CN109113572A - 一种针对凿岩台车的控制方法及凿岩台车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对凿岩台车的控制方法及凿岩台车，该方法包括：根据预先导入的钻孔分布设计图，确定当前待钻孔，控制机械臂装置输送钻进执行装置到达当前待钻孔位置处；根据待钻孔的类型，并将钻进控制信息实时发送至钻进执行装置内的相应设备，以利用钻进控制信息自动控制钻进执行装置执行包括领孔低冲、高冲、停冲、回退和冲洗的多阶段钻进作业。其中，凿岩台车包括钻进执行装置、机械臂装置和按照上述方法控制钻进执行装置和机械臂装置分别进行输送和钻进操作的凿岩台车控制系统。本发明加入了钻进执行装置输送的自动化控制，细化了钻进作业的阶段，实现了更加灵活、自动化程度更高的凿岩钻孔施工。

Description

一种针对凿岩台车的控制方法及凿岩台车

技术领域

本发明涉及凿岩工程控制领域，具体地说，是涉及一种针对凿岩台车的控制方法及凿岩台车。

背景技术

在隧道工程领域中，凿岩台车是钻孔爆破岩石的主要设备之一，具有转场灵活、作业高效、爆破种类多样化的特点。其中，凿岩机作为破碎岩石进行钻孔的核心装置通常经过一系列包括冲击、推进、回转和冲洗阶段，来驱动钻杆对岩石进行破碎、分解，从而完成钻进作业。

但在现有技术中，对于凿岩机的控制有如下缺陷：1)钻孔定位通常采用人工控制作业，定位精度不高、自动化程度较低；2)执行钻进施工作业的装置多为液控方式；3)地质岩性参数与钻进控制参数的匹配度较少，无法为凿岩机提供适应于带钻岩石地质情况的钻进控制数据；4)普通凿岩机易发生卡钻、空打现象，并在卡钻、空打现象发生后采取相应措施，并对这种情况下的钻进过程进行调整控制，以免对钻具造成较大损耗；5)传统钻进作业的阶段划分较少，对凿岩机钻进作业的控制和监测的精细化程度较低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种针对凿岩台车的控制方法，包括如下步骤：待钻孔定位步骤，根据预先导入的钻孔分布设计图，确定当前待钻孔，控制机械臂装置输送钻进执行装置到达当前待钻孔位置处；自动钻进步骤，根据所述待钻孔的类型，生成针对钻进执行装置对应不同钻进阶段的钻进控制信息，并将所述钻进控制信息实时发送至所述钻进执行装置内的相应设备，以利用当前时刻的所述钻进控制信息自动控制所述钻进执行装置执行包括领孔低冲、高冲、停冲、回退和冲洗的多阶段钻进作业。

优选地，在所述自动钻进步骤中，还包括：在实施多阶段钻进作业时，实时获取并解析钻进状态信息，其中，所述钻进状态信息包括推进速度反馈值、推进压力反馈值、冲击压力反馈值、回转压力反馈值、水压力反馈值、水流量反馈值、回转速度反馈值和实际钻进深度；根据所述钻进状态信息，对所述钻进执行装置的多阶段钻进作业的状态进行包括防空打检测和/或防卡钻检测的异常检测，若检测出异常，则启动包括相应异常处理策略所需阶段对应的所述钻进控制信息的异常处理指令，以自动控制所述钻进执行装置转换至当前异常对应的处理策略所需阶段。

优选地，在根据所述钻进状态信息，对所述钻进执行装置的多阶段钻进作业的状态进行包括防空打检测和/或防卡钻检测的异常检测，若检测出异常，则启动异常处理指令步骤中，包括：获取当前所述钻进状态信息中的回转压力反馈值，在当前所述回转压力反馈值处于预设的防卡钻回转压力初始阈值范围内的情况下，判定所述钻进执行装置为即将进入卡钻状态，启动包括控制钻进执行装置进入领孔低冲阶段的所述钻进控制信息的异常处理指令。

优选地，在根据所述钻进状态信息，对所述钻进执行装置的多阶段钻进作业的状态进行包括防空打检测和/或防卡钻检测的异常检测，若检测出异常，则启动异常处理指令步骤中，进一步包括：在判断出钻进执行装置处于即将进入卡钻状态的情况下，若获取到的当前所述回转压力反馈值继续增大，并且高于预设的防卡钻回转压力二次阈值，则进一步启动包括控制钻进执行装置进入停冲且冲洗阶段或者回退且冲洗阶段的所述钻进控制信息的异常处理指令。

优选地，在冲洗结束后，生成并启动含有控制钻进执行装置进入领孔低冲阶段的钻进控制信息的异常处理指令，并利用预设的防卡钻领孔完成时间阈值判断卡钻异常是否恢复正常，若恢复，则控制钻进执行装置进行正常推进并进入高冲钻进阶段；否则，生成并启动含有控制钻进执行装置进入回退阶段的钻进控制信息的异常处理指令，为钻进执行装置配置进入回退阶段的相应的钻进控制信息，在钻进执行装置完成回退后，等待重启。优选地，在根据所述钻进状态信息，对所述钻进执行装置的多阶段钻进作业的状态进行包括防空打检测和/或防卡钻检测的异常检测，若检测出异常，则启动异常处理指令步骤中，进一步包括：获取当前所述钻进状态信息中的推进压力反馈值和/或推进速度反馈值，在当前所述推进压力反馈值和/或当前所述推进速度反馈值超出或等于预设的防空打标准阈值的情况下，判定所述钻进执行装置为即将进入空打状态，启动包括控制钻进执行装置进入领孔低冲或者回退阶段的所述钻进控制信息的异常处理指令。优选地，在所述待钻孔定位步骤中，进一步包括：基于所述钻孔分布设计图中的针对当前待钻孔的待钻孔设计参数，确定机械臂装置的末端位姿；根据所述机械臂装置的末端位姿，利用预设的机械臂逆运动学模型，得到机械臂装置内对应的每个臂架关节的目标位置值；将机械臂装置对应的每个臂架关节的目标位置值发送至相应关节的液压装置中，利用位置闭环控制技术，使得机械臂装置按照所述待钻孔的设计参数将所述钻进执行装置运送至待钻孔位置处。

