CN220487492U - 煤矿井下自动化定向钻机 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于煤矿钻机技术领域，涉及一种煤矿井下自动化定向钻机，包括移动平台、机架、夹持器、主机械手、动力头、钻杆存储系统以及控制系统和液压系统，本实用新型通过对动力头的结构进行改进，在变速器远离主马达一侧设置角度调节器，且令角度调节器中的传动轴与驱动轴周向固定连接，进而通过具有角度准确调节和锁定防转动功能的角度调节器，实现了工具面角准确、高效调节，又简化了主马达的旋转制动装置结构，将大量内部零件的功能转化到一个外部的回转减速器，大幅降低了维修难度，减少了易损件的消耗，解决了现有技术中钻机缺乏工具面角专用调节装置，轨迹调节精度低、效率低，难以实现自动定向钻进的问题。

Description

煤矿井下自动化定向钻机

技术领域

本实用新型属于煤矿钻机技术领域，涉及一种煤矿井下自动化定向钻机。

背景技术

目前，我国煤矿井下普遍使用的钻机有普通回转钻机、自动(回转)钻机和定向钻机三大类。与普通回转钻机相比，自动钻机具备了自动上下钻杆、自动钻进、远距离控制、数据自动记录等功能，在自动化程度和安全性等方面具有显著优势。而定向钻机具有钻孔轨迹可控、成孔深度深、钻孔覆盖范围广等显著优势。随着自动钻机和定向钻机的大量推广应用，煤矿现场也对钻探技术、装备提出了更高的要求，实现高自动化程度与定向钻进功能的结合是其中最为广泛和迫切的要求之一。

现有自动钻机均采用回转钻进原理施工，具备了全自动钻进、小规格钻杆自动装卸功能。但是，由于动力头无工具面角自动调节功能，因此钻进轨迹不可测、不可控，无法实现定向钻进施工，在一定程度上限制了灾害治理效果和整体施工效率的进一步提升。其钻杆自动装卸系统普遍适用于较小直径和较轻质量的钻杆，存储数量适用于非定向钻孔(一般在100m以内)。

此外，定向钻进使用的钻杆的长度、质量明显大于回转钻进使用的钻杆，一次钻孔所需钻杆数量也要多得多(至少200～300m)，而现有自动钻机的钻杆装卸系统难以满足定向钻进大容量、大规格钻杆的输送需求。现有定向钻机的自动化程度普遍较低，缺乏工具面角专用调节装置，钻进轨迹调节精度低、效率低，难以实现自动定向钻进；缺少钻杆自动装卸系统，钻进过程中仍采用人工装卸钻杆，劳动强度大，具有安全隐患。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种煤矿井下自动化定向钻机，以解决现有技术中钻机缺乏工具面角专用调节装置，轨迹调节精度低、效率低，难以实现自动定向钻进的问题。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种煤矿井下自动化定向钻机，包括移动平台、机架、夹持器、主机械手、动力头、钻杆存储系统以及控制系统和液压系统，所述机架、钻杆存储系统、控制系统、液压系统以及主机械手均安装在移动平台上，所述夹持器和动力头分别安装在所述机架的两端，所述动力头包括主马达、变速器以及主轴，变速器具有驱动轴，所述驱动轴的一端连接主马达，且所述驱动轴通过变速器中的齿轮与主轴实现啮合传动，其关键在于，所述驱动轴的另一端通过变速器连接有角度调节器；

所述角度调节器包括传动轴、驱动活塞、固定齿盘、移动齿盘、角度调节器端盖、回转座、调节器连接座以及具有自锁功能的回转减速器，所述传动轴的一端与所述驱动轴周向固定连接，另一端通过套设在传动轴上的轴承转动连接于所述角度调节器端盖内，并在所述角度调节器端盖远离所述驱动轴的一端设有轴承压盖，所述驱动活塞、固定齿盘和移动齿盘均套设在所述传动轴上，且所述驱动活塞位于所述传动轴靠近驱动轴的一端，所述驱动活塞远离驱动轴的一端与所述移动齿盘相接，所述固定齿盘与传动轴之间为周向固定连接，且所述固定齿盘位于所述驱动活塞与移动齿盘之间；

所述移动齿盘为具有中心通孔的盘状零件，且该中心通孔为阶梯通孔，且所述阶梯通孔朝向角度调节器端盖一侧为大直径通孔，所述移动齿盘通过该大直径通孔套设在所述角度调节器端盖上并滑动连接，所述移动齿盘面向所述驱动活塞的端面设有沿圆周分布的第一斜齿，且所述固定齿盘上设有与第一斜齿相啮合的第二斜齿，并在所述大直径通孔的内端面与该内端面相对的角度调节器端盖的端面之间设置有弹簧，以使得所述第一斜齿和第二斜齿在弹簧的推力下相啮合；

所述移动齿盘的外圆面设有均匀分布的凸台，所述回转座套设在所述移动齿盘上，并设有所述凸台相匹配的凹槽，以与所移动齿盘周向固定相连，且所述回转座的一端设有固定连接所述回转减速器的输出盘的回转减速器连接盘，以将所述回转减速器中输出盘的转动传递至移动齿盘；

所述调节器连接座套设在所述驱动活塞上，所述调节器连接座的外圆分为三级直径，且中间段的直径最大，且所述中间段的两侧端面分别与变速器和回转减速器相接，以实现所述变速器、调节器连接座以及回转减速器之间的相对轴向定位，所述调节器连接座的内径分为三级孔径，其中远离所述变速器的两段孔径与所述驱动活塞的外径相匹配，并套设在所述驱动活塞上，且所述回转减速器的输出盘与所述回转座同轴；

所述驱动活塞为两级阶梯轴，其小径端外圆设有密封槽，所述密封槽内安装有密封圈，并与套设在其上的调节器连接座的对应位置配合形成第一密封，大径端外圆与安装在所述调节器连接座对应位置的密封圈配合形成第二密封，所述第一密封和第二密封之间形成位于所述驱动活塞和调节器连接座之间密封腔，并在所述调节器连接座上设有连通所述密封腔的进油口，以使得所述驱动活塞在通过进油口进入密封腔的液压油的作用下朝角度调节器端盖方向推动移动齿盘。

进一步，在所述驱动活塞与移动齿盘之间还设有传动活塞，所述传动活塞套设在传动轴上并滑动连接，且所述传动活塞的一端连接驱动活塞，另一端连接移动齿盘以传递所述驱动活塞的推力。

进一步，所述固定齿盘具有齿盘和位于所述齿盘中心的固定轴，所述第二斜齿设置在齿盘上，所述固定轴插入移动齿盘的中心通孔内，且在所述固定轴内设有键槽，以使得所述固定齿盘通过键连接与所述传动轴周向固定连接。

进一步，所述动力头还包括水辫、主动钻杆、六方孔连接套以及连接轴，所述水辫包括芯轴、进水组件、轴承座、密封轴以及芯轴支撑轴承，所述进水组件套设在芯轴上并转动连接，所述轴承座通过内设于轴承座两端的芯轴支撑轴承套设在芯轴上并转动连接；

所述芯轴为中空轴，其左端与连接轴固定连接，其右端的内侧连接密封轴以密封芯轴的右端，且所述芯轴上设有进水孔，且该进水孔与进水组件连通，所述进水组件包括进水口和与进水口相通的壳体，所述壳体的内腔为对称结构，且对称面垂直于所述芯轴的轴线以使其轴向受力平衡，所述进水组件通过壳体套设在所述芯轴上，壳体的内腔连通所述芯轴的进水孔；

所述连接轴为中空轴，且内设于主轴，其两端分别连接所述水辫的芯轴和具有轴向浮动结构的主动钻杆，并在所述连接轴靠近所述芯轴的一端设有六方头，所述六方孔连接套固定连接在主轴靠近所述水辫的一端，且套设在所述连接轴上，其内部设有与所述六方头相匹配的六方孔，以在所述连接轴与六方孔连接套之间形成限制转动的滑动连接，进而使得所述连接轴和芯轴能够轴向浮动。

进一步，所述动力头还包括卡盘，所述卡盘连接在所述主轴远离水辫的一端且随主轴转动，所述主动钻杆的轴向浮动结构包括弹簧和钻杆端盖，所述主动钻杆与卡盘之间为键连接，且所述弹簧设置在所述主动钻杆靠近卡盘的端面以使得所述主动钻杆能够在轴向浮动，所述钻杆端盖套设在所述主动钻杆上并与卡盘固定连接以限制主动钻杆的轴向浮动距离。

进一步，所述钻杆存储系统包括呈矩阵式布置的若干个钻杆箱，所有所述钻杆箱内的钻杆朝向一致；每个所述钻杆箱均包括底座，所述底座上方设有侧帮，所述侧帮上设置有隔板，相邻的所述隔板之间的距离与钻杆的直径相匹配。

进一步，所述钻杆箱的侧方设有与其内部钻杆朝向一致的滑轨，所述滑轨上滑动设置有抓取机械手，所述抓取机械手通过平移组件驱动其在所述滑轨上滑动；

所述平移组件包括至少两级行走油缸，第一级行走油缸固定在所述矩阵式钻杆存储系统上，其活塞杆上设置有箍板，所述箍板在所述第一级行走油缸的驱动下在滑轨内滑动，下一级行走油缸固定在所述箍板上；最后一级行走油缸固定在上一级行走油缸的箍板上，其活塞杆与所述抓取机械手固定连接，所述箍板的两侧上设有用于与所述滑轨相配合的滑块。

进一步，所述钻杆箱上固定设置有置杆槽，用于固定并暂存由抓取机械手抓取的钻杆；

所述置杆槽包括固定设置在所述钻杆箱靠近机架一侧的钻杆槽座，所述钻杆槽座上设置钻杆槽，所述钻杆槽座上设置有第二夹紧油缸，其活塞杆上连接有滑动板，所述滑动板上固定设置有钻杆挡板，所述第二夹紧油缸驱动所述滑动板带动所述钻杆挡板沿朝向或远离所述钻杆槽的方向移动；所述钻杆挡板与所述钻杆槽之间形成用于暂存所述钻杆的空间。

进一步，所述主机械手布置在移动平台上，且位于布置在所述移动平台上的钻杆箱和机架之间，用于将暂存在置杆槽中的钻杆输送至机架，所述机架包括固定连接在钻机移动平台上的机架连接座和铰接在机架连接座上的机架体，所述主机械手包括俯仰油缸、回转驱动器、俯仰臂、回转轴、转臂以及手爪，所述俯仰油缸为双头组合式油缸，所述俯仰油缸一端的所述活塞杆II通过固定连接在钻进移动平台的第一油缸座与所述钻进移动平台铰接，所述俯仰油缸另一端的活塞杆I与俯仰臂铰接，所述俯仰油缸的轴线所在竖直平面平行于所述机架的轴线所在竖直平面，且当所述活塞杆I全部缩回，活塞杆II全部伸出，所述机械手处于水平位置；

所述俯仰臂包括连接套、支撑体、轴座以及转动筒，所述转动筒的一端固定连接在所述机架中的连接座上，所述连接套套设在所述转动筒上并转动连接，所述支撑体的一端固定连接所述连接套，另一端连接轴座，且在所述俯仰油缸与所述支撑体铰接，所述轴座的一端连接回转驱动器，其内腔安装有回转轴，且所述回转轴的一端与所述回转驱动器的输出轴周向固定连接，所述回转轴的另一端连接转臂，所述转臂连接手爪；

所述手爪包括移动爪体、夹爪、第一夹紧油缸、固定座以及移动油缸，所述固定座为内凹腔体，所述移动油缸铰接于该内凹腔体内，所述移动爪体与该内凹腔体的背面形成移动副，且所述转臂通过该内凹腔体的侧面与手爪连接，所述移动爪体的顶部为固定爪，并与夹爪铰接配合以实现钻杆夹持和固定，所述移动爪体的底部与所述移动油缸的活塞杆铰接以驱动移动爪体移动；所述移动爪体具有内部空腔，所述第一夹紧油缸铰接于该内部空腔内，且所述夹爪的背面与所述第一夹紧油缸的活塞杆铰接以驱动夹爪夹紧钻杆，当所述移动油缸的活塞杆完全缩回使所述移动爪体移动至最高点时，所述转臂的回转中心线到移动爪体夹持中心线的距离等于转臂的回转中心线到机架的钻进中心线的距离，当所述移动油缸的活塞杆完全伸出使所述移动爪体移动至最低点时，所述移动爪体的夹持中心线与暂存于所述置杆槽中的钻杆的中心线重合。

进一步，还包括机械手定位系统，所述机械手定位系统包括等角传感器、增量传感器、角度标识板以及压杆，所述压杆连接在固定座上与转臂相对的一侧，所述等角传感器包括接近传感器、压板、压板座、弹性件、支撑座、滑动杆、滑动座、安装架、滑动油缸以及滑动油缸座，所述安装架的底部固定连接在机架中的机架体上，顶部连接并支撑滑动座，所述滑动杆与滑动座配合连接形成移动副，所述滑动油缸分别与安装架和固定连接于所述滑动杆上的滑动油缸座铰接，所述支撑座的底部固定连接在滑动杆上，并在所述支撑座靠近手爪的一端设有接近传感器，所述压板座的一端与支撑座铰接，并在其接近所述接近传感器的一侧有向下延伸的侧板，以使得该侧板与接近传感器配对形成信号感应组，并在所述压板座与支撑座之间设有弹性件，自然状态下将压板座抬起，避免压板座的侧板与接近传感器接通，所述压板为折弯板件，其顶端用于与压杆接触，底端与压板座固定连接；

所述角度标识板为具有局部扇形凸起的圆环，该圆环具有板体和凸起的扇形块，该圆环的内孔活动套设在转动筒面向机架一侧，所述扇形块上设有拨动槽，所述机架中的机架体面向机械手一侧固定连接有拨杆，所述拨杆插入拨动槽，以使得当所述机架体倾角变化时，角度标识板与机架体变化同样的角度，所述增量传感器设置在所述连接套上靠近角度标识板的一侧，且位于所述连接套上靠近等角传感器的一侧，且所述增量传感器与扇形块配对形成信号感应组；

当所述机械手和机架的钻进中心线均处于水平位置时，所述增量传感器处于水平位置，且所述扇形块靠近增量传感器的一端的边线位于水平线之上，所述增量传感器信号不接通，且所述压杆所在竖直高度能够将压板下压，并使得所述接近传感器的信号接通。

本实用新型的有益效果在于：

1、该煤矿井下自动化定向钻机通过对动力头的机构进行改进，在变速器远离主马达一侧设置角度调节器，且令角度调节器中的传动轴与驱动轴周向固定连接，进而通过具有角度准确调节和锁定防转动功能的角度调节器，既实现了工具面角准确、高效调节，又可以防止因钻杆弹性变形造成的动力头主轴反弹转动，解决了现有技术中钻机缺乏工具面角专用调节装置，轨迹调节精度低、效率低，难以实现自动定向钻进的问题；同时，大幅减小了工具面角调节所需的驱动力，具有较好的节能效果；简化了主马达的旋转制动装置结构，将大量内部零件的功能转化到一个外部的回转减速器，大幅降低了维修难度，减少了易损件的消耗。

