計算機控制鑿巖臺車（隧道鑿巖機器人）簡介

范子正

（華東師范大學第一附屬中學，上海 200434）

1 緒論

開挖隧道與山洞的工作是交通建設、能源發展、建筑施工等各領域中十分重要的一項施工作業。先前的鑿巖臺車均是工人進行手動操作的，不但工人的勞動強度大、工作環境惡劣，而且工作的精度和可靠性很大程度上依賴于操作工人的熟練度，其鑿巖精度也隨著斷面橫截面積的增大和道路彎曲程度而改變。

1.1 巖石破碎機理

鑿巖機械的工作目標多為礦山中的巖石和礦石，而進行隧道掘進作業的目的就是為了破碎巖石。巖石由于其組成的礦物質顆粒的形狀與尺寸、相互間的排列位置不同而形成不同的種類，根據其形成原因不同可大致分為三類：沉積巖、火山巖和變質巖。巖石的某些工程特性，例如其構造、硬度、磨蝕性、破碎性能等決定了巖石的破碎方式，即進行爆破或鉆進。不僅如此，這些參數也影響著開采方式的改變和鉆進技術的提升。

巖石的固有工程特性以及相關鉆進工藝、鉆具的選擇決定巖石是否可鉆，而其指標一般可用鉆頭磨損指數和鉆速指數來表示；巖石的可爆破性是指巖石在爆破時受到阻力的大小，該指標受巖石的均質性、硬度、韌性以及破碎性能所影響。

目前巖石的鉆進方式大都為機械鉆進式，根據鉆機的工作原理不同可以大致分為三類：旋轉式、旋轉沖擊式和沖擊旋轉式，針對不同硬度的巖石可選擇不同種類的鉆機進行鉆進作業。

1.2 鉆車的分類

液壓鑿巖臺車屬于地下工程施工機械，其分類方式各有不同，按行走機構的差別可分為軌道式、履帶式、輪胎式；根據工作的功能可分為錨桿臺車、裝藥臺車、鑿巖臺車、噴漿臺車、采礦臺車；根據工作原理的差別可分為沖擊旋轉式鉆機，包括露天鉆機、鑿巖臺車、潛孔鉆機；連續旋轉式鉆機，如切削鉆機；旋轉沖擊式鉆機，如牙輪鉆機。

2 鑿巖機器人詳述

鑿巖機器人是一種用于隧道和地下工程建設的鑿巖設備，采用鉆進和爆破的方式進行作業，其特點是可以進行移動，并且在計算機控制系統的作用下，支持多臺鉆機同時進行作業。

2.1 鑿巖機器人的基本結構

鑿巖臺車的主要作用是在進行移動的尋找爆破孔并定位之后，進行炮孔的鉆鑿，同時也集填裝炸藥、穩定車體、移動行走、收放電纜、補充液壓油等輔助功能于一體。我國自主研發的第一臺鑿巖機器人采用龍門架式車體，由鉆臂及安裝在其上的鑿巖機和推進器、輔助臂、伸縮式龍門架、行走系統、液壓系統、輔助功能系統組成鑿巖臺車本體；由操作裝置、傳感器組、計算機控制器、監控檢測系統組成控制系統；鉆臂在進行炮孔定位及鉆鑿過程中均采用電液比例控制的方式進行工作。

2.2 電腦控制鑿巖臺車的優越性

隧道鑿巖工作的效率取決于斷面爆破的效率，而斷面爆破是否滿足預期的要求，很大程度上取決于鑿巖爆破孔的鉆孔精度。傳統鑿巖臺車的工作效率很大程度上依賴于操作工人的操作熟練度，而僅由于工人操作熟練度的不同，鑿巖效率最大就能相差高達30%。與傳統鑿巖臺車相比，計算機控制鑿巖臺車具有以下優越性：首先鉆臂由計算機自動控制，不需要進行人工作業，大大改善了作業環境；其次，鉆臂會按照預先在控制器中輸入的程序進行軌跡的規劃及尋找爆破孔的位置，無需在工作斷面畫爆破孔；再者，由于不需要工人進行施工作業，因此不需要操作工人具備很高的操作熟練度；由于采用計算機進行控制和規劃，可以很精確的控制鉆進炮孔的角度、直徑和深度，同時能智能尋找出最優的鉆孔路徑，與此同時，避免鉆臂干涉，大大減少了工作成本；計算機在鑿巖的過程中能自動記錄各項工作數據及相關參數，從而利于工作人員發現工作工程中的有關問題，改進鉆進技術，制定合理的維修方案、設備維護周期等，減少設備的損耗。

根據有關施工現場提供的數據表明，采用計算機控制的鑿巖臺車，其工作時的不必要開采量可減少10%以上，單次爆破深度能提高10%以上，設備壽命尤其是鉆頭使用壽命提高20%以上，總生產效率提高約20%。以上各種數據充分表明，相對于傳統的鑿巖臺車，使用計算機控制鑿巖臺車，其經濟效益十分顯著。

2.3 鑿巖機器人的發展

國內對液壓鑿巖設備的研究幾乎與國外同步,在國家863計劃的資助下，中南大學在2000年前后成功開發出國內第一臺計算機控制鑿巖鉆車樣機，并達到1998年前的國際先進水平。該樣機具備計算機控制導向、自動防卡釬等功能，在簡單工況下能夠可以實現鉆孔的自動定位和自動鉆孔功能。該樣機在自動化功能方面做了深入研究，如激光車體定位、運動學求解、工作空間求解、孔序動態規劃、雙三角平行聯動機構各油缸的負載分析與運動速度比例控制等。同時，中南大學還依據鐵路隧道國標開發了一套與之配套的適合我國國情的隧道斷面與布孔設計軟件。此外，中南大學還對鑿巖鉆車機械臂的運作進行了虛擬現實研究，開發了一套虛擬現實軟件。該鉆車樣機本體接近世界先進水平，其自主開發的控制系統已達到了世界先進水平。