优选地，在所述自动钻进步骤中，在钻进执行装置进行领孔低冲钻进阶段时，根据获取到的所述钻进状态信息，在检测出当前所述钻进状态信息中的实时钻进深度达到预设的低高冲转换标准的情况下，判定所述钻进执行装置进入高冲钻进阶段。

优选地，在所述自动钻进步骤中，在钻进执行装置进行高冲钻进阶段时，若当前的实际钻进深度达到所述钻孔分布设计图中的待钻孔的设计深度的情况下，则控制所述钻进执行装置进入停冲钻进阶段。

优选地，在判定钻进执行装置即将进入空打状态时，若进一步判断出空打异常排除并恢复正常，控制钻进执行装置进行正常推进并进入高冲钻进阶段；否则，生成并启动含有控制钻进执行装置进入回退阶段的钻进控制信息的异常处理指令，为钻进执行装置配置进入回退阶段的相应的钻进控制信息，在钻进执行装置完成回退后，等待重启。

另一方面，本发明还提供了一种针对凿岩台车的控制系统，包括：待钻孔定位模块，其根据预先导入的钻孔分布设计图，确定当前待钻孔，控制机械臂装置输送钻进执行装置到达当前待钻孔位置处；自动钻进模块，其根据所述待钻孔的类型，生成针对钻进执行装置对应不同钻进阶段的钻进控制信息，并将所述钻进控制信息实时发送至所述钻进执行装置内的相应设备，以利用当前时刻的所述钻进控制信息自动控制所述钻进执行装置执行包括领孔低冲、高冲、停冲、回退和冲洗的多阶段钻进作业。

优选地，所述自动钻进模块包括：反馈信息获取单元，其在实施多阶段钻进作业时，实时获取并解析钻进状态信息，其中，所述钻进状态信息包括推进速度反馈值、推进压力反馈值、冲击压力反馈值、回转压力反馈值、水压力反馈值、水流量反馈值、回转速度反馈值和实际钻进深度；异常检测单元，其根据所述钻进状态信息，对所述钻进执行装置的多阶段钻进作业的状态进行包括防空打检测和/或防卡钻检测的异常检测，若检测出异常，则启动包括相应异常处理策略所需阶段对应的所述钻进控制信息的异常处理指令，以自动控制所述钻进执行装置转换至当前异常对应的处理策略所需阶段。

优选地，所述待钻孔定位模块包括：机械臂末端位姿确定单元，其基于所述钻孔分布设计图中的针对当前待钻孔的待钻孔设计参数，确定机械臂装置的末端位姿；臂架关节位置确定单元，其根据所述机械臂装置的末端位姿，利用预设的机械臂逆运动学模型，得到机械臂装置内对应的每个臂架关节的目标位置值；关节位置输出单元，其将机械臂装置对应的每个臂架关节的目标位置值发送至相应关节的液压装置中，利用位置闭环控制技术，使得机械臂装置按照所述待钻孔的设计参数将所述钻进执行装置运送至待钻孔位置处。

另外，本发明提出了一种凿岩台车，其特征在于，包括：钻进执行装置，用于执行包括领孔低冲、高冲、停冲、回退和冲洗的多阶段钻进作业；机械臂装置，用于输送所述钻进执行装置到达待钻孔位置处；内置有上述所述的控制系统的工控机，其与所述钻进执行装置和所述机械臂装置连接，用于根据预先导入的钻孔分布设计图，确定待钻孔的位置，控制所述机械臂装置执行相应的输送操作，以及根据所述待钻孔的类型，生成钻进执行装置对应不同钻进阶段的钻进控制信息，并将所述钻进控制信息实时发送至所述钻进执行装置内的相应设备，以利用所述钻进控制信息自动控制所述钻进执行装置进行多阶段钻进作业。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明提出了一种针对凿岩台车的控制方法及凿岩台车，该方法加入了钻进执行装置输送的自动化控制，细化了钻进作业的阶段，增加了防空打和防卡钻检测及控制流程，进一步完成了钻进控制参数自动匹配钻进执行装置进行钻进作业的功能，实现了更加灵活、自动化程度更高的凿岩钻孔施工。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本申请实施例的凿岩台车的总体结构示意图。

图2为本申请实施例的针对凿岩台车的控制方法的步骤图。

图3为本申请实施例的针对凿岩台车的控制方法的整体流程图。

图4为本申请实施例的针对凿岩台车的控制方法中的防卡钻控制流程图。

图5为本申请实施例的针对凿岩台车的控制方法中的防空打控制流程图。

图6为本申请实施例的针对凿岩台车的控制系统100的结构示意图。

图7为本申请实施例的凿岩台车中的钻进执行装置200进行多阶段钻进作业的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

在隧道工程领域中，凿岩台车是钻孔爆破岩石的主要设备之一，具有转场灵活、作业高效、爆破种类多样化的特点。其中，凿岩机作为破碎岩石进行钻孔的核心装置通常经过一系列包括冲击、推进、回转和冲洗阶段，来驱动钻杆对岩石进行破碎、分解，从而完成钻进作业。

但在现有技术中，对于凿岩机的控制有如下缺陷：1)钻孔定位通常采用人工控制作业，定位精度不高、自动化程度较低；2)执行钻进施工作业的装置多为液控方式；3)地质岩性参数与钻进控制参数的匹配度较少，无法为凿岩机提供适应于带钻岩石地质情况的钻进控制数据；4)普通凿岩机易发生卡钻、空打现象，并在卡钻、空打现象发生后采取相应措施，并对这种情况下的钻进过程进行调整控制，以免对钻具造成较大损耗；5)传统钻进作业的阶段划分较少，对凿岩机钻进作业的控制和监测的精细化程度较低。

