿态。该方法易受现场光线、粉尘、振动等环境因素干扰，且受操作员熟练度和疲劳度影响大，对孔偏差显著。此外，钻机通常为多关节串联机械臂结构，其运动具有强耦合性和非线性特征，而现有方法缺乏精确的多关节协同运动数学模型（如逆运动学解析模型）支撑，导致系统难以实现钻杆末端的精确位姿控制，进一步放大对孔误差。
4、（2）调整效率低：由于精度低下，操作员常需进行反复试凑和校准，通过多次微调才能逼近目标孔位。该过程不仅耗时费力，延长了辅助作业时间，降低了整体施工效率，还加剧了液压系统和机械部件的磨损，增加了设备维护成本。在需要频繁更换孔位的工序中，此问题尤为突出。
5、（3）环境适应性差：现有技术对复杂钻孔场景的应对能力不足。对于非垂直的倾斜孔、异形孔或空间位置复杂的群孔作业，其涉及复杂的空间坐标转换。简单的伺服控制仅能实现单自由度的独立运动，缺乏多自由度协同规划与补偿算法，无法准确解算钻杆所需的位姿轨迹，导致对孔失败或精度不达标。此外，面对钻机定位基座振动、热变形等动态干扰时，系统缺乏实时反馈与校正机制，进一步限制了其应用范围。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是：提供一种能够实现各运动部件多自由度协同和解耦，从而对钻杆钻头位置进行精确控制，并且实时采集钻杆钻头相对目标孔位的位置数据，对钻杆钻头位置进行闭环校准，对孔精度高、对孔效率高的钻杆钻头自动对孔系统、对孔方法及钻机。
2、为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案，一种钻杆钻头自动对孔系统，至少包括移动平台、摆臂机构、钻臂机构、数据采集单元以及控制单元；
3、所述移动平台至少包括两个呈平行设置的轨道梁、与所述轨道梁滑动连接的横梁、与所述横梁滑动连接的基座以及第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构用于驱动所述横梁相对所述轨道梁滑动，所述第二驱动机构用于驱动所述基座相对所述横梁滑动；
4、所述摆臂机构至少包括一端与所述基座旋转连接的摆臂以及第三驱动机构，所述摆臂旋转中心轴与所述横梁滑动方向呈平行设置，所述第三驱动机构用于驱动所述摆臂相对所述基座旋转运动；
5、所述钻臂机构至少包括与所述摆臂远离所述基座一端旋转连接的钻臂以及第四驱动机构，所述钻臂的旋转中心轴与所述摆臂的旋转中心轴呈平行设置，所述第四驱动机构用于驱动所述钻臂相对所述摆臂旋转运动，所述钻臂自由端安装有用于钻孔的钻杆钻头；
6、所述数据采集单元用于采集所述移动平台、摆臂机构、钻臂机构以及目标孔位的实时位姿数据，并把所述位姿数据传输至所述控制单元；
7、所述控制单元与所述第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和第四驱动机构电性连接，所述控制单元配置为：
8、接收目标孔位位置数据；
9、基于所述钻杆钻头位置相对所述移动平台、摆臂机构以及钻臂机构的运动学模型，将所述目标孔位位置数据解算为所述基座的目标移动量，以及所述摆臂相对所述横梁旋转的目标角度和所述钻臂相对所述摆臂旋转的目标角度；
10、控制所述第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和第四驱动机构按所述目标移动量以及所述目标角度进行对孔；
11、基于数据采集单元所传输的位姿数据进行闭环校准，直至所述钻杆钻头与目标孔位的位姿误差小于预设阈值。
12、一种优选的实施例，所述运动学模型建立方法包括：
13、以所述钻杆钻头初始位置为坐标原点，所述轨道梁延伸方向为x轴方向，所述横梁延伸方向为y轴方向，以及垂直x-y平面向上为z轴方向建立三维坐标系；
