（机械设计及理论专业论文）潜孔钻机钻臂运动学、动力学研究及优化设计.pdf

作者签名：幽导师签名幽日期：丝 年月上日 摘要 潜孔钻机作为当前通用的大型凿岩钻孔设备，以其特有的凿岩钻 孔特点在凿岩市场中占据重要地位，钻臂为潜孔钻机的核心工作机构 之一，其结构尺寸、灵活性和可靠性对生产率和使用性能影响很大。 本文结合湖南省科技计划重点项目，对潜孔钻机钻臂运动学、动力学 及优化设计进行较为细致和深入的研究，主要工作如下： 运用机器人学中的运动学理论对潜孔钻机钻臂进行运动学分析， 建立钻臂的运动学方程，采用数值解法，利用m a t l a b 编程求出钻臂 工作空间。 运用机器人学中的动力学理论对潜孔钻机钻臂进行动力学分析， 完成钻臂动力学特性分析的理论基础研究。结合p r o e 和a d a m s 构 建潜孔钻机钻臂的虚拟样机模型，通过虚拟样机对钻臂举升、钻臂偏 转、钻架举升、钻架翻转和推进补偿五种典型动作进行动力学仿真研 究，为钻臂结构强度分析以及液压缸设计提供理论依据。 根据“等效原则”，利用a d a m s 软件自身的三维造型工具重新 构建钻臂举升机构、钻臂偏转机构、钻架举升机构和钻架翻转机构的 参数化虚拟样机模型，并分别进行优化设计，深入分析和研究优化结 果，为潜孔钻机钻臂设计提供具有指导意义的理论依据和设计原则。 以s w d e l 2 0 型潜孔钻机为平台，分别完成钻臂举升、钻臂偏转、 钻架举升和钻架翻转实验，验证所建潜孔钻机钻臂虚拟样机模型和仿 真结果的有效性和可靠性。 关键词潜孔钻机，钻臂，运动学，动力学，优化设计 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，d o w n t h e - h o l ed r i l l ，a st h eg e n e r a ll a r g er o c kd r i l l i n g e q u i p m e n t ，p l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nr o c kd r i l l i n gm a r k e tw i t hi t s s p e c i a ld r i l l i n gf e a t u r e b o o mi s o n eo ft h ek e yw o r k i n gm e c h a n i s m ，i t s s t r u c t u r es i z e ，f l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yh a v eag r e a ti n f l u e n c eo nd r i l l s p r o d u c t i v i t y a n du s i n gp e r f o r m a n c e t h et h e s i sc o m b i n e st h em a jo r s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o je c ti nh u n a np r o v i n c e ，m a k i n gac a r e f u l l y a n dd e e p l ys t u d yo fd o w n t h e h o l ed r i l lb o o m sk i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n d o p t i m i z a t i o n ，t h em a i njo bi sa sf o l l o w e d ： t h et h e s i sa n a l y z e st h ek i n e m a t i c so fd o w n t h e - - h o l ed r i l lb o o mb y u s i n gt h ek i n e t i ct h e o r yo fr o b o t i c s ，a n de s t a b l i s h e st h ek i n e t i ce q u a t i o n s i ta n a l y z e st h ew o r k s p a c eo fb o o mb yu s i n gm a t l a bw i t hn u m e r i c a l s o l u t i o n s t h et h e s i sa n a l y z e st h ed y n a m i c so fd o w n - t h e - h o l ed r i l lb o o mb y u s i n gt h ed y n a m i ct h