CN105781436A - 一种隧道支护钻孔机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种隧道支护钻孔机器人，包括：钻头的动力来源，无刷直流电机；齿轮减速器；钻孔装置的进给采用微型丝杠滑台；丝杠滑台的动力为步进电机；还包括：整个隧道支护机器人的支撑结构‑经改进的万向牛眼轮；沿隧道轴向定位驱动的丝杠滑台；沿隧道周向定位的旋转电机；联轴器；为实现精确定位的光电编码盘反馈系统；整个机器人尾部的电控箱；为实现自动插锚杆，而专门设计的楔形块锚杆自动弹射机构。上述各部分之间紧密配合构成隧道支护机器人。本发明利用改进型万向牛眼轮沿隧道周向120°三角布置作支撑的隧道支护钻孔结构，采用位置闭环控制，利用步进驱动器的带电自锁，定位精度高，结构简单，钻孔灵活。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻孔机器人，尤其涉及一种隧道支护钻孔机器人。
背景技术
通常隧道机器人多为检测机器人，国内隧道岩石钻孔，多采用风枪，其钻孔直径比较大、发热大，功耗高，还是人工现场手动控制，劳动强度比较大。国外在这方面起步较早，成果更多。从法国研制第一台实用液压钻岩机，到挪威公司研制自动控制的隧道凿岩钻车，在钻岩精度上和自动化程度上都更加进步。但是通过隧道支护钻孔机器人研究岩爆机理的研究还不多，需要更进一步的根据实际情况去考证和研究。中南大学多年来对隧道凿岩机器人进行了前期研究。它研制的“隧道凿岩机器人”是双臂型机器人，它两只巨大的铁臂上各有一个6米长的钻头，虽然可以在任何坚硬的岩石上打出所需要的炮眼。但其能量消耗巨大、控制系统复杂、造价昂贵。在专利申请方面，专利申请号CN95120602.8，名称为“盾构掘进式隧道钻孔机”，其采用平行联结方式开挖隧道，并不是用于支护钻孔；专利申请号CN201410814477.3名称为“一种地铁隧道钻孔壁后注浆方法”，其主要用途为治理地铁隧道管片渗漏水；所涉及的一次钻孔、二次钻孔、中空金属管和本设计大不相同；专利申请号为CN201220313535.0名称为“隧道用钻孔机”；专利申请号CN201520221508.4名称为“一种地铁隧道多方位高精度钻孔设备”，在其钻孔机安装平台上焊接有一排相同间距的矩形空心型钢,四个或多个钻孔机可在该平台上实现XY位置无级调节。可对隧道顶部或侧壁一次性钻多个孔。但此结构钻孔轴线难以保证穿过隧道圆心，平台用多个电动缸调节，控制精度不高。专利申请号CN201120173378.3名称为“隧道顶部钻孔机”，有防脱轨式轨道平板车、人字架、钻孔支架平台及发电机构成，其精度较高，但缺陷在于它只能在隧道顶部打孔，不能够实现任意位置的打孔。这些专利文件都可以实现钻孔，只是结构形式和定位驱动方式有所不同，上述装置在定位上要么设计的很复杂，要么钻孔不够灵活。在查找资料中，没有利用改进型万向牛眼轮沿隧道周向120°三角布置作支撑的隧道支护钻孔结构，另外，此结构采用位置闭环控制，利用步进驱动器的带电自锁，定位精度高，结构简单，钻孔灵活。
发明内容
本发明的目的是提供一种隧道支护钻孔机器人。
本发明的目的是这样实现的：包括大滑台，大滑台的端部安装有轴向进给电机，轴向进给电机的输出端与安装在大滑台上的轴向进给丝杠连接，轴向进给丝杠上安装有大滑板，大滑板上安装有旋转电机连接板，旋转电机连接板上安装有旋转电机，旋转电机的输出轴通过联轴器与法兰的一端固连，法兰的另一端固连有六边形轴，六边形轴的外表面设置有改进的牛眼轮，六边形轴的端部固连有径向进给电机连接板，径向进给电机连接板上安装有进给电机，进给电机的输出轴上安装有进给小齿轮，所述径向进给电机连接板的端部还连接有小滑台，小滑台上通过一对轴承座和轴座安装有钻头进给丝杠，钻头进给丝杠的端部安装有进给大齿轮，进给小齿轮与进给大齿轮啮合，所述钻头进给丝杠上还安装有小滑板，小滑板的上端安装有连接板，上端轴座的侧面安装有定块，定块上通过锚杆推杆弹力微调螺栓与动块连接，下端