CN110952972B - 一种煤矿钻机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿钻机及其控制方法，属于煤矿钻机技术领域，钻机包括钻机平台和设置在其上的自动装卸系统和钻孔主机，以及自动控制系统；自动装卸系统包括沿待装夹钻杆钻的输送方向顺次设置的钻杆箱、送杆机械手、钻杆转运器和主机械手；钻杆箱具有多层、多列容纳钻杆的空间；自动控制系统与自动装卸系统和钻孔主机相连，用于控制钻孔主机自动钻孔。本发明通过采用三级钻杆的输送方式与在钻机平台上设置大容量钻杆箱的布置方式相结合，解决了钻孔效率低的问题。

Description

一种煤矿钻机及其控制方法

技术领域

本发明属于煤矿钻机技术领域，涉及一种煤矿钻机及其控制方法。

背景技术

钻孔预抽瓦斯是煤矿井下预防、治理瓦斯灾害的主要手段，瓦斯抽采钻机是钻孔施工的主要设备。由于传统钻机存在的安全性差、劳动强度大、施工人员多等缺点，各种自动化钻机应运而生。

而现有技术存在以下问题：

1.钻机传感器只用于检测钻机主机的钻孔姿态以及钻机与巷道壁的距离，没有与自动钻孔控制相关的传感器；

2.钻杆箱容量有限，无法适应较深钻孔需求，钻孔过程中需人员频繁添加，影响施工效率与安全性；

3.控制系统不能实现自动打钻等具体的功能。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种煤矿钻机及其控制方法，通过采用三级钻杆的输送方式与在钻机平台上设置大容量钻杆箱的布置方式相结合，解决了钻孔效率低的问题。

一种煤矿钻机，包括钻机平台和设置在其上的自动装卸系统和钻孔主机，以及自动控制系统；所述自动装卸系统包括沿待装夹钻杆的钻输送方向顺次设置的钻杆箱、送杆机械手、钻杆转运器和主机械手；所述钻杆箱具有多层、多列容纳钻杆的空间；所述自动控制系统与自动装卸系统和钻孔主机相连，用于控制钻孔主机自动钻孔。

可选地，还包括固定在钻机平台上的提升架，所述钻孔主机和自动装卸系统分别固定在提升架的两侧。

可选地，所述钻孔主机包括设置在提升架上的机架回转器，以及固定连接在机架回转器上的机架；所述机架的一端设有动力头，另一端设有夹持器，钻杆经夹持器送入动力头，由动力头带动钻杆实现钻孔。

可选地，所述主机械手包括回转臂和设置在其末端的机械手回转器；所述机械手回转器与提升架相连。

可选地，所述钻杆箱包括底板和相对设置在底板两侧的侧板，以及相对设置在两侧的侧板内侧的若干隔板，所述底板和侧板围成两端敞开的储物空间；所述相邻隔板间的距离不小于钻杆的直径；所述侧板外侧固定有滑轨滑块移动副，所述送杆机械手固定在滑轨滑块移动副中的滑块上。

可选地，所述机械手回转器和机架回转器相对设置在提升架的两侧。

可选地，还包括传感器控制系统，所述传感器控制系统包括设置在机械手回转器内侧的同步定位传感器组件和设置在机械手回转器外侧的水平定位传感器组件，以及设置在机架上的末端定位传感器组件；所述同步定位传感器组件用于确定机械手的回转臂与机架上的钻杆夹持器的轴线平行；所述水平定位传感器组件用于确定机械手的回转臂与水平面之间的夹角为零；所述末端定位传感器组件用于检测待装夹钻杆的安装位置。

可选地，所述钻机平台上设有锚固系统，通过锚固系统实现钻机平台的固定。

可选地，所述自动控制系统连接有移动终端控制器。

一种煤矿钻机的控制方法，当钻机全系统状态正常且无孔内钻杆卡死情况时，采用全自动模式，全自动模式包括全自动钻进和全自动卸钻；当自动装卸系统出现故障，但是钻机主机正常工作时，采用半自动模式，半自动模式包括半自动钻进和半自动卸钻；当出现包括孔内钻杆卡死，或主机部件损坏，或人为选择手动模式的情况时，采用手动模式；手动模式下，核心控制器屏蔽自动程序，手动控制钻机。

可选地，全自动模式具体包括以下步骤：

S1.1全自动钻进：

S1.11钻机自检：自检位于钻杆箱内的钻杆数量，以确定满足钻孔需要；自检各执行部件，以确定其处于初始状态；

S1.12钻孔姿态自动调节：钻孔姿态测量仪接收到核心控制器的开孔高度、钻孔倾角、方位角数据，测量机架的实时数据，对比目标数据与实时数据，控制钻孔姿态调节装置调节开孔高度、钻孔倾角、方位角至目标数据；

