机器人化自动钻机

1、机器人化自动钻机摘要 机器人化自动钻孔机是为在具有瓦斯突出与爆炸危险的钻场作业工人保障 其人身安全的需求设计的。 它用计算机控制， 具有自动输送、接续与拆卸钻杆 , 以 及自动推进与退出作业的功能。 其中开发了完善的保护系统、 容错系统、 故障诊 断系统和控制算法。该机以国产MYZ-1型深孔钻机为基本主体，利用机器人技术将其改造为机 器人化自动钻机。 它具有自动输送、 接续与拆卸钻杆 , 以及自动推进与退出作业 的功能配有工业电视、 瓦斯与温度传感器 , 能对钻场环境以及钻机工况进远距离 监视与监控。钻机的控制核心部分是由两个计算机系统构成的主控站和遥控站。 其中开发了完善的保护系统、容错系统

2、、故障诊断系统和控制算法。1. 引言 中国是一个煤炭生产超级国家。 年度原煤产量约 12亿吨。在中国所有种类矿 物能源中， 煤炭是产量第一的消耗能源， 而且煤炭的地质储量第一。 因此煤炭开 采，在不久的将来会对世界经济起到非常重要的作用。 有采煤的方式， 一个是露 天采矿，另一个是地下开采。根据地质条件，地下开采是在中国的主要方式，并 且这个现状将一直维持到下个世纪。煤炭地下开采的工作条件非常苛刻。 工作空间狭窄， 劳动强度高， 并有非常 多的尘埃， 气体和高密度水蒸气。 这些工作条件不仅影响职工健康， 而且损害工 人的生命。地下采矿、深钻孔常常需要瓦斯抽放孔，填补水漏洞，高压冲孔等等。特别

3、是在高瓦斯矿井，有时高压天然气和煤混喷会造成钻孔的工人受伤。为了确保 安全和降低工人劳动强度， 中国矿业大学哈尔滨工业技术大学联合研制机器人化 钻孔机，并且完成了井下工业试验，试验通过专家审核决议。结构和工作程序 机器人化自动钻机是一个典型的机电一体化机器和系统。其系统组成如图 包括以下主要部分。 有动力头，主油缸，液压系统， 液晶电视，夹持器，遥控点， 传感器系统，以及直流电源和中继系统。具体见下图：工症站_ 1机舒人化自动粘机長址姐成怙1L窗机动钻机机械罢缓组礎I 支祇覘瀬亡机響出一主袖齟川一动力头诗一小帕怔用一帖杆门拉耳曲一移功矢持誥怡一援訪雯持特"0自粉鮎杆箱钻头的主要功能是

4、进行钻深孔。它包括一个液压马达，一个皮套，一个主 缸，一个动力头，一对小缸，盖帽和夹具等。自动钻杆箱由退钻杆机构，拉杆箱，机械钻臂等组成。机器人化钻孔机的供电与液压动力系统。主要阀门是电磁阀，因此它可以方 便地连接到控制系统。机器人化钻孔机控制系统的主要部分是遥控站和主控制站。 它们都是计算机 控制系统，遥控站可以在安全距离，通过液晶显示屏监测演练运行状况，主控制站 可以指示遥控站，并且调整钻孔工作的进行。工业电视系统包括一个摄像头和液晶电视接收器。该相机是固定在钻井现 场和液晶电视接收器是在同一地点，它将给遥控站的控制者发送现场消息。该传感器的传感系统由数十个传感器组成，主要包括压力，温度，

5、气体传 感器等。这些传感器用于检测工作地点和环境参数。直流电源系统及电源控制继电器系统，传感器系统，工业电视系统所须要 的安全直流电源和转接都在主控制站进行连接。机器人化钻孔机的工作过程如下：第一洞深度的钻探是在遥控站集，然后 发送指令开始钻探，当主控制站接收到指令后，就开始了机械系统自动杆连接。 输送钻杆机开始运作， 推动了拉杆箱拉杆，机械手臂的推钻杆机构连接到动力头。 同时机械手臂和夹持器启动。 当钻头钻洞， 输送钻杆箱推动另一杆的拉杆箱。 上 面的过程是一再重复，直至完成设置深度。在拆卸钻杆时 , 首先由动力头和夹持器将最后一根钻杆将已推进到孔内的 钻杆拉回一个钻杆距离到初始位置松扣 ,