因此，本发明提供了一种针对凿岩台车的控制方法及凿岩台车，该方法加入了钻进执行装置输送的自动化控制，细化了钻进作业的阶段，增加了防空打和防卡钻检测及控制流程，进一步通过检测钻进状态信息生成相应的适用于当前钻进施工作业的钻进控制信息，从而完成了钻进参数自动匹配钻进执行装置进行钻孔作业的功能，实现了更加灵活、自动化程度更高的凿岩钻孔施工。

图1为本申请实施例的针对凿岩台车的总体结构示意图。如图1所示，本发明涉及的凿岩台车至少包括：工控机、钻进执行装置200和机械臂装置300。其中，针对凿岩台车的控制系统(也称“凿岩台车控制器”)100集成于工控机中。钻进执行装置200用于执行包括领孔低冲、高冲、停冲、回退和冲洗的多阶段钻进作业。机械臂装置300用于输送钻进执行装置200到达待钻孔位置处。上述凿岩台车控制器100分别与钻进执行装置200和机械臂装置300连接，该控制器100用于对整个凿岩台车进行控制。具体地，凿岩台车控制器100根据预先导入的钻孔分布设计图，确定待钻孔的位置，控制机械臂装置300执行相应的输送操作(输送钻进执行装置200到达当前待钻孔位置处)，以及根据待钻孔的类型和待钻孔岩性分析信息，生成钻进执行装置200对应不同钻进阶段的钻进控制信息，并将钻进控制信息实时发送至钻进执行装置200内的相应设备，以利用钻进控制信息自动控制钻进执行装置200进行多阶段钻进作业(执行包括领孔低冲、高冲、停冲、回退和冲洗的多阶段钻进作业)。

进一步的，图7为本申请实施例的凿岩台车中的钻进执行装置200进行多阶段钻进作业的示意图。如图1和图7所示，钻进执行装置200至少包括：液压装置、冲击活塞和钎具(其中，钎具包括钎尾、钎杆和钻头等)。在钻进执行装置200进行钻进作业过程中，需要钻进执行装置200内的液压装置接收凿岩台车控制器100发送的钻进控制信息，根据所述钻进控制信息推动冲击活塞进行往复运动，当活塞向右运动并加速到一定速度时，活塞的冲击能量以应力波的形式推动钎具，并通过钎具传递给岩石，使得岩石破碎，从而达到钻进待钻孔的目的。

进一步的，机械臂装置300包括若干个臂架关节301、302……30X，每个臂架关节301、302……30X均具备相应的液压装置。每个臂架关节301、302……30X内的液压装置在接收到凿岩台车控制器100发送的针对每个臂架关节的目标位置值后，使得每个臂架关节301、302……30X按照接收到的针对自身关节的目标位置值在液压装置的控制下移动到目标位置处，将机械臂装置300末端安装好的钻进执行装置200输送到待钻孔位置处，以使得钻进执行装置200进一步执行多阶段钻进作业。其中，机械臂装置300末端的推进梁上安装有钻进执行装置200。

进一步的，由于凿岩台车控制器100是控制整个凿岩台车的核心控制系统，因此，下面需要对凿岩台车控制器100的控制方法、结构和功能进行详细说明。

本发明提出了一种针对凿岩台车的控制方法，该方法为凿岩台车控制器100实现其控制功能的方法，能够控制机械臂装置300和钻进执行装置200执行相应的输送和钻进操作。图2为本申请实施例的针对凿岩台车的控制方法的步骤图。如图2所示，在步骤S210(待钻孔定位步骤)中，凿岩台车控制器100根据预先导入的钻孔分布设计图，确定当前待钻孔(的位置)，控制机械臂装置300输送钻进执行装置200到达当前待钻孔位置处。

图3为本申请实施例的针对凿岩台车的控制方法的整体流程图。如图3所示，下面对步骤S210的具体实施过程进行说明。首先，在步骤S211中，凿岩台车控制器100接收通过工控机所配置的数据通用接口导入钻孔分布设计图，进一步获得针对每个需要进行钻进作业的待钻孔的设计参数并确定当前需要钻进的待钻孔，其中，每个待钻孔都具有相对应的待钻孔设计参数，所述待钻孔设计参数至少包括：待钻孔的空间位置坐标、钻进深度和孔末端坐标等参数。这样，无论凿岩台车正处于钻进完成上一个钻孔的钻进作业，还是刚完成钻孔分布设计图的导入工作而未开始进行第一个钻孔的钻进作业的情况下，都可以根据上述每个待钻孔的待钻孔设计参数确定出下一个需要钻进的当前待钻孔的位置。

接着，凿岩台车控制器100利用如下方法，控制机械臂装置300输送钻进执行装置200至当前待钻孔位置处。具体地，在步骤S212中，基于上述导入的钻孔分布设计图中的针对当前待钻孔的待钻孔设计参数，确定机械臂装置300的末端位姿。

在确定了机械臂装置300的末端位姿后，进入到步骤S213中，根据机械臂装置300的末端位姿，利用预设的机械臂逆运动学模型，得到机械臂装置300内对应的每个臂架关节301、302……30X的目标位置值。具体地，在构建机械臂逆运动学模型时，需要先构建雅克比(Jacobian)矩阵，建立运动学模型，目的是把运动模型“微分化”以确定各个关节的姿态；而后，再次根据凿岩台车的实际臂架结构与运动规律，使用微分方程数值解法，去定义最大迭代次数和门限误差，在整个空间自由度中多次迭代优化逆解，得到相对应的各个臂架关节301、302……30X较高精度的目标位置值，从而完成逆运动学模型的求解。