其次，通过将水辫与主动钻杆通过连接轴进行一体化连接，避免了施工过程中人工装卸水辫，更加适用于自动化钻机；该水辫中的进水组件采用沿中间面对称的壳体与芯轴相接，使得其在芯轴的轴线方向上受力平衡，从而避免了钻进驱动介质进入芯轴的过程中导致芯轴支撑轴承受力不平衡，并且通过连接轴将芯轴与具有轴向浮动结构的主动钻杆相接，有效避免了水辫在钻进过程中承受来自钻杆的轴向冲击，而是通过主动钻杆传递至主轴和卡盘，以及通过弹簧进行缓冲，进一步保护芯轴支撑轴承免受轴向冲击，从而提升其使用寿命，减少设备维修次数。

2、所述钻杆存储系统中的钻杆箱装满钻杆时，因其与钻机为一体化结构，矩阵式钻杆箱的布置形式可显著提高钻杆箱容量，减轻工人劳动强度，平移组件采用多级油缸的驱动方式，使其在安装空间受限的情况下，移动行程更大；置杆槽由两侧夹紧油缸向中间夹紧的方式，便于控制系统记录钻杆抓取位置信息，并且矩阵式的钻杆排列方式，便于控制系统按照二维坐标方式记录钻杆箱中钻杆数量及位置信息；其次，通过两侧夹爪同步运动有效地避免了钻杆在被夹持过程中位置偏移，可以更好地确保钻杆输送准确性，并且采用连杆机构实现两侧夹爪同步夹紧，结构简单，容易制造。

3、在所述钻杆存储系统将钻杆箱中的钻杆转运至置杆槽的基础上，通过主机械手将钻杆从而置杆槽输送至机架体上，然后配合动力头和夹持器实现了钻杆的自动装卸，并且该主机械手中的俯仰臂的倾角调节采用平行与机架的俯仰油缸驱动调节，而没有采用现有技术中的伺服电机或者回转减速器，在垂直于机架的方向上节省了大量的安装空间；并且手爪向上举起钻杆，而非现有技术向下抓取钻杆，机械手抓取钻杆后从逆时针向机架转动的过程中可以自然地避开机架、姿态调节机构等部件，需要的运动空间明显减小，能够很好的适用于狭窄空间，尤其是适用于目前高度集成化的自动定向钻机，具有较大的应用前景；其次，该钻杆输送机械手定位系统简单可靠，只需要等角传感器和增量传感器两个位置传感器进行相互配合，即可在钻机设计的倾角范围内工作，将钻杆输送至对应的钻进角度的机架中，系统简单可靠，简化了钻杆输送过程中的工作量以及后期使用过程中定位系统的维护工作量，解决了钻进过程中仍采用人工装卸钻杆，劳动强度大的问题。

本实用新型的其他优点、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，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型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

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为本实用新型中一种煤矿井下自动化定向钻机的结构示意图；

图2为机架的第一视角结构示意图；

图3为机架的第二视角结构示意图；

图4为支撑柱组件的结构示意图；

图5为动力头安装座的第一视角结构示意图；

图6为动力头安装座的第二视角结构示意图；

图7为角度拨杆的结构示意图；

图8为机架连接座的结构示意图；

图9为动力头的结构示意图；

图10为动力头的剖视结构示意图；

图11为角度调节器的结构示意图；

图12为驱动活塞的结构示意图；

图13为移动齿盘的结构示意图；

图14为固定齿盘的结构示意图；

图15为角度调节器端盖的结构示意图；

图16为回转座的结构示意图；

图17为角度调节器的局部结构示意图；

图18为水辫的结构示意图；

图19为连接轴的结构示意图；

图20为钻杆存储系统的示意图；

图21为钻杆箱的结构示意图；

图22为平移组件的第一视角结构示意图；

图23为平移组件的第二视角结构示意图；

图24为抓取机械手的结构示意图；

图25为机械爪的轴侧图；

图26为机械爪的主视图；

图27为机械爪的运动原理示意图；

图28为置杆槽的结构示意图；

图29为主机械手的结构示意图；

图30为俯仰油缸的结构示意图；

图31为俯仰臂的第一视角结构示意图；

图32为俯仰臂的第二视角结构示意图；

图33为主机械手与机架安装位置的示意图；

图34为手爪的结构示意图；

图35为手爪的剖视结构示意图；

图36为机械手定位系统的结构示意图；

图37为等角传感器的第一视角结构示意图；

图38为等角传感器的第二视角结构示意图；

图39为角度标识板的结构示意图。

附图标记：1-移动平台，2-机架，201-支撑柱组件，20101-立柱，20102-压盖，20103-第一端盖，20104-立柱座，20105-转轴，20106-转动座，202-夹持器安装座，203-机架体，204-推进油缸，205-动力头安装座，20501-座板，20502-侧板，20503-第一滑块，20504-油缸板，206-角度拨杆，207-机架连接座，20701-第五油缸座，20702-底板，20703-左回转座，20704-机架连接座芯轴，20705-右回转座，20706-第二端盖，208-调斜油缸，209-动力头位移传感器，3-夹持器，4-主机械手，401-第一油缸座，402-俯仰油缸，40201-活塞杆I，40202-活塞杆II，40203-缸筒，403-回转驱动器，404-俯仰臂，40401-连接套，40402-增量传感器安装板，40403-支撑体，40404-第三端盖，40405-轴座，40406-第二油缸座，40407-密封盖，40408-转动筒，405-回转轴，406-转臂，407-手爪，40701-移动爪体，40702-夹爪，40703-第一夹紧油缸，40704-固定座，40705-移动油缸，40706-连接法兰，408-压杆，5-动力头，501-主马达，502-变速器，50201-驱动轴，503-角度调节器，50301-传动轴，50302-驱动活塞，50302a-密封槽，50302b-大径端外圆，50303-回转减速器，50304-传动活塞，50305-固定齿盘，50305a-齿盘，50305b-固定轴，50306-移动齿盘，50306a-凸台，50306b-第一斜齿，50307-角度调节器端盖，50307a-最大外径段，50307b-中间级直径段，50307c-最小直径段，50307d-弹簧安装孔，50308-轴承压盖，50309-弹簧，50310-回转座，50310a-回转减速器连接盘，50310b-端盖连接盘，50310c-凹槽，50311-平键，504-水辫，50401-芯轴支撑轴承，50402-芯轴，50403-进水组件，50404-轴承座，50405-黄油嘴，50406-距离套，50407-水辫端盖，50408-盖板，50409-密封轴，505-卡盘，506-主动钻杆，507-连接轴，50701-外螺纹，50702-六方头，50703-内螺纹，508-六方孔连接套，509-调节器连接座，6-控制系统，7-液压系统，8-钻杆存储系统，801-钻杆箱，80101-活动挡板，80102-底座，80103-滑轨，80104-侧帮，802-平移组件，80201-第二滑块，80202-箍板，80203-第二行走油缸，80204-油缸安装座，80205-第一行走油缸，803-抓取机械手，80301-机械爪，80301a-连接体，80301b-第三夹紧油缸，80301c-第二夹爪，80301d-第一夹爪，80301e-夹爪固定销轴，80301f-第一销轴，80301h-第二销轴，80301i-传动杆，80301j-传动杆销轴，80302-第二伸缩筒，80303-横梁组件，80304-第一伸缩筒，804-置杆槽，80401-滑动板，80402-第二夹紧油缸，80403-钻杆槽座，80404-钻杆槽，80405-钻杆挡板，9-机械手定位系统，901-等角传感器，90101-接近传感器，90102-压板，90103-压板座，90104-弹簧组，90105-支撑座，90106-滑动杆，90107-滑动座，90108-安装架，90109-滑动油缸，90110-滑动油缸座，902-角度标识板，90201-板体，90202-拨动槽，90203-扇形块，903-增量传感器，Y-密封腔。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型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实用新型的基本构想，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，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，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。

本实用新型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；在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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，不能理解为对本实用新型的限制，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。

请参阅图1～图39，为一种煤矿井下自动化定向钻机，包括移动平台1、机架2、夹持器3、主机械手4、动力头5、控制系统6、液压系统7、钻杆存储系统8以及机械手定位系统9，所述移动平台1是定向钻机中上装部件的承载和移动平台，所述机架2、钻杆存储系统8、控制系统6、液压系统7以及主机械手4都安装在移动平台1上。同时，移动平台1可以在井下行走，实现转场移机，移动平台1可以是各种行走装置，如履带车、胶轮车、轨道车等，其驱动形式可以是液压、电驱、燃油等形式。根据井下钻场工况和防爆要求，本申请优选液压驱动的履带车作为移动平台1。所述机架2和钻杆存储系统8分别布置在所述移动平台1的两侧，所述主机械手4布置在所述机架2与钻杆存储系统8之间，所述控制系统6和液压系统7则布置在移动平台1的尾端。

所述控制系统6主要是指电控系统，包括控制器及其配套的功能模块、传感器、人机交互系统、钻孔轨迹测量系统等。所述控制系统6接受人员控制指令，通过编译转化为钻机各机构或系统的执行参数，从而实现自动化的定向钻进、轨迹测量、钻杆装卸等。本申请的控制系统3不限元器件种类，通过程序类型和参数的匹配均可用于本申请涉及的钻机。所述液压系统7包括驱动电机、液压泵、液压阀、液压缸、液压马达、液压减速器及各类液压附件。本申请的液压系统可以是各种类型，通过适当的元件参数和功能选型均可与本申请的控制系统和各执行机构匹配。由于煤矿钻机大驱动力的需求和井下严格的防爆安全要求，液压系统优选隔爆电机驱动，通过液压泵将机械能转化为液压能，从而驱动动力头5、机架2、夹持器3、主机械手4、履带车(移动平台1)以及钻杆存储系统8等执行机构工作。

重点参阅图2～图8，机架2是动力头5、夹持器3和主机械手4等钻进与钻杆装卸执行机构的承载部件以及钻进给进驱动装置。机架2包括支撑柱组件201、夹持器安装座202、机架体203、推进油缸204、动力头安装座205、角度拨杆206、机架连接座207、调斜油缸208以及动力头位移传感器209；

所述机架连接座207用于将机架体203与移动平台1连接，其包括第五油缸座20701、底板20702、左回转座20703、机架连接座芯轴20704、右回转座20705以及第二端盖20706，所述底板20702为机架连接座207的主体，其前端设有两个第一第五油缸座20701并关于机架连接座207的轴线对称，用于铰接安装调斜油缸208，后端分别设有左回转座20703和右回转座20705，所述机架连接座芯轴20704穿过左回转座20703和右回转座20705并转动连接，所述机架体下方设有与机架连接座芯轴20704对应的耳座并铰接相连，以实现机架连接座207与机架体203的铰接；所述左、右回转座的外端面均设有端盖安装法兰，用于安装第二端盖20706，对机架连接座芯轴20704进行轴向限位。此外，右回转座20705(即所述机架连接座207上靠近主机械手4一侧的回转座)上还设有用于安装主机械手4的转动筒40408的安装法兰。

所述调斜油缸208为普通液压油缸，其缸筒通过销轴与第五油缸座20701铰接相连，其活塞杆通过销轴与设置在机架体203下方并与其对应的耳座铰接。机架体203的倾角为0°时，调斜油缸208的活塞杆仅伸出一定长度，并未完全缩回或伸出，其具体伸出长度可根据不同规格的定向钻机做适应性调节。当调斜油缸208的活塞杆进一步伸出时，机架体203上扬，倾角增大；当调斜油缸208的活塞杆缩回时，机架体203下压，倾角减小；

所述机架体203是机架2的结构主体和主要受力件，其中部具有镂空的腔体，通过设置各种安装接口、法兰等，将机架2的其他零件及钻机部件安装在其上，机架体203的外侧设有关于机架体203轴线对称的滑轨，所述滑轨与动力头安装座205中的第一滑块20503配对，以形成移动副，在推进油缸204的驱动下实现动力头安装座205沿机架体203的轴线方向前后移动，机架体203前端和底部分别设有与转轴20105和调斜油缸208、机架连接座芯轴20704铰接的耳座；

所述推进油缸204中缸筒的左右两侧通过销轴与机架体203腔体的内侧铰接，以实现所述推进油缸204一定角度的俯仰摆动，从而降低机架体203等零部件的加工精度要求，所述推进油缸204的活塞杆与动力头安装座205固定连接；

所述动力头安装座205包括座板20501、侧板20502、第一滑块20503以及油缸板20504。其中，所述座板20501是动力头5的安装板，其上设有与动力头5中变速器502的底板对应的安装孔，并通过螺栓将动力头5固定其上，所述侧板20502和油缸板20504结合，均位于所述机架体203的腔体内，并形成推进油缸204中活塞杆的安装支架，该安装支架的顶部与所述座板20501的底部固定连接，优选为焊接，所述油缸板20504上设有用于与推进油缸204的活塞杆连接的连接孔，所述第一滑块通过螺栓与座板20501固定连接，且位于所述机架体203的外侧，并与机架体203的滑轨配对，以形成移动副，使得所述动力头安装座205与机架体203滑动连接。所述座动力头位移传感器209安装在机架体203的一侧，以用于检测动力头安装座205的位移。

所述支撑柱组件201用于机架体203的前端支撑，尤其是机架体203调整倾角时作为引导、支承构件，其包括立柱20101、压盖20102、立柱座20104、转轴20105以及转动座20106，所述立柱20101左右对称设置在机架体203前端，立柱20101底部通过立柱座20104与移动平台1连接，且所述立柱座20104与移动平台1固定连接，与所述立柱20101通过销轴铰接，所述立柱20101的中部接近机架体203位置被压盖20102压装在转动座20106内部的半圆弧凹槽中，转动座20106通过左右对称的两根转轴20105与机架体203前端的铰接座铰接，转轴20105外侧通过第一端盖20103轴向限位；

所述夹持器安装座202的底部与机架体203前端的上表面固定连接，优选为焊接，且所述夹持器安装座202的上方设有与夹持器安装孔，通过螺栓将夹持器3固定其上；

所述角度拨杆206靠近机架体203的一侧为安装板，所述安装板通过螺栓与机架体203连接，所述角度拨杆206远离机架体203的一侧为圆柱杆件，该圆柱杆件的前端插入角度标识板902上的拨动槽90202中。当机架体203的倾角变化时，角度拨杆206通过拨动槽90202拨动角度标识板902，使角度标识板902的角度始终随机架体203一起变化。