14、建立所述钻杆钻头跟随所述基座运动的位移量的第一运动学模型为：
15、xplat=δx；
16、yplat=δy；
17、zplat=0；
18、其中，δx为所述横梁相对所述轨道梁的滑动量，δy为所述基座相对所述横梁的滑动量，xplat为所述钻杆钻头通过所述基座获取的x轴方向位移，yplat为所述钻杆钻头通过所述基座获取的y轴方向位移，zplat为所述钻杆钻头通过所述基座获取的z轴方向位移；
19、基于所述摆臂长度l、所述摆臂与所述横梁夹角a、所述钻臂长度m以及所述钻臂与所述摆臂夹角b，建立所述钻杆钻头相对所述基座的偏移量的第二运动学模型为：
20、xoffset=0；
21、yoffset=lsin(a)+msin(a+b)；
22、zoffset=lcos(a)+mcos(a+b)；
23、其中，xoffset为所述钻杆钻头相对所述基座在x轴方向的偏移量，yoffset为所述钻杆钻头相对所述基座在y轴方向的偏移量，zoffset为所述钻杆钻头相对所述基座在z轴方向的偏移量；
24、基于所述第一运动学模型和所述第二运动学模型，建立钻杆钻头位置运动学模型为：
25、xtotal=xplat+xoffset=δx；
26、ytotal=yplat+yoffset=δy+lsin(a)+msin(a+b)；
27、ztotal=zplat+zoffset=lcos(a)+mcos(a+b)。
28、一种优选的实施例，所述数据采集单元包括设置于所述轨道梁和所述横梁上的位置编码器、设置于所述摆臂和所述钻臂上的角度传感器；
29、位于所述轨道梁上的位置编码器用于获取所述横梁相对所述轨道梁的滑动量，并传输至所述控制单元，位于所述横梁上的位置编码器用于获取所述基座相对所述横梁的滑动量，并传输至所述控制单元；
30、位于所述摆臂上的角度传感器用于获取所述摆臂与所述横梁夹角，位于所述钻臂上的角度传感器用于获取所述钻臂与所述摆臂夹角。
31、一种优选的实施例，所述数据采集单元还包括用于获取当前所述钻杆钻头与目标孔位的相对位置数据的激光测距传感器或视觉传感器。
32、一种优选的实施例，所述位姿数据包括所述横梁相对所述轨道梁的位置数据、所述基座相对所述横梁的位置数据、所述摆臂与所述横梁夹角数据、所述钻臂与所述摆臂夹角数据、所述目标孔位位置数据、所述钻杆钻头相对所述目标孔位的位置数据以及所述钻杆钻头中心线与所述目标孔位轴线偏差数据。
33、一种优选的实施例，基于数据采集单元所传输的位姿数据进行闭环校准，直至所述钻杆钻头与目标孔位的位姿误差小于预设阈值，具体包括如下步骤：
34、设置第一预设参数；
35、基于所述钻杆钻头相对所述目标孔位的位置数据，通过所述第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和第四驱动机构，不断修正所述基座的目标移动量，以及所述摆臂相对所述横梁旋转的目标角度和所述钻臂相对所述摆臂旋转的目标角度，直至所述钻杆钻头与所述目标孔位的距离小于所述第一预设参数；
36、设置第二预设参数；
37、基于所述钻杆钻头中心线与所述目标孔位轴线偏差数据，通过所述第三驱动机构和第四驱动机构，不断修正所述摆臂相对所述横梁旋转的目标角度和所述钻臂相对所述摆臂旋转的目标角度，直至所述钻杆钻头中心线与所述目标孔位轴线偏差小于第二预设参数。
38、一种优选的实施例，所述将所述目标孔位位置数据解算为所述基座的目标移动量，具体包括如下步骤：
39、步骤s1，以目标孔位的xtarget坐标作为所述横梁在x轴方向的目标位置，当前所述横梁的x轴坐标x0作为起始位置，得到所述横梁在x轴方向的目标移动量xt，具体采用如下计算方法实现：
40、xt=xtarget-x0
41、步骤s2，设置所述基座相对所述横梁的预设移动量yt；
