CN111648720A - 一种钻孔机械臂 - Google Patents

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Abstract

一种钻孔机械臂属于地铁施工技术领域，尤其涉及一种钻孔机械臂。本发明提供一种钻孔机械臂。本发明包括底座2，其特征在于底座2上设置有旋转底座9，旋转底座9上设置有主机械臂电机11，主机械臂电机11的转轴与主机械臂12下端相连，主机械臂12上端设置有高度调节臂电机，高度调节臂电机的转轴与高度调节臂下端相连，高度调节臂上端设置有角度调节臂电机18，角度调节臂电机18与角度调节臂17下端相连，角度调节臂17上端设置有钻孔臂21。

Description

一种钻孔机械臂
技术领域
本发明属于地铁施工技术领域，尤其涉及一种钻孔机械臂。
背景技术
在地铁区间地段施工中，经常涉及电缆支吊架安装施工工序，目前支吊架安装均采用人工打孔方式进行，无适用于地铁隧道壁定位打孔专用智能设备，由于隧道壁成弧形，在施工测量阶段存在很大的困难，由于安装高度较高，支吊架打孔费时费力。针对此情况，基于区间段距离长，工作重复性高，支吊架间隔距离固定且安装高度一致，隧道内两侧与钢轨中心距离保持固定等特点，特研发一种钻孔机械臂。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供一种钻孔机械臂。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括底座2，其特征在于底座2上设置有旋转底座9，旋转底座9上设置有主机械臂电机11，主机械臂电机11的转轴与主机械臂12下端相连，主机械臂12上端设置有高度调节臂电机，高度调节臂电机的转轴与高度调节臂下端相连，高度调节臂上端设置有角度调节臂电机18，角度调节臂电机18与角度调节臂17下端相连，角度调节臂17上端设置有钻孔臂21。
作为一种优选方案，本发明所述高度调节臂包括第一高度调节臂13与第二高度调节臂5，主机械臂上端设置第一高度调节臂电机14，第一高度调节臂电机14的转轴与第一高度调节臂13下端相连，第一高度调节臂13上端设置第二高度调节臂电机16，第二高度调节臂电机16转轴与第二高度调节臂5下端相连，第二高度调节臂5上端设置角度调节臂电机18。
作为另一种优选方案，本发明所述角度调节臂17上端设置有切换螺栓安装与钻孔作业模式切换电机20，作业模式切换电机20的转轴分别与螺栓安装臂22、钻孔臂21相连。
作为另一种优选方案，本发明所述安装臂22与钻孔臂21的夹角为90度。
作为另一种优选方案，本发明所述底座2下端设置有车轮1。
作为另一种优选方案，本发明所述旋转底座9设置在液压升降台5上，液压升降台5下端通过千斤顶4设置在底座2上。
作为另一种优选方案，本发明所述旋转底座9通过固定法兰盘设置在液压升降台5上。
作为另一种优选方案，本发明所述角度调节臂电机18上设置有光电传感器19的发射器，第一高度调节臂电机14上设置有光电传感器19的接收器。
作为另一种优选方案，本发明所述主机械臂电机11上设置有距离传感器10。
作为另一种优选方案，本发明所述距离传感器10包括第一距离传感器、第二距离传感器和第三距离传感器；第一距离传感器、第二距离传感器和第三距离传感器与地面夹角分别对应45°、90°、135°方向，且三个距离传感器中轴线方向延长线交于主机械臂12的旋转中心。
作为另一种优选方案，本发明当所述第一距离传感器、第三距离传感器测量值小于第二距离传感器测量值时，抬高升降台，反之降低，直到相等停止调节。
作为另一种优选方案，本发明所述第一高度调节臂13与第二高度调节臂15长度相等。
作为另一种优选方案，本发明所述距离传感器10采用红外线光电传感器E3K100-DS100M1。