S1.13钻杆输送：送杆机械手从钻杆箱中抓取待装夹钻杆放至钻杆转运器，主机械手从钻杆转运器中抓取待装夹钻杆放至位于机架上的钻杆夹持器中；

S1.14全自动钻进：核心控制器控制动力头、钻杆夹持器、机架协同作业，全自动完成待装夹钻杆与前序钻杆的接扣，然后进行一根钻杆的全自动钻进；

S1.15重复步骤S1.3～S1.4，直至达到设计钻孔深度；

S1.2全自动卸钻：

S1.21钻机自检：自检钻杆箱的容纳空间，以确定满足待拆卸钻杆的放置需求；自检各执行部件，以确定其处于卸钻状态；

S1.22全自动卸钻：核心控制器控制动力头、夹持器、机架协同作业，自动将一根孔内钻杆拖出，直到动力头位于机架最后端，并完成该钻杆与前序钻杆的卸扣，由后夹持器夹紧该钻杆；

S1.23转运钻杆：主机械手从位于机架上的钻杆夹持器中取出待拆卸钻杆放至钻杆转运器，送杆机械手从钻杆转运器中抓取待拆卸钻杆放至钻杆箱；

S1.24重复步骤S1.22～S1.23，直至孔内钻杆全部退出。

可选地，当自动装卸系统出现故障，钻机主机正常工作时，控制系统通过读取传感器系统数据，确定具体故障点，自动屏蔽故障部件，采用半自动模式控制钻机进行施工。

可选地，S2.1若自动装卸系统中的送杆机械手为故障部件，则按照以下步骤执行：

S2.11半自动钻进：

S2.111钻机自检：自检各执行部件，以确定除故障部件以外的其它执行部件处于初始状态；

S2.112执行步骤S1.12；

S2.113钻杆输送：操作者将待装夹钻杆放至钻杆转运器，主机械手从钻杆转运器中抓取待装夹钻杆放至位于机架上的钻杆夹持器中；

S2.113执行步骤S1.14；

S2.114重复步骤S2.113、S2.114，直至达到设计钻孔深度；

S2.12半自动卸钻：

S2.121钻机自检：自检各执行部件，以确定除故障部件以外的其它执行部件处于卸钻状态；

S2.122执行步骤S1.22；

S2.123钻杆转运：主机械手从位于机架上的钻杆夹持器中取出待拆卸钻杆放至钻杆转运器，操作者从钻杆转运器中取出待拆卸钻杆；

S2.124重复步骤S2.122～S2.123，直至孔内钻杆全部退出；

S2.2若自动装卸系统中的主机械手或钻杆转运器为故障部件，则按照以下步骤执行：

S2.21半自动钻进：

S2.211执行步骤S2.111；

S2.212钻杆输送：操作者将待装夹钻杆放至位于机架上的钻杆夹持器中；

S2.213执行步骤S1.14；

S2.214重复步骤S2.212、S1.14，直至达到设计钻孔深度；

S2.22半自动卸钻：

S2.222执行步骤S1.22；

S2.223钻杆转运：操作者从位于机架上的钻杆夹持器中取出待拆卸钻杆；

S2.224重复步骤S2.222～S2.223，直至孔内钻杆全部退出。

本发明的有益效果在于：

1.本发明中钻杆箱采用多列、多层的大容量箱体结构，结合送杆机械手、钻杆转运器以及主机械手的三级钻杆输送方法，可通过调整钻杆箱长度、高度以及送杆机械手和钻杆转运器的运动范围，方便的实现钻杆存储数量的改变，利于扩大钻杆箱的容量，可满足较深钻孔的钻杆数量需求，无需在钻孔过程中频繁添加钻杆，提高了钻孔施工效率和施工安全性。

2.本发明具有全自动、半自动、手动三种控制模式，可以满足不同的钻机状态或现场工况需求。

3.本发明中的主机械手定位传感器系统采用同一种型号，互换性强、维修方便且成本低。

4.本申请通过核心控制器对自动控制程序的调用，以及传感器系统对控制系统和执行机构的监测，在远程控制的基础上实现了全自动钻进、卸钻、钻杆输送以及钻孔姿态调节。

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来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为煤矿钻机的结构示意图；