所述夹持器3主要负责夹持钻杆，保持钻杆在已经钻好的孔内的位置，同时配合动力头5实现钻杆螺纹连接与拆卸。夹持器3可以是各种形式，如油缸对夹、钳式、卡盘式等。优选地，本申请的夹持器3为油缸对夹式双夹持器，前半部用于夹持孔内钻杆，后半部与动力头5、主机械手4配合进行钻杆接卸扣。此外，夹持器3前后半部之间可以相对转动一定角度，进行钻杆螺纹预松。所述夹持器3通过螺栓配合所述夹持器安装座202与机架体203连接。

本申请的关键在于，该煤矿井下自动化定向钻机中包括的动力头5、钻杆存储系统8、主机械手4以及机械手定位系统9；

重点参阅图9～图17，其中，所述动力头包括主马达501、变速器502、角度调节器503、水辫504、卡盘505、主轴、连接轴507、六方孔连接套508以及主动钻杆506，所述主马达501通过变速器502与主轴连接，所述主动钻杆通过卡盘505与主轴的一端连接，所述水辫504布置在变速器502与所述主动钻杆相对应的一端，并通过内设于主轴中的连接轴507与主动钻杆连接，所述角度调节器503布置在所述变速器502与主马达501相对应的一端，且所述角度调节器503中的传动轴50301与变速器502中的驱动轴50201周向固定连接。

所述主马达501是驱动主动钻杆旋转的动力源之一，回转钻进、复合钻进以及钻杆连接接卸扣所需的旋转动力都来自主马达501，主马达501可以是各种旋转动力驱动装置，如：液压马达、电动机等动力驱动装置中的一种。根据煤矿复杂工况和防爆要求，本实施例中所述主马达501优选为液压马达。

所述变速器502是定向钻机动力头的变速传动机构，主要将主马达501和角度调节器503输出的转速和扭矩以一定的传动比传递给主轴(即传递给钻杆)，从而满足钻进和钻杆接卸扣的要求。根据现有液压马达技术和钻进需求，变速器502一般选择具有减速、增扭传动功能的变速器502。所述变速器502具有驱动轴50201，且所述驱动轴50201的一端与主马达501的输出轴花键连接以实现周向固定连接，另一端与角度调节器503中的传动轴50301花键连接以实现周向固定连接，进而将主马达501和角度调节器503输出的转速和扭矩以一定的传动比传递给主轴以及主动钻杆506，从而满足定向钻进和钻杆接卸扣的要求。

所述角度调节器503包括传动轴50301、回转座50310、调节器连接座509、轴承压盖50308、弹簧50309、从左至右依次套设在传动轴50301上的驱动活塞50302、传动活塞50304、固定齿盘50305、移动齿盘50306和角度调节器端盖50307以及具有自锁功能的回转减速器50303，且所述回转减速器50303的传动比大于所述变速器502的传动比；所述传动轴50301的左端为花键，插入变速器502的驱动轴50201内，所述驱动轴50201中设有与所述传动轴50301上的花键相匹配的键槽，以使得传动轴50301与所述驱动轴50201形成花键连接，进而形成周向固定连接；所述传动轴50301的右端通过平键50311与套设在传动轴50301上的固定齿盘50305连接，以形成周向固定连接，并通过轴承转动连接在角度调节器端盖50307内，且所述角度调节器端盖50307位于所述固定齿盘50305远离所述驱动轴50201的一侧，即位于所述固定齿盘50305的右侧，并在该轴承的两侧均设有距离套，在所述角度调节器端盖50307远离所述固定齿盘50305的一侧设有通过螺栓与所述角度调节器端盖50307固定连接的轴承压盖50308，以对该轴承进行定位。

所述驱动活塞50302为中空的两级阶梯轴，其套设在传动轴50301上，且小径端的外圆设有密封槽50302a，该密封槽50302a内安装有密封圈，并与套设在所述驱动活塞50302上的调节器连接座509的对应位置的内孔配合形成第一密封，大径端外圆50302b与安装在调节器连接座509上对应位置的密封圈安装凹槽内的密封圈配合形成第二密封；第一密封和第二密封内部形成位于驱动活塞50302和调节器连接座509之间密封腔Y，并在所述调节器连接座509上设有连通密封腔Y的进油口，液压油经过调节器连接座509上的进油口进入密封腔Y，推动驱动活塞50302由小径端向大径端移动，且所述驱动活塞50302的小径端为靠近驱动轴50201的一端；

优选地，所述驱动活塞50302内部设两级阶梯内孔，且朝向角度调节器端盖50307的一侧为大直径内孔，所述传动轴50301上对应设有与该两级阶梯内孔相匹配的轴肩，从而在轴向上限制所述驱动活塞50302的位移距离，以防止所述驱动活塞50302移动量超限。

所述传动活塞50304为具有中心通孔的盘状零件，其套设在传动轴50301上，且左端与驱动活塞50302的大径端接触连接，右端与移动齿盘50306接触连接，其主要作用是将驱动活塞50302的驱动力(向右端位移的驱动力)传递给移动齿盘50306，使移动齿盘50306朝向角度调节器端盖50307进行移动。

所述移动齿盘50306主体为具有中心通孔的盘状零件，中间为阶梯通孔，用于通过传动轴50301和固定齿盘50305的固定轴50305b，且通孔朝向角度调节器端盖50307一侧为大直径通孔，大直径通孔的内部端面用于承受弹簧50309的端部推力，所述移动齿盘50306面向传动活塞50304一侧的端面设有沿圆周分布的第一斜齿50306b，且外圆面设有均匀分布的凸台50306a，并与套设在其上的回转座50310内孔中的凹槽50310c配合，以用于传递与回转座50310连接的回转减速器50303的转动和扭矩；

所述固定齿盘50305具有齿盘50305a和位于齿盘50305a中心的固定轴50305b，固定轴50305b为空心轴，内部通孔设有键槽，可使固定齿盘50305与传动轴50301形成键连接，从而在周向上固定连接，以限制固定齿盘50305与传动轴50301之间的转动，且该固定轴50305b插入所述移动齿盘50306的的中心通孔，齿盘50305a面向所述移动齿盘50306的端面设有与移动齿盘50306的第一斜齿50306b对应啮合的沿圆周分布的第二斜齿。具体的，所述固定齿盘50305通过平键50311固定在传动轴50301上，防止固定齿盘50305和传动轴50301的相对转动。所述固定齿盘50305的两端再通过传动轴50301的轴肩和距离套50406等方式实现轴向止动。

所述角度调节器端盖50307主体为三级阶梯空心盘状结构，其通过轴承套设在传动轴50301上，且最大外径段50307a分别设有与套设在所述移动齿盘50306上的回转座50310连接的法兰，和与轴承压盖50308连接的法兰，中间级直径段50307b用于与回转座50310配合安装并对移动齿盘50306的轴向移动距离进行限制，最小直径段50307c用于与移动齿盘50306配合安装，即所述移动齿盘50306中的大直径通孔与所述最小直径段50307c的外圆相匹配，并形成轴向滑动连接，且最小直径段50307c的端面设有用于安装弹簧50309的多个沿圆周均布的弹簧安装孔50307d，其中最小直径段50307c为所述角度调节器端盖50307中靠近驱动轴50201的一端，所述轴承压盖50308通过螺栓固定在角度调节器端盖50307外侧，对轴承进行轴向限位；所述弹簧50309通过弹簧安装孔50307d安装在所述角度调节器端盖50307与移动齿盘50306之间，以向移动齿盘50306提供朝向固定齿盘50305的推力。

所述回转座50310主体为圆筒形，其套设在移动齿盘50306的外侧，其左端为回转减速器连接盘50310a，用于连接具有自锁功能的回转减速器50303的输出盘，右端为端盖连接盘50310b，用于安装所述角度调节器端盖50307，并且角度调节器端盖50307中的中间直径段50307b与所述回转座50310的内腔配合连接以留出安装移动齿盘50306的空间；所述回转座50310的内部为通孔，并设有与移动齿盘50306的凸台50306a对应的凹槽50310c，通过所述凸台50306a和凹槽50310c在回转座50310与移动齿盘50306之间形成周向固定连接，且所述移动齿盘50306可相对回转座50310进行轴向位移。

所述调节器连接座509用于将该角度调节器503与变速器502连接，所述变速器502套设在驱动轴50201上，主要用于将驱动轴50201的扭矩和转动传递给主轴，所述调节器连接座509为中空圆筒，其外圆分为三级直径，其中，中间段的直径最大，以形成中间凸起，中间段两侧的端面分别与变速器502和回转减速器50303贴合并固定连接，以实现三个元件之间的相对轴向定位，其中左段(靠近驱动轴50201的一端)插入变速器502的腔体，并与套设在驱动轴50201上的轴承相接，并作为套设所述驱动轴50201上的轴承的轴向止动，并在其上设有密封槽，通过安装密封圈对变速器502的腔体进行密封；右段向回转减速器50303内部延伸，以便于回转减速器50303安装导向。

所述调节器连接座509的内径也分为三级孔径，其中，左内段的内径与传动轴50301相匹配，并设有密封槽，通过安装密封圈对变速器502进行二次密封；中间内段和右内段分别与驱动活塞50302的两级阶梯轴外径相匹配，并在右内段上设有密封圈安装槽，并安装有密封圈，即中间内段和右内段分别与驱动活塞50302的小径端外圆和大径端外圆50302b相匹配，分别形成第一密封和第二密封，从而形成密封腔Y，其中，与中间内段对应的安装有密封圈的密封槽50302a设在驱动活塞50302上，形成第一密封，右内段上设密封槽并安装有密封圈与大径端外圆50302b相匹配，以形成第二密封，通过第一密封和第二密封形成位于调节器连接座509与驱动活塞50302之间的密封腔Y，并在调节器连接座509的外表面上与密封腔Y对应位置处设有进油口，液压油经过调节器连接座509上的进油口进入密封腔Y，推动驱动活塞50302由右端移动，进而推动传动活塞50304和移动齿盘50306，进一步通过移动齿盘50306压缩所述弹簧50309，从而解除移动齿盘50306与固定齿盘50305之间的斜齿啮合。

所述回转减速器50303套设在所述调节器连接座509中的右段上，并与所述调节器连接座509的中间段固定连接，且所述回转减速器50303的输出盘(如齿盘或蜗轮)通过螺栓与回转座50310固定连接，从而限制所述回转减速器50303的输出盘与回转座50310的相对转动；所述回转减速器50303主要有两个作用，一是通过传动轴50301驱动所述驱动轴50201相对慢速地转动(与主马达501驱动相比)，并通过变速器502传递该转动，从而准确地控制输出的转动角度。二是由于回转减速器50303具有自锁作用，且回转减速器50303的自锁力矩大于主马达501的输出扭矩，在锁定工况下可以阻止主马达501驱动所述驱动轴50201转动，进而实现整个变速器502的锁定、防转动。

优选地，所述回转减速器50303为具有自锁功能的蜗轮蜗杆回转减速器，即所述回转减速器连接盘50310a连接蜗轮蜗杆回转减速器中作为输出盘的蜗轮，且所述蜗轮通过调节器连接座509和驱动活塞50302套设在传动轴50301上，以保证所述蜗轮与回转座50310的同步转动。现有的蜗轮蜗杆回转减速器的传动比可达1:100以上，然而现有技术中采用主马达501驱动的主轴(所述主轴通过变速器502驱动)最低转速达到约50r/min(300°/s)，因此该角度调节器503通过蜗轮蜗杆回转减速器可将主轴输出转速控制到现有技术的1/100以内(≤3°/s)，将十分有利于准确调节和及时停止，大幅提高了工具面角调节精度和调节效率。

具体的，所述蜗轮蜗杆回转式减速器包括驱动源、蜗杆、蜗轮以及回转支承，所述回转支承套设在所述调节器连接座509上并固定连接，所述蜗轮通过滚道转动连接在所述回转支承的外圆，并与所述蜗杆配合连接，进而达到回转式减速器的输出盘(即蜗轮)与所述回转座50310同轴的目的，所述驱动源连接在所述蜗杆的一端，以驱动所述蜗杆转动；由于蜗轮蜗杆传动具有反向自锁的特点，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆运动，从而使其具有自锁的功能。所述驱动源为电机或液压马达，本实施例中优选为液压马达，以适用于复杂的煤矿井下作业。

在另外的实施例中，所述回转减速器50303为RV减速器、谐波减速器等回转减速器中的任意一种，同样将前述的回转减速器中的作为输出盘(或称为回转盘)的结构与回转座50310固定连接。

上述的角度调节器503具有两种工况，其工作原理如下：

锁定工况：没有压力油从调节器连接座509的进油口进入驱动活塞50302与调节器连接座509形成的密封腔Y，驱动活塞50302未受到外供压力油驱动，弹簧50309始终对移动齿盘50306施加朝向固定齿盘50305的轴向力，保持移动齿盘50306的斜齿与固定齿盘50305的斜齿啮合；此时，主马达501、驱动轴50201通过传动轴50301、固定齿盘50305、移动齿盘50306、回转座50310与回转减速器50303连接，而回转减速器50303在其工作能力范围内具有自锁功能(即回转减速器50303的自锁力矩大于主马达501的输出扭矩)，从而对变速器502的传动系统形成了锁定作用，主马达501无法通过变速器502传递运动；但是，若此时驱动所述回转减速器50303，回转减速器50303则可相对慢速(与主马达501驱动相比)地驱动所述驱动轴50201转动，并通过变速器502传递该转动和扭矩，从而准确地控制主轴和主动钻杆506的转动角度，从而对工具面角进行精确高效的调节。

解锁工况：通过调节器连接座509的进油口向驱动活塞50302与调节器连接座509之间的密封腔Y注入压力油，液压力驱动所述驱动活塞50302并推动传动活塞50304和移动齿盘50306朝着脱离固定齿盘50305的方向运动，此时，弹簧50309受到移动齿盘50306挤压而收缩，移动齿盘50306与固定齿盘50305的斜齿解除啮合，回转减速器50303的自锁作用无法传递给传动轴50301、驱动轴50201和主马达501。因此，主马达501可以驱动所述驱动轴50201转动，进而通过变速器502输出转动和扭矩。

重点参阅图18～图19，所述水辫504是钻进驱动水的进水装置，驱动水经过水辫504进入动力头的主轴，再通过若干连接的钻杆到达钻头位置，该水辫504的主要特点是轴向力平衡，其包括芯轴50402、进水组件50403、轴承座50404、密封轴50409以及芯轴支撑轴承50401，所述进水组件50403套设在芯轴50402上并转动连接，所述轴承座50404通过内设于轴承座50404两端的芯轴支撑轴承50401套设在芯轴50402上并转动连接，所述密封轴50409通过螺纹连接在所述芯轴50402的右端以密封芯轴50402的右端。