作为另一种优选方案，本发明所述光电传感器19采用激光对射光电开关传感器E3F-20L/20C1红外线感应开关。
作为另一种优选方案，本发明所述钻孔臂21底部为第一行程电机21-15，第一行程电机21-15上端转轴上具有外螺纹，第一行程电机21-15上端转轴21-3旋过第一行程底盘21-4中心螺纹孔，第一行程底盘21-4两侧设置有第一行程底盘滑块21-5，第一行程底盘滑块21-5置于第一滑道21-2内，第一行程底盘21-4上端设置有第一行程柱21-6，第一行程柱21-6上端与第一行程顶盘21-7相连，第一行程顶盘21-7上端设置有第一电机底座21-8，第一电机底座21-8上端设置有钻孔电机21-9，钻孔电机21-9的转轴上设置有钻头卡具21-10，钻头卡具21-10上设置有钻头21-11，钻孔电机21-9上设置有喷头21-16，喷头21-16与水泵23出口相连，水泵23进口与水箱24相连。
作为另一种优选方案，本发明所述水泵23和水箱24设置在第二高度调节臂5上部。
作为另一种优选方案，本发明所述第一电机底座21-8与第一行程顶盘21-7之间设置有第一压力传感器21-13。
作为另一种优选方案，本发明当钻孔电机21-9启动的同时，水泵23启动，水泵23与水箱24连接，通过喷头21-16为钻头21-11进行喷雾注水。
作为另一种优选方案，本发明所述螺栓安装臂22底部为第二行程电机，第二行程电机上端转轴上具有外螺纹，第二行程电机上端转轴旋过第二行程底盘中心螺纹孔，第二行程底盘两侧设置有第二行程底盘滑块，第二行程底盘滑块置于第二滑道内，第二行程底盘上端设置有第二行程柱，第二行程柱上端与第二行程顶盘相连，第二行程顶盘上端设置有第二电机底座，第二电机底座上端设置有套筒电机，套筒电机的转轴上设置有安装套筒22-2，安装套筒22-2的位置与螺栓匣22-1的螺栓出孔22-1-6位置相对应。
作为另一种优选方案，本发明所述第二行程电机上设置有螺栓匣保护罩22-3，螺栓匣保护罩22-3上设置有保护罩通孔，螺栓出孔22-1-6和安装套筒22-2设置在保护罩通孔内，保护罩通孔与螺栓匣安装槽口连通。
作为另一种优选方案，本发明所述第二电机底座与第二行程顶盘22-5之间设置有第二压力传感器22-4。
其次，本发明所述螺栓匣22-1包括螺栓匣主体22-1-1和螺栓匣底座22-1-2，螺栓匣主体22-1-1端面设置有螺栓匣连接孔22-1-3，螺栓匣底座22-1-2端面设置有螺栓匣底座螺纹孔22-1-4，螺栓出孔22-1-6设置在螺栓匣主体22-1-1上，螺栓出孔22-1-6与螺栓滑道22-1-5连通，螺栓滑道22-1-5延伸至螺栓匣主体22-1-1端面，螺栓匣底座22-1-2上相应于螺栓滑道22-1-5设置有推进顶板22-1-8，推进顶板22-1-8通过推进弹簧22-1-7与螺栓匣底座22-1-2相连。
另外，本发明所述安装套筒22-2包括22-2-4套筒，22-2-4套筒内设置有顶塞22-2-3，顶塞22-2-3后端通过缓冲弹簧22-2-2与套筒22-2-4底部相连。
本发明有益效果。
本发明折叠式机械臂既方便运输，又适合于不同作业半径区域。
本发明机械臂高度角度可调，解决了地铁隧道弧形内壁不同高度支吊架打孔困难的问题。
本发明采用机械臂钻孔结构，减少了人力投入，节约了成本，提高工作效率。
本发明以旋转底座中心为圆心，机械臂为半径，以画圆的方式进行高度确定，保证的钻孔臂与作业点所在位置的垂直度。通过控制高度调节臂与角度调节臂的转动角度，保证的机械臂的直线度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1、2是本发明结构示意图。
图3是本发明钻孔臂结构示意图。