图2为钻杆箱的结构示意图一；

图3为钻杆箱的结构示意图二；

图4为送杆机械手的结构示意图；

图5为钻杆转运器的结构示意图一；

图6为钻杆转运器的结构示意图二；

图7为主机械手的结构示意图；

图8为自动控制系统的原理图。

附图标记：自动控制系统1、锚固系统2、钻杆箱3、送杆机械手4、钻孔姿态调节装置5、机架6、动力头7、后夹持器8、前夹持器9、主机械手10、行走底盘11、钻杆转运器12、动力组件13、无线遥控器14、底板301、隔板302、侧板303、滑轨304、第一提升油缸401、支撑筒402、横臂403、固定爪404、第二提升油缸405、外筒406、夹紧油缸407、夹紧爪408、送杆马达409、滑块410、齿轮箱411、编码器412、提升套501、调斜减速器502、同步定位传感器1001、同步定位传感器感应块1002、水平定位传感器感应块1003、水平定位传感器1004、保护定位传感器感应块1005、保护定位传感器1006、末端定位传感器1007、末端定位传感器感应块1008、回转臂1009、传动箱1010、回转马达1011、倾角减速器1012、机械手回转器1013、手爪1014、伸缩油缸1015、连接座1201、轨道1202、连接座滑块1203、转运油缸1204、调节油缸1205、调节块1206、托块1207、转运箱1208。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参阅图1～图8，一种煤矿钻机，包括钻机平台和设置在其上的自动装卸系统和钻孔主机，以及自动控制系统1；自动装卸系统包括钻杆箱3、送杆机械手4、钻杆转运器12和主机械手10；钻孔主机和钻杆箱3分别位于主机械手10的两侧；钻杆转运器12位于钻杆箱3和主机械手10之间；钻杆箱3具有多层、多列容纳钻杆的空间；送杆机械手4设置在钻杆箱3的一侧；自动控制系统1与自动装卸系统和钻孔主机相连，用于控制钻孔主机自动钻孔。

具体地，该煤矿钻机包括自动控制系统1、锚固系统2、钻杆箱3、送杆机械手4、钻孔姿态调节装置5、机架6、动力头7、夹持器、主机械手10、行走底盘11、钻杆转运器12、动力组件13、无线遥控器14；机架6、动力头7、后夹持器8、前夹持器9构成钻机主机；夹持器为双夹持器，包括后夹持器8和前夹持器9。

(1)自动控制系统1

自动控制系统1由核心控制器、防爆电控阀组、液压阀组、传感器系统以及自动控制程序库组成。

核心控制器安装在防爆电控箱体中，是钻机的控制中枢和操作指令的集成处理中心。自动控制程序库存储了自动钻孔、自动上下钻杆、自动防卡钻、遥控单动控制等全部自动程序，以通过存储介质安装在防爆电控箱体中。防爆电控阀组是液压油路的物理控制开关，由它将控制器输出的程序(电信号)转换为液压阀组能够识别的液压信号。液压阀组控制液压油路达到程序指定的压力、流量等参数。传感器系统包含多种传感器，例如：电流电压监测系统、流量、压力、位置、位移传感器，对控制系统和执行机构进行全面监测。防爆电控阀组、液压阀组、传感器系统根据整机设计需要分散安装于钻机各处。

传感器系统主要包括以下几部分：用于防爆电控阀组状态监测的电流、电压传感器；用于液压阀组状态监测的流量、压力、油温等传感器；用于外部环境监测的传感器(孔口瓦斯浓度传感器、环境温度传感器等)；用于钻机各执行机构状态监测的传感器(机械手定位传感器、动力头转速传感器、钻孔姿态测量仪、机架给进位移传感器等)。

(2)自动装卸系统

钻杆箱3用于存储钻杆，为多列、多层的箱体结构，可通过调整钻杆箱3的长度、高度以及送杆机械手4和钻杆转运器12的运动范围，方便的实现钻杆存储数量的改变。通过底板301设置的安装孔固定安装在钻孔姿态调节装置5的回转平台上。侧板303垂直于底板，隔板302按照一定间距设置，将钻杆箱3分成多列，用于放置钻杆，调整间距可适用于不同直径的钻杆。滑轨304设置于一边侧板303的外侧，其中部为齿条，与送杆机械手4的齿轮啮合，驱动送杆机械手4水平往复运动；上下两端为导轨，为送杆机械手4往复运动导向。

送杆机械手4的功能是抓取钻杆箱3内的钻杆，放置到钻杆转运器12内；或者将钻杆转运器12内的钻杆放回钻杆箱3。送杆机械手4通过上下对称设置在齿轮箱411上的滑块410与钻杆箱3的滑轨304连接。齿轮箱411内安装有轴向竖直的齿轮，齿轮与滑轨304上的齿条啮合，并由送杆马达409驱动，实现送杆机械手4在水平面内往复运动。齿轮箱411底部设置有编码器412，用于对箱内钻杆进行编码和读取编码，并与钻机的核心控制器通讯，确定抓取特定钻杆或将钻杆放回箱内特定位置。支撑筒402的下端与齿轮箱411固连，其上端装有第一提升油缸401，第一提升油缸401上装有横臂403，横臂403可在第一提升油缸401驱动下进行上下平移运动。横臂403前端为外筒406和第二提升油缸405，外筒406下方为固定爪404，固定爪404的上部与外筒406为内外套筒式连接，形成直线运动副，在第二提升油缸405的驱动下进行上下伸缩运动。夹紧爪408在夹紧油缸407的驱动下上下翻转，实现对钻杆的夹紧和松开。