為了進一步在該領域達到國際先進水平，湖南山河智能機械股份有限公司聯合中南大學機電工程學院，在國家 863計劃引導項目資金的資助下，正在全面推進產品的產業化，并加快控制系統的研究，著力開發計算機控制的多鉆臂液壓鑿巖鉆車，為盡早實現全自動化與智能化做準備。

3 隧道鑿巖機器人的定位及工作原理

3.1 定位原理

鑿巖機器人在開始鉆孔前，必須有一套簡單而可行的定位方案來確定隧道斷面與鑿巖機器人車體以及鉆臂之間的相互位置關系。

3.1.1 車體定位原理

首先將鑿巖臺車的車體停放在裝有激光發生器的隧道斷面前，激光發生器發射出的激光在大地坐標系(固定坐標系)中的坐標得以確定，將鉆車的鉆臂、釬桿全部收縮至極限位置，調節鉆臂的位置使得激光發生器發射出的激光恰好通過位于鉆臂后方推進器上的激光靶，由PLC采集此時鑿巖機器人鉆臂各個關節的角度和位移并將這些數據傳遞給上位機進行分析，求出車體坐標至固定坐標系的變換矩陣，以此來確定需要鉆進的炮孔相對于車體的方位。

3.1.2 鉆臂定位原理

根據炮孔布置圖每個炮孔相對于車體坐標的位姿矩陣，由鉆臂運動學方程的逆解求出每個關節應轉動（或移動）的角度（距離），再由控制系統控制鉆臂運動，實現定位。

3.1.3 工作方式

鑿巖機器人的工作方式，根據其自動化程度由高至低可分為全自動鑿巖、計算機控制鑿巖以及人工控制鑿巖，其工作模式的切換可根據實際工作情況與隧道斷面的性質，通過控制面板上的工作模式按鍵進行選擇。

目前最為常見的鑿巖機器人工作方式即計算機控制鑿巖，該模式是由操作人員將預先設計規劃好的鑿巖炮孔布置圖存入鑿巖機器人的計算機控制器內，在工作時根據實際的工作情況，由操作人員選擇最佳的鉆孔軌跡，作為鑿巖的真實目標。

3.2 工作原理

當車體定位完成后，操作工人將預先設計布置好的炮孔圖調出，此時如果選擇全自動鑿巖方試，則只需按下“自動”按鈕，鉆臂將會自動完成定位，同時開始按照預先確定的鉆孔軌跡和鉆孔深度開始自動鑿巖；如果選擇計算機控制鑿巖模式，則需要手動操作將顯示器上鉆臂的位置與鉆孔的位置重合，再按下“鉆進”按鈕開始鉆孔，同時，在使用該模式時，需要隨時根據鉆孔情況和鉆臂位置選擇最優的鉆孔軌跡。

若由于鉆臂打滑或者控制系統故障等原因而出現未鉆進的炮孔，則需要采用人工控制模式，由工人手動操作進行鉆進。

3.2.1 液壓系統的工作原理

鑿巖臺車的液壓系統主要由定位控制回路、鉆臂控制回路、輔助臂控制回路等主回路以及行走、升降、穩車等輔助回路而構成。鉆臂控制回路一般為相互獨立的兩個鉆臂，且兩個鉆臂與輔助臂不能同時工作。液壓系統的液壓動力源為兩臺串聯的恒壓變量泵(一臺主泵一臺輔泵)，恒壓變量泵是指在工作壓力已經給定并設置完成后，泵的排量能根據工作負載的變化自動進行調節。

定位控制回路通過主泵進行供油，通過若干換向閥和比例閥進行控制，加以集成的插裝閥來驅動執行機構，完成多個定位時的位移動作，包括鉆臂平移、鉆臂升降與俯仰、位移速度控制等。

鑿巖控制回路仍然通過主泵進行供油，包括鑿巖沖擊回路與推進回路，通過比例控制來實現不同工況下沖擊與推進的匹配。推進器與鉆臂的回轉由輔助泵單獨進行供油。

輔助臂控制回路由主泵進行供油，采用比例閥分別驅動各個執行液壓缸，實現司機室的升降、輔助臂的升降與俯仰、輔助臂吊籃的上下平移等動作。

3.2.2 控制系統的工作原理

鑿巖臺車為了實現計算機控制的功能，首先必須將隧道斷面上的鑿巖炮孔的位置進行計算機輔助設計，在設計完成后將設計圖存入臺車的控制系統內，通過激光定位原理確定車體坐標系與固定坐標系(即隧道斷面坐標系)的聯系，確定鉆臂需要進行鉆進的位置、深度、角度等參數，并將這些信息反饋給控制系統，再由控制系統根據這些信息控制臺車的執行機構進行作業，以達到快速、準確、可靠地進行鉆孔作業的目的。

4 結語

本文對目前國內先進的隧道鑿巖機器人進行了詳細地敘述，介紹了其基本的結構組成及發展情況，并且對該產品最為核心的定位原理和工作方式有了充分的了解和認識。計算機控制的鑿巖機器人與傳統的鑿巖工具相比，不僅對操作者而言，減少了其工作強度、改善了工作條件、降低了操作門檻，而且對公司、企業而言，減少了工作成本、提高了工作效率、增加了工作的精度和可靠性，其優點十分顯著。近年來，我國在隧道鑿巖機器人領域發展十分迅速，取得了不少突出的成果，在某些技術方面已達到國際先進水平。

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