图4是本发明螺栓安装臂结构示意图。
图5、6是本发明螺栓匣结构示意图。
图7、8是本发明安装套筒结构示意图。
图9是本发明控制流程图。
图10是本发明计算参数示意图。
图中，1为车轮、2为底座、3为电源箱、4为千斤顶、5为液压升降台、6为控制面板、7为固定法兰盘、8为旋转底座驱动电机、9为旋转底座、10为距离传感器、11为主动臂电机、12为主机械臂、13为第一高度调节臂、14为第一高度调节臂电机、15为第二高度调节臂、16为第二高度调节臂电机、17为角度调节臂、18为角度臂电机、19为光电传感器（包括发射器和接收器）、20为作业模式切换电机、21为钻孔臂（21-1为保护罩、21-2为第一滑道、21-3为转轴、21-4为第一行程底盘、21-5为第一行程底盘滑块、21-6为第一行程柱、21-7为第一行程顶盘、21-8为第一电机底座、21-9为钻孔电机、21-10为钻头卡具、21-11为钻头、21-12为钻孔电机转子轴、21-13为第一压力传感器、21-14为密封盖、21-15为第一行程电机、21-16为喷头）、22为螺栓安装臂[22-1为螺栓匣（22-1-1为螺栓匣主体、22-1-2为螺栓匣底座、22-1-3为螺栓匣连接孔、22-1-4为螺栓匣底座螺纹孔、22-1-5为螺栓滑道、22-1-6为螺栓出孔、22-1-7为推进弹簧、22-1-8为推进顶板）、22-2为安装套筒（22-2-1为套筒后部、22-2-2为缓冲弹簧、22-2-3为顶塞、22-2-4为套筒）、22-3为螺栓匣保护罩、22-4为第二压力传感器、22-5为第二行程顶盘、22-6为内部保护罩、22-7螺栓固定孔]、23为水泵、24为水箱。
具体实施方式
如图所示，本发明包括底座2，底座2上设置有旋转底座9，旋转底座9上设置有主机械臂电机11，主机械臂电机11的转轴与主机械臂12下端相连，主机械臂12上端设置有高度调节臂电机，高度调节臂电机的转轴与高度调节臂下端相连，高度调节臂上端设置有角度调节臂电机18，角度调节臂电机18与角度调节臂17下端相连，角度调节臂17上端设置有钻孔臂21。
主机械臂12的旋转轴为主机械臂电机11的转子旋转轴，经过高度调节后位于隧道截面圆的圆心位置，机械臂的总长度为半径且交于圆心， 圆的切线垂直于经过切点的半径，机械臂垂与作业点垂直，角度调节臂17、主机械臂12、钻孔臂21在同一直线上，保证了钻孔臂与作业面的垂直。
所述高度调节臂包括第一高度调节臂13与第二高度调节臂15，主机械臂上端设置第一高度调节臂电机14，第一高度调节臂电机14的转轴与第一高度调节臂13下端相连，第一高度调节臂13上端设置第二高度调节臂电机16，第二高度调节臂电机16转轴与第二高度调节臂5下端相连，第二高度调节臂5上端设置角度调节臂电机18。
旋转底座驱动电机8与旋转底座9可通过行星齿轮减速机连接，通过旋转底座驱动电机8驱动旋转底座9旋转。
主机械臂可设置在-45°至225°范围内调节，满足作业需求。当进行不同高度作业时，通过调节主机械臂12与水平线之间的夹角θ4来实现。
所述角度调节臂17上端设置有切换螺栓安装与钻孔作业模式切换电机20，作业模式切换电机20的转轴分别与螺栓安装臂22、钻孔臂21相连。钻孔作业模式与螺栓安装模式的切换，便于进行连续安装。
所述安装臂22与钻孔臂21的夹角为90度。
所述底座2下端设置有车轮1。车轮电机可采用御阳10寸40磁钢1200W扭矩版无刷电机，型号为DX40H8RV。
所述旋转底座9设置在液压升降台5上，液压升降台5下端通过千斤顶4设置在底座2上。
所述旋转底座9通过固定法兰盘设置在液压升降台5上。
所述液压升降台5设置在电源箱3上，电源箱3设置在底座2上。液压升降台5下端千斤顶4可穿过电源箱3设置在底座2上。
所述液压升降台5上设置有控制面板6。