最后，(步骤S214)将机械臂装置300内对应的每个臂架关节301、302……30X的目标位置值发送至相应关节的液压装置中，利用位置闭环控制技术，使得机械臂装置300按照当前待钻孔的设计参数移动至当前待钻孔的位置处，即可保证每个臂架关节301、302……30X按照预先设定好的当前待钻孔的钻孔方案自动运动至钻孔位置，进一步进入到步骤S220中。其中，(步骤S215)，在机械臂装置300按照当前待钻孔的设计参数移动至当前待钻孔的位置处前，还需要根据凿岩台车臂架结构与运动规律，利用现有的机器人运动学建模方法，构建机械臂装置300的完整臂架正运动学模型，从而利用完整臂架正运动学模型对机械臂装置300内的机械臂架和采集装置的内部传感器进行标定和校准。在完整臂架正运动学模型构建过程(步骤S215)中，需要运用机器人运动学建模方法，依据凿岩台车实际臂架结构与运动规律，建立起臂架正向运动学模型，并制定运动学误差补偿参数表，来校正凿岩台车的制造及安装误差，对起臂架正向运动学模型进行补偿；在确保凿岩台车所有臂架关节301、302……30X的动作和安装在各个臂架关节内的采集装置中的传感器运行正常后，对所有臂架关节301、302……30X进行标定及校准；若经检验后，标定结果精度达标，则说明凿岩台车的完整臂架正向运动学模型已建立完成。需要说明的是，标定是指测量出凿岩台车的各个臂架关节301、302……30X间的几何距离。另外，校准是通过安装在每个采集装置中的校准传感器进行逐臂校准，以确定每个臂架关节301、302……30X内的位置检测传感器的零位。

在步骤S220(自动钻进步骤)中，凿岩台车控制器100根据当前待钻孔的类型和地质岩性信息(地质岩性状态分析结果)，生成针对钻进执行装置200对应不同钻进阶段的钻进控制信息，以使得凿岩台车控制器100利用当前时刻的所述钻进控制信息自动控制钻进执行装置200启动并自动执行包括领孔低冲、高冲、停冲、回退和冲洗的多阶段钻进作业。其中，钻进控制信息包括针对液压电机的旋转速度设定值和回转压力设定值、针对冲击活塞的冲击压力设定值和推进速度设定值、针对推进油缸施加的推进压力设定值、以及针对整体钻进过程的此次钻进时长和钻进距离(钻进距离与当前待钻孔设计参数的钻进深度相匹配)等数据。在本例中，多阶段钻进作业将现有的正常推进阶段进行细化，划分为属于正常推进前的领孔低冲作业阶段和稳定推进时的高冲作业阶段。高冲作业阶段的加入实现了加快钻进速度，提高钻进工作效率的目的。进一步，在回转阶段前加入用于准备回退的停冲阶段，从而减轻了钻进执行装置200的震动，对钻进执行装置200具有一定的保护作用。

需要说明的是，待钻孔的类型至少包括：用于安装锚杆的锚杆孔、用于装炸药的爆破孔和用于分析岩石的长孔。由于不同类型的孔的设计要求在孔深度、粗度等方面都有很大不同，因此，针对钻进控制信息中的每个具体的参数的设定而言，也有相应的差别。另外，在一个实施例中，凿岩台车控制器100能够根据地质岩性状态分析结果中的围岩等级等信息，为钻进执行装置200配置相应的适应于当前围岩等级的钻进控制信息。

进一步的，(步骤S221)在启动多阶段钻进作业后，凿岩台车控制器100获取并解析通过钻进执行装置200采集到的表征多阶段钻进作业状态的钻进状态信息，其中，钻进状态信息包括推进速度反馈值、推进压力反馈值、冲击压力反馈值、回转压力反馈值、水压力反馈值、水流量反馈值、回转速度反馈值和钻进深度反馈值等信息。钻进执行装置200内设置有不同类型的采集装置，采集装置选自压力传感器、流量计、编码器、速度传感器和位移传感器等中的一种或几种，采集装置根据各自的类型及功能分别设置于臂架关节、液压装置、冲击活塞和钎具内，用于按照预设的采集时间间隔或预设的钻进距离间隔，采集钻进执行装置200的推进速度、推进压力、冲击压力、回转压力、水压力、水流量、回转速度和钻进深度等信息。另外，凿岩台车控制器100在获得上述钻进状态信息后，实时生成相应的钻进状态日志，用以进行分析，为后续的钻井施工作业提供相应的数据资源。

进一步的，(步骤S223)凿岩台车控制器100根据上述钻进状态信息，对钻进所处阶段的钻进状态等进行分析和检测，并对多阶段钻进作业的进程和不同阶段间的转换进行控制和调整，以保障钻进施工作业的顺利实施。具体地，凿岩台车控制器100在对当前待钻孔进行多阶段钻进作业时，无论钻进执行装置200处于钻进的何种阶段，都需要为钻进执行装置200配置相应的钻进控制信息，尤其是其中的旋转速度、推进速度、旋转压力、推进压力和冲击压力参数，需要根据当前的钻进的所处阶段以及钻进状态信息进行实时的调整和配置，以进行不同阶段的转换。

进一步的，在执行多阶段钻进作业过程(步骤S223)中，首先，进行领孔低冲钻进阶段。在该阶段中，钻进控制信息中的推进压力不宜过大，此处的回转压力设定值需要小于35bar，以避免钻头滑动，造成钻孔位置偏移。领孔低冲阶段钻进作业实施过程中，根据获取到的钻进状态信息，在检测出当前实时钻进深度达到预设的低高冲转换标准的情况下，判定钻进执行装置200进入高冲钻进阶段。

在钻进执行装置200进行高冲钻进阶段时，凿岩台车控制器100为钻进控制装置200配置的钻进控制信息中的推进压力设定值、推进速度设定值、回转压力设定值、旋转速度设定值和冲击压力设定值等参数均按照预设的高冲钻进比例标准(其中，高冲钻进比例标准包括高冲推进压力提升比例、高冲推进速度提升比例、高冲回转压力提升比例、高冲旋转速度提升比例、高冲冲击压力提升比例等)增大，若凿岩台车控制器100判断出当前的待钻孔的实际钻进深度达到钻孔分布设计图中的待钻孔的设计深度的情况下，则控制钻进执行装置200进入停冲钻进阶段，为回退状态做好准备。

