鉆錨一體機工作臂的一種自動控制方法

(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井下掘進施工作業，提高生產率、降低勞動強度、改善作業環境，為今后巷道掘進施工的發展方向。

在掘進工藝中，只有統籌考慮布孔位置數量、炸藥的填裝數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時，優秀的設計方案在采用一般的鉆孔設備施工時很難實現，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。

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以及各結構件的尺寸參數，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變量決定，這六個關節變量統稱為六維關節矢量，記為qn(n=1,2,3,4,5,6),所有關節矢量qn構成的空間稱為關節空間。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的運動量θi。

1)三個相鄰關節軸相交于一點；

2)三個相鄰關節軸相互平行。

操作臂運動學反解的數量決定于關節數量、連桿參數以及關節變量的活動范圍，非零連桿參數愈多，達到某一目標的方式就愈多，即運動學反解的數目就愈多。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，遵循多移動小關節，少移動大關節的原則[3，4]。

3 電液控制系統

在鉆錨一體機鉆孔定位作業中，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、爆破孔的數量、爆破孔的位置以及爆破孔的深度等鉆孔參數輸入進工控機(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學模型，根據鉆孔參數規劃出鉆孔的最優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；IPC將油缸位移參數通過串口通信協議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，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，并傳輸給數據采集卡；數據采集卡完成A/D轉換后傳送給IPC；IPC對采集到的數據進行濾波降噪，并與設定的參數進行實時比較，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，實現閉環控制。

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，其正確的匹配影響了鑿巖的效率。在本系統中，通過電子脈沖計數器、壓力傳感器、流量傳感器實時監控鑿巖機的釬轉轉速、推進壓力沖擊器的流量，得出實時數據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

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。具體實現過程為：首先，工控機讀取數據儲存卡中的巷道尺寸參數文件以及鉆孔方案文件等，然后根據所提供的鉆孔參數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以及下一個鉆孔位置的油缸參數，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據并傳輸給工控機，工控機將采集到的數據與目標孔的油缸參數進行比較，數據吻合后，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控制操作臂實現自動定位鉆孔作業，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，有待優化改進；鑿巖機釬頭的位置是根據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，后續工作為如何進一步提高定位效率以及控制誤差范圍。

[1] 熊有倫. 機器人技術基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2002

[2] 王益群，高殿榮.液壓工程師技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2010

[3] 王少純，傅秀云，等.基于PLC的電池盒沖壓運料機械手研制[J]. 鍛壓技術，2013，38(1)：89-92

[4] 劉松國，朱世強，吳文祥.具有運動時間約束的機械手最優平滑軌跡規劃[J]. 電機與控制學報, 2009, 13(6): 897-902

[5] 衛征.嵌入式軟件測試自動化技術研究[D]． 北京: 北京工業大學，2009

[6] Couloud J B, Campion G. Gap-singular systems:Definition and consequences in trajectory planning[J]. International Journal of Control, 2009, 82(5): 837-848

[7] 劉慶波, 余躍慶. 平面2R 欠驅動機器人的軌跡規劃與控制[J].中國機械工程, 2007, 18(24): 2899-2902

[8] 王衛忠, 趙杰, 高永生, 等. 機器人的平面曲線軌跡規劃方法[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2008, 40(3): 389-392

[9] 王攀峰, 梅江平, 黃田. 高速并聯機械手抓放操作時間最優軌跡規劃[J]. 天津大學學報, 2007, 40(10): 1139-1145

[10] Boryga M, Grabos A. Planning of manipulator motion trajectorywith higher-degree polynomials use[J]. Mechanism and Machine Theory, 2009, 44(7): 1400-1419