所述角度调节臂电机18上设置有光电传感器19的发射器。
所述第一高度调节臂电机14上设置有光电传感器19的接收器。
所述主机械臂电机11上设置有距离传感器10。
所述距离传感器10包括第一距离传感器、第二距离传感器和第三距离传感器；第一距离传感器、第二距离传感器和第三距离传感器与地面夹角分别对应45°、90°、135°方向，且三个距离传感器中轴线方向延长线交于主机械臂12的旋转中心。打孔前设备作业面高度，可根据中心作业轴上三个距离传感器测量的隧道内壁距离数值进行中心定位。
当所述第一距离传感器、第三距离传感器测量值小于第二距离传感器测量值时，抬高升降台，反之降低，直到相等停止调节。
当高度调节完毕，即主机械臂12的旋转轴位于隧道截面圆的圆心处，第一距离传感器、第二距离传感器和第三距离传感器位于隧道截面圆圆心的同心圆上，所以第一距离传感器、第二距离传感器和第三距离传感器测得到隧道壁的距离是相等的，将此时的值作为最终确定值。在最终确定值的基础上加上距离传感器10与主机械臂12旋转轴之间的距离（即距离传感器10测量点到主机械臂电机11转子轴中心的距离）后作为机械臂的整体作业半径长度，进行机械臂的伸展。械臂长度，可根据测算的作业半径伸展设定长度。
所述第一高度调节臂13与第二高度调节臂15长度相等。
所述角度调节臂17与主机械臂12始终保持在同一直线上，机械臂的调节长度值ΔX根据测量的作业半径R、钻孔臂21长度d、角度调节臂17长度c、主机械臂12计算长度a（主机械臂12计算长度是主机械臂上下旋转轴之间的长度）、预留长度Y来确定，其中X由第一高度调节臂和第二高度调节臂长度b及第一高度调节臂与第二高度调节臂的夹角θ确定；
计算如下：
由R=X+d+c+a+Y推出X=R-d-c-a-Y
长度调节值ΔX=X-X0，即X=ΔX+X0
由X=2bsin(θ/2)，θ∈30°～180°，角度θ极限值为30度,X的初始值，X0为2bsin15°，推出θ=2arcsin（X/2b）；
角度调节量Δθ=θ-θ0，即Δθ=θ- 30°；
机械臂初始状态第一高度调节臂13与第二高度调节臂15夹角θ=30°；第一高度调节臂13与作业半径轴线夹角θ1与第二高度调节臂15与作业半径轴线夹角θ2相等，等于75°，角度调节臂17与作业半径轴线夹角为θ3；当θ值确定，第二高度调节臂电机16启动逆时针转动角度Δθ=θ- 30°，然后第一高度调节臂电机14启动顺时针转动Δθ/2，然后角度臂电机18启动顺指针转动Δθ/2，使主机械臂12和角度调节臂17在同一直线上，同时通过光电传感器19进行校验，校验方式为：光电传感器19的接收器与反射器的安装轴线分别与主机械臂12和角度调节臂17的中心轴线重合，当接收器与发射器信号中断时，即为主机械臂12和角度调节臂17不在同一直线，屏幕预警提示。当接收器正常接收发射器信号时，说明主机械臂12和角度调节臂17在同一直线，屏幕显示正常。
所述控制面板6采用中达优控MM-60MR-12MT-S1001A-FX-B触摸屏PLC一体机。控制面板通过不同的I/O口分别与各传感器相连，接收传感器的输入信号，输出控制信号控制各电机动作。
所述距离传感器10采用红外线光电传感器E3K100-DS100M1，调节值设置为4米。
所述光电传感器19采用激光对射光电开关传感器E3F-20L/20C1红外线感应开关。
所述控制面板6可进行人机交互，可以手动输入打孔距离和打孔高度，作业面方向，打孔深度的数值，然后按照设定值控制相应电机进行打孔，作业顺序可分别为距离定位，高度定位，打孔推进。
通过所述主机械臂电机11的旋转角度进行高度控制，初始状态下，主机械臂12处于垂直地面位置；