e o r yo fr o b o t i c s ，a n dc o m p l e t e st h eb a s i ct h e o r y r e s e a r c ho fd y n a m i cc h a r a c t e ra n a l y s i s t h et h e s i sc o m b i n e sp r o ea n d a d a m s ，s e t t i n gu pt h ed o w n - t h e - h o l e d r i l lb o o m sv i r t u a lp r o t o t y p e ，a n d s t u d yt h ed y n a m i c ss i m u l a t i o no fb o o ml i f t i n g ，b o o md e f l e c t i o n ，r i g l i f t i n g ，r i gt u r n i n ga n dp r o m o t i n gc o m p e n s a t i o n t h es t u d ys u p p l i e st h e t h e o r e t i cp r o o ff o rb o o m ss t r u c t u r a l s t r e n g t ha n a l y s i sa n dh y d r a u l i c c y l i n d e rd e s i g n a c c o r d i n gt ot h e e q u i v a l e n tp r i n c i p l e ，u s i n ga d a m s s o f t w a r e s t h r e e d i m e n s i o n a lt o o l so fi t so w nr e b u i l dt h e p a r a m e t r i c v i r t u a l p r o t o t y p eo fb o o ml i f t i n gm e c h a n i s m ，b o o md e f l e c t i o nm e c h a n i s m ，r i g l i f t i n g m e c h a n i s ma n dr i g t u r n i n gm e c h a n i s m ，a n dc o m p l e t i n g t h e o p t i m i z a t i o n t h e t h e s i s a n a l y s i s a n dr e s e a r c h e st h er e s u l t so ft h e o p t i m i z a t i o n ，p r o v i d i n gt h e o r e t i c a lb a s i sa n dd e s i g np r i n c i p l e sf o rt h e d e s i g no ft h ed o w n t h e h o l ed r i l lb o o m t h et h e s i sp u t ss w d e 12 0 - b a s e dd o w n - t h e h o l ed r i l la sap l a t f o r m ， c o m p l e t i n gt h eb o o ml i f t i n g ，b o o md e f l e c t i o n ，r i gl i f t i n ga n dr i gt u r n i n g e x p e r i m e n t s ，a n dv e r i f i e st h ea c c u r a c yo f t h ed o w n - t h e - h o l ed r i l lb o o m s v i r t u a lp r o t o t y p ea n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d sd o w n - t h e h o l ed r i l l ，b o o m ，k i n e m a t i c s ，d y n a m i c s ， o p t i m i z a t i o n m 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 潜孔钻机及其钻臂概述1 1 3 课题研究与应用现状3 1 3 1 潜孔钻机研究与应用现状3 1 3 2 钻臂研究现状与应用现状5 1 3 3 虚拟样机技术研究与应用现状6 1 4 课题来源及研究意义7 1 4 1 课题来源7 1 4 2 课题研究的意义7 1 5 论文主要研究内容8 第二章潜孔钻机钻臂运动学研究9 2 1 钻臂运动特点分析。