所述芯轴50402为中空轴，其左端与连接轴507通过螺纹固定连接，其中所述芯轴50402上的螺纹为外螺纹50701，所述连接轴507上的螺纹为内螺纹50703，并所述芯轴50402的中部设有进水孔，且该进水孔与进水组件50403连通，右端的内部设有用于安装密封轴50409的安装螺纹；

所述进水组件50403包括进水口和与进水口相通的壳体。所述进水口用于连接水管接头，壳体套设在所述芯轴50402上并转动连接，壳体的内腔连通所述芯轴50402的进水孔，且壳体与轴承座50404配合，即所述壳体的一侧与所述轴承座50404的一侧相接，形成芯轴安装结构，同时所述壳体的内腔为对称结构，且对称面垂直于所述芯轴50402的轴线以使其轴向受力平衡，因此可实现水辫504轴向受力平衡。因为进水组件50403中的壳体内腔关于中间面完全对称，因此驱动用水对进水组件50403的作用力在芯轴轴线方向平衡，从而改善芯轴支撑轴承50401的受力情况，延长使用寿命。

优选地，所述壳体与所述芯轴50402之间设有密封圈，以形成密封结构。

具体的，在所述芯轴50402的右端通过螺钉安装有盖板50408，对密封轴50409进行轴向固定，并在所述轴承座50404的右端通过螺钉安装有水辫端盖50407，以对芯轴支撑轴承50401进行轴向固定。在所述轴承座50404上设有连通轴承座50404内腔的黄油嘴50405。密封轴50409与芯轴50402的连接处还设有密封圈进行密封，防止漏水。

所述连接轴507为中空轴，且内设于主轴，其两端分别连接所述水辫504的芯轴50402和主动钻杆506，将水辫504受到的轴向冲击传递给具有轴向浮动结构的主动钻杆506，以改善水辫504的受力情况。在所述连接轴507的左端设有外螺纹50701，以用于与主动钻杆506右端的螺纹孔连接，在所述连接轴507的右端设有内螺纹50703，以用于与芯轴50402的外螺纹50701连接；在所述连接轴507的右端的外侧设有六方头50702，所述六方孔连接套508通过螺纹连接与动力头的主轴靠近水辫504的一端固定连接，所述六方孔连接套508的内孔为与六方头50702相匹配的六方孔，所述连接轴507右端的六方头50702插进六方孔连接套508的六方孔，以使得所述六方孔连接套508与连接轴507之间形成移动副，并限制连接轴507转动，所述六方孔连接套508与连接轴507之间形成移动副与主动钻杆506的限制位移的轴向浮动结构配合，使得芯轴50402与连接轴507、主动钻杆506的整体也具有限制位移的轴向浮动结构，进而使连接轴507和水辫504中的芯轴50402也具有轴向浮动功能。

其中，主动钻杆506的轴向浮动结构包括弹簧和钻杆端盖，所述主动钻杆506可通过花键、平键等传递扭矩的方式与卡盘505连接，并在主动钻杆506的右端面设有安装孔，通过安装孔在主动钻杆506与卡盘505之间安装有弹簧，以使得所述主动钻杆506具有轴向浮动功能，以用于缓冲轴向冲击，再由固定连接在卡盘505上的钻杆端盖进行轴向限位，从而使得所述主动钻杆506具有限制位移的轴向浮动功能。

具体的，设所述主动钻杆506右端面与卡盘505与之对应的左端面之间的最大距离为a，主动钻杆506以及与之连接的钻杆接头螺纹的螺距为p，则a≤p。因为，螺纹接扣的轴向冲击必然发生在一个螺距的位移之内(当然极有可能每个螺距都发生冲击)，一扣(一个螺距)接不上，后续的螺纹肯定也无法连接。但是该浮动距离也不宜过小，过小则会因浮动距离不足发挥不了浮动缓冲作用。因此，根据螺纹两侧基本对称的特点，选择a的最小值略大于0.5p，优选地，a∈[0.65p,0.95p]，最优选为0.65p。

连接轴507的六方头50702和中间圆柱段自然形成均匀分布的多段轴向止动端面，该止动端面与六方孔连接套508的左端面配合，可以限制连接轴507向右的轴向位移。设主动钻杆506和连接轴507在浮动作用下位于最前端时，该止动端面到六方孔连接套508左端面的距离为b，则应有b>a。因为，如此距离设置方可发挥主动钻杆506浮动功能的作用，避免轴向向右的冲击直接由连接轴507传递给芯轴支撑轴承50401。此外，该距离b适当大于(即不能大太多)主动钻杆506与卡盘505端面之间的距离a，优选b≥a+0.35p，从而即使a选择最小优选值0.65p时，也可确保一个螺距以上的缓冲距离，使的该轴向缓冲结构具有较好的缓冲保护效果，可以在主动钻杆506浮动功能失效或者主动钻杆506、卡盘505端面被压溃的极端情况下，对连接轴507向右的位移进行限制，避免对卡盘505或动力头其他零件造成严重损坏。

所述主轴内设于变速器502的箱体中，并在变速器502的驱动下进行转动，所述主轴远离水辫504的一端连接卡盘505，以带动卡盘505转动，然后卡盘505再将扭矩传递给主动钻杆506。即主动钻杆506、连接轴507、六方孔连接套508以及水辫504中的芯轴50402、密封轴50409和盖板50408均相对于进水口组件、轴承座50404、水辫端盖50407以及变速器502的箱体转动。

通过上述连接关系，使得水辫504在钻进过程中能够做到轴向力平衡，从而解决芯轴支撑轴承50401容易损坏的问题，其工作原理如下：

钻进驱动用水从进水组件50403接入芯轴50402，经芯轴50402及连接轴507、主动钻杆506后直达孔底马达和钻头；首先，由于进水组件50403的壳体的内腔关于中间面完全对称，因此驱动用水对进水组件50403的作用力在芯轴轴线方向平衡，所以极大程度改善芯轴支撑轴承50401的受力情况，进而延长使用寿命；

其次，水辫504的芯轴50402通过连接轴507与主动钻杆506相连，连接轴507的六方头50702和六方孔连接套508的六方孔的配合形成了稳定的移动副，又防止了相对转动，配合主动钻杆506具有的限制位移的轴向浮动功能，既可以前后浮动缓冲动力头钻进过程中受到的轴向冲击，又限制了主动钻杆506、连接轴507以及芯轴50402的轴向浮动距离，从而保护其他相关零件，使得所述连接轴507和芯轴50402具有了轴向上的浮动位移，因此水辫504(芯轴50402)在随主动钻杆506转动过程和动力头钻进过程中，在轴向随主动钻杆506和连接轴507一起轴向移动，受到的轴向冲击都传递给了主动钻杆506，主动钻杆506则通过安装在主动钻杆506与主轴之间的弹簧进行了阻尼吸收，从而进一步改善芯轴支撑轴承50401的受力情况。

其中，所述钻杆端盖对主动钻杆506的轴向位移限制可根据其他相关零部件的实际需要进行适应性的调整，以适应不同的煤矿钻机。

综上所述，水辫504中的进水组件50403的对称壳体内腔结合连接轴507传递冲击给具有浮动功能的主动钻杆506的方案改善了芯轴支撑轴承50401的受力情况，钻进驱动用水的压力在水辫504内产生的轴向力被平衡分布，动力头工作冲击由具有浮动功能的主动钻杆506承担，因此该钻进驱动水压平衡机构解决了现有钻机水辫504内部液压力不均衡，没有力传导机构，芯轴支撑轴承50401容易损坏的问题，尤其适用于钻进驱动用水压力较高的情况，比如定向钻进中使用泥浆脉冲等情况。

所述卡盘505是定向钻机动力头的钻杆夹持机构，一般情况下，本实施例中的卡盘505不承担夹持钻杆钻进的工作，因此优选常开卡盘505。以便于需要在井下钻进过程中临时更换较大直径的钻杆或者打捞钻杆时，拆下卡盘505前端的主动钻杆506，使用卡盘505夹持对应钻杆施工。具体的，优选采用如公开号为CN105822238B的中国专利所公开的一种活塞式液压卡盘505。

所述主动钻杆506是正常钻进时的钻杆连接机构，所述主动钻杆506前端设有与钻杆公接头一样的螺纹接头，用于钻进时与加接进入钻机的钻杆连接，通过钻杆端盖和螺栓连接在卡盘505前端以限制主动钻杆506的轴向位移，并在主动钻杆506与卡盘505之间设有弹簧以使得所述主动钻杆506具有轴向浮动功能。

在另一个实施例中，所述主动钻杆506直接与主轴连接，其具体结构如公开号为CN112253017B的中国专利所公开的一种可浮动钻杆连接装置，其同样具有轴向浮动动能，以满足连接轴507的一端连接具有轴向浮动结构的主动钻杆506的要求，其重点在于将所述主动钻杆506从与卡盘505连接，转移至与主轴连接，其余细节以在上述专利中公开，在此不做赘述。

上述的动力头能够给自动化定向钻机提供包括滑动定向钻进、工具面角调节、回转钻进、复合钻进以及打捞钻杆的各种运行工况，其工作原理如下：

(1)滑动定向钻进

滑动定向钻进工况下，角度调节器503处于锁定工况，主轴无法在主马达501的驱动下旋转；动力头通过主动钻杆506连接多根钻杆，最前端的钻杆前端安装有孔底马达。钻进驱动介质(压力流体)从水辫504进入动力头，依次通过连接轴、主动钻杆以及钻杆并进入孔底马达，驱动孔底马达转动，实施滑动定向钻进。

(2)工具面角调节

工具面角调节工况下，角度调节器503处于锁定工况，主轴无法在主马达501的驱动下旋转，而只能在回转减速器50303驱动下旋转，此时不对主马达501供油，对回转减速器50303中的液压马达供油。

回转减速器50303驱动传动轴50301转动，并通过变速器502中的驱动轴50201驱动主轴和主动钻杆506转动，主动钻杆506再带动与其连接的钻杆转动，进而实现工具面角的调节。由于回转减速器50303具有较大的传动比，加上变速器502的传动比，通过控制回转减速器50303的转动速度即可实现高效准确的工具面角调节。

(3)回转钻进

回转钻进工况下，角度调节器503处于解锁工况，主轴可以在主马达501的驱动下旋转，对主马达501供油即可驱动主轴和钻杆转动，实施回转钻进，此时不通过水辫504对孔底马达提供驱动介质。

(4)复合钻进

复合钻进工况下，角度调节器503处于解锁工况，主轴可以在主马达501的驱动下旋转。此时，既通过水辫504向孔底马达提供驱动介质，进而驱动孔底马达转动，又通过主马达501驱动钻杆转动，以实现复合钻进。

(5)打捞钻杆

当发生丢钻事故时，需要使用打捞钻杆将孔内钻杆取出。一般打捞钻杆直径大于施工钻杆直径，因此需要使用卡盘5夹持打捞钻杆施工。打捞钻杆工况下，首先需拆除主动钻杆506、连接轴507以及水辫504等，将打捞钻杆装入动力头，并通过卡盘505夹持打捞钻杆，再依次连接若干打捞钻杆直到与孔内丢失的钻杆接触。此工况下，角度调节器503处于解锁工况，主轴可以在主马达501的驱动下旋转。

重点参阅图20～图28，所述钻杆存储系统8包括钻杆箱801、平移组件802、抓取机械手803以及置杆槽804，该钻杆存储系统采用横向多列、纵向分层的矩阵式存储钻杆方式对钻杆进行存储，为了进一步增大钻杆箱的容量，在同一平面内设置两个钻杆箱并邻近放置于移动平台1上。使得定向钻机移机过程中，可将全部钻杆装入钻杆箱，与钻机一起运送至施工地点。

各部件主要功能及结构特征如下：

所述钻杆存储系统包括呈矩阵式布置的钻杆箱801，其用于钻杆的固定摆放及存储。所述钻杆箱801顶部为开放式结构，侧帮80104通过隔板均匀设置钻杆盛放槽，底座80102通过螺栓固定安装在移动平台1上。为了便于人工补充或取放钻杆，侧帮80104外部设有可翻转式的活动挡板80101，挡板80101顶部设有销座、底部设有耳板，通过连接销与底座80102和侧帮80104上的销座连接。沿钻杆长度方向于钻杆箱体外部设有用于抓取机械手803平移运动的滑轨80103。

所述平移组件802是用于抓取机械手803沿所述钻杆箱801外部的滑轨80103移动的驱动装置。本实施例以两级行走油缸为例，第一行走油缸80205的油缸筒通过油缸安装座80204固定连接在钻杆箱801上，第一行走油缸80205的活塞杆与箍板80202的端面盖板固定连接，第一行走油缸80205的活塞杆伸出时可推动箍板80202运动；箍板80202上下侧设有第二滑块80201，且该第二滑块80201与所述滑轨80103相匹配，以在所述箍板80202与钻杆箱801形成移动副；第二行走油缸80203的油缸筒固定安装在箍板80202上，第二行走油缸80203的活塞杆与抓取机械手803固定连接。

所述抓取机械手803用于将钻杆从钻杆箱801中运送至指定的置杆槽804。该抓取机械手803由机械爪80301、第一伸缩筒80304、第二伸缩筒80302、横梁组件80303等组件构成，其中所述第一伸缩筒80304沿竖直方向布置在钻杆箱802的一侧并与滑轨80103相接，所述横梁组件80303的一端连接在所述第一伸缩筒80304的顶端，所述第二伸缩筒80302连接在所述横梁组件80303的另一端并竖直向下布置，所述机械爪80301连接在所述第二伸缩筒80302的底部，所述各部件主要功能及特征包括：

(1)第一伸缩筒80304

所述第一伸缩筒80304外部设有油缸耳座，以用于连接第二行走油缸80203的活塞杆，还设有与滑轨80103相匹配的滑块，使得所述第一伸缩筒80304能够在平移组件802的作用下沿着钻杆箱801外部的滑轨80103进行移动。所述第一伸缩筒80304内部设有与筒壁固定连接的第一伸缩油缸，且该第一伸缩油缸的活塞杆与横梁组件80303固定连接，以使得所述横梁组件80303能够沿第一伸缩筒80304上下方向运动；第一伸缩油缸与第一伸缩筒80304下部端盖固定连接，第一伸缩油缸的活塞杆通过第一销轴与横梁组件80303固定连接，第一伸缩油缸的活塞杆作用时驱动横梁组件303上下运动。

(2)横梁组件80303

所述横梁组件80303中设有滑动轨道，所述滑动轨道用于驱动第二伸缩筒80302和机械爪80301部分沿横梁组件的长度方向80303移动，本申请中所述滑动轨道优选为马达驱动平移齿轮啮合齿条的方式进行运动。马达固定安装在第二伸缩筒80302中的马达安装座上，齿条通过螺栓固定连接于横梁组件80303的底部。

