(中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 400039)

1 背景

隨著以人為本理念的不斷加強、人力成本的不斷提升，如何更好地解放勞動力、降低勞動力成本成為所有企業(yè)面臨的新課題。液壓鉆錨一體機可以代替風動鑿巖機(風鉆)、氣動沖擊錨桿機實現(xiàn)井下掘進施工作業(yè)，提高生產(chǎn)率、降低勞動強度、改善作業(yè)環(huán)境，為今后巷道掘進施工的發(fā)展方向。

在掘進工藝中，只有統(tǒng)籌考慮布孔位置數(shù)量、炸藥的填裝數(shù)量以及雷管起爆順序才能夠得到最佳的爆破效果，即隧道輪廓成型質量好、單位進尺炸藥需求量少、爆破效率高、爆破震動幅度小、巷道單位進尺成本低等。特別是在爆破難度系數(shù)較高的巖石(例如花崗巖、硅質砂巖)中采用直眼掏槽爆破作業(yè)時，優(yōu)秀的設計方案在采用一般的鉆孔設備施工時很難實現(xiàn)，例如確保開孔位置準確、炮孔間相互平行、炮孔與隧道軸線平行、炮孔底部位于同一垂直面內。采用鉆錨一體機自動控制技術可以解決上述問題。

根據(jù)空間機器人運動學原理對鉆錨一體機工作臂進行結構分析，將其看成六自由度冗余空間機械手；以工控機(IPC- Industrial Computer)為核心控制元件，通過IPC控制電液比例閥驅動油缸工作，帶動工作臂在巷道內完成自動鉆孔作業(yè)。

2 工作臂機械結構以及運動控制原理

工作臂是鉆錨一體機的主要工作部件，其結構是由擺動座1、大臂2、鑿巖機3、錨桿機4、導軌部5、回轉結構6、托架7等七個主要部件組成，如圖1所示。根據(jù)空間機器人運動學原理，在每個部件上固結一個直角坐標系，通過相鄰兩桿之間的位姿變換公式，利用油缸的伸縮參數(shù)以及各結構件的尺寸參數(shù)，可以計算出鑿巖機釬頭所處的位姿[1]。其計算公式可以寫成如下形式：

1．擺動座；2.大臂；3.鑿巖機；4.錨桿機；5.導軌部；6.回轉結構；7.托架。圖1 鉆錨一體機工作臂

工作臂具有6個自由度，釬頭末端位姿可以通過六個關節(jié)變量決定，這六個關節(jié)變量統(tǒng)稱為六維關節(jié)矢量，記為qn(n=1,2,3,4,5,6),所有關節(jié)矢量qn構成的空間稱為關節(jié)空間。鑿巖機末端釬頭的位姿是在直角坐標系中描述的，即用操作空間或作業(yè)定向空間來表示。因此，通過笛卡爾空間，即可描述釬頭的位姿，運動學方程x=x(q)可以看成是由關節(jié)空間向操作空間的映射[2]。x=x(q)可以用以下形式描述：

n=n(q1，q2，…，q6)=n(q)

o=o(q1，q2，…，q6)=o(q)

a=a(q1，q2，…，q6)=a(q)

p=p(q1，q2，…，q6)=p(q)

圖2 巷道斷面輪廓鉆孔圖

由此可以求出θ1，同理即可以求出各個關節(jié)的運動量θi。

1)三個相鄰關節(jié)軸相交于一點；

2)三個相鄰關節(jié)軸相互平行。

操作臂運動學反解的數(shù)量決定于關節(jié)數(shù)量、連桿參數(shù)以及關節(jié)變量的活動范圍，非零連桿參數(shù)愈多，達到某一目標的方式就愈多，即運動學反解的數(shù)目就愈多。如何在多個解中選擇其中的一組，是鉆錨一體機操作臂自動控制技術的關鍵。在這里，根據(jù)避免碰撞的前提下，如果存在多個解時，按“最短行程、最少時間”的準則來擇優(yōu)，遵循多移動小關節(jié)，少移動大關節(jié)的原則[3，4]。

3 電液控制系統(tǒng)

在鉆錨一體機鉆孔定位作業(yè)中，利用工控機(IPC)控制工作臂上各個油缸的位移，使鑿巖機釬頭按照指定的路線移動，并完成沖擊、推進、釬轉等動作。具體的工作原理如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