9 2 2 机械手位姿与运动描述( d h 法) 1 1 2 2 1 机械手的位姿描述11 2 2 2 连杆的描述1 1 2 2 - 3 坐标系的建立1 2 2 2 4 齐次变换矩阵1 2 2 3 钻臂运动学分析1 2 2 3 1 钻臂运动学方程1 3 2 3 2 钻臂运动学方程的检验1 6 2 4 钻臂工作空间研究1 7 2 4 1 工作空间的概念1 7 2 4 2 工作空间的描述17 2 4 3 工作空间的数值法1 8 2 4 4 工作空间的求解1 9 2 5 本章小结2 2 第三章潜孔钻机钻臂动力学研究2 3 i v 3 1 钻臂动力学问题分析2 3 3 2 潜孔钻机钻臂动力学理论分析2 5 3 2 1 钻臂的动力学方程。2 5 3 2 2 动力学方程惯量项和重力项的简化2 6 3 2 3 钻臂各关节驱动力( 力矩) 计算2 9 3 2 4 钻臂各液压缸驱动力计算3 0 3 3 潜孔钻机钻臂虚拟样机建模31 3 3 1 钻臂三维实体模型的建立3 1 3 3 2 钻臂虚拟样机模型的建立3 2 3 3 3 虚拟样机过约束问题研究3 3 3 4 潜孔钻机钻臂动力学仿真分析3 6 3 4 1 钻臂举升过程仿真分析3 6 3 4 2 钻臂偏转过程仿真分析3 8 3 4 - 3 钻架举升过程仿真分析3 9 3 4 4 钻架翻转过程仿真分析4 1 3 4 5 推进补偿过程仿真分析4 3 3 4 6 动力学仿真分析结论4 4 3 5 本章小结4 5 第四章潜孔钻机钻臂优化设计4 6 4 1 钻臂优化设计概述4 6 4 1 1 钻臂优化设计问题分析4 6 4 1 2a d a m s 优化设计概述4 8 4 2 钻臂各机构优化设计4 8 4 2 1 钻臂举升机构优化设计4 8 4 2 2 钻臂偏转机构优化设计5 2 4 2 3 钻架举升机构优化设计5 6 4 2 4 钻架翻转机构优化设计5 9 4 3 本章小结6 2 第五章实验研究6 3 5 1 实验目的和内容6 3 5 2 实验条件6 3 5 2 1 实验潜孔钻机6 3 5 2 2 液压测试仪和压力传感器6 4 5 2 3 减压阀6 4 v 5 3 实验方法6 5 5 3 1 钻臂液压系统分析6 5 5 3 2 实验测试方法。6 6 5 4 实验过程及结果分析6 7 5 4 1 钻臂举升实验6 7 5 4 2 钻臂偏转实验6 9 5 4 3 钻架举升实验6 9 5 4 4 钻架翻转实验7 0 5 4 5 实验结果分析7 2 5 5 本章小结7 2 第六章全文总结与展望7 3 6 1 全文总结7 3 6 2 工作展望7 3 参考文献7 5 附录1s w d e l 2 0 型潜孔钻机基本参数8 0 附录2 潜孔钻机钻臂优化设计报表8 l 致谢8 4 攻读硕士学位期间的主要研究成果8 5 v i 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着我国经济的迅速发展，冶金、建材、电力、交通等诸多行业对矿产资源 的需求迅速增加，凿岩机械也相应地高速发展。2 0 0 8 年，受金融危机影响，国 内外凿岩机械需求急剧萎缩。2 0 0 9 年，我国发布了装备制造业调整和振兴规 划，提出了保增长、扩内需、调整结构的总体要求，凿岩机械行业紧跟形势， 制定应对措施，确保了持续平稳发展，而即将展开的国民经济“十二五”计划， 给凿岩机械行业带来了新的发展机遇【l - 2 】。 潜孔钻机是是由冲击器潜入孔内，直接冲击钻头，而回转机构在孔外，带动 钻杆旋转，向矿岩钻进的设备。它主要用于露天矿山开采，同时也广泛应用于建 筑基础开挖、水电、交通、冶金、建材、港湾及国防建设等施工作业中【3 1 。它是 目前钻凿炮孔作业中广泛使用的凿岩机械之一，具有钻孔直径大、钻孔深、钻孔 效率高、适用范围广等特点，是当前通用的大型凿岩钻孔设备【4 】。随着凿岩机械 的不断发展和市场竞争的日益激烈，各个潜孔钻机企业不断吸收新科技成果改进 和开发产品，以提高产品的稳定性、可靠性、安全性、环保性和智能化，来满足 用户的需求，国际上知名企业在设计、选材和制造水平上都处于世界领先水平； 国内技术水平与国外差距主要体现在研发设计、制造加工和生产过程管理等方 面，在微电子技术方面差距更大【5 】。“十二五 期间，国家将优先发展高气压和 半液压的潜孔钻机，以满足金属、水泥矿山推广大直径深孔采矿法的需求【6 1 。因 此，对潜孔钻机及其关键部件的研究将是摆在我们面前的重要课题。 传统的产品设计要经过方案设计、技术设计、样机试制、详细设计等步骤【7 8 】， 对于潜孔钻机这样复杂的产品，研发周期长、成本高。