一种全方位大倾角一体式钻孔机器人的制作方法

本发明属于瓦斯抽采钻孔设备，涉及一种煤矿用全方位大倾角一体式钻孔机器人。

背景技术：

1、多年来我国一直是世界第一大煤炭生产国和煤炭消费国，煤炭资源在我国一次能源消费中占到了60％-70％，在我国经济发展中发挥了重要作用。

2、国家煤矿安监局对煤矿井下每一类机器人未来的发展做出了详细的要求，要求煤矿井下机器人具备自主或?？匾苹?、精确定位及自动加卸钻杆、具备自动调整钻姿、智能钻孔规划、钻孔定位、自动纠偏钻进、孔口防喷、?？刈饕档裙δ?。各科研机构及制造企业通过不懈努力，在煤矿井下钻孔机器人方面取得了一定的突破。

3、现有国内市场煤矿井下钻孔机器人按照结构形式可分为分体式、一体式两种结构，这两种结构均实现了远程?？乜刂?、一键钻进、一键起钻的功能，性能稳定、智能化程度高，但是仍然存在一些技术问题：分体式钻孔机器人由钻进机器人和钻杆装卸机器人协同工作，两机摆放位置相对固定，占用空间大，井下适应性受限；一体式钻孔机器人的自动上卸钻杆装置、钻杆转运装置、杆仓存贮机构位置固定、自由度有限，一次稳固钻机可以施工全断面内多组钻孔。全方位施工多组钻孔需要整体多次移动钻机重新稳固来实现，流程复杂、综合效率低。

4、现有技术中公开的一种钻进机器人自身不设置上卸钻杆装置、大容量杆仓，需与钻杆装卸机器人协同工作，井下钻进机器人、钻杆装卸机器人工作时相对摆放位置有要求，工作空间需求大，对煤矿巷道要求高；每次在进行全自动施工前需进行钻进机器人位置标定，控制系统和操作流程复杂。另一现有技术中的钻孔机器人其六轴机械手加卸钻杆的一体式钻孔机器的三自由度主机不具备方位角调节功能，方位角的调节依靠钻机整体移动，需重新稳固钻机，全方位角范围内施工多组钻孔时操作复杂、工作效率低；三自由度主机、机器人、钻杆箱布局成一列，钻机施工时机器人通过钻杆箱顶部取杆再穿过立柱中心给三自由度主机送杆，工作高度空间需求大。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种全方位大倾角一体式钻孔机器人，以实现智能钻机在煤矿井下全断面、全方位角钻孔施工能力，具备前探、侧帮钻孔施工功能；在提高智能钻机钻孔施工效率、减少劳动强度的同时，显著提高煤矿井下智能钻机适应范围。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种全方位大倾角一体式钻孔机器人，包括悬臂式履带车体及设置在其上的多转盘协作主机、三自由度常闭式转运装置、下取式大容量杆仓、油箱、电机泵组和电液自动控制系统；所述多转盘协作主机和三自由度常闭式转运装置同心安装，三自由度常闭式转运装置能根据多转盘协作主机方位角变化运送钻杆；所述下取式大容量杆仓具有多层和多列钻杆容纳空间；所述电液自动控制系统与多转盘协作主机、三自由度常闭式转运装置、下取式大容量杆仓相连，以控制钻机自动钻孔。

4、本发明还包括如下技术特征：

5、具体的，所述多转盘协作主机包括前夹持器卸扣器、后夹持器、给进机身、调角装置、回转器、转速传感器、拖板组件、位移传感器、给进油缸；前夹持器卸扣器和后夹持器螺接在给进机身的安装平板上，以与回转器配合实现钻杆自动加卸，回转器与拖板组件通过销轴连接，拖板组件与给进油缸缸杆相连，给进油缸缸筒固定于给进机身套筒中，给进油缸的伸出与缩回带动回转器沿给进机身前后进行直线运动，实现钻机的下钻和起钻；位移传感器一端固定在给进机身上，另一端固定在拖板组件上，实时检测及反馈给进油缸的行程；转速传感器安装于回转器后盖上，用于实时检测回转速度。