(3)第二伸缩筒80302

机械爪80301及第二伸缩筒80302等部分可沿横梁组件80303长度方向进行移动，本申请中优选马达驱动平移齿轮啮合齿条的方式进行运动，因此第二伸缩筒80302的顶端设有马达安装座及轨道座，均采用焊接方式与第二伸缩筒80302的外部固定连接；轨道座可沿设置在横梁组件中的滑轨运动；所述第二伸缩筒80302内部设有与筒壁固定连接的第二伸缩油缸，且该第二伸缩油缸的活塞杆与机械爪80301固定连接，以使得所述机械爪80301能够沿第二伸缩筒80302上下方向运动；第二伸缩油缸与第二伸缩筒80302上部端盖固定连接，第二伸缩油缸的活塞杆通过第一销轴与机械爪80301固定连接，第二伸缩油缸的活塞杆作用时驱动机械爪80301上下运动。

(4)机械爪80301

所述机械爪80301上部为与第二伸缩筒80302固定连接的连接体80301a，下部设有第一夹爪80301d和第二夹爪80301c，内部设有第三夹紧油缸80301b，在第三夹紧油缸80301b的活塞杆缩回作用下，夹爪下部夹持段部分由两端同步向内收缩，夹紧钻杆；第三夹紧油缸80301b的活塞杆伸出，各部件反向运动，松开钻杆。具体的，所述第三夹紧油缸80301b的油缸筒通过第一销轴80301f与连接体80301a固连，第三夹紧油缸80301b的活塞杆与第一夹爪80301d设有的油缸连接孔通过第二销轴80301h铰接；第二夹爪80301c与第一夹爪80301d分别设有固定销轴连接孔，通过夹爪固定销轴80301e与连接体80301a铰接固连；所述第二夹爪80301c与第一夹爪80301d之间还设有传动杆80301i，并在所述第一夹爪80301d与第二夹爪80301c上均设有连接孔，且所述传动杆的两端通过传动杆销轴80301j配合该连接孔分别与所述第二夹爪80301c与第一夹爪80301d铰接，进而将所述第一夹爪80301d的运动传递至第二夹爪80301c，并且在所述第三夹紧油缸80301b的活塞杆缩回的作用下，第一夹爪80301d与第二夹爪80301c的下部夹持段部分由两端同步向内收缩，夹紧钻杆，第三夹紧油缸80301b的活塞杆伸出，各部件反向运动，松开钻杆；且第一夹爪80301d与第二夹爪80301c下半部分是内外表面均以圆弧为主的夹持段，夹持段的内侧圆弧与钻杆外表面相匹配。

具体的，所述机械爪80301中各零件的主要功能及结构特征如下。

(1)连接体80301a

用于油缸、夹爪等零件的固定安装，同时用于机械爪与第二伸缩筒或其他相关部件的连接。连接体80301a为基本对称的开放式厚壁腔体结构，顶部为手臂连接端，可以为各种连接结构，图示为优选的销轴加止口承插式连接方式，因此设有用于固定销轴安装的第一销轴孔和止口，以及用于固定第一销轴80301f的第二销轴孔。中间部分设有油缸安装腔和加强筋。下部为夹爪安装结构，设有用于安装夹爪固定销轴80301e的第三销轴孔和夹爪活动腔。

(2)第一夹爪80301d

第一夹爪80301d分为两部分，上半部分是呈“7”字形的连接段，设有油缸连接孔、传动杆连接孔、固定销轴连接孔，分别用于穿过第二销轴80301h、传动杆销轴80301j以及夹爪固定销轴80301e，从而分别形成与油缸活塞杆、传动杆80301i、连接体80301a之间的转动副；连接段自顶部平面向下设有贯穿的传动杆安装槽，用于安装传动杆80301i。下半部分是内外表面均以圆弧为主的夹持段，用于夹持钻杆。夹持段的内侧圆弧与钻杆外表面匹配，外侧形状根据钻杆存储装置构造和钻杆摆放形式设计。

(3)第二夹爪80301c

第二夹爪80301c分为两部分，上半部分是连接段，设有固定销轴连接孔、传动杆连接孔，分别用于穿过夹爪固定销轴80301e、传动杆销轴80301j，从而分别形成与连接体和传动杆之间的转动副；连接段自顶部平面向下设有贯穿的传动杆安装槽，用于安装传动杆80301i。下半部分是内外表面均以圆弧为主的夹持段，用于夹持钻杆。夹持段的内侧圆弧与钻杆外表面匹配，外侧形状根据钻杆存储装置构造和钻杆摆放形式设计。

(4)传动杆80301i

传动杆80301i整体为扁平的连杆，杆体上下两端各设有1个连接孔，用于传动杆销轴80301j的安装，从而形成与第二夹爪80301c、第一夹爪80301d的两个转动副。杆体的两端为圆弧形，以节省运动空间。

本实施例中的机械爪构件设置方法：

连接体80301a顶端与第二伸缩筒80302等上端部件连接，视为机械爪80301的固定机架。第三夹紧油缸80301b的缸筒与连接体80301a形成转动副R1，缸筒与活塞杆形成移动副T1，活塞杆与第一夹爪80301d形成转动副R2，第一夹爪80301d与连接体80301a形成转动副R3，第二夹爪80301c与连接体80301a形成转动副R4，传动杆80301i分别与第一夹爪80301d、第二夹爪80301c形成转动副R5和R6。当机械爪80301进行松开状态与夹紧状态切换时，各个构件和运动副的运动状态如图27中所示。

该机械爪机构为5连杆机构，具有唯一的自由度，因此，采用一个驱动件(第三夹紧油缸80301b)可使机构具有确定的运动，从而实现第一夹爪80301d和第二夹爪80301c的夹紧和松开。

构件和运动副的设置特征及作用如下：

(1)转动副R2和R5的中心点连线、R3和R4的中心点连线均与油缸2轴线垂直。

(2)传动杆80301i与油缸2轴线平行，且处于R3和R4中心点连线的中垂线上，且R6的中心点位于R3和R4中心点连线的下方。

机械爪的运动过程如下：

(1)假设第三夹紧油缸80301b的活塞杆全部伸出，夹爪完全松开为初始状态。

(2)第三夹紧油缸80301b的活塞杆缩回，活塞杆驱动第一夹爪80301d的连接段向上摆动特定角度β，第一夹爪80301d的夹持段向内摆动角度β，实现向内收缩。同时，受第一夹爪80301d摆动的反馈运动，活塞杆带动缸筒向右摆动一定的角度(约为1/3β)。

(3)第一夹爪80301d通过传动杆80301i同步将摆动传递给第二夹爪80301c，驱动第二夹爪80301c夹持段向上摆动角度β，第二夹爪80301c的夹持段向内摆动角度β，实现与第一夹爪80301d同步向内收缩，从而夹紧钻杆。

(4)需要机械爪松开时，第三夹紧油缸80301b伸出，各杆件反向运动。

通过上述技术方案，可以解决钻杆抓取机械手的单侧夹紧机械爪需要运动空间大，不利于机械爪结构布置的问题，以及抓取过程中容易造成钻杆偏移的问题。也可以解决现有双侧对夹的机械爪结构复杂，制造成本高、加工难度大的问题。

所述置杆槽804包括滑动板80401、第二夹紧油缸80402、钻杆槽座80403、钻杆槽80404以及钻杆挡板80405，所述钻杆槽座80403固定连接在钻杆箱801面向机架2的一侧，上部设有钻杆槽80404，内部设有油缸安装孔和滑轨；钻杆槽80404的上半部分内表面以圆弧为主，并与钻杆外径匹配；所述第二夹紧油缸80402的缸筒通过销轴与钻杆槽座80403的底部固定连接，且活塞杆与滑动板80401连接，所述滑动板80401通过设置在钻杆槽座80404的上滑轨与其滑动连接，从而通过第二夹紧油缸80402驱动滑动板80401沿钻杆槽座80404的长度方向滑轨移动，进而驱动与滑动板80401固连的钻杆挡板80405移动；所述置杆槽804为两个，且分别对应钻杆的两端，并且与机架2中夹持钻杆的位置对齐，从而便于放置钻杆，并且通过第二夹紧油缸80402配合连接在滑动板80401上的钻杆挡板80405能够对钻杆进行轴向限位，从而在一定程度上适应不同长度的钻杆，提升容错率。

上述钻杆存储系统的工作原理如下：

安装固定：钻杆箱801通过底座80102固定连接在履带车上，打开活动挡板80101，往钻杆箱801内装满钻杆，用插销将活动挡板80101与侧帮80104连接。

选箱原理：抓取机械手803在平移组件802的作用下，通过钻杆箱80103沿钻杆轴向方向移动而在两个钻杆箱直接切换，可抓取两个钻杆箱内的钻杆。

选列原理：抓取机械手803的机械爪80301可沿横梁80304移动而切换钻杆箱内的各列钻杆。

选层原理：抓取机械手的伸缩筒内的伸缩油缸驱动抓取机械手上下运动，用以抓取不同层数的钻杆。

置杆槽容错机制：当置杆槽804中没有钻杆时，其中的第二夹紧油缸80402应伸出，从而扩大沿钻杆长度方向的放置空间；当钻杆放入之后，其中的第二夹紧油缸80402应缩回，以便使钻杆与钻杆箱802或者机架2对齐，便于后续输送流程。

钻杆输送流程

(1)从钻杆箱至置杆槽

初始状态：假设钻杆箱801内装满钻杆(实际应用中也可以不装满)，抓取机械手803位于滑轨80103任意位置；在不与钻杆和钻杆箱干涉的前提下，第一伸缩筒80304和第二伸缩筒80302伸缩任意长度，即机械爪80301高度随机，且机械爪松开；

a1)选箱：根据控制系统6的控制，平移组件802驱动抓取机械手803沿滑轨80103，从任意一个钻杆箱开始抓取钻杆。本申请优选从左侧钻杆箱开始抓取钻杆；

a2)选列：一般地，设置从距离机架2最近的一列钻杆开始输送，由第二伸缩筒80302与横梁组件80303形成的齿轮齿条机构驱动机械爪沿横梁组件移动，从而实现在各列之间的切换；

a3)选层：第一伸缩筒80304和第二伸缩筒80302内的油缸根据控制系统5实时判断的钻杆存储情况，调节机械爪80301高度，使其适合抓取系统选定的钻杆。

a4)抓取：机械爪80301夹紧选定的待抓取钻杆；

a5)提升：第一伸缩筒80304内部油缸全部伸出，第二伸缩筒80302内部油缸全部缩回，使机械爪80301处于最高位置；

a6)对位：平移组件802驱动抓取机械手803沿滑轨80103移动至与机架2对齐位置。为提高效率，本申请的该位置与左侧钻杆箱的选箱位置相同，即置杆槽804所在位置。

a7)放杆：由第二伸缩筒80302与横梁组件80303的马达驱动的齿轮齿条驱动机械爪沿横梁组件移动至置杆槽804上方；同时，置杆槽的第二夹紧油缸80402伸出，扩大钻杆放置空间，第二伸缩筒80302内部油缸伸出，将钻杆放置于置杆槽内；同时，置杆槽的第二夹紧油缸80402缩回，使钻杆更加准确地与机架2对齐。然后，机械爪80301松开，第二伸缩筒80302内部油缸全部缩回，沿横梁组件80303和滑轨80103移动前往下一个待抓取的钻杆上方进行准备。

(2)从置杆槽置钻杆箱

初始状态：设主机械手4已将一根钻杆放回置杆槽804内，且置杆槽804夹紧。

b1)提升：第一伸缩筒80304内部油缸全部伸出，第二伸缩筒80302内部油缸全部缩回，使机械爪处于最高位置。

b2)对位：平移组件802驱动抓取机械手沿滑轨80103移动至与机架2对齐位置，机械爪80301沿横梁组件80303移动至置杆槽内的钻杆上方，机械爪松开，同时置杆槽的第二夹紧油缸80402伸出，置杆槽内空间扩大

b3)抓取：第二伸缩筒80302内部油缸伸出，直到机械爪与钻杆接触，机械爪夹紧，第二伸缩筒80302内部油缸全部缩回，伸缩筒Ⅰ80304内部油缸全部伸出，使机械爪和钻杆处于最高位置。

b4)选箱：机械爪携带钻杆沿滑轨80103移动，本申请优选首先向右侧钻杆箱放置钻杆。

b5)选列：机械爪携带钻杆沿横梁组件80303移动至钻杆箱内任意一列有空位的存储位置，本申请优选从距离机架2最远的列开始放置。

b6)放杆：第一伸缩筒80304的油缸缩回，配合第二伸缩筒80302内的油缸伸出，直到钻杆与钻杆箱底板或者已放置钻杆接触，机械爪松开，放回钻杆，第二伸缩筒80302内部油缸全部缩回，第一伸缩筒80304的油缸全部伸出，为输送下一根钻杆做准备。

以下为具体的抓取钻杆过程和放回钻杆过程，抓取钻杆过程：

钻杆箱体801通过底座80102固定连接在移动平台1上，打开活动挡板80101，往钻杆箱801内装满钻杆，待装完钻杆后，用插销将活动挡板80101与侧帮80104连接；抓取机械手803在平移组件802的作用下，通过钻杆箱801的滑轨80103沿钻杆轴向方向移动，用以抓取左右两钻杆箱801内的钻杆，机械爪80301可沿横梁组件80303移动，用以抓取各列之间的钻杆；平移组件802可通过两级行走油缸增大抓取机械手803的平移距离。

当抓取机械手803需抓取右侧钻杆箱中的钻杆时，第一行走油缸80205和第二行走油缸80203全部缩回，此时抓取机械手803所处位置为右侧钻杆箱中间，通过控制抓取机械手803中伸缩筒中的伸缩油缸驱动机械爪80301上下运动，用以抓取不同层数的钻杆；机械爪80301与第二伸缩筒80302部分可沿横梁滑轨(齿条)进行移动，本申请中采用马达驱动齿轮与齿条啮合的方式，用以抓取不同列中的钻杆；机械爪80301完全松开时机械爪80301中的夹紧油缸全部伸出，当需要夹紧钻杆时，机械爪80301中夹紧油缸的活塞杆缩回，活塞杆驱动第一夹爪80301d绕固定销轴转动，其夹爪夹持段向内摆动收缩，第一夹爪80301d通过传动杆同步将摆动传递给第二夹爪80301c，驱动左夹爪夹持段向内摆动收缩，实现左右卡爪同步向内收缩夹紧钻杆；待机械爪80301运动将钻杆放至转运装置的钻杆槽80404后，机械爪80301中的夹紧油缸伸出，机械爪80301松开钻杆；在所述置杆槽804中的第二夹紧油缸80402的作用下，由钻杆挡板80405两侧向中间调整钻杆的位置同时夹紧钻杆，待其他机构(主机械手4)将钻杆抓至机架2上，即完成钻杆的续加。

当抓取机械手803需抓取左侧钻杆箱中的钻杆时，第一行走油缸80205完全伸出，第二行走油缸80203通过控制活塞杆运动行程，进而达到抓取机械手803抓取钻杆最适位置。