钻杆转运器12通过连接座1201固定安装在钻孔姿态调节装置5上。轨道1202固定置于连接座1201顶部，与连接座滑块1203嵌套形成移动副。转运箱1208安装于连接座滑块1203顶部，用于放置钻杆。转运油缸1204一端与连接座1201连接，另一端与转运箱1208连接，驱动转运箱1208沿轨道1202移动(即钻杆轴向)。托块1207固定于转运箱1208中，对钻杆径向定位。调节块1206可在调节油缸1205的驱动下沿钻杆轴向运动，实现对不同长度钻杆的定位。

主机械手10包括倾角调整关节，安装在提升架上，由倾角马达、倾角减速器1012、机械手回转器1013组成；回转关节，安装在机械手回转器1013上，由回转马达1011、传动箱1010、回转臂1009组成；手爪关节，安装在回转臂1009上，由伸缩油缸1015、手爪1014组成。

(3)主机械手定位传感器系统

主机械手10的定位系统包括：设置在主机械手10的回转臂1009末端的机械手回转器1013内侧的同步定位传感器组件；设置在机械手回转器1013外侧的水平定位传感器组件；设置在机架6上用于检测待装夹钻杆安装位置的末端定位传感器组件；设置在机械手回转器1013外侧的保护定位传感器组件。

同步定位传感器组件包括同步定位传感器1001和同步定位传感器感应块1002；同步定位传感器1001设置在位于机架回转器内侧的连接杆上，连接杆与机架固定连接；同步定位传感器感应块1002固定在机械手回转器1013的内侧；水平定位传感器组件包括水平定位传感器1004和水平定位传感器感应块1003；水平定位传感器1004设置在安装架的提升架上，水平定位传感器感应块1003设置在机械手回转器1013外侧靠近钻杆的一侧；末端定位传感器1007组件包括设置在机架6上的末端定位传感器1007和末端定位传感器感应块1008；末端定位传感器1007和末端定位传感器感应块1008安装在机架6上靠近后夹持器8的一端。

同步定位传感器1001的感应端指向机械手回转器1013的径向向外，水平定位传感器1004、保护定位传感器1006的感应端指向机械手回转器1013的径向向内；水平定位传感器感应块1003、保护定位传感器感应块1005重叠安装在机械手回转器1013外侧靠近钻杆的一侧。

一种煤矿钻机的控制方法，具有全自动、半自动、手动三种控制模式：当钻机全系统状态正常且无孔内钻杆卡死情况时，采用全自动模式；当包括自动装卸系统出现故障，但是钻机主机正常工作时，可采用半自动模式；当孔内钻杆完全卡死，或主机部件损坏以及其他需要调试钻机情况出现时，可采用手动模式。

自动控制基本流程如下：核心控制器接收到操作者指令后从自动控制程序库中选取相应的自动程序，控制防爆电控阀组打开、关闭或调整开度，从而驱动液压阀组对包括特定液压油路的压力、流量参数进行控制，最终驱动钻机执行机构进行特定的运动。钻机工作过程中，各类传感器组成的传感器系统可同时对钻机执行机构、液压阀组、电控阀组以及主要外部环境参数进行监测，并实时地将监测结果反馈给核心控制器，实时修正控制参数，不断自我完善控制程序。

(1)全自动模式

当钻机全系统状态正常且无孔内钻杆卡死情况时，采用全自动模式。此模式下，操作者只需通过无线遥控器14进行“打钻/卸钻”工况选择，并输入钻孔姿态参数，按下启动键，钻机即可进行钻进施工，钻孔或卸钻全过程无需人工干预。

①全自动钻孔步骤如下：

A0(初始状态)：钻杆箱3内放置满足钻孔深度数量的钻杆；送杆机械手4、钻杆转运器12、主机械手10内均无钻杆，处于任意位置；钻孔姿态调节装置5尚未进行调整，机架6处于任意状态；前夹持器9、后夹持器8、动力头7处于任意状态。

A1：操作人员接通钻机电源，操作无线遥控器14，选择“自动/单动”状态为“自动”，选择“钻进/卸钻”状态为“钻进”，输入开孔高度、钻孔倾角、方位角数据，按下“启动”键。

A2：钻机自检：

A201：夹持器自检。检查是否处于后夹持器8松开且前夹持器9夹紧状态，若否，则自动控制使其处于上述状态。

A202：动力头7位置自检。若动力头7未处于机架6最后端(推进位移为0)，则自动控制使其移动至最后端。

A203：自动装卸系统自检：

A20301：送杆机械手4自检。检查送杆机械手4是否位于钻杆转运器12上方，第一提升油缸401是否全部伸出，第二提升油缸405是否全部缩回，夹紧油缸407是否松开，若否，则自动控制使其处于上述状态。