进一步，在钻进执行装置200进入到停冲阶段后，调整钻进控制信息中的推进方向、推进压力设定值、推进速度设定值、回转压力设定值、旋转速度设定值和冲击压力设定值等，以控制钻进执行装置200停止向前钻进并保持当前钻进位置，钻进执行装置200进入回退钻进阶段。钻进执行装置200在进入到回退阶段后，凿岩台车控制器100为钻进执行装置200配置的钻进控制信息中的推进方向，使钻头完成到达待钻孔的设计深度冲击后从钻孔中回转出来。另外，在上述多阶段钻进过程中，冲洗作业阶段伴随上述领孔低冲、高冲、停冲和回退阶段进行持续的运行，该阶段的冲洗介质多用压力水或压缩空气或两者的混合进行实施，需要从钻孔内清除被破碎下来的岩屑，如果冲洗不足，钻孔中将发生重复凿磨，不但使钻孔速度减慢，且使钻头加速磨损，甚至卡钻。需要说明的是，由于冲洗阶段的控制采用现有的控制方式，故在此不多作赘述。

再次参考图3，进一步的，在一个实施例中，在凿岩台车控制器100实时获取并解析通过钻进执行装置200采集到的表征多阶段钻进作业状态的钻进状态信息后，(步骤S222)根据上述钻进状态信息，对钻进执行装置200的多阶段钻进作业的状态进行异常检测，若检测出异常，则启动包括相应异常处理策略所需阶段对应的钻进控制信息的异常处理指令，并将对应的钻进控制信息发送至钻进执行装置200，以自动控制钻进执行装置200转换至当前异常对应的处理策略所需阶段。若未检测出异常，则继续执行相关的多阶段钻进作业。其中，异常检测包括：防空打检测和/或防卡钻检测。

进一步的，在一个实施例中，在步骤S222中，在凿岩台车控制器100启动异常处理指令后，若判断出异常检测中的异常排除并恢复正常，则控制钻进执行装置200进行正常推进并进入高冲钻进的正常钻进阶段，进入步骤S224中，待此次多阶段钻进作业完成。另外，若判断出异常检测中的异常未排除并未恢复正常，则继续保持上述异常处理指令，直至此异常排除，以控制钻进执行装置200进行正常推进并进入高冲钻进阶段，进入步骤S224中，继续进行钻进施工作业。

进一步的，在一个实施例中，在凿岩台车控制器100控制钻进执行装置200从当前待钻孔中回转并完全退出后，此次多阶段钻进作业结束(步骤S225)，进入步骤S226中，判断是否需要对下一个待钻孔进行钻进作业施工，若需要，则返回至步骤S211，按照上述方式控制机械臂装置300输送钻进执行装置到达下一个待钻孔位置处，以继续进行多阶段钻进作业；若不需要，则表明所导入的钻孔分布设计图中的所有待钻孔全部钻进完毕，以结束整个钻进施工。

进一步的，在一个实施例中，在钻进执行装置200进行多阶段钻进作业时，凿岩台车控制器100获取并解析上述钻进状态信息，(步骤S222)按照如下流程进行防卡钻检测。图4为本申请实施例的针对凿岩台车的控制方法中的防卡钻控制流程图。如图4所示，凿岩台车控制器100在实时解析钻进状态信息后，获取当前钻进状态信息中的回转压力反馈值并进行检测，在当前回转压力值反馈值处于预设的防卡钻回转压力初始阈值范围内的情况下，判定钻进执行装置200为即将进入卡钻状态，启动包括控制钻进执行装置200进入领孔低冲阶段的钻进控制信息的异常处理指令，并将对应的钻进控制信息发送至钻进执行装置200，为钻进执行装置200配置进入领孔低冲阶段(当前异常处理策略所需阶段)的相应的钻进控制信息，以实现针对钻进执行装置200钻进过程的防卡钻检测和调节。优选地，在一个实施例中，防卡钻回转压力初始阈值范围为大于70bar且小于100bar。

进一步的，在一个实施例中，在启动上述针对防卡钻检测的异常处理指令后，若凿岩台车控制器100检测到当前回转压力反馈值降低到上述防卡钻回转压力初始阈值范围内的最小值之下，则凿岩台车控制器100判断出卡钻异常排除并恢复正常，生成并启动含有控制钻进执行装置200进入高冲钻进阶段的钻进控制信息的指令，并将对应的钻进控制信息发送至钻进执行装置200，为钻进执行装置200配置进入高冲钻进阶段的相应的钻进控制信息，参考图3，自动控制钻进执行装置200进行正常推进并进入高冲钻进阶段。

进一步的，在一个实施例中，在启动上述针对防卡钻检测的异常处理指令后，若获取到的当前回转压力反馈值继续增大，并高于或等于预设的防卡钻回转压力二次阈值的情况下，则凿岩台车控制器100判断出卡钻异常尚未排除，进一步生成并启动含有控制钻进执行装置200进入停冲且冲洗阶段或者回退且冲洗阶段的钻进控制信息的异常处理指令，并将对应的钻进控制信息发送至钻进执行装置200，为钻进执行装置200配置进入停冲且冲洗阶段或者回退且冲洗阶段(当前异常处理策略所需阶段)的相应的钻进控制信息。参考图4，进一步，在冲洗结束后，凿岩台车控制器100生成并启动含有控制钻进执行装置200进入领孔低冲阶段的钻进控制信息的异常处理指令，并将对应的钻进控制信息发送至钻进执行装置200，为钻进执行装置200配置进入领孔低冲阶段的相应的钻进控制信息，并利用预设的防卡钻领孔完成时间阈值判断卡钻异常是否恢复正常。此时，若凿岩台车控制器100检测出在预设的防卡钻领孔完成时间阈值内完成领孔低冲阶段的钻进作业，则凿岩台车控制器100判断出卡钻异常排除并恢复正常，生成并启动含有控制钻进执行装置200进入高冲钻进阶段的钻进控制信息的指令，并将对应的钻进控制信息发送至钻进执行装置200，为钻进执行装置200配置进入高冲钻进阶段的相应的钻进控制信息，自动控制钻进执行装置200进行正常推进并进入高冲钻进阶段。若凿岩台车控制器100检测出在上述防卡钻领孔完成时间阈值内未完成领孔低冲阶段的钻进作业，则凿岩台车控制器100判断出卡钻异常仍未排除，生成并启动含有控制钻进执行装置200进入回退阶段的钻进控制信息的异常处理指令，并将对应的钻进控制信息发送至钻进执行装置200，为钻进执行装置200配置进入回退阶段的相应的钻进控制信息，在钻进执行装置200完成回退后，需由工作人员手动重启钻进执行装置200。优选地，在一个实施例中，防卡钻回转压力二次阈值100bar。

