CN206205783U - 一种数控伞钻 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数控伞钻，包括支撑机构、调垂机构、钻进机构、检测装置、控制系统；支撑机构包括固定盘、支撑臂、支腿、立柱，调垂机构包括转臂、支撑油缸、大臂、调垂油缸、滑移架、钻臂、大齿轮、液压马达；钻进机构包括凿岩机和钻杆，凿岩机安装在钻臂上，钻杆与凿岩机相连接；检测装置包括压力传感器、位移传感器、编码器；控制系统包括地面监控装置、井下监控装置、PLC终端控制装置、数据采集装置。本实用新型可以进行人工操作控制，也可以进行自动控制，实现无人操控作业或远程操控作业；它能够实施检测空间结构位置，运动路线和工作参数，一旦出现异常数据，可以发出警报并停止作业。

Description

一种数控伞钻

技术领域

本实用新型涉及竖井挖掘装置技术领域，具体涉及一种数控伞钻。

背景技术

随着我国采矿工程及地下空间的发展，竖井开挖逐渐增多。在采矿领域，竖井是工作人员和矿石的进出通道，同时竖井也是地下工程通风必要的构造。竖井纵向贯穿地表岩层，深达千米，竖井钻爆法施工是目前竖井建造的最主要的方法，采用伞钻钻凿炮眼，爆破后挖掘。施工中需要多位工人在竖井地步开凿面作业，环境潮湿阴冷，粉尘污染严重，而且面临塌方、涌水、瓦斯气体等多种风险因素，作业环境危险性非常高。此外，而现有技术中伞钻通过中心稳车绳下放到井底之后，底座位置和中心位置可能存在偏差，进而影响炮眼位置，导致爆破效果不理想。

实用新型内容

针对上述背景技术的不足，本实用新型提供了一种数控伞钻及其立柱调垂方法，用以解决现有技术中作业环境差，操作控制难，操控精度差，爆破效果不理想的技术问题。

本实用新型的技术方案是：一种数控伞钻，包括支撑机构、调垂机构、钻进机构、检测装置、控制系统；支撑机构包括固定盘、支撑臂、支腿、立柱，支撑臂与固定盘活动连接，支腿与支撑臂固定连接，固定盘下方设有支撑臂油缸，支撑臂油缸的伸缩端与支撑臂相连接，支腿端部设有支腿油缸，固定盘上表面设有倾角仪，立柱安装在固定盘的中心位置，立柱的底部设有调高油缸；调垂机构包括转臂、支撑油缸、大臂、调垂油缸、滑移架、钻臂、大齿轮、液压马达；大齿轮安装在立柱上且位于固定盘的下方，转臂安装在立柱上且位于大齿轮的下方，液压马达固定安装在转臂上，液压马达的输出端与大齿轮相配合，大臂的一端与转臂相连接、另一端与滑移架相连接，支撑油缸的尾端与转臂相连接，支撑油缸的伸缩端与大臂相连接，调垂油缸的尾端与大臂相连接，调垂油缸的伸缩端与滑移架相连接，钻臂与滑移架相连接，支撑油缸与调垂油缸串联；钻进机构包括凿岩机和钻杆，凿岩机安装在钻臂上，钻杆与凿岩机相连接；检测装置包括压力传感器、位移传感器、编码器；控制系统包括地面监控装置、井下监控装置、PLC终端控制装置、数据采集装置。

所述支撑臂有三个且均布在固定盘的外侧，倾角仪的一个方向与一个支撑臂平行；调垂机构、钻进机构各有三个，所述转臂有三个且均布在立柱的外圆周面上且与立柱活动连接，：所述支撑油缸的尾端与转臂的下部活动连接，调垂油缸的伸缩端与滑移架的顶端活动连接。