首先，通過人機交互界面(觸摸屏)將巷道斷面的尺寸、爆破孔的間距、爆破孔的數(shù)量、爆破孔的位置以及爆破孔的深度等鉆孔參數(shù)輸入進工控機(IPC)；工控機中的上位機軟件是以VB.NET編制出來的，其軟件結構如圖4所示，上位機軟件以空間機器人反解運算方程為數(shù)學模型，根據(jù)鉆孔參數(shù)規(guī)劃出鉆孔的最優(yōu)工作路徑并計算釬頭在兩孔之間移動時，鉆臂上各個油缸位移參數(shù)；IPC將油缸位移參數(shù)通過串口通信協(xié)議RS232傳輸給PLC，通過PLC驅動電液比例閥控制板，完成對電液比例閥的控制，最終實現(xiàn)油缸的各個動作，使鑿巖機釬頭到達指定的位置[5，6]。

圖4 工控機軟件結構圖

工作部件的液壓動力系統(tǒng)如圖5所示，工作臂的擺轉、工作臂的升降、托架的擺轉、托架補償以及鑿巖機推進全部是由直線位移油缸驅動；而托架的翻轉、托架的俯仰為擺動馬達；鑿巖機的釬轉部分為齒輪馬達；沖擊馬達為將液壓能轉換成高頻沖擊動作的設備，其沖擊頻率和通過沖擊馬達的流量成比例關系。其中，鑿巖機推進油缸、釬轉油缸、沖擊馬達完成鉆孔作業(yè)，而其余油缸的作用為鉆孔前的鑿巖機釬頭定位[7，8]。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖

比例油缸中的直線/角度位移傳感器將機械位移信號轉換成模擬電子信號，并傳輸給數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡完成A/D轉換后傳送給IPC；IPC對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波降噪，并與設定的參數(shù)進行實時比較，檢測油缸是否移動到位，進而判斷鑿巖機釬頭是否到達指定位置，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

在鑿巖鉆孔工作中，推進壓力、沖擊頻率以及釬轉速度為重要的工作參數(shù)，其正確的匹配影響了鑿巖的效率。在本系統(tǒng)中，通過電子脈沖計數(shù)器、壓力傳感器、流量傳感器實時監(jiān)控鑿巖機的釬轉轉速、推進壓力沖擊器的流量，得出實時數(shù)據(jù)并與鉆孔速度進行比較分析，得出相對合適的匹配值。

4 控制過程的軟件實現(xiàn)

鉆錨一體機程序控制過程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

其中關鍵的控制單元為工作臂的鉆孔定位。具體實現(xiàn)過程為：首先，工控機讀取數(shù)據(jù)儲存卡中的巷道尺寸參數(shù)文件以及鉆孔方案文件等，然后根據(jù)所提供的鉆孔參數(shù)進行空間機器人運動學反解，計算出工作臂的釬頭處于每個鉆孔點時各個驅動油缸伸縮/旋轉位移。當一個爆破孔鉆孔完畢，鉆頭需要移動到下一個鉆孔位置時，工控機讀取本鉆孔位置的油缸參數(shù)以及下一個鉆孔位置的油缸參數(shù)，電液比例閥按照擬定的速度曲線控制油缸伸縮，驅動工作臂移動。在移動過程中，位移傳感器實時采集油缸位移數(shù)據(jù)并傳輸給工控機，工控機將采集到的數(shù)據(jù)與目標孔的油缸參數(shù)進行比較，數(shù)據(jù)吻合后，電液比例閥關閉，油缸停止移動，工作臂進行下一個工序(鉆孔)[9，10]。

5 結論

通過IPC控制操作臂實現(xiàn)自動定位鉆孔作業(yè)，增加了鉆孔成型質量，提高了工作效率。不足之處為利用IPC中的VB.BET軟件進行空間機器人運動學反解運算時采用了簡化處理，有待優(yōu)化改進；鑿巖機釬頭的位置是根據(jù)工作臂上各個結構件的尺寸以及油缸的伸縮/擺轉位移計算出來的，由于機械結構件加工誤差的存在，使最終的控制結果存在一定的誤差。因此，后續(xù)工作為如何進一步提高定位效率以及控制誤差范圍。

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