这样，根据上述多钻进阶段作业中的各个钻进阶段进行钻进，效率高，减少故障发生，一旦发生卡钻，切换到推进速度低的领孔低冲阶段，不仅减缓即将进入卡钻状态所带来的影响，这种电控方式也容易实现。

进一步的，在一个实施例中，在钻进执行装置200进行多阶段钻进作业时，凿岩台车控制器100获取并解析上述钻进状态信息，(步骤S222)按照如下流程进行防空打检测。图5为本申请实施例的针对凿岩台车的控制方法中的防空打控制流程图。如图5所示，凿岩台车控制器100在实时解析钻进状态信息后，获取当前钻进状态信息中的推进压力反馈值和/或当前推进速度反馈值，并进行检测，在当前推进压力值反馈值超出或等于预设的防空打标准阈值内的防空打推进压力阈值时，和/或当前推进速度值反馈值超出或等于预设的防空打标准阈值内的防空打推进速度阈值时的情况下，判定钻进执行装置200为即将进入空打状态，生成包括含有控制钻进执行装置200进入领孔低冲或回退阶段的钻进控制信息的异常处理指令，并将对应的钻进控制信息发送至钻进执行装置200，为钻进执行装置200配置进入领孔低冲或回退阶段(当前异常处理策略所需阶段)的相应的钻进控制信息。参考图5，此时，若凿岩台车控制器100检测出当前推进压力值反馈值低于防空打标准阈值内的防空打推进压力阈值时并且当前推进速度值反馈值低于防空打标准阈值内的防空打推进速度阈值时，则凿岩台车控制器100判断出空打异常排除并恢复正常，控制钻进执行装置200进行正常推进并进入高冲钻进阶段；否则，凿岩台车控制器100生成并启动含有控制钻进执行装置200进入回退阶段的钻进控制信息的异常处理指令，并将对应的钻进控制信息发送至钻进执行装置200，为钻进执行装置200配置进入回退阶段的相应的钻进控制信息，在钻进执行装置200完成回退后，需由工作人员手动重启钻进执行装置200。

进一步的，在一个实施例中，若凿岩台车控制器100未检测到当前推进压力值反馈值超出或等于预设的防空打标准阈值内的防空打推进压力阈值时，或者当前推进速度值反馈值超出或等于预设的防空打标准阈值内的防空打推进速度阈值时的情况下，判定钻进执行装置200并未进入空打状态，继续进行多阶段钻进作业，待此次多阶段钻进作业结束。

这样，上述防空打检测流程可以减缓即将进入空打状态所带来的影响，并且在不同已有钻进阶段进行切换，这种电控方式也容易实现。

另一方面，本发明提出了一种针对凿岩台车的控制系统100(也称“凿岩台车控制器100”)，该系统100集成于凿岩台车工控机内，能够控制机械臂装置300和钻进执行装置200执行相应的输送和钻进操作。图6为本申请实施例的针对凿岩台车的控制系统100的结构示意图。如图6所示，凿岩台车控制器100包括待钻孔定位模块110和自动钻进模块120。其中，待钻孔定位模块110包括当前待钻孔确定单元111、机械臂末端位姿确定单元112、臂架关节位置确定单元113、关节位置输出单元114和完整臂架正运动学模型存储单元115，该模块110能够按照上述步骤S210所述的方法根据预先导入的钻孔分布设计图，确定当前待钻孔的位置，控制机械臂装置300输送钻进执行装置200到达待钻孔位置处。

具体地，当前待钻孔确定单元111能够按照上述步骤S211所述的方法接收通过工控机所配置的数据通用接口导入钻孔分布设计图，进一步获得针对每个需要进行钻进作业的待钻孔的设计参数并确定当前需要钻进的待钻孔，其中，每个待钻孔都具有相对应的待钻孔设计参数，所述待钻孔设计参数至少包括：待钻孔的空间位置坐标、钻进深度和孔末端坐标等参数。

机械臂末端位姿确定单元112与当前待钻孔确定单元111连接，能够按照上述步骤S212所述的方法基于上述导入的钻孔分布设计图中的针对当前待钻孔的待钻孔设计参数，确定机械臂装置300的末端位姿。

臂架关节位置确定单元113与机械臂末端位姿确定单元112连接，按照上述步骤S213所述的方法根据机械臂装置300的末端位姿，利用预设的机械臂逆运动学模型，得到机械臂装置内对应的每个臂架关节301、302……30X的目标位置值。具体地，在构建机械臂逆运动学模型时，需要先构建雅克比(Jacobian)矩阵，建立运动学模型，目的是把运动模型“微分化”以确定各个关节的姿态；而后，再次根据凿岩台车的实际臂架结构与运动规律，使用微分方程数值解法，去定义最大迭代次数和门限误差，在整个空间自由度中多次迭代优化逆解，得到相对应的各个臂架关节301、302……30X较高精度的目标位置值，从而完成逆运动学模型的求解。