所述大臂的一端设有上连接孔、另一端设有下连接孔，大臂的中间设有第一中间孔和第二中间孔，上连接孔、下连接孔、第一中间孔和第二中间孔在同一条直线上；上连接孔与转臂的顶端活动连接，下连接孔与滑移架的中部活动连接，第一中间孔与支撑油缸的伸缩端相连接，第二中间孔与调垂油缸的尾端相连接。

所述转臂、支撑油缸、大臂组成的三角形与大臂、调垂油缸、滑移架组成的三角形相似。

所述液压马达与转臂固定连接，液压马达的输出端设有小齿轮，小齿轮与大齿轮相啮合。

所述支腿油缸内部设有压力传感器，液压马达上安装有多圈绝对值编码器，凿岩机的上部和下部设有位移传感器。

所述地面监控装置与井下监控装置采用工业以太网远程通讯；井下监控装置与PLC终端控制装置采用CAN总线通讯：井下监控装置安装数据计算与处理单元；PLC终端控制装置与数据采集装置相连接。

本实用新型可以进行人工操作控制，也可以进行自动控制，实现无人操控作业或远程操控作业；它能够实施检测空间结构位置，运动路线和工作参数，一旦出现异常数据，可以发出警报并停止作业。该数控伞钻可以根据输入的参数，比如开挖面，炮眼间距、深度等；自动计算并规划各炮眼的钻凿顺序和运动路径；并能根据工作过程的进度状态进行规划调整。该实用新型立柱调垂方法计算简单，精度高，确保炮眼与设计位置重合，达到理想爆破效果。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型控制系统电路框图。

图3为计算立柱倾角简化图。

图4为初步补偿计算简化图。

图5为剩余补偿计算简化图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种数控伞钻，包括支撑机构1、调垂机构2、钻进机构3、检测装置、控制系统；支撑机构包括固定盘101、支撑臂102、支腿103、立柱104，支撑臂102与固定盘101活动连接，支腿103与支撑臂102固定连接，固定盘101下方设有支撑臂油缸105，支撑臂油缸105的伸缩端与支撑臂102相连接，支腿103端部设有支腿油缸106，固定盘上表面设有倾角仪107，立柱104安装在固定盘101的中心位置，立柱104的底部设有调高油缸108；调垂机构2包括转臂201、支撑油缸202、大臂203、调垂油缸204、滑移架205、钻臂206、大齿轮207、液压马达208；大齿轮207安装在立柱104上且位于固定盘101的下方，转臂201安装在立柱104上且位于大齿轮207的下方，液压马达208固定安装在转臂201上，液压马达208的输出端与大齿轮207相配合，大臂203的一端与转臂201相连接、另一端与滑移架205相连接，支撑油缸202的尾端与转臂201相连接，支撑油缸202的伸缩端与大臂203相连接，调垂油缸204的尾端与大臂203相连接，调垂油缸204的伸缩端与滑移架205相连接，钻臂206与滑移架205相连接，支撑油缸202与调垂油缸204串联；钻进机构3包括凿岩机301和钻杆302，凿岩机301安装在钻臂206上，钻杆302与凿岩机301相连接；检测装置包括压力传感器、位移传感器、编码器；控制系统包括地面监控装置、井下监控装置、PLC终端控制装置、数据采集装置。

