CN113338826B - 一种凿岩机自动加卸杆方法及控制系统 - Google Patents

一种凿岩机自动加卸杆方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种凿岩机自动加卸杆方法及控制系统，所述系统包括控制器、凿岩机、机械手、位移传感器和压力传感器；所述方法如下：控制器采集位移传感器数据获得凿岩机当前位置，在加杆模式下，凿岩机移动至加杆位置，机械手抓取钻杆送入凿岩机，凿岩机正向回转、推进以实现钻杆拧紧固连，在拧紧过程中，通过比较凿岩机回转压力P1与预设的加杆完成压力值P01，判断钻杆是否完全拧紧；在卸杆模式下，凿岩机移动至卸杆位置，机械手夹持钻杆，凿岩机反向回转、后退以实现钻杆拧松分离，在拧松过程中，通过比较凿岩机移动距离与预设的钻杆螺纹距离，判断钻杆是否完全拧下。本申请自动化程度高，提高工作效率，降低劳动强度和技术门槛。

Description

一种凿岩机自动加卸杆方法及控制系统
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，具体地，涉及一种凿岩机自动加卸杆控制系统以及基于该控制系统实现的凿岩机自动加卸杆方法。
背景技术
凿岩机被广泛应用于隧道工程中，在施工过程中，若钻孔的深度较深，单根钻杆的长度难以满足需求，则必须在钻进过程中连续加杆，待作业完成后，钻杆退出并逐一取下。目前，国内凿岩机加杆和卸杆功能的实现大多采用人工手动操作，或者操作员配合机械设备的半自动操作，前者的劳动强度大，后者则要求操作员业务熟练，在与机械设备的配合过程中容错率较低。
现有方法中涉及到的操控系统结构较为复杂，对操作员的技术水平要求较高，不利于推广应用。而且现有技术中缺乏对凿岩机与钎杆以及钎杆与钎杆之间的对接拧紧操作的自动化方法，该动作仍旧采用人工手动实现，自动化程度不高。
综上所述，针对凿岩机加杆作业过程中存在的以上问题，研究一种使用更加便捷且牢靠的凿岩机加卸杆系统是非常有必要的。
发明内容
本申请的目的在于提供一种凿岩机自动加卸杆控制系统以及基于该控制系统的加卸杆方法，提高换钎效率，降低操作员的劳动强度和技术应用门槛。本申请的技术方案如下：
一种凿岩机自动加卸杆控制系统，包括控制器、操作机构、执行机构和传感器机构；
所述操作机构包括加杆模式和卸杆模式的选择开关；
所述执行机构包括凿岩机和机械手；
所述传感器机构包括用于采集凿岩机位置信息的位移传感器和行程开关，以及用于采集凿岩机回转压力的第一压力传感器；
所述控制器用于接收来自操作机构的操作命令和传感器机构的反馈数据，并向执行机构发出对应的动作信号。
在一些具体的实施例中，所述传感器机构还包括用于采集凿岩机推进压力的第二压力传感器。
在一些具体的实施例中，所述控制系统还包括液压阀机构，所述液压阀机构包括第一液压控制阀和第二液压控制阀，所述控制器通过第一液压控制阀驱动凿岩机动作，并通过第二液压控制阀驱动机械手动作。
在一些具体的实施例中，所述位移传感器为设置在第一液压控制阀上的流量计。
在一些具体的实施例中，所述操作机构还包括作为手动备份的操作手柄，所述操作手柄与控制器连接，或与液压阀机构连接，或与执行机构连接。
一种基于上述控制系统的凿岩机自动加卸杆方法，包括以下步骤：
步骤一：控制器通过位移传感器采集的数据获得凿岩机的当前位置S0，通过操作机构选择进入加杆模式即步骤二，或进入卸杆模式即步骤五；
步骤二：控制器接收来自操作机构的操作命令后，向执行机构发出对应的动作信号，凿岩机在无杆状态下移动至加杆位置S1，机械手从钻杆库中抓取新的钻杆并置于凿岩机的作业端；