主动臂电机11轴心距离钢轨所在平面高度为H，作业臂（指整个机械臂，是主机械臂12与第一高度调节臂13、第二高度调节臂15、角度调节臂17及钻孔臂的总称）轴线初始角度为90°，作业高度为h，调节角度Δθ1为机械臂半径与垂直平面夹角，0≤Δθ1≤135°；当作业高度大于H时，Δθ1 =90°-arcsin((h-H)/R）,当作业高度小于H时，Δθ1=90°+arcsin((h-H)/R)，R为作业半径；
所述钻孔臂21底部为第一行程电机21-15，第一行程电机21-15上端转轴上具有外螺纹，第一行程电机21-15上端转轴21-3旋过第一行程底盘21-4中心螺纹孔，第一行程底盘21-4两侧设置有第一行程底盘滑块21-5，第一行程底盘滑块21-5置于第一滑道21-2内，第一行程底盘21-4上端设置有第一行程柱21-6，第一行程柱21-6上端与第一行程顶盘21-7相连，第一行程顶盘21-7上端设置有第一电机底座21-8，第一电机底座21-8上端设置有钻孔电机21-9，钻孔电机21-9的转轴上设置有钻头卡具21-10，钻头卡具21-10上设置有钻头21-11，钻孔电机21-9上设置有喷头21-16，喷头21-16与水泵23出口相连，水泵23进口与水箱24相连。
所述水泵23和水箱24设置在第二高度调节臂5上部。
所述第一电机底座21-8与行程顶盘21-7之间设置有第一压力传感器21-13。第一行程顶盘21-7上可设置螺纹槽，螺栓穿过第一电机底座21-8上的通孔旋入螺纹槽，螺栓比螺纹槽的深度长，螺栓前端顶到螺纹槽的底端时，螺栓头还没有压到第一电机底座21-8上，这样第一电机底座21-8与第一行程顶盘21-7可相对微量滑动，当钻孔电机21-9钻头受力时，第一压力传感器21-13检测到压力变化。
所述第一压力传感器21-13的检测信号输出端口与控制面板的输入端相连，控制面板的输出端与钻孔电机21-9的控制信号输入端口相连。
所述压力传感器21-13/22-4采用佳宝丽拉压力传感器，型号为SBT674-200N。
所述压力值的设定数值为14.5N。
当钻孔电机21-9启动的同时，水泵23启动，水泵23与水箱24连接，通过喷头21-16为钻头21-11进行喷雾注水。
可通过压力传感器控制钻孔压力和注水量。
转轴21-3外侧可设置保护罩21-1，保护罩21-1下端与第一行程电机21-15固定，保护罩21-1上端设置密封盖21-14，保护罩21-1上端外壁设置外螺纹，密封盖21-14周边下凸形成环状凸缘，环状凸缘内部相应于保护罩21-1上端外壁的外螺纹设置有内螺纹，密封盖21-14中心设置有钻孔电机21-9的过孔。
所述螺栓安装臂22底部为第二行程电机，第二行程电机上端转轴上具有外螺纹，第二行程电机上端转轴旋过第二行程底盘中心螺纹孔，第二行程底盘两侧设置有第二行程底盘滑块，第二行程底盘滑块置于第二滑道内，第二行程底盘上端设置有第二行程柱，第二行程柱上端与第二行程顶盘相连，第二行程顶盘上端设置有第二电机底座，第二电机底座上端设置有套筒电机，套筒电机的转轴上设置有安装套筒22-2，安装套筒22-2的位置与螺栓匣22-1的螺栓出孔22-1-6位置相对应。
所述第二行程电机上设置有螺栓匣保护罩22-3（第二行程电机上可设置内部保护罩22-6，螺栓匣保护罩22-3下端可设置内螺纹，内部保护罩22-6底部可相应设置外螺纹），螺栓匣保护罩22-3上设置有保护罩通孔，螺栓出孔22-1-6和安装套筒22-2设置在保护罩通孔内，保护罩通孔与螺栓匣安装槽口连通。螺栓匣22-1通过螺栓匣安装槽口进行安装，螺栓匣22-1与螺栓匣保护罩22-3对应设置有螺栓固定孔22-7，螺栓匣完全装入后， 将固定螺栓通过螺栓固定孔22-7进行紧固连通。
所述第二电机底座与第二行程顶盘22-5之间设置有第二压力传感器22-4。