实施例2：如图1-5所示，一种数控伞钻，包括支撑机构1、调垂机构2、钻进机构3、检测装置、控制系统；支撑机构包括固定盘101、支撑臂102、支腿103、立柱104，支撑臂102与固定盘101活动连接，支腿103与支撑臂102固定连接，固定盘101下方设有支撑臂油缸105，可以调节支撑臂的高度，支撑臂油缸105的伸缩端与支撑臂102相连接，支腿103端部设有支腿油缸106，用以顶紧井壁进行工作，固定盘上表面设有倾角仪107，倾角仪可以显示固定的倾斜角度，以便及时调整；立柱104安装在固定盘101的中心位置，立柱104的底部设有调高油缸108，实现对整个伞钻支撑结构高度的调整；所述支撑臂102有三个且均布在固定盘101的外侧，倾角仪107的一个方向与一个支撑臂102平行；调垂机构、钻进机构各有三个，所述转臂201有三个且均布在立柱104的外圆周面上且与立柱104活动连接，转臂可绕立柱旋转，实现各个方向的工作；调垂机构2包括转臂201、支撑油缸202、大臂203、调垂油缸204、滑移架205、钻臂206、大齿轮207、液压马达208；大齿轮207安装在立柱104上且位于固定盘101的下方，转臂201安装在立柱104上且位于大齿轮207的下方，液压马达208固定安装在转臂201上，液压马达208的输出端与大齿轮207相配合，大臂203的一端与转臂201相连接、另一端与滑移架205相连接，所述支撑油缸202的尾端与转臂201的下部活动连接，支撑油缸202的伸缩端与大臂203相连接，调垂油缸204的尾端与大臂203相连接，调垂油缸204的伸缩端与滑移架205的顶端活动连接；钻臂206与滑移架205相连接，支撑油缸202与调垂油缸204串联；大臂可由支撑油缸控制抬升角度，像雨伞一样张开或缩拢；调垂油缸调整凿岩机的工作角度；凿岩机实现炮眼的钻凿；移动架上设有顶紧油缸，为凿岩机的工作提供合适的高度位置和顶紧力。所述大臂203的一端设有上连接孔231、另一端设有下连接孔232，大臂203的中间设有第一中间孔233和第二中间孔234，上连接孔231、下连接孔232、第一中间孔233和第二中间孔234在同一条直线上；上连接孔231与转臂201的顶端活动连接，下连接孔232与滑移架205的中部活动连接，第一中间孔233与支撑油缸202的伸缩端相连接，第二中间孔234与调垂油缸204的尾端相连接。所述转臂201、支撑油缸202、大臂203组成的三角形与大臂203、调垂油缸204、滑移架205组成的三角形相似，相似三角形边长比值与油缸的面积比值相同，这里，油缸的面积比值是指支撑油缸的有杆腔与调垂油缸的无杆腔的面积比值。所述液压马达208与转臂201固定连接，液压马达208的输出端设有小齿轮，小齿轮与大齿轮207相啮合。钻进机构3包括凿岩机301和钻杆302，凿岩机301安装在钻臂206上，钻杆302与凿岩机301相连接；检测装置包括压力传感器、位移传感器、编码器；所述支腿油缸106内部设有压力传感器，液压马达208上安装有多圈绝对值编码器，检测钻臂的回转角度；凿岩机301的上部和下部设有位移传感器，判断凿岩动作的开始和结束位置，并用以指示当前的钻凿深度；检测装置具备钻架位置检测、立柱垂直度检测、钻臂回转角度检测、支撑臂位置检测、调垂状态检测、推进位置检测功能。控制系统包括地面监控装置、井下监控装置、PLC终端控制装置、数据采集装置。所述地面监控装置与井下监控装置采用工业以太网远程通讯；井下监控装置与PLC终端控制装置采用CAN总线通讯：井下监控装置安装数据计算与处理单元；PLC终端控制装置与数据采集装置相连接。通过该种网络构架，可以实现远程的操作与监视，可以实现自动控制与远程监视。