6、 机械手将其放回到输送钻杆机构最上 方的爪内 , 输送钻杆机构顺时针方向旋转一步 , 将相邻的空爪转到最上方位置 准备接受下一根卸下的钻杆 , 依次操作 , 被接回的钻杆逐个由松杆箱下部的开 口处滚落到地面。在整个工作过程中的主要控制站不断向遥控站发送工作情况和环境参数。 它们显示在该站的遥控液晶显示器。 如果故障发生，主要控制站将确定故障原因， 将故障些问题，发送到遥控站，并在屏幕上显示出来。2. 钻孔的自动调整 对于钻孔过程，液压电机推动主缸，主缸驱动杆前进。在钻孔的过程中有 两种抵抗阻力， 一种是推动阻力， 另一种是循环阻力。 主要由是不同的岩石硬度 和油流动速度影响。 造成循环阻力的是

7、， 运行杆的切口不能及时去除， 从而阻塞 杆的推进， 如果过分的推挤可能导致杆断。 这两个抵抗无法直接测量， 只能通过 其他方面进行猜测， 如从主缸测量的压力和液压马达速度上进行猜测。 液压马达 速度是常数， 因此发动机排量油流主缸可调整。 由于油泵的容量是一定的， 如果 对油流动速度进行调整会干扰液压动力系统的油压。 主缸的推进速度不能过低或 钻孔效率不够以致不能达到预期要求。基于上述原因，主缸和液压马达的速度的闭环不能成立。在钻井过程中，对 该控件进行有效调整， 根据煤、岩的硬度自动调节钻进速度 , 利用压力传感器将 反映煤、岩硬度的主油缸系统压力信息反馈到计算机系统 , 并由后者发出控制

8、指 令来调节主油缸的推进速度。在液压马达运行的过程中，如果速度出现异常缓慢的情况，这就表明，在钻 孔中的钻屑不能及时排除， 这会影响钻杆的运行。 在这种情况下， 液压马达停止， 钻杆回复原位，等钻屑排除时，液压马达重新开始运行，再次进行钻孔。3. 结构控制系统 该系统可根据操作者的命令和传感器的信号控制电磁阀 , 使钻机各部分按 指令完成自动钻进作业操作者在距钻场千米之外的遥控站进行遥控操作； 设在钻 场的主控站经远距离通信接受遥控站发来的指令进行相应的操作和处理 , 并将 钻机工况、 钻场环境参数等信息送到遥控站并由屏幕显示。 机器人化钻孔机控制 系统结构图如下所示：|n传器1111I-A/

9、D1-m出1Ji111一j1111(1"电 砒：1 1! f j111 jKJF8I* -| ；DJX-K7远段再信CPUii程通伯|人机搂口KEnionjF KO：h：2KJZ5诜控啊 ii电lr电翅團3电控暮故萸忑舟恂宪矿用监控站图是以80C552单片计算机为核心构成的本安型计算机控制系统。 负责采集、处理传感器信号，接受遥控站发来的各项指令，完成自检并将自检结 果送至遥控站，将钻机工况及环境参数发至遥控站。根据传感器的信号及遥控站 发来的指令形成算法，并输出控制信号去控制相关电磁阀，根据瓦斯传感器的 信号来判断瓦斯是否超限。当瓦斯超限时发出断电信号。矿用便携式遥控站图是以单片计

10、算机为核心的本安型计算机系统。主要功能是与主控站通信交换信息操作者由键盘输入操作指令，通过液晶字符显示器显 示环境参数、钻机状态、故障情况、进尺等信息设置深度、保存钻进深度、钻机 状态等数据掉电保护及工作时间计时等。因为时常改变钻孔方向，控制系统应该是被设计的尽可能的轻便可靠。其中 一个最重要的问题为电机设备在是煤矿爆炸保护。 有二个方法为在爆炸保护中保 护中国煤矿，一种是隔爆，另一种是本安防爆。为了适应机器人化钻孔机的需要， 根本安全结构用于控制系统设计。“基本安全''的意义是指在任何情况下电路的供电是否正常，短路或断路， 并且不能有可燃性的气体。能量限制大约是 0.028毫