放回钻杆过程：

放回钻杆时，置杆槽804中的第二夹紧油缸80402伸出，然后由其它机构(主机械手4)将钻杆送回至置杆槽804，放置钻杆的轴向空间增大，增加了容错率；机械爪80301运动至置杆槽804上抓取钻杆前，置杆槽804中的第二夹紧油缸80402夹紧一次，然后松开，用于校准钻杆与钻杆箱801的相对位置；后续机械爪80301在机械爪80301中夹紧油缸作用下抓住钻杆，机械爪80301沿横梁组件80303移动，通过电控程序选择钻杆箱801中空余的钻杆位置，通过行走油缸准确定位，将钻杆放回钻杆箱801中。

重点参阅图29～图39，所述主机械手4包括第一油缸座401、俯仰油缸402、回转驱动器403、俯仰臂404、回转轴405、转臂406、手爪407以及压杆408；所述第一油缸座401底部通过螺栓与钻机移动平台连接且位于所述钻杆箱801和机架2之间，上部设有U型通槽以及圆形通孔，通过销轴与俯仰油缸402连接，从而将俯仰油缸402的一端固定转动连接在移动平台1上。

所述俯仰油缸402为双头组合式油缸，其包括缸筒40203以及位于缸筒两端的活塞杆I40201和活塞杆II40202，且所述俯仰油缸402的轴线所在竖直平面平行于所述机架4的轴线所在竖直平面，所述俯仰油缸402一端的活塞杆II40202通过销轴与第一油缸座401铰接，所述俯仰油缸402另一端的活塞杆I40201通过销轴与俯仰臂404铰接。

所述俯仰臂404是主机械手4的主要支撑构件，承载主机械手4的其他零件并与机架2连接，其包括连接套40401、增量传感器安装板40402、支撑体40403、第三端盖40404、轴座40405、第二油缸座40406、密封盖40407以及转动筒40408，所述转动筒40408主体为多级台阶的圆筒，其两端均有法兰，分别用于安装密封盖40407和连接所述机架2中的机架连接座207，且所述转动筒40408靠近机架2一侧设有角度标识板安装段，其外径与角度标识板902内径匹配，将角度标识板902活动套装在其上，并使得所述角度标识板902随机架2转动；

所述连接套40401为圆筒结构，其套设在所述转动筒40408上并与转动筒40408转动连接，并在所述靠近角度标识板902的一侧设有增量传感器安装板40402，以用于安装增量传感器903，且所述增量传感器安装板40402位于所述连接套40401的中心水平线上，以使得所述增量传感器903在主机械手4的初始位置时为0°，所述密封盖40407通过所述转动筒40408的法兰固定连接在所述转动筒40408上，可有效防止水、煤渣等进入连接套40401内部；

所述支撑体40403的一端固定连接所述连接套40401，另一端连接轴座40405，并在所述支撑体40403靠近第一油缸座401的一侧的中部设有第二油缸座40406，以连接俯仰油缸402；

所述轴座40405的右侧设有回转驱动器403的安装法兰，左侧设有第三端盖40404的安装法兰，以分别连接回转驱动器403和第三端盖40404，其内腔开设安装孔，用于安装回转轴405，第三端盖40404固定安装在轴座40405上后，可对回转轴405轴向限位，且回转轴405的一端与所述回转驱动器403的输出轴周向固定连接，另一端连接转臂406，转臂406连接手爪407。

当所述活塞杆I 40201全部缩回，活塞杆II40202全部伸出，主机械手4(转臂406)处于水平位置，即主机械手4上平面的倾角为0°，也就是主机械手4的初始位置，此时所述增量传感器903的角度也为0°；活塞杆II 40202缩回，主机械手4上扬，倾角增大；当主机械手4处于水平位置时，活塞杆II 40202全部伸出，继续伸出活塞杆I 40201，主机械手4下摆形成负倾角。

所述回转驱动器403用于给主机械手4提供回转动力，运动通过回转轴405和转臂406传递给手爪407，使手爪407可转向或远离动力头5，回转驱动器403可以是任何可实现回转运动的机构，本申请优选液压马达或者摆动油缸。

所述回转轴405基本结构为圆柱形轴类，其左端设有法兰与转臂406匹配连接，右端设有与回转驱动器403匹配的连接结构，如花键、平键等，以形成周向固定连接。所述转臂406为长杆状零件，用于连接回转轴405和手爪407。优选为空心圆管状，以便于加工和控制重量。

所述手爪407是夹持钻杆的执行机构，具有平移和夹紧两个运动自由度。所述手爪407包括移动爪体40701、夹爪40702、第一夹紧油缸40703、固定座40704、移动油缸40705以及连接法兰40706，所述固定座40704由横截面近似U形的底板和对称设置在底板一面的两个侧板组成，所述底板和两个侧板形成内凹腔体，用于放置移动油缸40705。在底板的另一面，对称设有一对第一滑轨。所述连接法兰40706为两个，分别固定于所述固定座40704具有侧板的两侧，分别与转臂406和压杆408连接，所述移动爪体40701顶部为固定爪，与夹爪40702配合实现钻杆夹持和固定，且固定爪与夹爪40702通过销轴铰接。所述移动爪体40701的底部设有连接移动油缸40705的第三油缸座，用于安装移动油缸40705的活塞杆，其内部空腔用于放置第一夹紧油缸40703，所述移动爪体40701空腔的两侧板设有第二滑轨，与固定座40704的第一滑轨配合形成移动副，使得在所述移动爪体40701在移动油缸40705的驱动下实现往复滑动。所述移动油缸40705的活塞杆伸出，移动爪体40701向图29中的下方移动；反之，移动油缸40705的活塞杆缩回移动爪体40701向上方移动。而且，当移动油缸40705的活塞杆完全缩回使移动爪体40701移动至最高点时，转臂406回转中心线到移动爪体40701夹持中心线的距离等于转臂406回转中心线到机架2上(也是动力头和夹持器之间位置)钻杆中心线的距离，从而使得所述移动爪体40701能够将钻杆从初始位置转运至动力头5与夹持器3之间的钻进中心线。

具体的，所述移动油缸40705的活塞杆通过销轴与移动爪体40701连接，缸筒通过两侧对称的销轴与固定座40704铰接，因此移动油缸40705伸缩驱动移动爪体40701移动的同时，自身具有转动自由度，可以避免出现滑动轨道卡死现象。夹爪40702在钻杆夹持面的背面设有连接第一夹紧油缸40703的第四油缸座，并与第一夹紧油缸40703的活塞杆通过销轴铰接，所述第一夹紧油缸40703的缸筒通过销轴与移动爪体40701铰接。

通常，所述夹爪40702设置在所述手爪407上靠近机架2的一侧，以避免在手爪407输送或取回钻杆的翻转过程中与钻杆发生运动干涉。

所述压杆408的一端为法兰盘，与手爪407连接，另一端为圆杆，用于下压等角传感器901的压块，使其发出信号。

所述机械手定位系统9包括等角传感器901、压杆408、增量传感器903以及角度标识板902，所述等角传感器901的功能是判断主机械手4是否到达与机架2相同的倾角，其包括接近传感器90101、压板90102、压板座90103、弹簧组90104、支撑座90105、滑动杆90106、滑动座90107、安装架90108、滑动油缸90109以及滑动油缸座90110，所述安装架90108的下部设有法兰，以将等角传感器901安装在机架2上，上部为杆件，用于连接并支撑滑动座90107，所述滑动油缸90109通过销轴分别与安装架90108和固连于滑动杆90106上的滑动油缸座90110铰接，所述滑动杆90106与滑动座90107配合形成移动副，即所述滑动杆90106内设于所述滑动座90107中并滑动连接，并在滑动油缸90109的驱动下运动，从而将安装在其上的其余零件向主机械手4的手爪407方向伸出或者缩回，所述支撑座90105的下部固定连接在滑动杆90106上，且其上设有铰接孔，通过销轴将压板座90103安装在其上并形成铰接，并在所述支撑座90105靠近手爪407的一端设有接近传感器90101，所述压板座90103为中空壳体，其面向接近传感器90101的一侧有向下延伸的侧板，与接近传感器90101配对形成信号感应组，当压板座90103的侧板进入接近传感器90101感应范围时，传感器输出信号；在所述压板座90103与支撑座90105之间设有弹簧组90104，所述弹簧组90104用于支撑压板座90103，自然状态下将压板座90103抬起，避免压板座90103的侧板与接近传感器90101接通，所述弹簧组90104可以是一根或者多根弹簧，也可以在其外部或内部增加支撑结构，在另外的实施例中也可以设为其他的弹性件，所述压板90102为翻倒放置的L形折弯板件，上段用于与压杆408接触，下段用于与压板座90103固定连接。

上述等角传感器901的工作原理如下：

自然状态时，压板座90103和压板90102在弹簧组90104的作用下向上抬起，压板座90103中向下延伸的侧板不在接近传感器90101的感应范围内，接近传感器90101信号断开；当主机械手4向下运动并接近机架2相同倾角位置时，其前端的压杆408与压板90102接触，并将压板90102和压板座90103下压，当压板座90103中向下延伸的侧板到达接近传感器90101可以感应的位置，接近传感器90101的信号接通。

所述角度标识板902为具有局部扇形凸起的圆环，该圆环具有板体90201和凸起的扇形块90203，所述扇形块90203上设有拨动槽90202，所述机架2面向主机械手4一侧固定有一个拨杆，该拨杆插入所述拨动槽90202中，以使得当机架2倾角变化时，保持角度标识板902与机架2变化同样的角度；该圆环的内孔与主机械手4中俯仰臂404的转动筒40408面向机架2一侧的角度标识板安装段外径匹配，使角度标识板902活动套装在转动筒40408上。

所述扇形块90203与增量传感器903配对形成信号感应组，当机架2倾角为0°时，扇形块90203的下边线处于水平线上一个大小为θ的角度，而主机械手4的初始角度(即主机械手4上平面的倾角，也就是转臂106的中心线)为0°，也就是增量传感器903位置的初始角度为0°，即增量传感器903的初始倾角至少比扇形块90203下边线小θ，此时信号未接通。因此，主机械手4倾角增大时，增量传感器903向上运动到扇形块90203覆盖面积内时才能接通信号，表示主机械手4处于适合输送钻杆的倾角。

所述等角传感器901与压杆408配合形成的压板座90103的侧板与接近传感器90101配对的信号感应组和所述扇形块90203与增量传感器903配对的信号感应组相互配合形成了定位系统，从而实现了机械手进行钻杆输送过程中的定位，定位系统简单、可靠。两个信号感应组的关系在于，当所述增量传感器903位置的初始角度为0°时，即在主机械手4处于水平位置(也就是初始位置时)，若机架2中的机架体也处于水平位置，且所述滑动杆90106在滑动油缸90109的驱动下运动，将安装在其上的其余零件(支撑座90105和压板座204)向主机械手4的手爪407方向伸出的情况下，所述压杆408能够与压板90102接触，即所述压杆所在竖直高度能够将压板下压，并将压板90102和压板座90103下压，且压板座90103中向下延伸的侧板到达接近传感器90101可以感应的位置，接近传感器90101的信号接通，进而在钻杆输送流程实现其相互配合进行定位的作用。需要说明的是本段中压杆与等角传感器的位置关系仅用于标表述其在竖直方向上的关系，以表明所述等角传感器901与压杆408配合形成的压板座90103的侧板与接近传感器90101配对的信号感应组和所述扇形块90203与增量传感器903配对的信号感应组的配合关系，而不作为其横向上的位置限定，其横向关系可由滑动油缸90109根据需要进行调整，以避免运动干涉。

上述的一种用于定向钻机的钻杆输送机械手的钻杆输送流程如下：

设机架2的钻进倾角为α，α大于0°为上扬倾角，α小于0°为下压倾角；

向机架2输送钻杆：

s1)机械手初始状态：俯仰油缸402的活塞杆II 40202全部伸出，所述活塞杆I40201全部缩回，使主机械手4的倾角为0°，即转臂106处于水平位置，此时角度标识板902未与增量传感器903接通，手爪407处于竖直位置且夹爪40702、移动爪体40701的固定爪开口向上，夹爪40702在第一夹紧油缸40703缩回的作用下张开，移动油缸40705活塞杆全部伸出，移动爪体40701和夹爪40702处于最低位置，且正对待输送的钻杆的初始位置，然后通过钻机配套的其他输送装置(抓取机械手803)将钻杆从钻杆箱801取出后，将钻杆前后两端分别置于两个置杆槽804的钻杆槽80404中，此时手爪407的钻杆夹持中心恰好与待输送的钻杆中心重合，同时，滑动油缸90109全部缩回，使接近传感器90101和压板90102等缩回，避免与主机械手4的压杆408干涉；

在另外的实施例中，所述钻杆也可直接通过工人将钻杆放置在初始位置或移动爪体40701的夹持中心线，从而满足所述主机械手4从初始位置拿取和放回钻杆的需求；

s2)夹紧钻杆：第一夹紧油缸40703伸出，使得夹爪40702配合固定爪夹紧钻杆；

s3)手爪伸出：移动油缸40705活塞杆缩回，驱动移动爪体40701和夹爪40702向上运动，达到最高位置；

s4)上扬：俯仰油缸402的活塞杆II 40202缩回，俯仰臂404带动回转轴405和转臂406倾角增大，当主机械手4上扬倾角达到(α+θ)时，增量传感器903进入角度标识板902的覆盖范围，增量传感器903接通并发出信号，表示主机械手4已处于适合输送钻杆的倾角，停止上扬；同时，滑动油缸90109伸出，使压板90102位于可以被压杆408接触下压的位置；

在实际施工过程中，由于机架2的钻进倾角需要根据施工需要进行具体设置，若α为负值，且绝对值大于θ时，则增量传感器903会直接进入角度标识板902的覆盖范围，增量传感器903接通并发出信号，此时无需进行上扬，此时按照已上扬至增量传感器903接通并发出信号的情况，对应调整步骤即可；

s5)下压：俯仰油缸402的活塞杆II 40202伸出，机械手俯仰臂404带动回转轴405和转臂406下压，倾角减小，当主机械手4倾角达到α时(即与机架1的钻进倾角相同)，压杆408使压板座90103中的侧板进入接近传感器90101的感应范围，接近传感器90101接通并输出信号，停止下压，同时，由于主机械手4倾角减小了θ，增量传感器903脱离角度标识板902覆盖范围，信号断开；