步骤三：控制器控制凿岩机正向回转并推进以实现凿岩机与新钻杆间拧紧固连，机械手夹持原有钻杆，凿岩机继续正向回转并推进以实现钻杆间拧紧固连，在拧紧过程中，通过对第一压力传感器采集的数据P1与预设的加杆完成压力值P01进行比较：若P1＜P01，则判断钻杆未完全拧紧，凿岩机继续当前动作，若P1≥P01，则判断钻杆已拧紧；
步骤四：控制器控制机械手摆动回钻杆库或其他空白位置，退出加杆模式，继续进行钻孔作业；
步骤五：控制器接收来自操作机构的操作命令后，向执行机构发出对应的动作信号，凿岩机在有杆状态下移动至卸杆位置S2，机械手夹持倒数第二根钻杆；
步骤六：控制器控制凿岩机反向回转并后退以实现倒数第一、二根钻杆间拧松分离，机械手夹持倒数第一根钻杆，凿岩机继续反向回转并后退以实现凿岩机与钻杆间拧松分离，在拧松过程中，计算凿岩机的移动距离L＝S0－S2，通过对L与预设的钻杆螺纹距离L0进行比较：若L＜L0，则判断钻杆未完全拧下，凿岩机继续当前动作，若L≥L0，则判断钻杆已完全拧下；
若凿岩机上仅剩最后一根钻杆需要卸杆，则省略上述对倒数第一、二根钻杆的拧松分离操作；
步骤七：控制器控制机械手将钻杆放入钻杆库；
步骤八：控制器控制凿岩机回退到末端，并通过采集到的行程开关信号将凿岩机的当前位置S0清零。
本申请中所描述的倒数第一根钻杆，是指最靠近凿岩机设置的一根钻杆，倒数第二根钻杆是指位于倒数第一根钻杆远离凿岩机方向邻近设置的一个钻杆。
在一些具体的实施例中，由于所述传感器机构还包括用于采集凿岩机推进压力的第二压力传感器，因此，在所述步骤三的拧紧过程中，控制器还通过对第二压力传感器采集的数据P2与预设的推进压力阈值P02进行比较：若P2≤P02，则判断钻杆受力正常，凿岩机继续当前动作，若P2＞P02，则判断钻杆受力过大，为了确保安全，控制凿岩机的推进速度降低。
本申请提供的技术方案至少具有如下有益效果：
本技术方案采用了电气自动控制的方式，将各传感器接入系统，通过位移传感器检测凿岩机位置、两个压力传感器分别检测凿岩机的回转压力与推进压力、行程开关检测凿岩机回退到位信号，实现凿岩机自动完成加杆卸杆，无需人工操作，降低操作员的劳动强度和技术要求，自动化程度高，有利于缩短加、卸杆的工作时间，提高施工效率，节省成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的一种凿岩机自动加卸杆控制系统的结构示意图；
图2为本申请提供的一种凿岩机自动加卸杆方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将结合说明书附图和较佳的实施例对本申请中的技术方案作更全面、细致地描述，但本申请的保护范围并不限于以下具体的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本申请保护的范围。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为与另一元件存在“固定、固接、连接或连通”关系时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本申请的保护范围。
实施例
参见图1，一种凿岩机自动加卸杆控制系统，包括控制器、操作机构、执行机构和传感器机构。
所述操作机构即人机交互界面，其上设有加杆模式和卸杆模式的选择开关，在本实施例中，该选择开关为按钮结构，但在另一些具体的实施例中，所述选择开关也可设置为感应屏上的触摸按钮。
所述控制器包括信号采集单元、数据分析单元、数据计算单元、控制单元等，所述控制器用于接收来自操作机构的操作命令和传感器机构的反馈数据，并向执行机构发出对应的动作信号。
所述执行机构包括凿岩机和机械手。在本实施例中，所述执行机构的动作由液压阀机构控制，所述液压阀机构接收由控制器发出的指令。所述液压阀机构包括第一液压控制阀和第二液压控制阀，所述控制器通过第一液压控制阀驱动凿岩机动作，并通过第二液压控制阀驱动机械手动作。