参考现阶段人工气动伞钻的工作过程，设计电脑控制自动调平过程，基本可以概括为以下几个步骤：

（1）下放伞钻到井底约300毫米时，停止下放，放好底座。将伞钻移至井筒中央，坐于底座上，此时尽量通过中心稳车绳将伞钻吊正；

（2）同时升起三个大臂，保持同步至水平位置；

（3）同时伸出大臂，同步测量油缸压力，到达接触压力后停止伸出，直至三个支腿全部到达接触压力；

（4）三个支腿全部到达接触压力后，测量立柱倾角。如果倾角偏差均在允许范围内，则同时继续伸出，直至稳定可靠压力；如果倾角误差超出允许范围，则根据倾角仪调整支腿。

如此一来，对系统就提出了两个急需解决的问题：

（1）如何测量立柱的倾斜角度；

（2）如何根据测得的倾斜角度来补偿三个支撑油缸的伸缩，实现立柱垂直平台调平。

目前关于倾斜测量常用的传感器为双轴倾角传感器（量程正负5°，精度0.1°）利用该传感器可以测量物体在两个正交方向上的倾斜翻转角度，解决测量立柱倾斜角度的问题。

关键是如何调垂立柱，伞钻通过中心稳车绳下放到井底之后，底座位置和中心位置可能存在偏差，导致伞钻立柱会倾斜一个角度，而这个倾斜必须通过三个大臂来进行纠正，否则对于炮孔的定位将会产生偏差；其计算方法如下：首先根据倾角仪输出的X，Y两方向倾角计算立柱倾斜角度，将立柱圆周方向分为0°、-120°，120°、-240°，240°、-360°三个区域，对应三个大臂两两之间区域，每个区域的计算单独列为一种情况；以0°、-120°之间区域为例：设X、Y两方向倾角分别为α、β，立柱倾斜角度为θ，立柱高度H， G点为倾斜立柱的顶端中心，M、N分别为G点在X、Y轴上的投影点，O点为立柱的中心点，则：

X方向偏差为：ON=H*α，

Y方向偏差为：OM=H*β，

立柱顶端中心偏差为：OG2=ON2+OM2，

立柱倾斜角为：θ=arctanOG/H；

在获得立柱顶端中心偏差和立柱倾角后，如果偏差超过允许范围，需要通过伸缩支撑油缸对立柱进行调；油缸补偿量计算是通过将立柱顶端中心偏差向三个大臂方向投影求分量的方法来计算补偿位移，考虑到工作平面为圆形，除了中心投影补偿外还要考虑轮廓补偿，将中心偏差补偿记为初步补偿，轮廓补偿记为剩余补偿；

初步补偿计算：将立柱中心从G点移动到O点， OG长度和θ已知，三个大臂两两之间互成120°，OA、OB、OC分别表示三个大臂，则三个支撑油缸初步补偿分别为OA、GB和OC，其中GA、GB和GC分别垂直于OA、OB和OC；根据直角三角形勾股定理，

OA=OG*cosθ；

因为BG和OC互为120°夹角，所以∠BOC=30°，

则∠BOG=120°+30°-θ=150°-θ，

所以BG=OG*cos150°-θ；

OC= OG*cos120°-θ；

剩余补偿计算：E为O点在工作面上的投影点，Q点为G点在工作面上的投影点， FQ垂直OE交点为F，工作面为圆形， FQ为弦长，在初步补偿计算中已经获得，根据FQ和半径OQ可以计算OF2= OQ2-FQ2，进而计算剩余补偿量EF= OQ-OF；