在实际施工过程中，由于机架2的钻进倾角需要根据施工需要进行具体设置，若出现活塞杆II 40202全部伸出后，增量传感器903仍未脱离角度标识板902覆盖范围，可继续伸出活塞杆I 40201，以进一步减小主机械手4的倾角，直至压杆408下压所述压板90102使压板座90103中的侧板进入接近传感器90101的感应范围，接近传感器90101接通并输出信号，然后停止下压；

s6)翻转：回转驱动器403通过回转轴405和转臂406驱动手爪407向机架2方向翻转，优选为逆时针方向旋转90°，钻杆被输送进入机架2上的动力头5和夹持器3之间的钻进中心线；

s7)手爪松开：待所述夹持器3或动力头5夹紧钻杆后，夹爪40702松开，钻杆输送完成；

s8)翻转复原：回转驱动器403驱动手爪407向远离机架2方向翻转，优选为顺时针方向旋转90°，手爪407离开机架2，同时，滑动油缸90109缩回，使压板90102缩回，避免与压杆408发生接触干涉；

在另外的实施例中，可根据需要先将移动油缸40705活塞杆全部伸出，移动爪体40701和夹爪40702处于远离机架2的位置，以避免发生运动干涉；

s9)倾角归零：所述俯仰油缸的活塞杆I全部缩回，活塞杆II全部伸出，使主机械手4的倾角回到0°。

s10)手爪缩回：移动油缸40705活塞杆全部伸出，使移动爪体40701和夹爪40702回到最低位置，主机械手4恢复至初始状态。

从机架中取出钻杆：

q1)初始状态：同步骤s1，区别在于，初始位置处不放入钻杆；

q2)手爪伸出：同步骤s3；

q3)上扬：同步骤s4；

q4)下压：同步骤s5；

q5)翻转：同步骤s6，区别在于，此处为空手爪翻转进入，并刚好与钻杆接触；

q6)夹紧抓杆：第一夹紧油缸40703伸出，夹爪40702夹紧钻杆；

q7)翻转复原：同步骤s8。

q8)倾角归零：同步骤s9。

q9)手爪缩回：同步骤s10，手爪缩回至最低位置时，钻杆便回到初始位置。

q10)手爪松开：第一夹紧油缸40703缩回，夹爪40702松开，主机械手4恢复至初始状态。其他装置或工人可以取走钻杆或放置在该位置。

该自动化定向钻机的工作流程如下：

1、自动定向钻进

(1)钻进工况(以钻进过程中任意一根钻杆为例)

dz0)初始状态

假设设计钻孔倾角为α(以钻孔倾角α为上扬倾角为例)，且机架体203已调节至该倾角，钻头、孔底马达、轨迹测量探管等钻具准备就绪，动力头5上安装有主动钻杆506、连接轴507、六方孔连接套508以及水辫504，动力头位于机架2最后端(即推进位移为0)，且主动钻杆506上未连接钻杆，角度调节器503处于锁定状态，夹持器3前半部夹紧孔内已有钻杆，后半部松开，钻杆箱801装满(或满足钻孔深度需求数量)钻杆，所述抓取机械手803位于不与钻杆和钻机其他部件发生干涉的任意位置，第一伸缩筒80304内部油缸全部伸出，第二伸缩筒80302内部油缸全部缩回，使机械爪80301处于最高位置，且机械爪松开，置杆槽804内无钻杆，且第二夹紧油缸80402松开，以扩大钻杆放置空间，主机械手4倾角为0°，手爪407处于竖直位置且夹爪40702、移动爪体40701开口向上且正对初始位置(即置杆槽804)，夹爪40702在第一夹紧油缸40703缩回的作用下张开，移动油缸40705活塞杆全部伸出，移动爪体40701和夹爪40702处于最低位置，手爪407的钻杆夹持中心恰好与置杆槽804的钻杆放置中心重合，等角传感器901的滑动油缸90109全部缩回，使接近传感器90101和压板90102等缩回，避免与主机械手4的压杆408发生运动干涉，如果定向钻机未处于上述初始状态，通电并启动自动钻进功能后将自动运行恢复至上述状态。

dz01)第一级输送钻杆(钻杆存储系统)

dz01-1)选箱：根据控制系统6的设置，平移组件802驱动抓取机械手803沿滑轨80103，从任意一个钻杆箱801开始抓取钻杆；本申请优选从左侧钻杆箱开始抓取钻杆；

dz01-2)选列：由第二伸缩筒80302与横梁组件80303形成的齿轮齿条驱动机械爪80301沿横梁组件移动，从而实现在各列之间的切换。本申请优选从距离机架最近的一列钻杆开始输送；

dz01-3)选层：第一伸缩筒80304和第二伸缩筒80302内的油缸根据钻杆存储情况，调节机械爪高度，使其适合抓取系统选定的钻杆；

dz01-4)抓取：机械爪80301夹紧选定的待抓取钻杆；

dz01-5)提升：第一伸缩筒80304内部油缸全部伸出，第二伸缩筒80302内部油缸全部缩回，使机械爪处于最高位置；

dz01-6)对位：平移组件802驱动抓取机械手沿滑轨80103移动至与机架2对齐位置(即两个置杆槽804中间位置)，为提高效率，本申请中的该位置与左侧钻杆箱的选箱位置相同。

dz01-7)送杆：由第二伸缩筒80302与横梁组件80303形成的齿轮齿条驱动机械爪80301沿横梁组件移动至置杆槽804上方，第一伸缩筒80304和第二伸缩筒80302的内部油缸组合运动调节机械爪高度，将钻杆放置于置杆槽804内；同时，置杆槽的第二夹紧油缸80402缩回，使钻杆更加准确地与机架2对齐，机械爪松开，第一伸缩筒80304内部油缸全部伸出，第二伸缩筒80302内部油缸全部缩回，沿横梁组件80303和滑轨80103移动前往下一个待抓取的钻杆上方进行准备；

dz02)第二级输送钻杆(主机械手4)

dz02-1)夹紧钻杆：第一夹紧油缸40703伸出，夹爪40702夹紧置杆槽804内的钻杆，同时，置杆槽的第二夹紧油缸80402伸出，扩大钻杆放置空间；(既便于取出当前钻杆，又为后续钻杆放入做好准备)

dz02-2)手爪伸出：移动油缸40705的活塞杆缩回，驱动移动爪体40701和夹爪40702向上运动，达到最高位置。

dz02-3)上扬：俯仰油缸402的活塞杆II 40202缩回，主机械手的上扬倾角增大，当主机械手上扬倾角达到(α+θ)时，增量传感器903进入角度标识板902的覆盖范围，增量传感器903接通并发出信号，表示主机械手4已处于适合输送钻杆的倾角，停止上扬，同时，等角传感器901的滑动油缸90109伸出，使压板90102位于可以被压杆408接触下压的横向位置；

dz02-4)下压：俯仰油缸402的活塞杆II 40202伸出，主机械手4的倾角减小，当主机械手倾角达到α时(即与机架体203的倾角相同时)，压杆408使等角传感器的压板座90103的侧板进入接近传感器90101的感应范围，等角传感器接通并输出信号，主机械手4停止下压，同时，由于主机械手倾角又减小了θ，增量传感器903脱离角度标识板902覆盖范围，增量传感器903的信号断开；

dz02-5)翻转：回转驱动器403驱动手爪向机架2的方向翻转，优选方案为如图1所示的逆时针方向旋转90°，钻杆被输送进入机架体203上的动力头5和夹持器3的后半部之间；

dz02-6)手爪松开：夹持器3后半部夹紧钻杆，夹爪40702松开，钻杆输送完成；

dz02-7)翻转复原：回转驱动器403驱动手爪407向远离机架方向翻转，优选方案为如图1所示的顺时针方向旋转90°，同时，等角传感器901的滑动油缸90109缩回，使压板90102等缩回，避免与压杆408接触干涉；

dz02-8)倾角归零：俯仰油缸402的活塞杆II 40202全部伸出，且活塞杆I40201保持全部缩回的状态，使主机械手倾角回到0°；

dz02-9)手爪缩回：移动油缸40705的活塞杆全部伸出，使移动爪体40701和夹爪40702回到最低位置，主机械手恢复至初始状态。

dz03)钻进

dz03-1)角度调节器解锁：接通液压系统7向角度调节器503中密封腔Y的油路，液压力驱动所述驱动活塞50302朝向移动齿盘的方向移动，并推动传动活塞50304和移动齿盘50306，使得所述移动齿盘50306与固定齿盘50305分离，从而将所述角度调节器503切换至解锁工况；

dz03-2)后端接扣：动力头5的主马达501正向旋转，驱动主动钻杆506旋转，同时动力头在机架2中的推进油缸204的驱动下前进，主动钻杆506与步骤dz02输送的钻杆后端完成接扣；

dz03-3)前端接扣：夹持器3后半部松开，主动钻杆和上一步完成后端接扣的钻杆继续在主马达和推进油缸的驱动下旋转前进，钻杆前端接头与孔内的最后一根钻杆(此钻杆被夹持器前半部夹紧)完成接扣，然后夹持器前半部松开；

dz03-4)角度调节器锁定：停止向角度调节器503的密封腔Y供油，移动齿盘50306在弹簧50309的作用下与固定齿盘50305啮合，角度调节器切换至锁定工况。

dz03-5)工具面角调节：回转减速器50303驱动传动轴50301慢速转动，并通过马达驱动轴50201传递给变速器502，在通过动力头主轴将旋转运动传递给钻杆，最终传递给孔内的孔底马达，实现工具面角的准确调节；

dz03-6)自动钻进：回转减速器50303停止驱动，使用外置介质泵车(如水泵车)通过水辫504向孔底马达通入打钻介质，以驱动孔底马达带动钻头旋转，推进油缸204驱动动力头5以及与主动钻杆506连接的全部钻杆、孔底马达前进，实现滑动定向钻进。

dz03-7)动力头复位：将当前钻杆全部钻入孔内后，夹持器的前半部夹紧当前钻杆，角度调节器503切换至解锁工况，主马达501反向旋转，驱动主动钻杆506反转，脱开与钻杆后端螺纹接头的连接，推进油缸204驱动动力头回到机架2的最后端。

至此，夹持器3、主机械手4、动力头5、钻杆存储系统8以及等角传感器901全部恢复至dz0)初始状态，继续按照步骤dz01)～dz03)钻进，直到完成设定的轨迹和深度。

(2)退钻工况

tz0)初始状态

假设设计钻孔倾角为α，钻机已完成当前钻孔施工。

动力头位于机架2最前端(即推进位移已为满行程)，且主动钻杆506与孔内外露的最后一根钻杆(称为“末端钻杆”)连接，角度调节器503处于锁定状态；

夹持器3前半部、后半部均松开；

钻杆箱801有足够的钻杆回收空间；

抓取机械手803位于不与钻杆和钻机其他部件发生干涉的任意位置，第一伸缩筒80304内部油缸全部伸出，第二伸缩筒80302内部油缸全部缩回，使机械爪80301处于最高位置，且机械爪松开；

置杆槽804内无钻杆，第二夹紧油缸80402松开，扩大钻杆放置空间；

主机械手4倾角为0°，手爪407处于竖直位置且夹爪40702、移动爪体40701开口向正上方，夹爪40702在第一夹紧油缸40703缩回的作用下张开；移动油缸40705活塞杆全部伸出，移动爪体40701和夹爪40702处于最低位置，手爪407的钻杆夹持中心恰好与置杆槽804的钻杆放置中心重合；等角传感器901的滑动油缸90109全部缩回，使接近传感器90101和压板90102等缩回，避免与主机械手的压杆408干涉；

如果钻机未处于上述初始状态，通电并启动自动退钻功能后将自动运行恢复至上述状态。

tz01)退钻

tz01-1)滑动退杆：推进油缸204驱动动力头5以及与主动钻杆506连接的全部钻杆、孔底马达后退，直到末端钻杆全部退出孔外(动力头预留拆卸螺纹所需位移)；

tz01-2)角度调节器解锁：接通液压系统向角度调节器503的密封腔Y的油路，液压力驱动所述驱动活塞50302并推动传动活塞50304和移动齿盘50306与固定齿盘50305分离，角度调节器切换至解锁工况。

tz01-3)前端卸扣：夹持器3后半部夹紧末端钻杆，前半部夹紧末端钻杆之前的一根钻杆，前后半部相对转动，预拧松两根钻杆之间的螺纹连接，后半部松开，动力头5的主马达501反向旋转，驱动主动钻杆506反向旋转，同时动力头在机架2的推进油缸204的驱动下后退，末端钻杆与其前一根钻杆的连接松开；

tz01-4)后端卸扣：夹持器3后半部夹紧末端钻杆，主动钻杆506在主马达501的驱动下继续反转，并在推进油缸204驱动下后退，末端钻杆与主动钻杆的连接松开；

tz02)退钻第二级送杆(主机械手)

tz02-1)手爪伸出：同步骤dz02-2)；

tz02-2)上扬：同步骤dz02-3)；

tz02-3)下压：同步骤dz02-4)；

tz02-4)翻转：同步骤dz02-5)，区别在于，此处为空手爪翻转进入，并刚好与钻杆接触。

tz02-5)夹紧抓杆：第一夹紧油缸40703伸出，夹爪40702夹紧钻杆。同时，夹持器3后半部松开；

tz02-6)翻转复原：同步骤dz02-7)；

tz02-7)倾角归零：同步骤dz02-8)；

tz02-8)手爪缩回：同步骤dz02-9)，手爪缩回至最低位置时，钻杆进入置杆槽804中。同时，置杆槽的第二夹紧油缸80402缩回，将钻杆与钻杆箱位置对齐；

tz02-9)手爪松开：夹爪40702松开，主机械手恢复至初始状态；

tz03)退钻第一级送杆(钻杆存储系统)

tz03-1)对位：平移组件802驱动抓取机械手803沿滑轨80103移动至与两个置杆槽804中间位置对齐的位置。为提高效率，本申请的该位置与左侧钻杆箱的选箱位置相同，也与主机械手4向机架2送入钻杆的位置相同；

tz03-2)取杆：由第二伸缩筒80302与横梁组件80303形成的齿轮齿条驱动所述机械爪80301沿横梁组件移动至置杆槽804上方，第一伸缩筒80304和第二伸缩筒80302的内部油缸组合运动调节机械爪高度，使机械爪与置杆槽内的钻杆接触，且夹持中心与钻杆中心重合，机械爪夹紧钻杆，同时，置杆槽的第二夹紧油缸80402伸出，使扩大钻杆放置空间，便于钻杆取出；

tz03-3)提升：第二伸缩筒80302内部油缸全部缩回，第一伸缩筒80304内部油缸全部伸出，将机械爪和钻杆提升至高位；

tz03-4)选箱：根据控制系统设置，平移组件802驱动抓取机械手沿滑轨80103，向任意一个钻杆箱放回钻杆。本申请优选首先向右侧钻杆箱放回钻杆；

tz03-5)选列：由第二伸缩筒80302与横梁组件80303形成的齿轮齿条驱动机械爪80301沿横梁组件移动，从而实现在各列之间的切换。本申请优选首先向距离机架最远的一列放回钻杆；

tz03-6)选层：第一伸缩筒80304和第二伸缩筒80302内的油缸根据控制系统实时判断的钻杆存储情况，调节机械爪的高度，向指定列中可放置钻杆的最低位置开始放回钻杆；

tz03-7)放杆：机械爪80301松开，第一伸缩筒80304内部油缸全部伸出、第二伸缩筒80302内部油缸全部缩回，使机械手回到高位；

tz04)动力头、夹持器复位：推进油缸204驱动动力头回到机架2的前端，主马达501正向旋转，驱动主动钻杆506正转，与当前末端钻杆连接。夹持器前半部松开；

至此，夹持器3、主机械手4、动力头5、钻杆存储系统8、等角传感器901等全部恢复至tz0)初始状态，继续按照步骤tz01)～tz04)退钻，直到全部钻杆从孔内退出。