第二行程顶盘上可设置螺纹槽，螺栓穿过第二电机底座21-8上的通孔旋入螺纹槽，螺栓比螺纹槽的深度长，螺栓前端顶到螺纹槽的底端时，螺栓头还没有压到第二电机底座上，这样第二电机底座与第二行程顶盘可相对微量滑动，当安装套筒22-2受力时，第二压力传感器22-4检测到压力变化。
所述螺栓匣22-1包括螺栓匣主体22-1-1和螺栓匣底座22-1-2，螺栓匣主体22-1-1端面设置有螺栓匣连接孔22-1-3，螺栓匣底座22-1-2端面设置有螺栓匣底座螺纹孔22-1-4，螺栓出孔22-1-6设置在螺栓匣主体22-1-1上，螺栓出孔22-1-6与螺栓滑道22-1-5连通，螺栓滑道22-1-5延伸至螺栓匣主体22-1-1端面，螺栓匣底座22-1-2上相应于螺栓滑道22-1-5设置有推进顶板22-1-8，推进顶板22-1-8通过推进弹簧22-1-7与螺栓匣底座22-1-2相连。
所述安装套筒22-2包括22-2-4套筒，22-2-4套筒内设置有顶塞22-2-3，顶塞22-2-3后端通过缓冲弹簧22-2-2与套筒22-2-4底部相连。套筒22-2-4与套筒后部22-2-1是一体结构，顶塞22-2-3与缓冲弹簧22-2-2是一体结构，缓冲弹簧22-2-2与套筒底部可通过穿孔塞22-2-5固定。
本发明可应用于地铁区间段支吊架的定位打孔。
下面结合附图说明本发明的工作过程：
首先将本发明钻孔机械臂运送到轨道线路，使其位于工作位置。
打开电源箱3开关（为各部分供电）和控制面板6开关，控制面板首先处理距离传感器10的数据，距离传感器共有三个，与地面夹角分别对应45°90°135°方向，第二距离传感器垂直地面为90°方向，第一、三距离传感器夹角为90°，第一、三距离传感器与第二距离传感器夹角均为45°，且三个传感器中轴线方向延长线交于主机械臂12的旋转中心。又因为轨道位于隧道内中心，而主机械臂12的旋转轴位于轨道中心与地面的垂直线上，所以第一、三距离传感器的测量距离始终相等，根据与第二距离传感器的测量值对比结果，来控制液压装置调整升降台高度，当第一、三距离传感器测量值小于第二距离传感器测量值时抬高升降台，反之降低，直到相等停止调节。
第一高度调节臂13与第二高度调节臂15长度相等，角度调节臂17与主机械臂12始终保持在同一直线上，机械臂的长度调节就转化为以高度调节臂长度b为腰长的等腰三角形的变换，调节长度值ΔX可根据测量的作业半径R和钻孔臂长度d、角度调节臂长度c、主机械臂计算长度a，预留长度Y来确定，其中X由第一高度调节臂和第二高度调节臂长度b及第一高度调节臂与第二高度调节臂的夹角θ确定。
计算如下：
由R=X+d+c+a+Y推出X=R-d-c-a-Y
长度调节值ΔX=X-X0，即X=ΔX+X0
由X=2bsin(θ/2)（θ∈（30°﹣180°）由于机械厚度限制，角度θ极限值为30度,即X的初始值X0为2bsin15°）推出θ=2arcsin（X/2b）。
角度调节量Δθ=θ-θ0，即Δθ=θ- 30°。
根据距离传感器10的测量值确定半径R，就可以确定调节量ΔX，因而确定调整角度θ。因机械臂初始状态第一高度调节臂13与第二高度调节臂15夹角θ=30°，第一高度调节臂13与作业半径轴线夹角θ1与第二高度调节臂15与作业半径轴线夹角θ2相等，等于75°，角度调节臂17与作业半径轴线夹角为θ3。当θ值确定，第二高度调节臂电机16启动逆时针转动角度Δθ=θ- 30°，然后第一高度调节臂电机14启动顺时针转动Δθ/2，然后角度臂电机18启动顺指针转动Δθ/2，保证了主机械臂12和角度调节臂17在同一直线上，同时还有光电传感器19进行校验，更进一步的保证了作业半径的直线度。
车轮电机可采用御阳10寸40磁钢1200W扭矩版无刷电机，型号为DX40H8RV,配备霍尔元件及刹车系统，车轮外部可为为橡胶材质，增大车轮与钢轨的摩擦力，提高距离参数的准确度，通过霍尔元件测量轴转数，确定运行距离，到达设定值时停止前行，同时启动刹车系统，完成距离的测量工作。