关节位置输出单元114与臂架关节位置确定单元113连接，执行上述步骤S214所述的方法，能够将机械臂装置对应的每个臂架关节301、302……30X的目标位置值发送至相应关节的液压系统中，利用位置闭环控制技术，使得机械臂装置按照所述待钻孔的设计参数运动至待钻孔位置处。其中，在机械臂装置300按照当前待钻孔的设计参数移动至当前待钻孔的位置处前，还需要先利用完整臂架正运动学模型存储单元115按照上述步骤S215所述的方法根据凿岩台车臂架结构与运动规律，以及现有的机器人运动学建模方法，构建完整臂架正运动学模型，以完成利用完整臂架正运动学模型对机械臂装置300内的机械臂架和采集装置的内部传感器进行标定和校准。

下面对自动钻进模块120进行说明。如图6所示，自动钻进模块120能按照上述步骤S220所述的方法，根据待钻孔的类型和待钻孔岩性分析信息，生成钻进执行装置对应不同钻进阶段的钻进控制信息，并将钻进控制信息实时发送至钻进执行装置200内的相应设备，以利用当前时刻的钻进控制信息自动控制钻进执行装置200依次执行包括领孔、低冲、高冲、停冲、回退和冲洗的多阶段钻进作业。其中，钻进控制信息包括针对液压电机的旋转速度设定值和回转压力设定值、针对冲击活塞的冲击压力设定值和冲击速度设定值、针对推进油缸施加的推进压力设定值和推进速度设定值、以及针对整体钻进过程的此次钻进时长和钻进距离(钻进距离与当前待钻孔设计参数的钻进深度相匹配)等数据。进一步，自动钻进模块120包括：反馈信息获取单元121、异常检测单元122和钻进执行单元123。

具体地，反馈信息获取单元121与设置于钻进执行装置200内的不同类型的采集装置连接，能够按照上述步骤S221在启动多阶段钻进作业时，实时获取并解析通过钻进执行装置200内的不同类型的采集装置所采集到的表征多阶段钻进作业状态的钻进状态信息。其中，钻进状态信息包括推进速度反馈值、推进压力反馈值、冲击压力反馈值、回转压力反馈值、水压力反馈值、水流量反馈值、回转速度反馈值和钻进深度反馈值等信息。另外，上述不同类型的采集装置选自压力传感器、流量计、编码器、速度传感器和位移传感器等中的一种或几种，采集装置根据各自的类型及功能分别设置于臂架关节、液压装置、冲击活塞和钎具内，用于按照预设的采集时间间隔或距离间隔，采集钻进执行装置200的推进速度、推进压力、冲击压力、回转压力、水压力、水流量、回转速度和钻进深度等信息。

钻进执行单元123与反馈信息获取单元121连接，能够按照上述步骤S223～S226所述的方法，根据从反馈信息获取单元121获取到的钻进状态信息，对钻进所处阶段的钻进状态等进行分析和检测，并对钻进执行装置200实施多阶段钻进作业的进程和不同阶段间的转换进行控制和调整，以保障钻进施工作业的顺利实施。

异常检测单元122与上述钻进执行单元123和反馈信息获取单元121连接，能够按照上述步骤S222所述的方法，从反馈信息获取单元121获取到的钻进状态信息，对钻进执行装置200的多阶段钻进作业的状态进行异常检测，若检测出异常，则启动包括相应异常处理策略所需阶段对应的钻进控制信息的异常处理指令并向钻进执行单元123发送，以自动控制钻进执行装置200转换至当前异常对应的处理策略所需阶段。若未检测出异常，则继续通过钻进执行单元123执行相关的多阶段钻进作业。其中，所述钻进检测项目包括：防空打检测和/或防卡钻检测。进一步，异常检测单元122还能够按照上述步骤S222所述的防空打检测流程和/或防卡钻检测流程，对多阶段钻进作业的状态进行异常检测。

本发明涉及提供了一种针对凿岩台车的控制方法及凿岩台车，加入了凿岩机钻杆运输的自动化控制，细化了钻进作业的阶段，增加了防空打和防卡钻检测及控制流程，进一步完成了钻进参数自动匹配钻进执行装置进行钻进作业的功能，实现了更加灵活、自动化程度更高的凿岩钻孔施工。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种针对凿岩台车的控制方法，包括如下步骤：

待钻孔定位步骤，根据预先导入的钻孔分布设计图，确定当前待钻孔，控制机械臂装置输送钻进执行装置到达当前待钻孔位置处；

自动钻进步骤，根据所述待钻孔的类型，生成针对钻进执行装置对应不同钻进阶段的钻进控制信息，并将所述钻进控制信息实时发送至所述钻进执行装置内的相应设备，以利用当前时刻的所述钻进控制信息自动控制所述钻进执行装置执行包括领孔低冲、高冲、停冲、回退和冲洗的多阶段钻进作业，其中，在实施多阶段钻进作业时，实时获取并解析反馈的钻进状态信息，其中，所述钻进状态信息包括推进速度反馈值、推进压力反馈值、冲击压力反馈值、回转压力反馈值、水压力反馈值、水流量反馈值、回转速度反馈值和实际钻进深度；

根据所述钻进状态信息，对所述钻进执行装置的多阶段钻进作业的状态进行包括防空打检测和/或防卡钻检测的异常检测，若检测出异常，则启动包括相应异常处理策略所需阶段对应的所述钻进控制信息的异常处理指令，以自动控制所述钻进执行装置转换至当前异常对应的处理策略所需阶段。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在根据所述钻进状态信息，对所述钻进执行装置的多阶段钻进作业的状态进行包括防空打检测和/或防卡钻检测的异常检测，若检测出异常，则启动异常处理指令步骤中，包括：

获取当前所述钻进状态信息中的回转压力反馈值，在当前所述回转压力反馈值处于预设的防卡钻回转压力初始阈值范围内的情况下，判定所述钻进执行装置为即将进入卡钻状态，启动包括控制钻进执行装置进入领孔低冲阶段的所述钻进控制信息的异常处理指令。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在根据所述钻进状态信息，对所述钻进执行装置的多阶段钻进作业的状态进行包括防空打检测和/或防卡钻检测的异常检测，若检测出异常，则启动异常处理指令步骤中，进一步包括：