补充：钻进工况的3个步骤dz01～dz03，分别描述了钻进过程的钻进系统(动力头、机架、夹持器)、主机械手和钻杆存储系统的工作流程，根据各个流程的耗时长度以及机构运行的空间关系，各流程可以选择串行、并行等执行方式，以节省钻进流程整体时间，提高效率。同理，退钻工况的4个步骤tz01～tz04也可以选择串行、并行等执行方式，以节省退钻流程整体时间，提高效率。

2、自动回转钻进

回转钻进时，无需孔底马达，仅需将钻头安装在最前端的钻杆上即可。

钻杆输送过程与自动定向钻进完全一致，钻进与退钻过程与自动定向钻进类似，其区别特征在于：

(1)角度调节器503始终处于解锁状态。

(2)钻进过程中(dz03)，无“dz03-5)工具面角调节”步骤，且钻进步骤(dz03-6)中，动力头和钻杆旋转动力头始终由主马达501提供。

3、自动复合钻进

自动复合钻进钻具与自动定向钻进相同，钻杆输送过程与自动定向钻进完全一致；钻进与退钻过程与自动定向钻进类似，其区别特征在于：

(1)角度调节器503始终处于解锁状态。

(2)钻进过程中(dz03)，既使用外置介质泵车(如水泵车)通过水辫504向孔底马达通入打钻介质，以驱动孔底马达带动钻头旋转，又使用主马达501驱动动力头和钻杆旋转。

4、打捞钻杆

钻进过程中，若出现钻杆断裂等意外导致钻杆无法取出，则需使用专用打捞钻具进行打捞钻进，在进行打捞钻杆的工序前，先拆除主动钻杆506、连接轴507以及水辫504等，后续钻进、退钻、钻杆输送操作与自动回转钻进相同，其区别在于：动力头使用卡盘直接连接钻杆，而非通过主动钻杆连接钻杆。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型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，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种煤矿井下自动化定向钻机，包括移动平台、机架、夹持器、主机械手、动力头、钻杆存储系统以及控制系统和液压系统，所述机架、钻杆存储系统、控制系统、液压系统以及主机械手均安装在移动平台上，所述夹持器和动力头分别安装在所述机架的两端，所述动力头包括主马达、变速器以及主轴，变速器具有驱动轴，所述驱动轴的一端连接主马达，且所述驱动轴通过变速器中的齿轮与主轴实现啮合传动，其特征在于：所述驱动轴的另一端通过变速器连接有角度调节器；

所述角度调节器包括传动轴、驱动活塞、固定齿盘、移动齿盘、角度调节器端盖、回转座、调节器连接座以及具有自锁功能的回转减速器，所述传动轴的一端与所述驱动轴周向固定连接，另一端通过套设在传动轴上的轴承转动连接于所述角度调节器端盖内，并在所述角度调节器端盖远离所述驱动轴的一端设有轴承压盖，所述驱动活塞、固定齿盘和移动齿盘均套设在所述传动轴上，且所述驱动活塞位于所述传动轴靠近驱动轴的一端，所述驱动活塞远离驱动轴的一端与所述移动齿盘相接，所述固定齿盘与传动轴之间为周向固定连接，且所述固定齿盘位于所述驱动活塞与移动齿盘之间；

所述移动齿盘为具有中心通孔的盘状零件，且该中心通孔为阶梯通孔，且所述阶梯通孔朝向角度调节器端盖一侧为大直径通孔，所述移动齿盘通过该大直径通孔套设在所述角度调节器端盖上并滑动连接，所述移动齿盘面向所述驱动活塞的端面设有沿圆周分布的第一斜齿，且所述固定齿盘上设有与第一斜齿相啮合的第二斜齿，并在所述大直径通孔的内端面与该内端面相对的角度调节器端盖的端面之间设置有弹簧，以使得所述第一斜齿和第二斜齿在弹簧的推力下相啮合；

所述移动齿盘的外圆面设有均匀分布的凸台，所述回转座套设在所述移动齿盘上，并设有所述凸台相匹配的凹槽，以与所移动齿盘周向固定相连，且所述回转座的一端设有固定连接所述回转减速器的输出盘的回转减速器连接盘，以将所述回转减速器中输出盘的转动传递至移动齿盘；

所述调节器连接座套设在所述驱动活塞上，所述调节器连接座的外圆分为三级直径，且中间段的直径最大，且所述中间段的两侧端面分别与变速器和回转减速器相接，以实现所述变速器、调节器连接座以及回转减速器之间的相对轴向定位，所述调节器连接座的内径分为三级孔径，其中远离所述变速器的两段孔径与所述驱动活塞的外径相匹配，并套设在所述驱动活塞上，且所述回转减速器的输出盘与所述回转座同轴；

所述驱动活塞为两级阶梯轴，其小径端外圆设有密封槽，所述密封槽内安装有密封圈，并与套设在其上的调节器连接座的对应位置配合形成第一密封，大径端外圆与安装在所述调节器连接座对应位置的密封圈配合形成第二密封，所述第一密封和第二密封之间形成位于所述驱动活塞和调节器连接座之间密封腔，并在所述调节器连接座上设有连通所述密封腔的进油口，以使得所述驱动活塞在通过进油口进入密封腔的液压油的作用下朝角度调节器端盖方向推动移动齿盘。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下自动化定向钻机，其特征在于：在所述驱动活塞与移动齿盘之间还设有传动活塞，所述传动活塞套设在传动轴上并滑动连接，且所述传动活塞的一端连接驱动活塞，另一端连接移动齿盘以传递所述驱动活塞的推力。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下自动化定向钻机，其特征在于：所述固定齿盘具有齿盘和位于所述齿盘中心的固定轴，所述第二斜齿设置在齿盘上，所述固定轴插入移动齿盘的中心通孔内，且在所述固定轴内设有键槽，以使得所述固定齿盘通过键连接与所述传动轴周向固定连接。

4.根据权利要求1所述的煤矿井下自动化定向钻机，其特征在于：所述动力头还包括水辫、主动钻杆、六方孔连接套以及连接轴，所述水辫包括芯轴、进水组件、轴承座、密封轴以及芯轴支撑轴承，所述进水组件套设在芯轴上并转动连接，所述轴承座通过内设于轴承座两端的芯轴支撑轴承套设在芯轴上并转动连接；

所述芯轴为中空轴，其左端与连接轴固定连接，其右端的内侧连接密封轴以密封芯轴的右端，且所述芯轴上设有进水孔，且该进水孔与进水组件连通，所述进水组件包括进水口和与进水口相通的壳体，所述壳体的内腔为对称结构，且对称面垂直于所述芯轴的轴线以使其轴向受力平衡，所述进水组件通过壳体套设在所述芯轴上，壳体的内腔连通所述芯轴的进水孔；

所述连接轴为中空轴，且内设于主轴，其两端分别连接所述水辫的芯轴和具有轴向浮动结构的主动钻杆，并在所述连接轴靠近所述芯轴的一端设有六方头，所述六方孔连接套固定连接在主轴靠近所述水辫的一端，且套设在所述连接轴上，其内部设有与所述六方头相匹配的六方孔，以在所述连接轴与六方孔连接套之间形成限制转动的滑动连接，进而使得所述连接轴和芯轴能够轴向浮动。

5.根据权利要求4所述的煤矿井下自动化定向钻机，其特征在于：所述动力头还包括卡盘，所述卡盘连接在所述主轴远离水辫的一端且随主轴转动，所述主动钻杆的轴向浮动结构包括弹簧和钻杆端盖，所述主动钻杆与卡盘之间为键连接，且所述弹簧设置在所述主动钻杆靠近卡盘的端面以使得所述主动钻杆能够在轴向浮动，所述钻杆端盖套设在所述主动钻杆上并与卡盘固定连接以限制主动钻杆的轴向浮动距离。

6.根据权利要求1所述的煤矿井下自动化定向钻机，其特征在于：所述钻杆存储系统包括呈矩阵式布置的若干个钻杆箱，所有所述钻杆箱内的钻杆朝向一致；每个所述钻杆箱均包括底座，所述底座上方设有侧帮，所述侧帮上设置有隔板，相邻的所述隔板之间的距离与钻杆的直径相匹配。

7.根据权利要求6所述的煤矿井下自动化定向钻机，其特征在于：所述钻杆箱的侧方设有与其内部钻杆朝向一致的滑轨，所述滑轨上滑动设置有抓取机械手，所述抓取机械手通过平移组件驱动其在所述滑轨上滑动；

所述平移组件包括至少两级行走油缸，第一级行走油缸固定在所述钻杆存储系统上，其活塞杆上设置有箍板，所述箍板在所述第一级行走油缸的驱动下在滑轨内滑动，下一级行走油缸固定在所述箍板上；最后一级行走油缸固定在上一级行走油缸的箍板上，其活塞杆与所述抓取机械手固定连接，所述箍板的两侧上设有用于与所述滑轨相配合的滑块。

8.根据权利要求6所述的煤矿井下自动化定向钻机，其特征在于：所述钻杆箱上固定设置有置杆槽，用于固定并暂存由抓取机械手抓取的钻杆；

所述置杆槽包括固定设置在所述钻杆箱靠近机架一侧的钻杆槽座，所述钻杆槽座上设置钻杆槽，所述钻杆槽座上设置有第二夹紧油缸，其活塞杆上连接有滑动板，所述滑动板上固定设置有钻杆挡板，所述第二夹紧油缸驱动所述滑动板带动所述钻杆挡板沿朝向或远离所述钻杆槽的方向移动；所述钻杆挡板与所述钻杆槽之间形成用于暂存所述钻杆的空间。

9.根据权利要求8所述的煤矿井下自动化定向钻机，其特征在于：所述主机械手布置在移动平台上，且位于布置在所述移动平台上的钻杆箱和机架之间，用于将暂存在置杆槽中的钻杆输送至机架，所述机架包括固定连接在钻机移动平台上的机架连接座和铰接在机架连接座上的机架体，所述主机械手包括俯仰油缸、回转驱动器、俯仰臂、回转轴、转臂以及手爪，所述俯仰油缸为双头组合式油缸，所述俯仰油缸一端的所述活塞杆II通过固定连接在钻进移动平台的第一油缸座与所述钻进移动平台铰接，所述俯仰油缸另一端的活塞杆I与俯仰臂铰接，所述俯仰油缸的轴线所在竖直平面平行于所述机架的轴线所在竖直平面，且当所述活塞杆I全部缩回，活塞杆II全部伸出，所述机械手处于水平位置；

所述俯仰臂包括连接套、支撑体、轴座以及转动筒，所述转动筒的一端固定连接在所述机架中的连接座上，所述连接套套设在所述转动筒上并转动连接，所述支撑体的一端固定连接所述连接套，另一端连接轴座，且在所述俯仰油缸与所述支撑体铰接，所述轴座的一端连接回转驱动器，其内腔安装有回转轴，且所述回转轴的一端与所述回转驱动器的输出轴周向固定连接，所述回转轴的另一端连接转臂，所述转臂连接手爪；

所述手爪包括移动爪体、夹爪、第一夹紧油缸、固定座以及移动油缸，所述固定座为内凹腔体，所述移动油缸铰接于该内凹腔体内，所述移动爪体与该内凹腔体的背面形成移动副，且所述转臂通过该内凹腔体的侧面与手爪连接，所述移动爪体的顶部为固定爪，并与夹爪铰接配合以实现钻杆夹持和固定，所述移动爪体的底部与所述移动油缸的活塞杆铰接以驱动移动爪体移动；所述移动爪体具有内部空腔，所述第一夹紧油缸铰接于该内部空腔内，且所述夹爪的背面与所述第一夹紧油缸的活塞杆铰接以驱动夹爪夹紧钻杆，当所述移动油缸的活塞杆完全缩回使所述移动爪体移动至最高点时，所述转臂的回转中心线到移动爪体夹持中心线的距离等于转臂的回转中心线到机架的钻进中心线的距离，当所述移动油缸的活塞杆完全伸出使所述移动爪体移动至最低点时，所述移动爪体的夹持中心线与暂存于所述置杆槽中的钻杆的中心线重合。

10.根据权利要求9所述的煤矿井下自动化定向钻机，其特征在于：还包括机械手定位系统，所述机械手定位系统包括等角传感器、增量传感器、角度标识板以及压杆，所述压杆连接在固定座上与转臂相对的一侧，所述等角传感器包括接近传感器、压板、压板座、弹性件、支撑座、滑动杆、滑动座、安装架、滑动油缸以及滑动油缸座，所述安装架的底部固定连接在机架中的机架体上，顶部连接并支撑滑动座，所述滑动杆与滑动座配合连接形成移动副，所述滑动油缸分别与安装架和固定连接于所述滑动杆上的滑动油缸座铰接，所述支撑座的底部固定连接在滑动杆上，并在所述支撑座靠近手爪的一端设有接近传感器，所述压板座的一端与支撑座铰接，并在其接近所述接近传感器的一侧有向下延伸的侧板，以使得该侧板与接近传感器配对形成信号感应组，并在所述压板座与支撑座之间设有弹性件，自然状态下将压板座抬起，避免压板座的侧板与接近传感器接通，所述压板为折弯板件，其顶端用于与压杆接触，底端与压板座固定连接；

所述角度标识板为具有局部扇形凸起的圆环，该圆环具有板体和凸起的扇形块，该圆环的内孔活动套设在转动筒面向机架一侧，所述扇形块上设有拨动槽，所述机架中的机架体面向机械手一侧固定连接有拨杆，所述拨杆插入拨动槽，以使得当所述机架体倾角变化时，角度标识板与机架体变化同样的角度，所述增量传感器设置在所述连接套上靠近角度标识板的一侧，且位于所述连接套上靠近等角传感器的一侧，且所述增量传感器与扇形块配对形成信号感应组；

当所述机械手和机架的钻进中心线均处于水平位置时，所述增量传感器处于水平位置，且所述扇形块靠近增量传感器的一端的边线位于水平线之上，所述增量传感器信号不接通，且所述压杆所在竖直高度能够将压板下压，并使得所述接近传感器的信号接通。