11、焦。每一个控制系统的组成 部分应该是的使用功率应该非常低，因此不能使用通常计算机系统。在机器人化 钻孔机的控制系统，特别是两个计算机系统，主控站和遥控站的职能是实施了尽 可能充分的与软件一样降低了硬件的比例。控制系统硬件被划分为几个部分。这 些部件每个被相互隔离，以确保每一部分的基本安全。4. 容错和诊断电子设备在矿井的要求是非常苛刻的，例如电磁式干扰，电源的质量，等等。 在这种情况下计算机系统和通信系统容易地被干扰，并且错误很容易产生。为了抵抗干扰和增加可靠性所以在控制系统中使用一些有效手段。在通信系统通信内容是压缩的。数据流压缩以二进制编码，因此改正代码的比例在有限的通信 时候可以增加系统

12、改正错误的能力。数据被划分成永久数据和临时数据。永久数据一重复字节的形式保存以保证数据的可靠。最重要的数据在主控制站和遥 控站存放以保护数据免受损失。同时信号从传感器在三个重复模块被处理。 被 处理的结果互相比较保证结果的可靠。机器人化钻孔机的是一个复杂的系统， 它包括机械部分， 液压部分和电气部 分，以确保它可维护性， 计算机系统在实现故障诊断的基础上， 从传感器的发送 信号。分析每个的可能的错误是并用数据显示出来。机器人化钻孔机的有几十个这样的传感器并且发送来许多信号信息。 电脑内 存空间和基本安全的分析处理能力是有限的。 对于测量的液压元件都非线性， 因 此在机器人化钻孔机上不容易建立模

13、型。 基于上述原因， 电脑系统无法有效诊断 故障模型。因此在机器人化钻孔机的故障诊断都是在经验的基础上实施。5. 结论机器人化钻孔机是国家“ 863”资助的高技术术计划在煤炭行业首选的机器 人项目。根据工作限制， 在煤矿生产限制和故障诊断条件， 探索出煤矿开采机器 人基于智能方法的一些规则和经验的方式在中国的的发展。国家“ 八六三” 计划智能机器人主题专家组在验收评审决议中指出 , 此项成果“ 具有重大的科 学意义和实用价值”。6. 相关补充采掘工业是最艰苦的行业 , 安全一直是制约煤炭开采的关键问题 , 在采掘 作业、抢险救灾等危及人身安全或影响人员健康的工作环境引进机器人技术、 开 发特种

14、机器人是未来煤炭科技发展的一个必然趋势 , 这已是国内外众多专家的 共识。但是如何结合我国国情和煤炭工业发展的需求 , 怎样发展我国煤矿机器人 事业是需要认真、深入探讨的 , 特别是在迎接世纪到来之前 , 这种探讨尤为重 要。现结合研制机器人化自动钻机的体会 , 提出几点意见。1. 机器人化是开发煤矿机器人的主要途径采掘机械经过几十年的发展 , 在技术上已经成熟并在生产中发挥令人满意 的效用, 特别是随着自动化技术、 电子技术和计算机技术的发展 , 其自动化水平 也达到了一定程度。 因此对采掘机器人的开发没有必要另辟途径 , 而应是以现有 先进的采掘机械为基础 , 利用成熟的机器人技术对其进行

15、改造 , 使之成为机器 人化的采掘机械 , 机器人化自动钻机就是遵循这条技术路线实现的。2. 救灾机器人开发特种机器人 , 在灾害发生后代替救护人员深入灾区取得环境信息 , 对 制订救灾方案具有重要意义 , 目前在国外也只研制出试验样机尚未达到实用化 程度。研制此类机器人的关键技术 , 一是在机构设计 , 特别是行走机构 , 如何使 之在路面上跨越障碍和躲过空间的各种突然出现的障碍二是要有高能量、 高可靠 性且有足够能量的隔爆及本安型电池。3. 发展遥控技术 目前国外研制的在高温、高空、高压、核辐射以及有爆炸性气体环境下作 业的特种机器人都是采用遥控方式 , 这样可以降低对机器人智能化程度的要求 , 有利于降低造价和减少研制的难度 , 同时能充分发挥人在自动化系统中的主动 作用。在煤矿 , 不论是采掘机器人、 还是救灾机器人 , 基本上都应该采