所述传感器机构包括用于采集凿岩机位置信息的位移传感器和行程开关，以及用于采集凿岩机回转压力的第一压力传感器。通常来说，通过分析凿岩机回转压力数据的变化就可判断加杆过程是否完成，因此，在另一些具体的实施例中，所述控制器可以不采集凿岩机的推进压力数据。但出于作业安全考虑，本实施例中的传感器机构还设置了用于采集凿岩机推进压力的第二压力传感器，避免因凿岩机推进速度过快而对钻杆施加过大压力。
在本实施例中，所述位移传感器为设置在第一液压控制阀上的流量计，通过对流量计数据的采集和计算，得到凿岩机的位移数据。在另一些具体实施例中，所述位移传感器也为设置为安装在凿岩机上的拉线式位移传感器。
为了避免电气故障导致动作信号传输失败，或者在作业过程中因各种误差需要对各执行机构的位姿进行微调，所述操作机构还包括操作手柄。在本实施例中，所述操作手柄与液压阀机构连接作为手动操作的备份。在另一些具体的实施例中，所述操作手柄也可直接与执行机构或控制器连接。
参见图2，采用上述控制系统实现凿岩机自动加卸杆，该方法包括以下步骤：
步骤一：控制器通过位移传感器采集的数据获得凿岩机的当前位置S0，通过操作机构选择进入加杆模式即步骤二，或进入卸杆模式即步骤五；
步骤二：控制器接收来自操作机构的操作命令后，向执行机构发出对应的动作信号，凿岩机在无杆状态下移动至加杆位置S1，机械手从钻杆库中抓取新的钻杆并置于凿岩机的作业端；
步骤三：控制器控制凿岩机正向回转并推进以实现凿岩机与新钻杆间拧紧固连，机械手夹持原有钻杆，凿岩机继续正向回转并推进以实现钻杆间拧紧固连，在拧紧过程中，通过对第一压力传感器采集的数据P1与预设的加杆完成压力值P01进行比较：若P1＜P01，则判断钻杆未完全拧紧，凿岩机继续当前动作，若P1≥P01，则判断钻杆已拧紧；
同时，控制器还通过对第二压力传感器采集的数据P2与预设的推进压力阈值P02进行比较：若P2≤P02，则判断钻杆受力正常，凿岩机继续当前动作，若P2＞P02，则判断钻杆受力过大，为了确保安全，控制凿岩机的推进速度降低；
步骤四：控制器控制机械手摆动回钻杆库或其他空白位置(即不干扰凿岩机正常作业的位置)，退出加杆模式，凿岩机继续进行钻孔作业；
步骤五：控制器接收来自操作机构的操作命令后，向执行机构发出对应的动作信号，凿岩机在有杆状态下移动至卸杆位置S2，机械手夹持倒数第二根钻杆；
步骤六：控制器控制凿岩机反向回转并后退以实现倒数第一、二根钻杆间拧松分离，机械手夹持倒数第一根钻杆，凿岩机继续反向回转并后退以实现凿岩机与钻杆间拧松分离，在拧松过程中，计算凿岩机的移动距离L＝S0－S2，通过对L与预设的钻杆螺纹距离L0进行比较：若L＜L0，则判断钻杆未完全拧下，凿岩机继续当前动作，若L≥L0，则判断钻杆已完全拧下；
若凿岩机上仅剩最后一根钻杆需要卸杆，则省略上述对倒数第一、二根钻杆的拧松分离操作；
步骤七：控制器控制机械手将钻杆放入钻杆库；
步骤八：控制器控制凿岩机回退到末端，并通过采集到的行程开关信号将凿岩机的当前位置S0清零。
应当理解的是，在完成加杆作业后，凿岩机正常作业使钻杆深入，若还需要继续加杆，则在步骤二之前，需要使凿岩机与原有钻杆分离，即利用机械手夹持倒数第一根钻杆，凿岩机反向回转并后退以实现凿岩机与原有钻杆间拧松分离。同理，在开始对下一根钻杆进行卸杆作业，即步骤五之前，需要使凿岩机与剩余钻杆重新连接，即利用机械手夹持钻杆，凿岩机正向回转并推进以实现凿岩机与剩余钻杆间拧紧固连。