虚拟样机技术是面向系统 级设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含数字化物理样机、功能虚拟样 机和虚拟工厂仿真三方面内容，它能弥补传统产品计技术的不足，缩短产品研发 周期，降低设计成本、提高产品设计质量、提高面向客户与市场的能力【9 】。因此， 将虚拟样机技术应用于潜孔钻机的研发设计中显得很有必要。 1 2 潜孔钻机及其钻臂概述 潜孔钻机主要由推进系统、回转系统、钻杆库、卸杆机构、捕尘罩、钻具( 钻 杆、冲击器和钻头) 、钻架、滑架、推进补偿液压缸、钻臂、行走机构、机架、 后支架、压气系统、除尘装置、司机室、覆盖件、动力系统、液压系统和电气系 统等部分组成，如图1 1 所示【1 0 - 1 。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 卜压气系统；2 一覆盖件；3 一除尘装置；4 一后支架；5 一司机室；6 一钻臂； 7 一滑架；8 一钻架；9 一推进补偿液压缸；1 0 - 推进系统；1 1 一回转系统；1 2 一钻杆库； 1 3 - 卸杆器；1 4 - 捕尘器；1 5 - 钻具；1 6 - 行走机构；1 7 一机架 图i - is w d e l 2 0 臂架式一体化液压潜孔钻机结构示意图 其工作过程及特点如下： 1 、行走定位。先导手柄控制左右行走马达独立驱动，控制整机前进、后退、 转向和制动，实现行走定位。 2 、钻孔定位。包括钻臂定位和推进补偿。先导手柄控制钻臂上四个液压缸 伸缩，控制钻臂举升、钻臂偏转、钻架举升和钻架偏转，按钻孔要求调节各液压 缸伸出长度，实现钻臂定位；先导手柄控制推进补偿液压缸伸缩，控制钻架沿导 轨直线滑动，实现钻架推进补偿。钻孔前再者配合实现钻孔精确定位。 3 、钻孔作业。推进马达转动，使回转机构连同钻具缓慢下降，当钻头接触 地面时停止转动。启动冲击器，来自空气机的高压气驱动冲击器冲击地面，同时 控制推进马达适当加压，当钻头入岩 1 0 i m 时，控制回转马达正转，推进马达 推进，钻机便开始正常的钻孔作业。钻孔完毕时，控制推进马达复位，再操作钻 具作短距离上下推位，以吹净孔底岩粉，然后将钻具提至地面，当冲击器接近孔 口时应停风，继续把冲击器提出孔口再停钻。 4 、除尘。在钻孔作业同时需持续除尘，除尘时捕尘罩紧罩孔口，孔底岩粉 通过排尘风压吹至孔口，再在除尘风机抽吸共同作用下，经管道进入除尘装置， 旋风除尘除去粗尘，再由层流式除尘精细除尘。 5 、接卸杆。根据不同的钻孔深度要求，在主钻杆上接1 4 根副钻杆，在完成 钻孔作业后将副钻杆卸至钻杆库。接卸杆时上下卸杆器卡牢上下钻杆，卸杆缸动 作使钻杆连接螺纹松动，回转机构正( 反) 转旋入( 旋出) 连接螺纹，摆杆缸将 副钻杆推送到回转机构中心或移回钻杆库，推进马达使回转机构上下移动，按规 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 定顺序操作即可完成接卸杆动作。 钻臂是潜孔钻机的核心工作机构之一，通过控制钻臂上各液压缸的伸缩，可 实现钻臂的俯仰、偏转、回转和伸缩，推进机构的翻转和补偿等动作，工作时各 个动作组合调节钻臂姿态，以钻凿不同距离和角度的孔。 潜孔钻机钻臂是从凿岩机器人钻臂中发展而来的，凿岩机器人钻臂按其动作 原理可分为直角坐标式钻臂、极坐标式钻臂、复合坐标式钻臂和直接定位式钻臂， 如图1 2 所示。直角坐标式钻臂优点是结构简单、定位直观、操作容易，适合 钻凿直线和各种类型的倾斜孔，缺点是使用的液压缸较多，存在着较大的钻孔盲 区；极坐标式钻臂与直角坐标钻臂相比，能钻凿某些特殊型式的孔，弥补了一 部分钻孔盲区，但由于转动惯量大、操作不便等缺点，极坐标钻臂的应用很少； 复合坐标式钻臂结合了前两者的优点，其特点是调位简单、动作迅速、具有空 间平移性能、操作运转平衡，定位准确可靠、凿岩无盲区，性能十分完善；但结 构复杂、笨重，控制系统复杂；直接定位式优点是结构紧凑、运作平稳、凿岩 无盲区、具有空间平移性能，但控制复杂【3 , 1 2 】。目前，直角坐标钻臂应用最广， 国内外许多潜孔钻机都采用这种型式的钴臂。 ( a ) 直角坐标式钻臂 ( c ) 复合坐标式钻臂 ( b ) 极坐标式钻臂 ( d ) 直接定位式钻臂 图卜2 四种典型钻臂结构形式 1 3 课题研究与应用现状 1 3 1 潜孔钻机研究与应用现状 国外潜孔凿岩始于1 9 3 2 年，首先使用于地下矿钻凿深孔，第二次世界大战 以后，这种凿岩方法逐步转移到露天矿山开采；2 0 世纪6 0 年代初，潜孔钻机在 中南大学硕士学位论文第一章绪论 露天矿已普遍使用；6 0 年代后期，国外牙轮钻进技术迅速发展，许多大型露天 矿的潜孔钻机很快被牙轮钻机取代，但在中小型露天矿潜孔钻机仍是主要钻孔设 备之一；7 0 年代，国外对潜孑l 钻机作了大量改进和完善，由于高风压潜孔冲击 器和球齿钻头的出现，解决了钻孔偏斜及钻头使用寿命过低这两个技术问题，作 为中、大孔径凿岩设备的高风( 气) 压潜孔钻机的应用又得以扩大【1 3 1 4 1 ；8 0 年 代以来，电子计算机技术和自动控制技术广泛应用于潜孔钻机研究，产品往自动 化方向发展，应用范围也扩大到建筑基础开挖、水电、交通、冶金、建材、港湾 及国防建设等施工作业中【1 5 - 1 7 ；近年来，国外著名的潜孔钻机制造厂商相继推出 了一系列新产品，这些设备的共同特点是：自动化程度越来越高，部分功能实现 智能化；g p s 技术得到广泛应用，实现了臂架自动定位，提高了作业效率；更 加注重安全、环保和人机关系的改善【l 阳2 1 。 