42、步骤s3，通过所述目标孔位的ytarget坐标计算y轴方向剩余移动量δyt，具体采用如下计算方法实现：
43、δyt=ytarget-yt；
44、步骤s4，基于所述剩余移动量δyt和所述目标孔位ztarget坐标计算参数d，具体采用如下计算方法实现：
45、；
46、步骤s5，若所述参数d位于闭合区间内，则将所述预设移动量yt作为所述基座相对所述横梁的目标移动量；
47、若所述参数d小于，则相应减小所述预设移动量yt，重复所述步骤s3-s4，直至所述参数d位于闭合区间内；
48、若所述参数d大于，则相应增大所述预设移动量yt，重复所述步骤s3-s4，直至所述参数d位于闭合区间内；
49、步骤s6，基于所述横梁在x轴方向的目标移动量以及所述基座相对所述横梁的目标移动量，得到所述基座的目标移动量。
50、一种优选的实施例，所述将所述目标孔位位置数据解算为所述摆臂相对所述横梁旋转的目标角度和所述钻臂相对所述摆臂旋转的目标角度，具体包括如下步骤：
51、基于所述参数d、所述摆臂长度l和所述钻臂长度m，得到所述钻臂相对所述摆臂旋转的目标角度bt，具体采用如下计算方法实现：
52、；
53、基于所述钻臂相对所述摆臂旋转的目标角度bt的计算结果，得到所述摆臂相对所述横梁旋转的目标角度at，具体采用如下计算方法实现：
54、。
55、本发明还提供一种如上任一所述钻杆钻头自动对孔系统的对孔方法，至少包括如下步骤：
56、步骤1，获取目标孔位位置数据；
57、步骤2，基于所述钻杆钻头位置的运动学模型，将目标孔位位置数据解算为所述基座的目标移动量、摆臂相对横梁旋转的目标角度和钻臂相对摆臂旋转的目标角度；
58、步骤3，基于解算结果，依次顺序控制所述基座水平运动、所述摆臂相对横梁旋转、所述钻臂相对摆臂旋转；
59、步骤4，基于数据采集单元实时传输的位姿数据，不断修正所述基座的目标移动量、摆臂相对横梁旋转的目标角度和钻臂相对摆臂旋转的目标角度，直至所述钻杆钻头与目标孔位的位姿误差小于预设阈值，完成对孔。
60、本发明还提供一种钻机，包含如上任一所述钻杆钻头自动对孔系统。
61、本发明的一种钻杆钻头自动对孔系统、对孔方法及钻机，与现有技术相比，具有以下有益效果：
62、（1）本发明的钻杆钻头自动对孔系统，至少包括移动平台、摆臂机构、钻臂机构、数据采集单元以及控制单元。移动平台至少包括两个呈平行设置的轨道梁、与轨道梁滑动连接的横梁、与横梁滑动连接的基座以及第一驱动机构和第二驱动机构，通过设置轨道梁、横梁、基座、第一驱动机构和第二驱动机构，构建了一个二维平面内的移动结构。采用这样的结构设计，一方面为钻杆钻头在平面上的位置调整提供了基础，使得钻杆钻头能够在较大范围内进行初步定位；另一方面为后续精确对孔提供了调整空间，克服了现有技术中因定位范围受限导致对孔困难的问题。第一驱动机构用于驱动横梁相对轨道梁滑动，第二驱动机构用于驱动基座相对横梁滑动，一方面实现了钻杆钻头在两个不同方向上的独立线性运动控制，有助于更精确地调整钻杆钻头的位置，相比现有技术中单一或简单的控制方式，能够更灵活地应对不同位置的孔位，提高了对孔的灵活性和初步定位的准确性，减少了对孔偏差的初始因素；另一方面实现了平面移动2自由度的解耦，简化了整个系统的运动学模型，使后续坐标解算结果准确高，进而提高对孔精度。
63、摆臂机构包括一端与基座旋转连接的摆臂以及第三驱动机构，第三驱动机构用于驱动摆臂相对基座旋转运动。钻臂机构至少包括与摆臂远离基座一端旋转连接的钻臂以及第四驱动机构，第四驱动机构用于驱动钻臂相对摆臂旋转运动，钻臂自由端安装有用于钻孔的钻杆钻头。通过摆臂机构和钻臂机构的设置，实现了钻杆钻头在与水平面垂直面内的2个自由度，一方面使钻杆钻头在三维空间中能够进行更复杂的姿态调整，有助于应对各种复杂的钻孔场景，如非垂直的倾斜孔、异形孔等，克服了现有技术中因自由度不足导致对复杂孔位无法准确对孔的问题，提高了系统的环境适应性；另一方面采用钻臂的旋转中心轴与摆臂的旋转中心轴呈平行设置，使得其运动学模型（正逆解）相对简洁且确定，避免了奇异点过多的问题，为控制单元进行快速、准确的坐标解算提供了物理前提，确保了“对孔精度高”。