轴座的侧面安装有锚杆固定板，锚杆固定板上安装有锚杆库，锚杆库内设置有两块锚杆压板，每块锚杆压板与锚杆库之间设置有压板弹簧，两块锚杆压板之间设置有锚杆，锚杆库上端设置有锚杆推杆滑道，所述连接板上设置有楔形块配合孔，具有水平圆柱端的楔形块的下端面的初始位置卡在连接板上，楔形块上安装有楔形块固定板，锚杆推杆滑道内设置有锚杆推杆，且锚杆推杆滑道上端与锚杆推杆之间设置有弹簧，锚杆推杆上设置有沉头通孔，锚杆推杆与楔形块固定板通过导向圆柱棒以及螺钉连接，导向圆柱棒位于沉头通孔内，锚杆推杆与楔形块固定板之间设置有楔形块弹簧，具有水平圆柱端的楔形块的圆柱端插入至锚杆推杆上设置的孔内，所述连接板的端部还安装有钻头电机，钻头电机的输出轴上安装有钻孔传动小齿轮，连接板上安装有圆筒，圆筒内安装有轴，轴的上端穿过连接板且其上端安装有钻孔传动大齿轮，钻孔传动小齿轮与钻孔传动大齿轮啮合，轴的下端固连有钻头。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述改进的牛眼轮包括安装在六边形轴上的滑块箱体滑道、安装滑块箱体滑道中的滑块和固定在滑块上端的普通牛眼轮在滑块与滑块箱体滑道之间还设置有牛眼轮调节弹簧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用改进型万向牛眼轮沿隧道周向120°三角布置作支撑的隧道支护钻孔结构，采用位置闭环控制，利用步进驱动器的带电自锁，定位精度高，结构简单，钻孔灵活。本发明的支撑结构采用结构简单占用空间小的改进型万向牛眼轮，此牛眼轮，在下面设计了一个可以更换的弹簧装置，可根据负载大小的不同，随时更换不同刚度的弹簧；本发明的钻头进给机构，采用微型丝杠；直流无刷电机和钻头所在的轴用连接板支撑，并且有两个对称的加强筋使钻孔过程更加平稳，整个支护机器人在隧道内的运动为轴向的运动和相对轴的旋转运动，并且这两种运动都有光电编码器反馈系统。通过四个电机，分别实现整个机器人的沿隧道轴线旋转、轴向运动、钻头进给运动及钻头的转动，相互协作，从而实现在隧道壁上任意位置钻孔，本发明的楔形块锚杆自动弹射机构，是利用每次钻孔后，钻头退出过程，完成锚杆推杆的弹力积蓄，这个过程是通过连接板挡住装有弹簧的楔形块装置实现的，弹射是通过进给丝杠上方的动块推动楔形块实现的，动块压缩其弹簧，使锚杆推杆弹射，推动锚杆，完成锚杆插入。
附图说明
图1是本发明的主视方向结构示意图；
图2是图1的A-A方向剖面的结构示意图；
图3是图2中C部分的放大示意图；
图4是本发明的所提及的普通牛眼轮的结构示意图；
图5是本发明的改进的万向牛眼轮的结构示意图；
图6是本发明的作业时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图6，隧道支护钻孔机器人结构主要组成包括1、轴向行进电机，2、大滑台，3、固定滑块，4、轴向行进丝杠，5、周向旋转电机，6、旋转电机连接板，7、大滑板，8、联轴器，9、法兰，10、六边形轴，11、径向进给电机连接板，12、小滑台，13、小滑板，14、轴座，15、丝杠轴承座，16、锚杆推杆弹力微调螺栓，17、楔形块，18、楔块固定板，19、弹簧，20、楔形块弹簧，21、导向圆柱棒，22、钻孔传动大齿轮，23、钻孔传动小齿轮，24、连接板，25、钻头电机，26、轴承盖，27、轴承，28、轴，29、圆筒，30、锚杆推杆，31、动块，32、钻头，33、定块，34、锚杆库固定板，35、钻头进给丝杠，36、进给大齿轮，37、进给电机，38、进给小齿轮，39、丝杠进给导向轴，40、锚杆库，41、锚杆，42、锚杆压板，43、压板螺栓，44、压板弹簧，45、普通牛眼轮，46、滑块，47、滑块箱盖，48、滑块箱体滑道，49、牛眼轮力调节弹簧，50、隧道轴线，51、锚孔。