A20302：主机械手10自检。检查主机械手10的倾角、翻转角度是否为0，伸缩油缸1015是否全部缩回，手爪1014是否松开，若否，则自动控制使其处于上述状态。

A20303：钻杆转运器12自检。检查钻杆转运器12位移是否为0，即是否与钻杆箱3对齐，若否，则自动控制使其处于上述状态。

A20304：钻杆扫描编码。送杆机械手4沿钻杆箱3的滑轨304由第1列(离主机最近)向最后1列(离主机最远)运动，编码器412清点各列钻杆数量，并以列为X坐标，高度为Y坐标，对箱内每一根钻杆进行二维编码，如第1列各根钻杆为(1,1)、(1,2)……(1,n)，n为最底部的钻杆，以此类推。

A20305：送杆机械手4沿钻杆箱3的滑轨304由最后1列向第1列运动，按A20304倒序清点钻杆，进行二次校验。

为提高效率，在机械结构无干涉的前提下，上述系统的自检为并行程序，同时进行。

A3：钻孔姿态自动调节。钻孔姿态测量仪接收核心控制器的开孔高度、钻孔倾角、方位角数据，然后测量机架6的实时数据，对比目标数据与实时数据，控制钻孔姿态调节装置5调节开孔高度、钻孔倾角、方位角，直到达到目标数据。

A4：钻杆输送：

A401：送杆机械手4由送杆马达409经齿轮齿条驱动，沿钻杆箱3的滑轨304进行水平运动，使固定爪404对齐指定列的钻杆，实现钻杆选列(默认从最靠近主机的第1列开始)。

A402：第一提升油缸401缩回适当长度，第二提升油缸405伸出适当长度，调节固定爪404高度，使其适合抓取指定列最上面的一根钻杆。

A403：夹紧油缸407驱动夹紧爪408夹紧钻杆。

A404：第二提升油缸405全部缩回，第一提升油缸401全部伸出，送杆机械手4沿钻杆箱3的滑轨304运动至钻杆转运器12上方，使取出的钻杆对准托块1207。

A405：第一提升油缸401缩回适当长度，第二提升油缸405伸出适当长度，使钻杆接触托块1207，夹紧爪408松开，第二提升油缸405全部缩回，第一提升油缸401全部伸出，送杆机械手4移动至第2根待抓取钻杆上方准备。

A406：钻杆转运器12在转运油缸1204的驱动下沿动力头7前进方向移动，使钻杆对准主机械手10的手爪1014。

A407：主机械手10伸缩油缸1015伸出，手爪1014夹紧钻杆转运器12内的钻杆，伸缩油缸1015缩回，钻杆转运器12回到A203状态。

A408：倾角减速器1012通过机械手回转器1013带动整个主机械手10进行倾角调节。同步定位传感器1001感应到同步定位传感器感应块1002时，表示主机械手10已到达可将钻杆送入主机的设计倾角，倾角减速器1012停止运动。

A409：回转马达1011驱动回转臂1009按顺时针方向(从前夹持器9往动力头7方向观察)翻转，手爪1014触碰末端定位传感器感应块1008，末端定位传感器1007感应到末端定位传感器感应块1008时停止翻转，此时钻杆恰好被送入动力头7与后夹持器8之间，且前端位于后夹持器8中。

A410：后夹持器8夹紧钻杆，手爪1014松开钻杆，回转马达1011驱动回转臂1009反向(逆时针)翻转，倾角减速器1012带动整个主机械手10向倾角为0的方向运动，水平定位传感器1004感应到水平定位传感器感应块1003时停止调整倾角，机械手回到A203状态。

A5：全自动钻进。核心控制器控制动力头7、前夹持器9、后夹持器8、机架6协同作业，全自动完成新加入钻杆与前序钻杆的接扣，然后进行一根钻杆的全自动钻进。

A6：一根钻杆的全自动钻进完成后，核心控制器控制动力头7、前夹持器9、后夹持器8、回到A2步骤状态，并循环重复A4-A6，直到达到设计钻孔深度或钻杆箱3内钻杆耗尽或人工暂停。为提高效率，在机械结构无干涉的前提下，A4与A5(或A6)各动作为并行程序，同时进行。

②全自动卸钻步骤如下：

B0(初始状态)：钻杆箱3内有足够位置摆放待拆卸的钻杆；送杆机械手4、钻杆转运器12、主机械手10内均无钻杆，处于任意位置；前夹持器9夹紧已钻入孔内的钻杆，后夹持器8松开；动力头7处于推进行程最前端。

B1：操作人员操作无线遥控器14，选择“自动/单动”状态为“自动”，选择“钻进/卸钻”状态为“卸钻”，按下“启动”键。

B2：钻机自检(此处自检主要是为了防止在“钻进”到“卸钻”的暂停过程中，人工单动误操作钻机，或者向钻杆箱3内人为放入了多余钻杆，从而在自动卸钻时造成相关机构的损伤)：

B201：夹持器自检。检查是否处于后夹持器8松开且前夹持器9夹紧状态，若否，则自动控制使其处于上述状态。

B202：动力头7位置自检。若动力头7未处于推进行程最前端，则自动控制使其移动至推进行程最前端。

B203：自动装卸系统自检：

B20301：送杆机械手4自检。检查送杆机械手4是否位于钻杆转运器12上方，第一提升油缸401是否全部伸出，第二提升油缸405是否全部缩回，夹紧油缸407是否松开，若否，则自动控制使其处于上述状态。