所以最终的补偿量为初步补偿和剩余补偿量之和。

伞钻的工作工程：井壁支撑：伞钻钻架通过绳索下放至井底，保持立柱垂直，三个支腿依靠支撑臂油缸同步升起，全部升起到位后，三个支腿油缸伸出，由于三个支腿油缸油路互通，在支腿油缸伸出过程中，只有当三个支腿全部顶住井壁后才会建立压力顶紧井壁。支腿油缸到达顶紧压力后调高油缸向下伸出，并最终顶紧地面；大臂旋转：在钻孔过程中，需要先将钻臂旋转到目标角度，钻臂依靠马达减速机带动小齿轮绕大齿轮旋转到达目标位置，在马达减速机上装有测量旋转角度的传感器；大臂伸缩：钻臂旋转到正确角度后，依靠支撑油缸和调垂油缸将凿岩机送到目标位置；钻孔：凿岩机到达目标位置后，顶紧油缸先顶住地面，施加一个顶紧力，然后凿岩机开始打孔。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数控伞钻，其特征在于：包括支撑机构（1）、调垂机构（2）、钻进机构（3）、检测装置、控制系统；支撑机构包括固定盘（101）、支撑臂（102）、支腿（103）、立柱（104），支撑臂（102）与固定盘（101）活动连接，支腿（103）与支撑臂（102）固定连接，固定盘（101）下方设有支撑臂油缸（105），支撑臂油缸（105）的伸缩端与支撑臂（102）相连接，支腿（103）端部设有支腿油缸（106），固定盘上表面设有倾角仪（107），立柱（104）安装在固定盘（101）的中心位置，立柱（104）的底部设有调高油缸（108）；调垂机构（2）包括转臂（201）、支撑油缸（202）、大臂（203）、调垂油缸（204）、滑移架（205）、钻臂（206）、大齿轮（207）、液压马达（208）；大齿轮（207）安装在立柱（104）上且位于固定盘（101）的下方，转臂（201）安装在立柱（104）上且位于大齿轮（207）的下方，液压马达（208）固定安装在转臂（201）上，液压马达（208）的输出端与大齿轮（207）相配合，大臂（203）的一端与转臂（201）相连接、另一端与滑移架（205）相连接，支撑油缸（202）的尾端与转臂（201）相连接，支撑油缸（202）的伸缩端与大臂（203）相连接，调垂油缸（204）的尾端与大臂（203）相连接，调垂油缸（204）的伸缩端与滑移架（205）相连接，钻臂（206）与滑移架（205）相连接，支撑油缸（202）与调垂油缸（204）串联；钻进机构（3）包括凿岩机（301）和钻杆（302），凿岩机（301）安装在钻臂（206）上，钻杆（302）与凿岩机（301）相连接；检测装置包括压力传感器、位移传感器、编码器；控制系统包括地面监控装置、井下监控装置、PLC终端控制装置、数据采集装置。

2.根据权利要求1所述的数控伞钻，其特征在于：所述支撑臂（102）有三个且均布在固定盘（101）的外侧，倾角仪（107）的一个方向与一个支撑臂（102）平行；调垂机构、钻进机构各有三个，所述转臂（201）有三个且均布在立柱（104）的外圆周面上且与立柱（104）活动连接，：所述支撑油缸（202）的尾端与转臂（201）的下部活动连接，调垂油缸（204）的伸缩端与滑移架（205）的顶端活动连接。

3.根据权利要求1所述的数控伞钻，其特征在于：所述大臂（203）的一端设有上连接孔（231）、另一端设有下连接孔（232），大臂（203）的中间设有第一中间孔（233）和第二中间孔（234），上连接孔（231）、下连接孔（232）、第一中间孔（233）和第二中间孔（234）在同一条直线上；上连接孔（231）与转臂（201）的顶端活动连接，下连接孔（232）与滑移架（205）的中部活动连接，第一中间孔（233）与支撑油缸（202）的伸缩端相连接，第二中间孔（234）与调垂油缸（204）的尾端相连接。

4.根据权利要求1所述的数控伞钻，其特征在于：所述转臂（201）、支撑油缸（202）、大臂（203）组成的三角形与大臂（203）、调垂油缸（204）、滑移架（205）组成的三角形相似。

5.根据权利要求1所述的数控伞钻，其特征在于：所述液压马达（208）与转臂（201）固定连接，液压马达（208）的输出端设有小齿轮，小齿轮与大齿轮（207）相啮合。

6.根据权利要求1所述的数控伞钻，其特征在于：所述支腿油缸（106）内部设有压力传感器，液压马达（208）上安装有多圈绝对值编码器，凿岩机（301）的上部和下部设有位移传感器。

7.根据权利要求1所述的数控伞钻，其特征在于：所述地面监控装置与井下监控装置采用工业以太网远程通讯；井下监控装置与PLC终端控制装置采用CAN总线通讯：井下监控装置安装数据计算与处理单元；PLC终端控制装置与数据采集装置相连接。