隧道钻孔机器人工作的整个过程大致可分为两大过程：第一个过程是钻孔，第二个过程是自动插锚杆。轴向行进电机1和固定滑块3都固定在大滑台2上，由1、3和2支撑轴向行进丝杠4，大滑板7可以在旋转的丝杠上移动，通过旋转电机连接板6将旋转电机5和大滑板7固定连接，然后旋转电机5再通过联轴器8和法兰9固定连接，法兰9又和六边形轴10固定连接，这样一来与大滑板7连接的所有构件都可以随滑板移动。径向进给电机连接板11一边通过螺钉与六边形轴10固定连接，另一边通过螺钉与小滑台12固定连接，小滑板13由被轴座14支撑的丝杠进给导向轴39和被丝杠轴承座15支撑的钻头进给丝杠35共同支撑，锚杆推杆弹力微调螺栓16安装在定块33上，通过螺旋运动可以控制动块31的上下位置，从而可以调节弹簧19的压缩量上限，导向圆柱棒21被固定安装在楔块固定板18上，楔形块弹簧20穿在导向圆柱棒21上，楔形块17和导向圆柱棒21都与锚杆推杆30行成平行的滑动连接，锚杆推杆上设置有沉头通孔，锚杆推杆与楔形块固定板通过导向圆柱棒以及螺钉连接，楔形块和楔块固定板向右运动，挤压弹簧，楔形块脱落。导向圆柱棒位于沉头通孔内，锚杆推杆与楔形块固定板之间设置有楔形块弹簧，具有水平圆柱端的楔形块的圆柱端插入至锚杆推杆上设置的孔内，这样的设置可以有效防止楔形块转动。连接板24将钻头电机25、轴承盖26和小滑板13固定连接，进给电机37通过焊接板固定在径向进给电机连接板11上，然后再通过进给小齿轮38和进给大齿轮36将扭矩传递给钻头进给丝杠35使其转动，从而使小滑板13带动钻头进给；钻头电机25通过小齿轮23和大齿轮22将扭矩传递给轴28，轴28通过轴承盖26、轴承27、圆筒29定位，钻头32和轴28通过螺钉固定连接，从而钻头电机25的扭矩传递到钻头32上，实现钻头钻孔。锚杆库40通过锚杆库固定板34固定连接到轴座上，锚杆库40的两端有一圆孔，作为锚杆推杆30的滑道，锚杆推杆30的上端的滑道上安装有弹簧19，其可以用来积蓄弹力，锚杆推杆30下端正对锚杆库40的孔，锚杆库40里面装有锚杆41，锚杆41被锚杆压板42、压板螺栓43、压板弹簧44组成的可压缩结构挤压以阻止其滑落。另外，改进型牛眼轮利用普通牛眼轮45的可任意角度转动的特性，将普通牛眼轮45通过螺纹连接和滑块46固定，并可沿滑块箱体滑道48滑动，上端通过滑块箱盖47限位，下端通过牛眼轮力调节弹簧49，可以调节普通牛眼轮45在沿隧道轴线50直线或旋转运动时的松紧；当周向旋转电机5和轴向行进电机1分别独立工作使钻头32到达要求的锚孔51的位置时，由进给电机37带动钻头32进给钻孔，当每次钻孔完毕退出钻头32的同时，连接板24挡住楔形块17下部使其上移，使弹簧19积蓄弹性势能，当钻头完全退出时，整个机器人结构由轴向行进电机1带动沿轴向移动，当锚杆库40下端的孔对准钻头32的孔洞时，钻头进给电机37再次转动带动连接板24上移，从而使楔形块17碰到上方的动块31，楔形块弹簧20被压缩，楔形块17脱离连接板24，射向锚杆库40的上方孔洞，将锚杆41射进钻头32所钻的孔。以上为一个周期，不断重复。
本发明包括：钻头的动力来源，无刷直流电机；齿轮减速器；钻孔装置的进给采用微型丝杠滑台；丝杠滑台的动力为步进电机；还包括：整个隧道支护机器人的支撑结构-经改进的万向牛眼轮；沿隧道轴向定位驱动的丝杠滑台；沿隧道周向定位的旋转电机；联轴器；为实现精确定位的光电编码盘反馈系统；整个机器人尾部的电控箱；为实现自动插锚杆，而专门设计的楔形块锚杆自动弹射机构。上述各部分之间紧密配合构成隧道支护机器人。
所述的支撑结构采用结构简单占用空间小的改进型万向牛眼轮，此牛眼轮，在下面设计了一个可以更换的弹簧装置，可根据负载大小的不同，随时更换不同刚度的弹簧；牛眼轮的布置，采用120°周向布置。
所述的钻头进给机构，每钻完一次孔，钻头返回初始位置时通过连接板挡住楔形块完成锚杆推杆弹力的积蓄。
为实现自动插锚杆，进给丝杠初始位置上方留有一定的位移余量，锚杆推杆的发射是通过丝杠上方的动块压紧楔形块使其通过压缩弹簧脱离连接挡板，进而利用弹力间接通过锚杆推杆推动锚杆；动块的位置可以通过推杆弹力微调螺栓调节，锚杆推杆弹射力的大小在不换弹簧的情况下一定范围内可控