B20302：主机械手10自检。检查主机械手10倾角、翻转角度是否为0，伸缩油缸1015是否全部缩回，手爪1014是否松开，若否，则自动控制使其处于上述状态。

B20303：钻杆转运器12自检。检查钻杆转运器12位移是否为最大，即钻杆摆放位置是否与主机械手10的手爪1014对齐，若否，则自动控制使其处于上述状态。

B20304：钻杆扫描编码。送杆机械手4沿钻杆箱3的滑轨304由第1列(离主机最近)向最后1列(离主机最远)运动，编码器412清点各列钻杆摆放情况，并以列为X坐标，高度为Y坐标，对箱内已摆放好的钻杆进行二维编码，如第1列各根钻杆为(1,1)、(1,2)……(1,n)，n为最底部的钻杆，以此类推。以假定装满钻杆状态减去已摆放好的钻杆，获得可摆放钻杆位置的编码。

B20305：送杆机械手4沿钻杆箱3的滑轨304由最后1列向第1列运动，按B20304倒序清点钻杆，进行二次校验。

为提高效率，在机械结构无干涉的前提下，上述系统的自检为并行程序，同时进行。

B3：全自动卸钻。核心控制器控制动力头7、前夹持器9、后夹持器8、机架6协同作业，全自动将一根孔内钻杆拖出，直到动力头7位于机架6最后端，并完成该钻杆与前序钻杆的卸扣，由后夹持器8夹紧该钻杆。

B4：钻杆输送：

B401：倾角减速器1012通过机械手回转器1013带动整个主机械手10进行倾角调节。同步定位传感器1001感应到同步定位传感器感应块1002时，表示主机械手10已到达可将钻杆从主机取出的设计倾角，倾角减速器1012停止运动。

B402：回转马达1011驱动回转臂1009按顺时针方向(从前夹持器9往动力头7方向观察)翻转，手爪1014触碰末端定位传感器感应块1008，末端定位传感器1007感应到末端定位传感器感应块1008时停止翻转，此时手爪1014恰好处于可夹紧钻杆的位置。

B403：手爪1014夹紧钻杆，后夹持器8松开钻杆，回转马达1011驱动回转臂1009反向(逆时针)翻转，倾角减速器1012带动整个主机械手10向倾角为0的方向运动，水平定位传感器1004感应到水平定位传感器感应块1003时停止调整倾角。

B404：主机械手10伸缩油缸1015伸出直到钻杆接触钻杆转运器12的托块1207，手爪1014松开，将钻杆放入转运器内，伸缩油缸1015缩回。

B405：钻杆转运器12在转运油缸1204的驱动下沿动力头7后退方向移动，使钻杆对准钻杆箱3和送杆机械手4。

B406：送杆机械手4的第一提升油缸401缩回适当长度，第二提升油缸405伸出适当长度，使固定爪404接触钻杆，夹紧爪408夹紧钻杆，第二提升油缸405全部缩回，第一提升油缸401全部伸出，将钻杆提起。

B407：送杆机械手4由送杆马达409经齿轮齿条驱动，沿钻杆箱3的滑轨304进行水平运动，使钻杆对齐指定列，实现放回钻杆选列(默认从第1列开始放回)。

B408：第一提升油缸401缩回适当长度，第二提升油缸405伸出适当长度，调节固定爪404高度，使其适合将钻杆放回至指定列最上面的空位

B409：夹紧油缸407驱动夹紧爪408松开钻杆。

B410：第一提升油缸401全部伸出，第二提升油缸405全部缩回，送杆机械手4移动至钻杆转运器12上方，准备抓取下一根钻杆。

B5：一根钻杆的全自动卸钻完成后，核心控制器控制动力头7、前夹持器9、后夹持器8回到B2步骤状态，并循环重复B3-B5，直到孔内钻杆全部退出或钻杆箱3被装满或人工暂停。为提高效率，在机械结构无干涉的前提下，B4与B3(或B5)各动作为并行程序，同时进行。

(2)半自动模式

当包括自动装卸系统出现故障，但是钻机主机正常工作时，控制系统通过读取传感器系统数据，确定具体故障点，自动屏蔽故障部件，可采用半自动模式控制钻机进行施工。

①若为送杆机械手4故障，则按照以下步骤进行施工：

C1：操作人员操作无线遥控器14，选择“自动/单动”状态为“自动”，选择“钻进/卸钻”状态，按下“启动”键。

C2：自动屏蔽与送杆机械手4和钻杆箱3相关程序与传感器。

C3：自动控制钻杆转运器12处于位移最大状态，即钻杆摆放位置对齐主机械手10的手爪1014。

C4：核心控制器控制包括主机械手10、动力头7、前夹持器9、后夹持器8按照全自动模式的钻进或卸钻相关步骤运行(A2-A6、B2-B5)。区别是，半自动钻进需要人工将钻杆放入钻杆转运器12；半自动卸钻需要人工将钻杆从钻杆转运器12中取出，而非送杆机械手4。