在判断出钻进执行装置处于即将进入卡钻状态的情况下，若获取到的当前所述回转压力反馈值继续增大，并且高于预设的防卡钻回转压力二次阈值，则进一步启动包括控制钻进执行装置进入停冲且冲洗阶段或者回退且冲洗阶段的所述钻进控制信息的异常处理指令。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，

在冲洗结束后，生成并启动含有控制钻进执行装置进入领孔低冲阶段的钻进控制信息的异常处理指令，并利用预设的防卡钻领孔完成时间阈值判断卡钻异常是否恢复正常，若恢复，则控制钻进执行装置进行正常推进并进入高冲钻进阶段；

否则，生成并启动含有控制钻进执行装置进入回退阶段的钻进控制信息的异常处理指令，为钻进执行装置配置进入回退阶段的相应的钻进控制信息，在钻进执行装置完成回退后，等待重启。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在根据所述钻进状态信息，对所述钻进执行装置的多阶段钻进作业的状态进行包括防空打检测和/或防卡钻检测的异常检测，若检测出异常，则启动异常处理指令步骤中，进一步包括：

获取当前所述钻进状态信息中的推进压力反馈值和/或推进速度反馈值，在当前所述推进压力反馈值和/或当前所述推进速度反馈值超出或等于预设的防空打标准阈值的情况下，判定所述钻进执行装置为即将进入空打状态，启动包括控制钻进执行装置进入领孔低冲或者回退阶段的所述钻进控制信息的异常处理指令。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的控制方法，其特征在于，在所述待钻孔定位步骤中，进一步包括：

基于所述钻孔分布设计图中的针对当前待钻孔的待钻孔设计参数，确定机械臂装置的末端位姿；

根据所述机械臂装置的末端位姿，利用预设的机械臂逆运动学模型，得到机械臂装置内对应的每个臂架关节的目标位置值；

将机械臂装置对应的每个臂架关节的目标位置值发送至相应关节的液压装置中，利用位置闭环控制技术，使得机械臂装置按照所述待钻孔的设计参数将所述钻进执行装置运送至待钻孔位置处。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在所述自动钻进步骤中，

在钻进执行装置进行领孔低冲钻进阶段时，根据获取到的所述钻进状态信息，在检测出当前所述钻进状态信息中的实时钻进深度达到预设的低高冲转换标准的情况下，判定所述钻进执行装置进入高冲钻进阶段。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在所述自动钻进步骤中，

在钻进执行装置进行高冲钻进阶段时，若当前的实际钻进深度达到所述钻孔分布设计图中的待钻孔的设计深度的情况下，则控制所述钻进执行装置进入停冲钻进阶段。

9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，

在判定钻进执行装置即将进入空打状态时，若进一步判断出空打异常排除并恢复正常，控制钻进执行装置进行正常推进并进入高冲钻进阶段；

否则，生成并启动含有控制钻进执行装置进入回退阶段的钻进控制信息的异常处理指令，为钻进执行装置配置进入回退阶段的相应的钻进控制信息，在钻进执行装置完成回退后，等待重启。

10.一种针对凿岩台车的控制系统，包括：

待钻孔定位模块，其根据预先导入的钻孔分布设计图，确定当前待钻孔，控制机械臂装置输送钻进执行装置到达当前待钻孔位置处；

自动钻进模块，其根据所述待钻孔的类型，生成针对钻进执行装置对应不同钻进阶段的钻进控制信息，并将所述钻进控制信息实时发送至所述钻进执行装置内的相应设备，以利用当前时刻的所述钻进控制信息自动控制所述钻进执行装置执行包括领孔低冲、高冲、停冲、回退和冲洗的多阶段钻进作业，其中，所述自动钻进模块包括：

反馈信息获取单元，其在实施多阶段钻进作业时，实时获取并解析钻进状态信息，其中，所述钻进状态信息包括推进速度反馈值、推进压力反馈值、冲击压力反馈值、回转压力反馈值、水压力反馈值、水流量反馈值、回转速度反馈值和实际钻进深度；

异常检测单元，其根据所述钻进状态信息，对所述钻进执行装置的多阶段钻进作业的状态进行包括防空打检测和/或防卡钻检测的异常检测，若检测出异常，则启动包括相应异常处理策略所需阶段对应的所述钻进控制信息的异常处理指令，以自动控制所述钻进执行装置转换至当前异常对应的处理策略所需阶段。

11.根据权利要求10所述的控制系统，其特征在于，所述待钻孔定位模块包括：

机械臂末端位姿确定单元，其基于所述钻孔分布设计图中的针对当前待钻孔的待钻孔设计参数，确定机械臂装置的末端位姿；

臂架关节位置确定单元，其根据所述机械臂装置的末端位姿，利用预设的机械臂逆运动学模型，得到机械臂装置内对应的每个臂架关节的目标位置值；

关节位置输出单元，其将机械臂装置对应的每个臂架关节的目标位置值发送至相应关节的液压装置中，利用位置闭环控制技术，使得机械臂装置按照所述待钻孔的设计参数将所述钻进执行装置运送至待钻孔位置处。

12.一种凿岩台车，其特征在于，包括：

钻进执行装置，用于执行包括领孔低冲、高冲、停冲、回退和冲洗的多阶段钻进作业；

机械臂装置，用于输送所述钻进执行装置到达待钻孔位置处；

内置有如权利要求10或11所述的控制系统的工控机，其与所述钻进执行装置和所述机械臂装置连接，用于根据预先导入的钻孔分布设计图，确定待钻孔的位置，控制所述机械臂装置执行相应的输送操作，以及根据所述待钻孔的类型，生成钻进执行装置对应不同钻进阶段的钻进控制信息，并将所述钻进控制信息实时发送至所述钻进执行装置内的相应设备，以利用所述钻进控制信息自动控制所述钻进执行装置进行多阶段钻进作业。