通过主机械臂电机11的旋转角度进行高度控制。初始状态下，主机械臂处于垂直地面位置，方便两侧作业的调节。根据已经确定了作业半径R，作业半径中心，主机械臂电机11轴心距离钢轨平面高度为H，作业臂初始角度为90°，作业高度为h，调节角度为Δθ1为机械臂半径与垂直平面夹角，受机械臂结构影响0≤Δθ1≤135°。当作业高度大于H时，Δθ1 =90°-arcsin((h-H)/R）,当作业高度小于H时，Δθ1=90°+arcsin((h-H)/R)，注：在程序控制时，角度转换为弧度。
通过钻孔臂进行打孔深度控制。钻孔臂最底部是给转轴21-3提供动力的第一行程电机21-15，电机的转动圈数控制第一行程底盘21-4、第一行程底盘滑块21-5、第一行程柱21-6、第一行程顶盘21-7的推进距离，也就是钻孔深度，设置的钻孔深度参数即通过控制行程电机的转动圈数实现。第一行程底盘21-4中心有螺纹结构，与转轴21-3外螺纹配合进行上下移动，转动转轴正转时，第一行程底盘21-4上升，反转时下降，第一行程底盘21-4与第一行程底盘滑块21-5、第一行程柱21-6、第一行程顶盘21-7为整体结构。钻孔电机21-9通过第一电机底座21-8用螺栓固定在第一行程顶盘21-7上。为了保证行程稳定，在保护罩21-1的内壁焊接了第一滑道21-2，使行程底盘滑块沿滑道行进，同时增强了稳定性。第一行程柱21-6及转轴21-3外螺纹长度决定了钻孔深度的调节范围。
钻孔臂具有压力感应功能，通过第一压力传感器21-13实现控制，第一压力传感器位于钻孔电机与电机底座中间位置，待距离和打孔高度确定后，第一行程电机21-15启动，钻孔臂向外推进，当钻头21-11触碰墙面，钻孔电机21-9的向后推力挤压第一压力传感器，当压力值达到设定数值时，通常设定值为14.5N，钻孔电机21-9启动，钻孔电机配备有行星减速器，增大扭转力矩，钻孔电机启动同时第一行程电机21-15转速减慢，以此保证恒定压力向前钻孔，避免电机过载烧毁。当钻孔完成后，第一行程电机反转，回到原位，准备下一钻孔工作。
钻孔臂具有注水功能，当钻孔电机21-9启动的同时，水泵23启动，水泵23与水箱24连接，作业前确保水箱水量充足，通过喷头21-16为钻头21-11进行喷雾精准注水，用以降低钻头温度，同时节省用水，对于仰面钻孔施工，密封盖21-14起到保护作用，防止灰尘及污水流入机械臂内部，造成部件损坏。
工作模式切换是指钻孔臂21与螺栓安装臂22之间的切换，此功能通过作业模式切换电机20来实现。当一次钻孔作业完成后，钻孔臂停止工作，行程机构恢复原位。此时作业模式切换电机启动20启动，顺时针旋转90°，因为钻孔臂与螺栓安装臂互相垂直其长度相等，结构相似，钻孔臂与角度调节臂中心轴线在同一直线上，所以作业模式切换电机顺时针旋转90°后，螺栓安装臂与角度调节臂的轴线也处于同一直线上，这样使得旋转后的螺栓安装臂的螺栓与完成的钻孔对应准确，这样保证了钻孔臂和螺栓安装臂与隧道内弧形作业面的垂直关系，保证了打孔与螺栓安装的质量。角度旋转后，螺栓安装臂22的第二行程电机启动，与钻孔臂原理类似，整体向前推进，安装套筒22-2，通过螺栓匣22-1的出孔将碰撞螺栓推向钻好的孔中，当推至底部，第二压力传感器22-4受压，此时停止推进，套筒电机启动，旋转3圈停止，完成螺栓的预安装，第二行程电机反转回到原位，模式切换电机启动逆时针旋转90°，调整至钻孔模式，等待下一钻孔命令。
可根据螺栓滑道22-1-5的长度增减调整螺栓容量，螺栓通过推进弹簧22-1-7和推进顶板22-1-8向前推进，待螺栓出孔的螺栓被顶出后，待安装套筒撤出时在推进弹簧的压力作用下，自动填充螺栓出孔螺栓。此螺栓匣可快速更换，可准备多个螺栓匣进行螺栓预装，以此提高工作效率，保证作业量大时的连续性。