②若为主机械手10或钻杆转运器12故障，则按照以下步骤进行施工：

D1：操作人员操作无线遥控器14，选择“自动/单动”状态为“自动”，选择“钻进/卸钻”状态，按下“启动”键。

D2：自动屏蔽与全部钻杆输送系统相关的程序、传感器。

D3：核心控制器控制包括动力头7、前夹持器9、后夹持器8、按照全自动模式的钻进或卸钻相关步骤运行(A2、A3、A5、A6；B2、B3、B5)。区别是，此时的钻进需要人工将钻杆放入后夹持器8；半自动卸钻需要人工将钻杆从后夹持器8中取出，而非主机械手10。

(3)手动控制模式

当孔内钻杆完全卡死、主机部件损坏等情况出现时，或者人为选择选择“自动/单动”状态为“单动”时，核心控制器将屏蔽一切自动程序，此时只可采用手动模式控制钻机，操作者对无线遥控器14按键的操作与钻机执行机构的动作一一对应。

本发明通过核心控制器对自动控制程序的调用，以及传感器系统对控制系统和执行机构的监测，在远程控制的基础上实现了全自动钻进、卸钻、钻杆输送以及钻孔姿态调节。

本发明中的钻杆箱3采用多列、多层的大容量箱体结构，结合送杆机械手4、钻杆转运器12以及主机械手10的三级钻杆输送方法，可通过调整钻杆箱3长度、高度以及送杆机械手4和钻杆转运器12的运动范围，方便的实现钻杆存储数量的改变，进一步扩大容量。

本发明中的主机械手10定位传感器系统采用的4个定位传感器均为同一种型号，互换性强、维修方便且成本低。

本发明具有全自动、半自动、手动三种控制模式，适用于不同的钻机状态或现场工况需求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种煤矿钻机，其特征在于：包括钻机平台和设置在其上的自动装卸系统和钻孔主机，以及自动控制系统；

所述自动装卸系统包括沿待装夹钻杆钻的输送方向顺次设置的钻杆箱、送杆机械手、钻杆转运器和主机械手；

所述钻杆箱具有多层、多列容纳钻杆的空间；所述钻杆箱包括底板和相对设置在底板两侧的侧板，以及相对设置在两侧的侧板内侧的若干隔板；相邻隔板间的距离不小于钻杆的直径；

所述送杆机械手通过上下对称设置在齿轮箱上的滑块与设置在钻杆箱一边侧板外侧的滑轨连接；齿轮箱设有与设置在滑轨上的齿条啮合的轴向竖直的齿轮，并通过送杆马达驱动；齿轮箱上固定连接有支撑筒，支撑筒的上端安装有第一提升油缸，第一提升油缸连接有横臂，横臂在第一提升油缸驱动下上下平移运动，横臂的另一端设有外筒和第二提升油缸，外筒下方设有与其为内外套筒式连接、形成直线运动副的固定爪，固定爪在第二提升油缸的驱动下上下伸缩运动；固定爪下方设有夹紧爪，夹紧爪在夹紧油缸的驱动下实现对钻杆的夹紧和松开；

所述钻杆转运器包括连接座，连接座顶部固定设置有平行于钻杆轴向的轨道，轨道与连接座滑块嵌套形成移动副，连接座滑块的顶部设有转运箱，转运箱连接有转运油缸以驱动转运箱沿轨道移动；

所述主机械手包括倾角调整关节，倾角调整关节包括倾角马达、倾角减速器和机械手回转器；机械手回转器上设有回转关节，回转关节包括回转马达、传动箱和回转臂；回转臂上设有手爪关节，手爪关节包括伸缩油缸和手爪；主机械手能够从钻杆转运器中抓取待装夹钻杆放至位于机架上的钻杆夹持器中，从位于机架上的钻杆夹持器中取出待拆卸钻杆放至钻杆转运器中；

所述自动控制系统与自动装卸系统和钻孔主机相连，用于控制钻孔主机自动钻孔。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿钻机，其特征在于：还包括固定在钻机平台上的提升架，所述钻孔主机和自动装卸系统分别固定在提升架的两侧。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿钻机，其特征在于：所述钻孔主机包括设置在提升架上的机架回转器，以及固定连接在机架回转器上的机架；所述机架的一端设有动力头，另一端设有夹持器。