国际凿岩机械行业处于前列的企业有：瑞典a t l a sc o p c o 、芬兰t a m r o c k 、美 国i n g a s o l lr a n d 、日本f u r u k a w a 等，其中a t l a s c o p c o 公司和t a m r o c k 公司生产 的液压凿岩设备占全球产量5 0 以上，现a t l a s 已收购i n g a s o l lr a n d 钻机事业部， s a n d v i k 已收购t a m r o c k ，这些公司的潜孔钻机产品经过数十年的积累、改进与 发展，在设计、选材和制造水平上都处于世界领先水平【4 挪j 。 国内潜孔钻机起步晚，发展过程与国外大致相同。2 0 世纪5 0 年代末期，我 国从苏联引进了一批b a 1 0 0 型井下潜孔钻机及m 1 9 0 0 型潜孔冲击器，在我国 北方很多矿山得到迅速推广；1 9 6 4 年我国试制出第一台露天潜孔钻机，次年定 型并批量生产；8 0 年代，我国部分露天矿开始引进国外露天凿岩设备，在“六 五 期间，凿岩机械行业骨干企业通过引进国外凿岩机械产品的设计、制造和检 测技术，为我国露天凿岩钻机发展奠定了基础，但高风压钻机和全液压钻机在我 国发展缓慢，这两种类型钻机的市场基本被国外品牌垄断【3 训。 目前，国内生产潜孔钻机的企业主要有湖南山河智能机械股份有限公司、宣 化采掘机械集团有限公司、长沙矿山研究院矿山机械厂、宣化双联凿岩机械有限 公司等，这些企业不断吸收国外先进技术，完善和开发系列产品，市场占有率逐 渐提高，甚至出口至国外，相比国外产品具有价格低，备品、配件供货容易得到 保证和售后维修及时等优点，但高性能的关键零部件主要依赖进口，如发动机、 液压件、冲击器和空压机等【4 j 。 长期以来，以中南大学、长沙矿山研究院和北京科技大学等为主的高校和科 研院所一直在推动着国内潜孔钻机的发展，并取得了可喜的成绩，主要集中在防 卡系统研究【2 4 。2 6 1 、推进回转系统研究【2 7 。2 9 1 、接卸钻杆装置研究【3 0 。1 1 、除尘系统研 究【3 2 3 3 1 、行走驱动系统研究【3 4 】及部分结构的改进分析【3 5 。3 7 】等方面，而对冲击器、 空压机、发动机、液压件等核心零部件的研究亟待加强。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 钻臂研究现状与应用现状 潜孔钻机钻臂是从凿岩机器人钻臂中发展而来的，凿岩机器人钻臂的研究与 凿岩机器人的发展紧密相连。1 9 6 5 年，带液压机械臂的凿岩钻车在欧洲问世， 并逐渐开始了自动液压钻车( 凿岩机器人) 的研制【3 硼；1 9 7 2 年挪威一家承包公 司开始隧道凿岩钻车的自动控制研究，1 9 7 8 年试制出了第一台样机；1 9 8 5 年芬 兰t a m r o c k 公司生产出第一台d a t a m a t i c 计算机控制的凿岩台车【3 9 】。2 0 世纪7 0 年代末，许多国家也开始了凿岩机器人的研究，1 9 7 3 日本东洋公司开始研制凿 岩机器人，1 9 8 2 年研制出t h m j 一2 3 5 0 a d ( 四臂) 和t h c j 2 a d ( 两臂) 样机； 8 0 年代初，法国s e c o m a 公司研制出s e c o m a 7 0 型程序凿岩钻车以及装有电子调 节装置的s e c o m a a t h 2 2 和n t h 型凿岩钻车；8 0 年代后期，美国的i n g e r s o l l r a n d 公司推出一系列装有b e v e r 全自动数据导向系统的凿岩机器人；1 9 8 7 年，a t l a s c o p e o 公司的r o b o tb o o m e r 型凿岩机器人在瑞典基律纳铁矿投入使用；1 9 9 8 年 以前，世界各国大都是采用挪威b e v e r 公司与挪威大学合作开发的b e v e r 系 统，1 9 9 8 年以后，a t l a sc o p c o 公司和t o m r o e k 公司推出了各自的控制系统【4 0 4 5 1 。 