本发明涉及一种隧道支护钻孔机器人结构设计，其目的是设计一种隧道支护钻孔机器人，包括：钻头的动力来源，无刷直流电机；齿轮减速器；钻孔装置的进给采用微型丝杠滑台；丝杠滑台的动力为步进电机；还包括：整个隧道支护机器人的支撑结构-经改进的万向牛眼轮；沿隧道轴向定位驱动的丝杠滑台；沿隧道周向定位的旋转电机；联轴器；为实现精确定位的光电编码盘反馈系统；整个机器人尾部的电控箱；为实现自动插锚杆，而专门设计的楔形块锚杆弹射机构；上述各部分之间紧密配合构成隧道支护机器人。整个机器人的动作分为四步：首先由大功率的步进电机，带动丝杠，使整个机器人沿隧道轴向行进；然后，当到达要求的轴向位置后，再由旋转电机通过联轴器带动整个钻孔装置整体旋转，当钻头到达要求的位置则停止旋转，(上述两个过程的完成是独立的，互不干扰，并且在带电的情况下，电机能够自锁，从而可以保证精确定位)；最后，直流无刷电机通过齿轮减速器带动钻头旋转，与此同时，步进电机通过另一齿轮减速器带动微型丝杠装置的滑板运动，实现钻头的进给，从而完成一次钻孔；第四步，完成一次钻孔后，钻头由丝杠退回到初始位置，此时，通过楔形块及其结构上的弹簧给锚杆的推杆积蓄弹力，当锚杆库下部的孔对准上一个步骤钻的孔，丝杠带动滑台向上移(初始位置向上留有一定的位移余量)，此时动块触动楔形块压缩弹簧，使推杆弹出推动锚杆，将锚杆射入孔洞内，一个周期的过程完成。隧道支护钻孔机器人的特点是小型化、智能化、设备模块化、系统化、结构简单且多用途等。本发明对正确、深入地揭示深部巷道/隧道岩爆等类似动力灾害的形成机制和演化规律具有重要的理论和应用价值，对于推进岩石力学学科发展以及重大实验平台建设具有重要的科学意义。另外，对隧道的支护作用所作的研究可以应用于地铁和海底隧道等的修建，有着重大的实用价值。
Claims (2)
1.一种隧道支护钻孔机器人，其特征在于：包括大滑台，大滑台的端部安装有轴向进给电机，轴向进给电机的输出端与安装在大滑台上的轴向进给丝杠连接，轴向进给丝杠上安装有大滑板，大滑板上安装有旋转电机连接板，旋转电机连接板上安装有旋转电机，旋转电机的输出轴通过联轴器与法兰的一端固连，法兰的另一端固连有六边形轴，六边形轴的外表面设置有改进的牛眼轮，六边形轴的端部固连有径向进给电机连接板，径向进给电机连接板上安装有进给电机，进给电机的输出轴上安装有进给小齿轮，所述径向进给电机连接板的端部还连接有小滑台，小滑台上通过一对轴承座和轴座安装有钻头进给丝杠，钻头进给丝杠的端部安装有进给大齿轮，进给小齿轮与进给大齿轮啮合，所述钻头进给丝杠上还安装有小滑板，小滑板的上端安装有连接板，上端轴座的侧面安装有定块，定块上通过锚杆推杆弹力微调螺栓与动块连接，下端轴座的侧面安装有锚杆固定板，锚杆固定板上安装有锚杆库，锚杆库内设置有两块锚杆压板，每块锚杆压板与锚杆库之间设置有压板弹簧，两块锚杆压板之间设置有锚杆，锚杆库上端设置有锚杆推杆滑道，所述连接板上设置有楔形块配合孔，具有水平圆柱端的楔形块的下端面的初始位置卡在连接板上，楔形块上安装有楔形块固定板，锚杆推杆滑道内设置有锚杆推杆，且锚杆推杆滑道上端与锚杆推杆之间设置有弹簧，锚杆推杆上设置有沉头通孔，锚杆推杆与楔形块固定板通过导向圆柱棒以及螺钉连接，导向圆柱棒位于沉头通孔内，锚杆推杆与楔形块固定板之间设置有楔形块弹簧，具有水平圆柱端的楔形块的圆柱端插入至锚杆推杆上设置的孔内，所述连接板的端部还安装有钻头电机，钻头电机的输出轴上安装有钻孔传动小齿轮，连接板上安装有圆筒，圆筒内安装有轴，轴的上端穿过连接板且其上端安装有钻孔传动大齿轮，钻孔传动小齿轮与钻孔传动大齿轮啮合，轴的下端固连有钻头。
2.根据权利要求1所述的一种隧道支护钻孔机器人，其特征在于：所述改进的牛眼轮包括安装在六边形轴上的滑块箱体滑道、安装滑块箱体滑道中的滑块和固定在滑块上端的普通牛眼轮在滑块与滑块箱体滑道之间还设置有牛眼轮调节弹簧。
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