64、数据采集单元用于采集移动平台、摆臂机构、钻臂机构以及目标孔位的实时位姿数据，并把位姿数据传输至控制单元，为控制单元提供了准确的信息来源。通过实时监测各机构的运动状态和目标孔位的位置，控制单元可以根据这些数据进行精确的计算和调整，实现对孔过程的实时反馈和控制，克服了现有技术中缺乏实时反馈机制的问题，提高对孔精度和调整效率，减少因环境因素或系统误差导致的对孔偏差。
65、控制单元与第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和第四驱动机构电性连接，控制单元配置为接收目标孔位位置数据；基于钻杆钻头位置相对移动平台、摆臂机构以及钻臂机构的运动学模型，将目标孔位位置数据解算为基座的目标移动量，以及摆臂相对横梁旋转的目标角度和钻臂相对摆臂旋转的目标角度；控制第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和第四驱动机构按目标移动量以及目标角度进行对孔。控制单元内置了基于移动平台、摆臂机构和钻臂机构几何关系的运动学模型，该模型能够准确描述钻杆钻头末端位姿与各关节运动量（平台位移δx, δy；摆臂角度a；钻臂角度b）之间的数学关系，并通过逆解算法将目标孔位坐标直接转换为各关节的精确运动指令，一方面通过数学模型和算法实现数字化、定量化的精确控制，系统能够自动计算并执行达到目标位姿所需的最优路径，从原理上消除了人为因素和环境干扰带来的随机误差；另一方面通过坐标变换和逆解计算，实现了多自由度的协同与解耦，从而能够对钻头末端空间位姿进行精准控制，克服了简单伺服控制只能进行单关节独立运动的局限性。控制单元还基于数据采集单元所传输的位姿数据进行闭环校准，直至钻杆钻头与目标孔位的位姿误差小于预设阈值，一方面消除累积误差，能够补偿因机械间隙、结构变形、模型简化等造成的理论计算与实际位姿之间的偏差；另一方面能够实时检测并纠正因现场振动、冲击等动态因素造成的位姿偏移，确保了系统在恶劣工业环境下的稳定性和可靠性，极大提升了“环境适应性”。
66、（2）本发明的钻杆钻头自动对孔系统，基于数据采集单元所传输的位姿数据进行闭环校准，直至所述钻杆钻头与目标孔位的位姿误差小于预设阈值，具体包括设置第一预设参数；基于钻杆钻头相对目标孔位的位置数据，通过第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和第四驱动机构，不断修正基座的目标移动量，以及摆臂相对横梁旋转的目标角度和钻臂相对摆臂旋转的目标角度，直至钻杆钻头与目标孔位的距离小于第一预设参数；设置第二预设参数；基于钻杆钻头中心线与目标孔位轴线偏差数据，通过第三驱动机构和第四驱动机构，不断修正摆臂相对横梁旋转的目标角度和钻臂相对摆臂旋转的目标角度，直至钻杆钻头中心线与目标孔位轴线偏差小于第二预设参数。采用分步闭环校准策略，第一阶段以“距离”为控制目标，协调所有四个驱动机构进行粗校准；第二阶段以“轴线偏差”为控制目标，协调第三、第四驱动机构进行精校准，一方面将对孔精度明确分解为位置精度（距离<第一预设参数）和姿态精度（轴线偏差<第二预设参数）两个维度进行独立且连续的控制，确保了钻杆不仅能到达孔口正前方，还能使其中心线与孔位轴线精确重合；另一方面通过实时检测“钻杆钻头相对目标孔位的位置数据”和“轴线偏差数据”并进行反馈控制，能够有效补偿因运动学模型简化、机械加工装配误差、齿轮间隙、结构变形等造成的系统性误差，以及因现场振动、热漂移等造成的随机误差。