随着凿岩机器人的发展，为适应不同的工作要求，钻臂的功能特点逐渐多样化， 可实现摆臂、转臂、伸缩、旋转、俯仰、摆角、补偿、平动等多种动作，钻臂的 配置数量有单臂、双臂、三臂甚至四臂，钻臂的结构形式有直角坐标式、极坐标 式、复合坐标式和直接定位式【4 6 j 。 国内对凿岩机器人及其钻臂的研究几乎与国外同步，1 9 7 2 年，在原冶金工 业部的组织下，原中南矿冶学院与长沙矿冶学院研制液压凿岩钻车，1 9 8 0 年我 国第一台c g j 2 y 型液压凿岩钻车通过了冶金部的鉴定；随后北京科技大学、中 国煤炭科学院等十余家单位参与这方面的研究工作，相继开发出一系列产品； 1 9 8 6 年，原中南工业大学进行了再现式凿岩机器人的实验室研究工作，9 0 年代 末进行了凿岩机器人的预研工作；1 9 9 3 年，北京科技大学完成了钻孔过程计算 机控制的实验室研究；1 9 9 8 年，中南大学承担了国家“8 6 3 计划重大项目“隧 道凿岩机器人 ，仅历经两年半便成功研发出了国内首台计算机控制凿岩台车样 机，达到1 9 9 8 年前的国际先进水平；2 0 0 2 年，湖南山河智能机械股份有限公司 与中南大学在国家8 6 3 计划引导项目基金资助下，着力开发计算机控制多臂液压 凿岩台车，该项目在运动学解耦求解、工作空间求解、孔序规划、定位控制和控 制系统等方面做了大量深入研究【1 2 1 。 中南大学周宏兵1 47 j 运用机器人运动学理论对凿岩机器人机械手( 钻臂) 进行 了运动学分析，求出了其逆解；运用动力学理论进行了动力学分析，编程求出了 钻臂机构处于不同位姿时各关节所需力( 力矩) 和各液压缸所需驱动力；对钻臂 定位机构进行了误差分析。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 中南大学周友行【4 8 】在建立钻臂运动学方程的基础上，求解了钻臂工作空间； 提出了一种基于人工智能的“试探性爬山法 对钻臂进行了运动学求逆；对凿岩 机器人的碰撞检测问题进行了研究；采用“质点删减法 和“遗传算法 对钻臂 进行了孔序规划研究。 中南大学李力争【4 9 】对双三角钻臂平行联动机构进行了机理建模和参数估计 研究，根据其非线性和时变的特点，采用广义预测自适应控制策略进行钻臂直接 定位运动速度控制，从而有效补偿了非平衡随机扰动引起的静差。 中南大学王恒升【5 0 】利用多关节闭链的约束条件建立了小型液压凿岩台车后 三角支承机构的运动学方程，引入支承液压缸俯仰角测量，简化了运动学计算过 程；在a d a m s 中建立了双三角臂的动力学数值计算模型，实现了双三角臂运动 驱动的动态解耦；采用c a n 总线技术对钻臂控制系统进行了研究。 中南大学谢习华【5 l 】提出了一种线性近似解耦迭代法运动学求逆方法；解 决了精确车体定位问题；引入虚拟关节概念，对钻臂定位误差进行了误差补偿方 法研究；采用主从式双层控制结构构建了凿岩机器人计算机控制系统的硬件结 构，并开发了凿岩机器人智能控制系统软件。 东北大学郭娜【5 2 】对轻型凿岩机器人钻臂机构的运动学问题进行了研究，探讨 了工作空间及轨迹规划问题；利用m a t l a b 完成了动力学逆问题研究；利用 o p e n g l 建立了钻臂机构的三维实体模型，并引入到v b 中建立了三维可视化仿 真平台。 北京交通大学皂慧丽【5 3 j 针对钻臂自动定位系统液压回路中比例阀阀控非对 称位置系统存在的响应慢、时变严重的特点，提出了模糊自适应整定p i d 控制策 略的方法；完成了系统数字控制器软硬件的设计工作；对冲击过程的波动力学进 行了分析。 在潜孔钻机钻臂研究方面，景掣”】等人将遗传算法应用于钻臂的设计计算， 一定程度上提高了计算的精度和效率。 由以上综述可知，国内对潜孔钻机钻臂的研究很少，由于潜孔钻机钻臂和潜 孔钻机钻臂两者结构具有相似性，凿岩机器人钻臂的研究方法及研究成果可作为 潜孔钻机钻臂研究的重要依据和参考。 1 3 3 虚拟样机技术研究与应用现状 虚拟样机技术在发达国家已得到广泛应用，应用领域包括汽车制造、工程机 械、航天航空、国防工业、生物力学、医学等行业。所涉及的产品非常广，针对 各领域的不同产品，虚拟样机技术都在提高产品质量和性能并减小开发制造成本 方面发挥着重要作用。波音7 7 7 是世界上首架以无图纸方式研发及制造的飞机， 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 虚拟样机技术应用于其设计、装配、性能评价及分析过程；1 9 9 7 年，通用动力 公司建成了第一个全数字化机车虚拟样机，并行地进行了产品设计分析制造、工 装设计和维修性能设计；日产汽车公司将虚拟样机应用于概念设计、包装设计、 整车仿真设计等方面；美国卡特彼勒公司采用虚拟样机技术，改进了设计和试验 步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，其产品成本显著降低，却获得了更加 卓越的性能；美国航空航天局利用虚拟样机技术成功实现了火星探测器“探路号 在火星上的软着陆；j o h nd e e r e 公司利用虚拟样机技术找到了工程机械在高速行 驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题的原因，并改进了设计方案 s s - s 9 。 