6、具体的，所述调角装置包括转盘i、转盘ii、上连接盘、转盘ⅲ、大臂组件、机械臂、摆动缸、左转盘组件、举升油缸、立柱组件、拉绳传感器、右转盘组件、转盘iv、连接板组件、编码器ii、下连接盘组件、编码器i；所述转盘ⅰ与转盘ii同心通过螺栓固定于悬臂式履带车体，转盘ii带动上连接盘实现多转盘协作主机方位旋转，编码器ii用于采集主机方位角信息，转盘ⅰ带动下连接盘组件实现三自由度常闭式转运装置方位角被动跟随，编码器i用于采集转盘ⅰ的旋转角度；三组立柱组件呈三角布局分别螺接于上连接盘，两组举升油缸中的一组举升油缸缸筒与左侧单独布局立柱组件通过销轴连接，缸杆通过销轴与左转盘组件连接，左转盘组件套筒与左侧单独立柱组件配合，另一组举升油缸缸筒与右转盘组件通过销轴连接，右转盘组件套筒与右侧两组立柱组件配合，拉绳传感器一端固定于上连接盘，另一端与右转盘组件固定，通过采集举升油缸伸出量确定举升高度；转盘ⅳ固定于右转盘组件，连接板组件一端与转盘ⅳ转动部件螺接，连接板组件另一端轴伸与左转盘组件配合，举升油缸的伸出与缩回带动左转盘组件、右转盘组件及连接板组件上下移动调节开孔高度，转盘ⅳ带动连接板组件旋转实现主轴倾角调节；转盘ⅲ固定于左转盘组件，转动部分与大臂组件螺接，带动大臂组件调节大臂组件与多转盘协作主机相对角度；摆动缸固定于大臂组件，转动部分与机械臂相螺接，摆动缸旋转带动机械臂实现从三自由度常闭式转运装置抓取钻杆并旋转传递至回转器中心位置；转盘ⅰ、转盘ⅱ、转盘ⅲ、转盘ⅳ与举升油缸协调合作实现方位角-90°～+90°、主轴倾角-25°～+90°、开孔高度1.2～1.55mm调节，并在任意工作范围实现钻杆的自动传递。

7、具体的，所述转盘ⅱ主动调节主机方位角，转盘ⅰ跟随转盘ⅱ调节三自由度常闭式转运装置从下取式大容量杆仓取杆位置及向机械臂传递钻杆位置；转盘ⅲ主动调节主轴倾角，转盘ⅳ跟随转盘ⅲ调节机械臂从三自由度常闭式转运装置抓杆及机械臂向回转器传递钻杆位置。

8、具体的，所述机械臂包括外筒、推力油缸、拉绳传感器ii、调整垫块、夹紧油缸、上手爪、下手爪和内筒；所述内筒嵌入外筒，推力油缸缸筒与外筒通过销轴连接，缸杆与内筒通过销轴连接，推力油缸的伸缩带动内筒以外筒为导轨做直线运动，拉绳传感器ii一端与外筒固定，另一端与内筒固定，用于检测内筒的伸缩距离；下手爪与内筒螺接，下手爪与上手爪螺接，夹紧油缸缸筒铰接于内筒，缸杆与上手爪通过销轴连接，夹紧油缸的伸缩控制手爪的开合。

9、具体的，所述三自由度常闭式转运装置包括旋转托架、平推油缸、堵板、耐磨垫板、滑移托板、对开夹板、弹簧拨片、钻杆基座、钻杆检测装置、夹紧油缸ii；所述旋转托架是阶梯型焊接结构，通过螺栓将三自由度常闭式转运装置与下连接盘组件固定，实现三自由度常闭式转运装置方位角旋转；所述平推油缸布置于旋转托架导轨内侧，平推油缸的缸筒通过堵板与旋转托架螺接，缸杆通过销轴与滑移托板连接，滑移托板卡入旋转托架两侧导轨内，平推油缸的伸缩带动滑移托板沿旋转托架导轨做直线运动；所述耐磨衬板固定于旋转托架；对称布局的夹紧油缸ii缸筒与滑移托板铰接、缸杆与对开夹板连接；钻杆基座用于钻杆在三自由度常闭式转运装置的水平面及径向定位，弹簧拨片用于钻杆从下取式大容量杆仓或从机械臂放置到位后防止钻杆从另一侧径向脱落，对开夹板夹紧钻杆进行轴向限位防止钻杆窜动；所述钻杆检测装置用于检测三自由度常闭式转运装置是否存在钻杆。

10、具体的，所述悬臂式履带车体包括后上稳固装置、悬臂式焊接车体平台、前上稳固装置、杆仓托架、履带底盘；所述悬臂式焊接车体平台后端为凹形结构且前端悬臂于履带底盘中间；两组后上稳固装置、前上稳固装置与履带底盘配合安装以确保施工时钻机平台稳定可靠，前上稳固装置受力直接传递至履带底盘的履带大梁；所述杆仓托架与悬臂式焊接车体螺接，用于安装下取式大容量杆仓。

11、具体的，所述下取式大容量杆仓包括大容量杆仓、机械臂组件、钻杆举升装置；所述机械臂组件和钻杆举升装置均位于大容量杆仓下方，且钻杆举升装置布设于机械臂组件两侧；大容量杆仓与履带车体平台叠加式布局，钻杆举升装置和机械臂组件下沉安装于履带车体平台裆部；机械臂组件和钻杆举升装置相互配合从大容量杆仓底部抓杆并将钻杆传递给三自由度常闭式转运装置。

12、所述大容量杆仓包括底板、侧板、隔板、前护板、后护板、横梁和盖板；两个底板平行对称，两个侧板分别设于两个底板上并平行相对，在侧板内壁垂直设有竖向的隔板，多个隔板沿横向平行间隔布设，两个侧板上的隔板相互对称，相邻隔板之间的距离不小于钻杆直径；前护板设于两个侧板前侧，后护板和横梁设于两个侧板后侧；底板、侧板、前护板和后护板围成一个底部和顶部敞开的箱体；两个盖板对称盖在两个侧板顶部并能向外侧翻转打开箱体上部开口；