安装套筒可以减小对螺栓的损伤，对螺栓进行缓慢施压直到推至钻孔底部，主要通过顶塞22-2-3和缓冲弹簧22-2-2实现，当压力套筒刚接触螺栓时由顶塞推动螺栓行进，当螺栓推入钻孔时，螺栓底部受力，螺栓挤压缓冲弹簧压缩，套筒与螺栓上螺母吻合，进行转动预紧安装。此结构可以防止套筒对螺栓螺母的预先挤压变形，影响后期安装，还可以防止当预钻空洞松弛，顶部螺栓受重力作用向下滑落，安装不到位的情况发生，此结构实现了螺栓的高质量安装功能。
本发明未对主机械臂、高度臂角度臂的旋转原理进行详细说明，因为其齿轮结构及减速装置属于常规范围，不做赘述。
总体上来说，本发明实现了地铁隧道内壁支吊架孔的自动打孔及螺栓预安装功能，整体结构简单，实用性强，小巧灵活，适用范围广，同时自动化程度高，可进行中心对位及延展臂长，保证与作业面垂直，可以根据具体要求对打孔距离和打孔位置及深度进行设置，按照设定值进行打孔及螺栓安装，可连续作业。克服了高空打孔的作业困难，减少了高空作业量，提高安全性和稳定性，能够极大的减少了钻孔投入的人力，大大节省施工成本。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻孔机械臂，包括底座（2），其特征在于底座（2）上设置有旋转底座（9），旋转底座（9）上设置有主机械臂电机（11），主机械臂电机（11）的转轴与主机械臂（12）下端相连，主机械臂（12）上端设置有高度调节臂电机，高度调节臂电机的转轴与高度调节臂下端相连，高度调节臂上端设置有角度调节臂电机（18），角度调节臂电机（18）与角度调节臂（17）下端相连，角度调节臂（17）上端设置有钻孔臂（21）。
2.根据权利要求1所述一种钻孔机械臂，其特征在于所述高度调节臂包括第一高度调节臂（13）与第二高度调节臂（5），主机械臂上端设置第一高度调节臂电机（14），第一高度调节臂电机（14）的转轴与第一高度调节臂（13）下端相连，第一高度调节臂（13）上端设置第二高度调节臂电机（16），第二高度调节臂电机（16）转轴与第二高度调节臂（5）下端相连，第二高度调节臂（5）上端设置角度调节臂电机（18）。
3.根据权利要求1所述一种钻孔机械臂，其特征在于所述角度调节臂（17）上端设置有切换螺栓安装与钻孔作业模式切换电机（20），作业模式切换电机（20）的转轴分别与螺栓安装臂（22）、钻孔臂（21）相连。
4.根据权利要求3所述一种钻孔机械臂，其特征在于所述安装臂（22）与钻孔臂（21）的夹角为90度。
5.根据权利要求1所述一种钻孔机械臂，其特征在于所述底座（2）下端设置有车轮（1）。
6.根据权利要求1所述一种钻孔机械臂，其特征在于所述旋转底座（9）设置在液压升降台（5）上，液压升降台（5）下端通过千斤顶（4）设置在底座（2）上。
7.根据权利要求2所述一种钻孔机械臂，其特征在于所述角度调节臂电机（18）上设置有光电传感器（19）的发射器，第一高度调节臂电机（14）上设置有光电传感器（19）的接收器。
8.根据权利要求1所述一种钻孔机械臂，其特征在于所述主机械臂电机（11）上设置有距离传感器（10）。
9.根据权利要求8所述一种钻孔机械臂，其特征在于所述距离传感器（10）包括第一距离传感器、第二距离传感器和第三距离传感器；第一距离传感器、第二距离传感器和第三距离传感器与地面夹角分别对应45°、90°、135°方向，且三个距离传感器中轴线方向延长线交于主机械臂（12）的旋转中心。
10.根据权利要求2所述一种钻孔机械臂，其特征在于所述第一高度调节臂（13）与第二高度调节臂（15）长度相等。
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