这些都是虚拟样机技术在国外成功应用的典型例子。 虚拟样机技术最早在我国应用于航空和军事领域，如飞行器动力学设计、导 弹动力学分析、武器制造等，近年来，在机械工程、汽车制造等领域也得到了应 用与推广【8 】。我国虚拟样机技术的研究主要依托高校和科研院所，在不同的研究 领域取得了一定的科研成果。在工程机械行业，浙江大学在挖掘机的虚拟样机技 术应用方面做了大量研究工作，涉及虚拟样机的实现方法和技术、建模策略与仿 真技术、参数化建模方法、轨迹规划与优化技术的研究等多个方面【6 嘶1 】；大连理 工大学对起重机关键部件做了大量研究工作，如起重臂动力学特性、结构强度校 验和结构优化等方面1 6 2 螂】；中南大学在液压挖掘机、旋挖钻机和液压静力压桩机 方面做了有限元分析、动力学特性研究和优化设计等方面的研究【“舶】。而对于潜 孔钻机，虚拟样机的应用仅有上文所述的工作平台有限元分析方面【3 5 1 ，因此有必 要将虚拟样机技术引入潜孔钻机钻臂研究设计中。 1 4 课题来源及研究意义 1 4 。1 课题来源 本课题来源于湖南省科技计划重点项目“一体化液压潜孔钻机”( 项目编号： 0 5 g k l 0 0 1 ) 。 1 4 2 课题研究的意义 潜孔钻机以其特有的凿岩钻孔特点在凿岩市场中占据重要地位，随着对钻孔 效率、自动化程度、能源利用和气体排放指标等要求的不断提高，高性能、高技 术含量和低碳环保的潜孔钻机在国内外的市场潜力很大。 钻臂为潜孔钻机的核心工作机构之一，钻臂对钻孔作业范围和钻孔角度等关 键参数有着决定性的影响，钻臂本身具有质量大、体积大的特点，同时也支撑着 钻臂上各机构的重量，其结构尺寸、灵活性和可靠性对生产率和使用性能影响很 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 大，同时其对整机布局和稳定性也有重要的影响。因而对潜孔钻机钻钻臂进行深 入研究显得很有必要。 钻臂运动学特性影响到钻臂的运动控制性能，钻臂工作空间的大小代表了潜 孔钻机的活动范围，是衡量潜孔钻机工作能力的一个非常重要的运动学指标；钻 臂的动力学特性影响到钻臂各零部件的力学性能，直接关系到潜孔钻机的工作性 能，对钻臂结构设计和定位控制有重要意义；钻臂的各铰点位置直接决定了钻臂 各构件受力状况的好坏以及各液压缸的受力大小，因而对钻臂各铰点进行优化设 计显得意义重大。同时利用虚拟样机技术对钻臂展开动力学特性研究和优化设 计，可以加快分析时间，提高计算精度，起到事倍功半的作用，对潜孔钻机的研 究工作具有积极的推动作用。因此，对潜孔钻机钻臂展开运动学、动力学研究和 优化设计，具有重要的理论意义和一定的应用前景。 1 5 论文主要研究内容 本文在分析潜孔钻机钻臂结构原理和工作特点的基础上，对潜孔钻机钻臂进 行运动学研究、动力学研究和优化设计，主要从以下几个方面展开研究： 1 、分析潜孔钻机钻臂的结构和工作原理，利用d h 法建立钻臂的运动学方 程，采用数值解法，运用m a u a b 编程求解钻臂的可达工作空间、有效工作空间和 有效工作范围； 2 、采用拉格朗日法对钻臂进行动力学理论分析。采用p r o e 建立钻臂的三 维实体模型，将其导入a d a m s 中构建钻臂的虚拟样机模型，分别对钻臂举升、 钻臂偏转、钻架举升、钻架翻转和推进补偿五个典型动作进行动力学仿真分析； 4 、利用a d a m s 重新构建钻臂参数化的虚拟样机模型，并利用该模型对钻 臂铰点进行优化设计，深入分析和研究优化结果，为钻臂设计提供具有指导意义 的理论依据和设计原则； 5 、对钻臂四个典型动作进行实验研究，并将实验曲线与仿真曲线进行对比 分析，验证钻臂虚拟样机模型和仿真分析结果的有效性和可靠性。 中南大学硕士学位论文 第二章潜孔钻机钻臂运动学研究 第二章潜孑l 钻机钻臂运动学研究 潜孔钻机钻臂运动学研究主要包括运动学分析和工作空间研究。运动学分析 为钻臂的运动控制提供理论手段和方法，工作空间是衡量潜孔钻机工作能力的一 个重要的运动学指标。本章就这两个问题展开研究。 2 1 钻臂运动特点分析 本文以湖南山河智能机械股份有限公司开发的s w d e l 2 0 臂架式一体化液压 潜孔钻机钻臂的实际结构为研究对象，该钻臂为典型的直角坐标式钻臂，其结构 形式如图2 1 所示。 