本申请提供的控制系统首先控制凿岩机移动到指定位置，机械手自动抓取钻杆并送入凿岩机，然后控制凿岩机的推进和回转速度，实现钻杆自动拧紧/拧松，同时通过对反馈回的凿岩机的位移信息、推进压力、回转压力等数据进行计算分析以判断加/卸杆的完成情况，加/卸杆完成后，机械手移动至钻杆库，或当凿岩机接近机械手时，机械手可偏摆至另一侧来躲避凿岩机，不影响凿岩机继续进行钻孔任务。
以上所述仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种凿岩机自动加卸杆方法，其特征在于，采用的控制系统包括控制器、操作机构、执行机构和传感器机构；
所述操作机构包括加杆模式和卸杆模式的选择开关；
所述执行机构包括凿岩机和机械手；
所述传感器机构包括用于采集凿岩机位置信息的位移传感器和行程开关，以及用于采集凿岩机回转压力的第一压力传感器；
所述控制器用于接收来自操作机构的操作命令和传感器机构的反馈数据，并向执行机构发出对应的动作信号；
所述凿岩机自动加卸杆方法包括以下步骤：
步骤一：控制器通过位移传感器采集的数据获得凿岩机的当前位置S0，通过操作机构选择进入加杆模式即步骤二，或进入卸杆模式即步骤五；
步骤二：控制器接收来自操作机构的操作命令后，向执行机构发出对应的动作信号，凿岩机在无杆状态下移动至加杆位置S1，机械手从钻杆库中抓取新的钻杆并置于凿岩机的作业端；
步骤三：控制器控制凿岩机正向回转并推进以实现凿岩机与新钻杆间拧紧固连，机械手夹持原有钻杆，凿岩机继续正向回转并推进以实现钻杆间拧紧固连，在拧紧过程中，通过对第一压力传感器采集的数据P1与预设的加杆完成压力值P01进行比较：若P1＜P01，则判断钻杆未完全拧紧，凿岩机继续当前动作，若P1≥P01，则判断钻杆已拧紧；
步骤四：控制器控制机械手摆动回钻杆库或其他空白位置，退出加杆模式，继续进行钻孔作业；
步骤五：控制器接收来自操作机构的操作命令后，向执行机构发出对应的动作信号，凿岩机在有杆状态下移动至卸杆位置S2，机械手夹持倒数第二根钻杆；
步骤六：控制器控制凿岩机反向回转并后退以实现倒数第一、二根钻杆间拧松分离，机械手夹持倒数第一根钻杆，凿岩机继续反向回转并后退以实现凿岩机与钻杆间拧松分离，在拧松过程中，计算凿岩机的移动距离L=S0－S2，通过对L与预设的钻杆螺纹距离L0进行比较：若L＜L0，则判断钻杆未完全拧下，凿岩机继续当前动作，若L≥L0，则判断钻杆已完全拧下；
若凿岩机上仅剩最后一根钻杆需要卸杆，则省略上述对倒数第一、二根钻杆的拧松分离操作；
步骤七：控制器控制机械手将钻杆放入钻杆库；
步骤八：控制器控制凿岩机回退到末端，并通过采集到的行程开关信号将凿岩机的当前位置S0清零。
2.根据权利要求1所述的凿岩机自动加卸杆方法，其特征在于，所述传感器机构还包括用于采集凿岩机推进压力的第二压力传感器。
3.根据权利要求2所述的凿岩机自动加卸杆方法，其特征在于，在所述步骤三的拧紧过程中，控制器还通过对第二压力传感器采集的数据P2与预设的推进压力阈值P02进行比较：若P2≤P02，则判断钻杆受力正常，凿岩机继续当前动作，若P2＞P02，则判断钻杆受力过大，为了确保安全，控制凿岩机的推进速度降低。
4.根据权利要求1所述的凿岩机自动加卸杆方法，其特征在于，所述控制系统还包括液压阀机构，所述液压阀机构包括第一液压控制阀和第二液压控制阀，所述控制器通过第一液压控制阀驱动凿岩机动作，并通过第二液压控制阀驱动机械手动作。
5.根据权利要求4所述的凿岩机自动加卸杆方法，其特征在于，所述位移传感器为设置在第一液压控制阀上的流量计。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的凿岩机自动加卸杆方法，其特征在于，所述操作机构还包括作为手动备份的操作手柄。
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