13、所述机械臂组件包括底座、齿条安装板、齿条、下衬板、l板、焊接主手爪组件、摆线液压马达、液压油缸、连杆、活动手爪；所述底座安装大容量杆仓下方的履带车体支撑板上，齿条安装板安装在底座上，齿条安装在齿条安装板上；下衬板设在底座上表面并位于齿条两侧，l板设于下衬板上；焊接主手爪组件包括手爪座及焊接在手爪座前端的焊接主手爪；焊接主手爪上设有竖向贯穿焊接主手爪的钻杆检测件；摆线液压马达安装于手爪座且其所连齿轮与所述齿条啮合；液压油缸安装于手爪座内且其缸杆与连杆一端铰接，连杆另一端与活动手爪铰接，活动手爪位于焊接主手爪前端且二者相对，通过液压油缸能控制活动手爪夹紧与松开以配合焊接主手爪抓取钻杆；所述手爪座顶面与隔板底端之间的距离不超过钻杆直径，焊接主手爪中抓取钻杆后所抓取钻杆低于隔板底端；

14、所述钻杆举升装置包括举升架外套、举升架内套、钻杆支架、举升液压油缸；所述举升架外套螺接在履带车体支撑板上，举升架外套竖向套在举升架内套下部，钻杆支架安装在举升架内套上端，举升液压油缸缸筒下端与举升架外套固连，缸杆端连接在钻杆支架下端；钻杆支架上部为依次间隔排布的半圆形钻杆槽，钻杆槽与其上方的大容量杆仓的隔板分隔出的钻杆列一一相对；两组钻杆举升装置对称布设于机械臂组件两侧且位于侧板上两侧隔板之间。

15、具体的，所述电机泵组是钻机的动力源，包括电机、泵和泵座；电机采用内轴式结构，通过花键与泵连接，电机泵组立式安装于悬臂式焊接车体平台，泵座支撑于悬臂式焊接车体平台两侧，泵下沉于悬臂式焊接车体平台凹槽内。

16、具体的，所述电液自动控制系统包括电液控制阀组、控制器和隔爆?？仄骱桶沧霸诓煌恢玫拇衅?；隔爆?？仄?、电液控制阀组、控制器分别通过螺栓安装在悬臂式焊接车体平台后方的支撑架上；隔爆?？仄靼笥帽景残头⑸浠?、矿用本安型接收机，矿用本安型发射机发出指令，按照通讯协议将指令打包通过无线网络发送至矿用本安型接收机，矿用本安型接收机根据功能逻辑进行总线输出至控制器进行解码向电液控制阀组传递信号控制相关执行机构动作。

17、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

18、(1)本发明的目的是提供一种适用于煤矿井下用全方位大倾角一体式钻孔机器人，采用电-液伺服控制系统，系统控制精度高、稳定性好；电液控制系统由主机加卸钻杆单元、转运装置单元、杆仓系统单元协作联动，解决了智能钻机全方位角调节时钻杆的自动转运问题，实现智能钻机煤矿井下同时兼备前探、侧帮施工能力，拓展了施工范围。

19、(2)一体式布局多转盘协作主机、大容量杆仓、泵站在同一个悬臂式履带车体平台上，悬臂式履带车体平台使钻机整体布局总体高度较低、主机开孔高度低、井下占用空间小，主机、大容量杆仓、转运装置相对位置固定、井下移位不需要重新标定位置，施工便捷、效率高。

20、(3)多转盘协作主机，通过多个转盘相互协作实现钻机全方位、大倾角、多开孔高度调节，解决全方位钻孔施工中钻杆从固定位大容量杆仓转运至主机全方位施工跟随问题。

21、(4)转运装置具备旋转、平移、旋转平移，设计有轴向限位、径向限位提高了转运装置的工作可靠性；三自由度的钻杆转运方式和电液控制方法实现了转运装置与大容量杆仓、转运装置与主机机械臂组成自动联动系统，提高了智能钻机的施工范围，促进了煤矿井下智能钻机的技术进步。

22、(5)下取式大容量杆仓采用多列、多层的箱体结构，钻杆从前向后、从上向下，杆仓机械手爪从杆仓体底部自动抓取钻杆、自动输送钻杆方式，占用空间高度低，满足较低矮巷道条件，同时大容量杆仓可满足较深钻孔的钻杆数量需求。杆仓控制系统能够准确快速的完成送杆任务，降低操作难度、提高钻孔施工效率。

23、(6)全自动钻进：电液自动控制系统可实现钻孔机器人全自动一键钻进、半自动钻进、各执行机构单动操作，实现自动调节开孔姿态、自动装卸钻杆、全自动钻进?？刂破鞫愿鲎远刂瞥绦蚪械饔?、布局于各处的传感器对执行机构的状态进行检测反馈，主机加卸钻杆单元、转运装置单元、杆仓系统单元三大控制单元根据需要交替协作，以最优最快方式实现钻杆传递，施工效率高、减人增效。