卜机架；2 一钻臂焊接件；3 一钻架举升液压缸；4 一摇杆；5 一连杆； 6 一钻架翻转液压缸；7 一滑架；8 一推进补偿液压缸；9 一钻架；1 0 一翻转头；1 l 铰座2 ； 1 2 一钻臂举升液压缸；1 3 一钻臂偏转液压缸；1 4 铰座l ；1 5 一立柱 图2 - 1s w d e l 2 0 臂架式一体化液压潜孔钻机钻臂结构示意图 钻臂由钻臂焊接件、摇杆、连杆、翻转头、立柱、铰座1 、铰座2 、钻臂举 升液压缸、钻臂偏转液压缸、钻架举升液压缸和钻架翻转液压缸等零部件组成， 由于推进补偿也属于钻孔定位过程，故将滑架和推进补偿液压缸也计入钻臂中。 钻臂偏转液压缸缸筒与机架之间、钻臂偏转液压缸活塞杆与钻臂焊接件之间采用 十字铰联接，滑架与钻架通过导轨进行联接，其余各部件之间通过销轴进行联接。 钻臂焊接件的举升( 钻臂举升) 由布置在立柱上的钻臂举升液压缸驱动完成； 9 中南大学硕士学位论文 第二章潜孔钻机钻臂运动学研究 钻臂焊接件的偏转( 钻臂偏转) 由布置在机架上的钻臂偏转液压缸驱动完成；钻 架的举升( 钻架举升) 由由布置在钻臂焊接件上的钻架举升液压缸驱动完成；钻 架的翻转( 钻架翻转) 由布置在翻转头上的钻架翻转液压缸驱动完成；钻架的推 进补偿( 推进补偿) 由布置在滑架上的推进补偿液压缸驱动完成。潜孔钻机工作 时，调节钻臂上五个液压缸的伸缩，五个动作组合调节钻臂姿态，以钻凿不同距 离和角度的孔。 该钻臂具有运行平稳，动作准确、迅速的特点，钻臂工作范围大，一次行走 定位能钻多个孔，钻孔覆盖面大，可钻范围广。同时由于钻臂焊接件长，钻孔位 置点距离机身比较远，减少了凿岩过程中钻具冲击振动对整机的影响，能有效提 高整机寿命和钻孔精度，钻孔产生的粉尘对整机的影响比传统钻机也小得多。 根据图2 1 中潜孔钻机钻臂的结构特点，建立潜孔钻机钻臂的运动简图，如 图2 2 所示。由图2 2 可知，钻臂是由一系列连接在一起的连杆( 杆件) 所构成 的，为典型的多杆系统，共6 个杆件，分别为机架o 、立柱1 、钻臂焊接件2 、 翻转头3 、滑架4 和钻架5 ；本质上它是一种工业机器人机械手( 机械臂) ，共5 个关节，关节1 控制钻臂偏转，关节2 控制钻臂举升，关节3 控制钻架举升，关 节4 控制钻架翻转，关节5 控制推进补偿。为满足正常的钻孔工作，钻臂末端杆 件钻杆至少需要五个自由度才能实现钻孔准确定位，由上述分析可知，关节 1 4 为转动关节，关节5 为移动关节，一共五个自由度，符合钻孔定位的要求。 0 o 一机架；卜立柱：2 一钻臂焊接件；3 一翻转头；4 一滑架；5 一钻架 图2 - 2 潜孔钻机钻臂运动简图 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章潜孔钻机钻臂运动学研究 2 2 机械手位姿与运动描述( d h 法) 根据2 1 节对钻臂的特点分析可知，钻臂本质上是一种工业机器人机械手( 机 械臂) ，本文采用机器人运动学分析中广泛使用的d e n a v i t - h a r t e n b e r g 方法( d h 法) 6 7 1 建立钻臂各杆件的坐标系，应用齐次坐标变换的方法建立钻臂的运动学方 程及描述各杆件之间的关系，利用建立的运动学方程对工作空间进行求解研究。 2 2 1 机械手的位姿描述 一般采用两个坐标系来描述机器人各杆件在空间的位姿，即固定坐标系和动 坐标系，前者固定在机器人基座上，不随各杆件的变化而变化，也称为基准参考 坐标系，后者固定在各杆件上，随杆件的运动而运动( 旋转或平移) ，也称为杆 件坐标系或杆系。机器人机械臂手部( 末杆) 的位置可以用从基准参考系原点指 向手部中心的矢量表示为： 广1 r p = lnp y 见l ( 2 1 ) 式中，p x 、p y 、p ：是点p 在参考坐标系中的三个坐标分量。 方位可由一个3x 3 的矩阵表示为： f 心qa x r = no a 】_ ibo y 哆l ( 2 2 ) 1 1 1 zo za z j 式中，a 为接近矢量，o 为方向矢量，n 为法线矢量。 手部的位姿可以用4 x 4 的矩阵表示为【5 1 】： t ：- n 。a p ： l o 00 lj 以以 n yo y n zo z oo a tp x a yp y a ：p z 01 ( 2 3 ) 2 2 2 连杆的描述 如图2 3 所示对于任一杆件i ，两端连有关节f 和i + 1 ，关节f 连接杆件f 一1 和 杆件f 。 在d h 法中可用四个参数a t ，呸，4 和毋来描述杆件本身及相邻杆件的相 互关系，q 为连杆长度，q 为连杆扭角，z 为两连杆距离，2 为两连杆夹角。 对于转动关节，a t ，z 是关节参数，谚是关节变量；对于移动关节，q ，够， 谚是关节参数，z 是关节变量【6 8 1 。 中南大学硕士学位论文第二章潜孔钻机钻臂运动学研究 连格 i 图2 - 3 连杆参数和坐标系示意图 2 2 3 坐标系的建立 对于具有以个关节的机器人需建立n + 1 个坐标系，规定如下：固定坐标系为 o o x o y o z o ，