4.根据权利要求3所述的一种煤矿钻机，其特征在于：所述主机械手包括回转臂和设置在其末端的机械手回转器；所述机械手回转器与提升架相连。

5.根据权利要求4所述的一种煤矿钻机，其特征在于：还包括传感器控制系统，所述传感器控制系统包括设置在机械手回转器内侧的同步定位传感器组件和设置在机械手回转器外侧的水平定位传感器组件，以及设置在机架上的末端定位传感器组件；所述同步定位传感器组件用于确定机械手的回转臂与机架上的钻杆夹持器的轴线平行；所述水平定位传感器组件用于确定机械手的回转臂与水平面之间的夹角为零；所述末端定位传感器组件用于检测待装夹钻杆的安装位置。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿钻机，其特征在于：所述底板和侧板围成两端敞开的储物空间。

7.一种煤矿钻机的控制方法，基于权利要求1~6任一所述的钻机，其特征在于：当钻机全系统状态正常且无孔内钻杆卡死情况时，采用全自动模式，全自动模式包括全自动钻进和全自动卸钻；当自动装卸系统出现故障，但是钻机主机正常工作时，采用半自动模式，半自动模式包括半自动钻进和半自动卸钻；当出现包括孔内钻杆卡死，或主机部件损坏，或人为选择手动模式的情况时，采用手动模式；手动模式下，核心控制器屏蔽自动程序，手动控制钻机。

8.根据权利要求7所述的一种煤矿钻机的控制方法，其特征在于：全自动模式具体包括以下步骤：

S1.1全自动钻进：

S1.11钻机自检：自检位于钻杆箱内的钻杆数量，以确定满足钻孔需要；自检各执行部件，以确定其处于初始状态；

S1.12钻孔姿态自动调节：钻孔姿态测量仪接收到核心控制器的开孔高度、钻孔倾角、方位角数据，测量机架的实时数据，对比目标数据与实时数据，控制钻孔姿态调节装置调节开孔高度、钻孔倾角、方位角至目标数据；

S1.13钻杆输送：送杆机械手从钻杆箱中抓取待装夹钻杆放至钻杆转运器，主机械手从钻杆转运器中抓取待装夹钻杆放至位于机架上的钻杆夹持器中；

S1.14全自动钻进：核心控制器控制动力头、钻杆夹持器、机架协同作业，全自动完成待装夹钻杆与前序钻杆的接扣，然后进行一根钻杆的全自动钻进；

S1.15重复步骤S1.3~ S1.4，直至达到设计钻孔深度；

S1.2全自动卸钻：

S1.21钻机自检：自检钻杆箱的容纳空间，以确定满足待拆卸钻杆的放置需求；自检各执行部件，以确定其处于卸钻状态；

S1.22全自动卸钻：核心控制器控制动力头、夹持器、机架协同作业，自动将一根孔内钻杆拖出，直到动力头位于机架最后端，并完成该钻杆与前序钻杆的卸扣，由后夹持器夹紧该钻杆；

S1.23转运钻杆：主机械手从位于机架上的钻杆夹持器中取出待拆卸钻杆放至钻杆转运器，送杆机械手从钻杆转运器中抓取待拆卸钻杆放至钻杆箱；

S1.24重复步骤S1.22~ S1.23，直至孔内钻杆全部退出。

9.根据权利要求8所述的一种煤矿钻机的控制方法，其特征在于：当自动装卸系统出现故障，钻机主机正常工作时，控制系统通过读取传感器系统数据，确定具体故障点，自动屏蔽故障部件，采用半自动模式控制钻机进行施工。

10.根据权利要求9所述的一种煤矿钻机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2.1若自动装卸系统中的送杆机械手为故障部件，则按照以下步骤执行：

S2.11半自动钻进：

S2.111钻机自检：自检各执行部件，以确定除故障部件以外的其它执行部件处于初始状态；

S2.112执行步骤S1.12；

S2.113钻杆输送：操作者将待装夹钻杆放至钻杆转运器，主机械手从钻杆转运器中抓取待装夹钻杆放至位于机架上的钻杆夹持器中；

S2.113执行步骤S1.14；

S2.114重复步骤S2.113、S2.114，直至达到设计钻孔深度；

S2.12半自动卸钻：

S2.121钻机自检：自检各执行部件，以确定除故障部件以外的其它执行部件处于卸钻状态；

S2.122执行步骤S1.22；

S2.123钻杆转运：主机械手从位于机架上的钻杆夹持器中取出待拆卸钻杆放至钻杆转运器，操作者从钻杆转运器中取出待拆卸钻杆；

S2.124重复步骤S2.122~ S2.123，直至孔内钻杆全部退出；

S2.2若自动装卸系统中的主机械手或钻杆转运器为故障部件，则按照以下步骤执行：

S2.21半自动钻进：

S2.211执行步骤S2.111；

S2.212钻杆输送：操作者将待装夹钻杆放至位于机架上的钻杆夹持器中；

S2.213执行步骤S1.14；

S2.214重复步骤S2.212、 S1.14，直至达到设计钻孔深度；

S2.22半自动卸钻：

S2.222执行步骤S1.22；

S2.223钻杆转运：操作者从位于机架上的钻杆夹持器中取出待拆卸钻杆；

S2.224重复步骤S2.222~ S2.223，直至孔内钻杆全部退出。